一種改性聚合硫酸鋁型速凝劑的適應性研究

陳鎮(zhèn)杉

(中國建材檢驗認證集團廈門宏業(yè)有限公司，廈門 361000)

速凝劑是能夠加快混凝土凝結和硬化速度的一種調(diào)凝劑。速凝劑在噴射混凝土、噴射砂漿及搶修補強工程、灌漿止水混凝土中應用廣泛，已成為必不可少的一種外加劑。近年來，濕法噴射混凝土工藝由于施工環(huán)境好、回彈量低、施工效率高等優(yōu)點而逐步取代傳統(tǒng)的干噴工藝，得到了廣泛的應用。配合該施工工藝使用的速凝劑為液體速凝劑[1,2]。

該文采用工業(yè)級原料制備聚合硫酸鋁，并通過增效劑進行改性，制備出改性聚合硫酸鋁型液體速凝劑，并對其水泥適應性、溫度適應性進行研究，采用XRD和熱分析測試分析其促凝機理。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：基準水泥、華潤水泥(P.O42.5)、海螺水泥(P.O42.5)。2)改性聚合硫酸鋁型液體速凝劑：自制。3)砂：標準砂。

1.2 方法

1)速凝劑的制備 將工業(yè)級十八水合硫酸鋁與堿化劑A溶于水中，在80 ℃的水浴環(huán)境下攪拌反應至均勻穩(wěn)定的聚合硫酸鋁溶液，再將增效劑B加入溶液中，繼續(xù)反應約60 min，即可獲得改性聚合硫酸鋁液體速凝劑，命名為CS-4液體速凝劑。

2)適應性試驗 速凝劑對水泥適應性及溫度適應性試驗，主要是研究速凝劑對不同水泥，以及在不同環(huán)境溫度下對水泥凝結時間及強度的影響，試驗方法參照JC477—2005《噴射混凝土用速凝劑》進行。

其中，速凝劑的溫度適應性試驗，需將水泥、標準砂、拌合水和速凝劑在對應的試驗溫度環(huán)境下存放1 d(當試驗溫度為0 ℃以下時，拌合水的溫度定為0 ℃)，再進行凝結時間測試和抗壓強度試件成型，抗壓強度試塊成型三組，每組三塊，其中一組在試驗溫度下養(yǎng)護1 d，測試1 d抗壓強度，另外兩組采用標準養(yǎng)護，分別測試1 d和28 d抗壓強度。

3)產(chǎn)物分析 將到達指定齡期的水泥凈漿采用無水乙醇終止水化，置于60 ℃真空干燥箱干燥2 d，再將樣品研磨，使之全部通過180目方孔篩，再進行XRD分析。

2 結果與討論

2.1 水泥適應性

圖1為CS-4速凝劑在不同摻量下對于基準水泥凝結時間的影響。從圖1可以看出，初凝時間隨著速凝劑摻量從4%增加到6%，略有縮短，而終凝時間對速凝劑摻量的變化比較敏感，當速凝劑從4%增加至4.5%時，終凝時間從900 s縮短至210 s，達到了一等品的要求，之后速凝劑逐步增加至6%，終凝時間變化較小，逐步縮短至150 s。對于基準水泥，速凝劑推薦摻量可為4.5%。

速凝劑在實際工程中的使用效果，往往受到水泥品種和實際施工水灰比的影響，試驗選取了華潤PO42.5和海螺PO42.5兩種水泥，分別用0.40和0.50兩種水灰比對速凝劑適應性進行測試，測試結果如表1所示。

表1 CS-4速凝劑對不同品種水泥的促凝效果

可以看出，CS-4速凝劑對這兩種常用的水泥表現(xiàn)出很好的適應性。在凝結時間方面，基準水泥的推薦速凝劑摻量為4.5%，而普通硅酸鹽水泥中由于含有少量混合材，凝結時間略有延遲，必須增大速凝劑摻量，對于華潤PO42.5和海螺PO42.5這兩種水泥，僅需將速凝劑摻量提高至5.5%，便可獲得速凝效果。在噴射混凝土施工中實際水灰比往往高達0.5，所以針對速凝劑在0.5水灰比下的速凝效果也進行了實驗，由表1可見，在0.5水灰比下，速凝劑摻量需增加至6.5%，才能起到促凝作用，且凝結時間略有延緩，初凝時間在3 min左右，終凝時間在7 min左右，仍基本滿足一等品對凝結時間的要求。

在強度方面，按JC477—2005《噴射混凝土用速凝劑》規(guī)定的方法對基準水泥、華潤PO42.5和海螺PO42.5三種水泥的強度進行測試，由表2可見，CS-4速凝劑對于不同水泥均具有很好的早強作用，此外，不同于傳統(tǒng)速凝劑后期強度損失大，CS-4速凝劑的28 d抗壓強度比均大于100%，保障了水泥的后期強度。

表2 CS-4速凝劑對不同品種水泥強度的影響

在某一實際工程施工中，使用華潤PO42.5水泥制備的噴射混凝土，總噴射209 m3混凝土，使用CS-4速凝劑5 000 kg，每方混凝土用水泥432 kg，水灰比約0.5，速凝劑摻量為水泥用量的5.5%，回彈率較低，促凝效果顯著。

