新一代高性能無堿液態(tài)速凝劑的研制與應(yīng)用

王朝友，惠海濤

（中鐵一局集團(tuán)，陜西 西安 710054）

新一代高性能無堿液態(tài)速凝劑的研制與應(yīng)用

王朝友，惠海濤

（中鐵一局集團(tuán)，陜西 西安 710054）

本文介紹了 HT-WL 無堿液體速凝劑的制備工藝及性能特點(diǎn)，研究了其與不同地區(qū)、不同品牌水泥的適應(yīng)性，并對比了其與萘系減水劑及與聚羧酸減水劑的適應(yīng)性。HT-WL 無堿液體速凝劑制備工藝簡單，與各種水泥及減水劑之間均有很好的適應(yīng)性，發(fā)展前景廣闊。

無堿速凝劑；研制；應(yīng)用

0 前言

速凝劑是一種能使混凝土快速硬化的外加劑，是噴射混凝土不可缺少的外加劑之一。廣泛應(yīng)于地下工程、礦山工程、引水工程、隧道工程、堤壩護(hù)坡加固及搶險(xiǎn)工程等。傳統(tǒng)的速凝劑主要分為粉狀速凝劑和液態(tài)速凝劑。通過水解得到的強(qiáng)堿加速水泥水化速度并激發(fā)水泥中混合材料的活性，從而加速混凝土快速硬化。其大多適用于干噴施工工藝，其噴射質(zhì)量難以得到保證，且粉塵量和回彈量均大，在質(zhì)量控制、環(huán)境保護(hù)和職業(yè)健康要求更高的今天，干噴法已屬于淘汰的落后施工工藝了。近年來濕噴混凝土工藝由于質(zhì)量有保證、回彈量低、不至于嚴(yán)重破壞施工環(huán)境及提高施工效率等優(yōu)點(diǎn)逐步取代傳統(tǒng)的干噴工藝。目前市場上常用的液體速凝劑包括硅酸鈉、鋁酸鈉為主的堿性或低堿性液體速凝劑。高堿性速凝劑和堿金屬發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生大量刺鼻的氣味對施工人員的身體傷害大，且強(qiáng)堿特性極易導(dǎo)致堿骨料反應(yīng)造成混凝土強(qiáng)度降低，并導(dǎo)致混凝土開裂。其中堿性速凝劑摻入混凝土后，會使混凝土的后期強(qiáng)度明顯降低，抗?jié)B等級下降。

本產(chǎn)品研發(fā)目的就是開發(fā)一種無堿液體速凝劑，拓寬速凝劑的適應(yīng)性，既能滿足濕噴混凝土的速凝要求，又能實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保無污染的施工環(huán)境，在保證噴射混凝土質(zhì)量穩(wěn)定的同時，還能大大提高噴射混凝土的后期強(qiáng)度及抗?jié)B等級。

1 HT-WL 無堿液體速凝劑的制備

1.1 原材料

本產(chǎn)品主要采用硫酸鋁，其它成分包括絡(luò)合劑、有效增強(qiáng)劑、pH 調(diào)節(jié)劑及有機(jī)胺等。

1.2 制備工藝

首先將 40g 硫酸鋁融入一定量的水中，然后在水浴或者油浴加熱條件下加熱，緩慢加入 5g 有機(jī)胺和 5g 的絡(luò)合物形成劑。然后在 70～80℃ 條件下反應(yīng) 3 小時，隨后加入適量的有機(jī)增強(qiáng)劑攪拌均勻。降溫后得淡綠色透明液體即為無堿液體速凝劑。該產(chǎn)品含固量 50%、密度為 1.4g/cm3、pH 值3.2。

1.3 性能

由于本產(chǎn)品大量引入了三價的鋁離子和硫酸根離子，由于硫酸根離子和鋁離子與水泥原有的鋁酸三鈣及石膏共同反應(yīng)成二水石膏和鈣礬石晶體，產(chǎn)生大量網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈣礬石并放出水化熱，使混凝土漿體在短時間內(nèi)快速凝結(jié)。

1.4 性能試驗(yàn)

1.4.1 試驗(yàn)方法

摻速凝劑的砂漿凝結(jié)時間和強(qiáng)度根據(jù) JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》進(jìn)行檢測，未摻速凝劑的水泥砂漿強(qiáng)度按照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂檢測法（ISO 法）》進(jìn)行檢測。

1.4.2 試驗(yàn)結(jié)果與影響

以基準(zhǔn)水泥為膠凝材料性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1 可以看出 HT-WL 液態(tài)無堿速凝劑摻量大于 5% 能滿足 JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》標(biāo)準(zhǔn)中的合格品要求（初凝時間≤5min、終凝時間≤12min，1d 抗壓強(qiáng)度大于6.0MPa，28d 抗壓強(qiáng)度比大于 70%），隨著摻量的增大，水泥凈漿的凝結(jié)時間明顯縮短，且 1d 抗壓強(qiáng)度值和 28d 抗壓強(qiáng)度比能滿足 JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》一等品要求。本產(chǎn)品為無堿環(huán)保產(chǎn)品，無氯無堿砂漿早期強(qiáng)度只能增加膠凝材料摻量才能滿足一等品指標(biāo)。

表1 HT-WL 液態(tài)無堿速凝劑的摻量對水泥凝結(jié)時間的影響

2 有機(jī)胺作為早強(qiáng)劑對本產(chǎn)品的影響

考慮到傳統(tǒng)的無機(jī)類早強(qiáng)劑大部分是以堿性鹽為主，對混凝土的早期強(qiáng)度有大大的提高，但是隨著堿含量的增加會對混凝土的耐久性產(chǎn)生負(fù)面影響，因此在本產(chǎn)品生產(chǎn)中使用有機(jī)胺替代了傳統(tǒng)的無機(jī)類早強(qiáng)劑。有機(jī)胺能加速水泥的水化，是一種水性催化劑，在本產(chǎn)品里面也是一種絡(luò)合劑。有機(jī)胺含量對速凝劑的穩(wěn)定性和凝結(jié)時間影響見表2。

表2 有機(jī)胺含量對速凝劑的穩(wěn)定性和凝結(jié)時間的影響

3 高分子增稠劑對本產(chǎn)品的性能影響

傳統(tǒng)的高堿液體速凝劑在噴射混凝土中由于回彈量比較高，造成極大的浪費(fèi)，本產(chǎn)品結(jié)合施工現(xiàn)場需求通過試驗(yàn)在本產(chǎn)品里引入一定量的高分子增黏成分提高液體速凝劑的粘聚力。通過試驗(yàn)表明最佳引入量為 2% 時，可大大降低噴射混凝土回彈率，增加一次性噴射層厚度。

4 適應(yīng)性

4.1 與不同區(qū)域、不同品種的水泥適應(yīng)性

考察 HT-WL 液態(tài)無堿速凝劑與不同品種水泥的適應(yīng)性，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3 中可以看到，本產(chǎn)品對以上品種水泥有著良好的適應(yīng)性，能夠使不同品牌不同區(qū)域普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時間且強(qiáng)度滿足 JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》標(biāo)準(zhǔn)要求。本產(chǎn)品對不同水泥凝結(jié)時間和強(qiáng)度存在一些差異，也是因?yàn)樗嗬锏膿胶狭喜煌?。在?shí)際應(yīng)用中，噴射混凝土的具體施工可根據(jù)水泥品種的不同調(diào)整速凝劑摻量來達(dá)到最佳效果。

表3 HT-WL 液態(tài)無堿速凝劑摻量在 6% 時不同水泥的凝結(jié)時間變化

4.2 與萘系減水劑及聚羧酸減水劑的適應(yīng)性

由于施工的需要，需同時使用速凝劑和高效減水劑，在濕噴工藝中由于對混凝土的水灰比要求一般控制在 0.4 左右，坍落度一般控制在 80～120mm，坍落度一個小時的保留值符合規(guī)范要求，因此在配合比設(shè)計(jì)時需要加入一定量的高效減水劑來滿足施工要求。通過實(shí)驗(yàn)，對傳統(tǒng)的萘系減水劑及 PC聚羧酸減水劑的適應(yīng)性分析，如表4、表5 所示。

由表4、表5 可以看出來，HT-WL 液態(tài)無堿速凝劑和高效減水劑復(fù)合使用時，適當(dāng)調(diào)整水灰比和速凝劑的摻量都可以使速凝劑符合 JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》標(biāo)準(zhǔn)要求。由于隧道施工在山區(qū)沒有充分的原材，利用就地取材，可能會用到機(jī)制砂，本身機(jī)制砂石粉含量大，導(dǎo)致了混凝土的膠凝材料增多，使混凝土漿體增大影響噴射混凝土的凝結(jié)時間。這對外加劑的適應(yīng)性提出了很高的要求，通過實(shí)驗(yàn) HT-WL 液態(tài)無堿速凝劑可以很好地適應(yīng)材料的變化，可以通過調(diào)整配合比達(dá)到濕噴的最佳效果。

表4 HT-WL 液態(tài)無堿速凝劑與傳統(tǒng)萘系減水劑適應(yīng)性

表5 HT-WL 液態(tài)無堿速凝劑與PC 聚羧酸減水劑的適應(yīng)性

5 結(jié)論

HT-WL 液態(tài)無堿速凝劑中所用的有機(jī)胺是一種很理想的早強(qiáng)物質(zhì)，雖然促凝效果不是很明顯，但是有利于砂漿1天的強(qiáng)度增長，而且對產(chǎn)品的整體穩(wěn)定性起到一定的作用。其效果受制備工藝、濕噴工藝、水膠比、混凝土配合比、試驗(yàn)溫度及水泥質(zhì)量的較大影響，不同的速凝劑摻入量都能滿足 JC-477—2005《噴射混凝土用速凝劑》標(biāo)準(zhǔn)要求的凝結(jié)時間和強(qiáng)度。本產(chǎn)品隨著摻量的增大，主要性能指標(biāo)能達(dá)到或超過國內(nèi)外同類產(chǎn)品，濕噴回彈能控制在 5%～10%，是目前國內(nèi)市場理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品，有很廣闊的市場前景。

[1] 唐明，邱晴，王博．現(xiàn)代混凝土外加劑及摻合料[M]．沈陽：東北大學(xué)出版社，1999.6．

[2] 程良奎．噴射混凝土[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990．

[3] JC477—2005．噴射混凝土及外加劑[S]．

[4] 程建坤．液體無堿速凝劑合成與研究[D]．南京：南京工業(yè)大學(xué)，2005．

［通訊地址］西安市雁塔北路 1 號（710054）

王朝友（1977—），遼寧建昌人，畢業(yè)于長安大學(xué)材料學(xué)院。