2.2 溫度適應性

噴射混凝土實際施工應用中，往往會碰到冬季施工，低溫氣候的極端條件，這就要求速凝劑除了需要有水泥適應性外，還需要有溫度適應性，目前相關研究比較少[12-14]。溫度適應性包括兩點：1)液體速凝劑能在低溫下保持穩(wěn)定，不變稠不凝固；2)液體速凝劑在低溫環(huán)境下施工，仍能具有促凝效果，保證噴射混凝土施工順利進行。

實驗研究了不同溫度下速凝劑對水泥的凝結時間和抗壓強度的影響，采用基準水泥進行試驗，測試了不同溫度下(-10～20 ℃)速凝劑的使用效果，結果如表3所示。

表3 CS-4速凝劑在不同試驗溫度下的促凝效果

由表3可看出，隨著試驗溫度的降低，產(chǎn)生促凝效果所需的速凝劑摻量逐步提高，試驗溫度為15 ℃、20 ℃時，速凝劑推薦摻量為4.5%，當溫度為5 ℃、10 ℃時，速凝劑推薦摻量為5.0%，而當溫度低至0 ℃、-5 ℃、-10 ℃時，速凝劑推薦摻量為5.5%?？梢?，當溫度從20 ℃降低至-10 ℃時，速凝劑摻量僅需從4.5%提高至5.5%，便可滿足促凝要求。此外，CS-4速凝劑保存在-10 ℃的環(huán)境下，不凝固不稠化，仍具有流動性。

圖2為不同試驗溫度下，采用對應推薦摻量速凝劑，對水泥1 d和28 d抗壓強度的影響。當采用試驗溫度進行養(yǎng)護時，1 d抗壓強度隨溫度降低而降低。以10 ℃為臨界點，當試驗溫度從20 ℃降低至10 ℃時，對應的1 d抗壓強度從11.9 MPa降低至8.7 MPa，降幅為27%，此時仍高于一等品要求的抗壓強度。但當試驗溫度從10 ℃降低至5 ℃時，抗壓強度從8.7 MPa急劇降低至1.5 MPa，降幅達到83%，此后隨著試驗溫度的逐步下降至-10 ℃，抗壓強度逐漸降低至0.2 MPa。而采用標準養(yǎng)護的情況下，1 d抗壓強度隨著試驗溫度的降低緩慢降低，試驗溫度由20 ℃降低至-10 ℃時，1 d抗壓強度從11.9 MPa降低至7.0 MPa，剛好滿足一等品要求的抗壓強度。在-10 ℃試驗環(huán)境下成型的抗壓試塊，在-10 ℃養(yǎng)護至1 d，抗壓強度僅為0.2 MPa，而采用標準養(yǎng)護，抗壓強度可高達7.0 MPa。以標準養(yǎng)護28 d抗壓強度來代表后期強度，由圖2可見，在保證充分養(yǎng)護的情況下，水泥得到充分的水化，試驗溫度的變化對水泥后期強度略微降低，試驗溫度為20 ℃時，28 d抗壓強度為35.4 MPa，當試驗溫度在-10～10 ℃時，28 d抗壓強度在32～34 MPa范圍內(nèi)波動，強度下降不到10%。這說明了養(yǎng)護條件對于低溫施工的重要性。

2.3 速凝劑機理分析

制備未摻速凝劑的空白樣水泥漿R-0和摻入5%速凝劑的水泥漿R-1，水灰比均為0.4。將兩組水泥漿在5 min，1 h和1 d齡期進行取樣并終止水化，進行XRD測試，測試結果如圖3所示。

由XRD測試結果可以看出，摻入5%速凝劑的水泥漿在5 min齡期已生成大量的鈣礬石晶體，而未摻速凝劑的水泥漿直到1 d齡期才有微弱的鈣礬石衍射峰。另外，R-0的5 min和1 h齡期都有明顯的二水石膏衍射峰，而R-1的水泥漿在5 min時已無二水石膏衍射峰，說明速凝劑優(yōu)先與水泥中的二水石膏反應生成大量鈣礬石，促進水泥漿凝結。同時，被消耗的石膏導致C3A水化迅速，也促進了水泥漿的凝結。

3 結 論

a.自制聚合硫酸鋁速凝劑具有良好的水泥適應性，針對不同的普通硅酸鹽水泥，在0.4和0.5水灰比條件下，摻量在4.5%～6.5%時能滿足JC477—2005《噴射混凝土用速凝劑》規(guī)定的一等品要求。

b.自制聚合硫酸鋁速凝劑具有良好的溫度適應性，當環(huán)境溫度從20 ℃降至-10 ℃時，速凝劑仍可穩(wěn)定保存，摻量僅需從4.5%增加至5.5%，便能使凝結時間達到一等品要求。強度方面，低溫施工需要注意保持養(yǎng)護溫度，以保證噴射混凝土施工質(zhì)量。

c.由XRD測試結果可以看出，自制聚合硫酸鋁速凝劑優(yōu)先與水泥中的二水石膏反應生成大量鈣礬石，促進水泥漿凝結。同時，被消耗的石膏導致C3A水化迅速，也促進了水泥漿的凝結。