減水劑中緩凝組分對(duì)速凝劑性能的影響

劉瑋，王子明，陳家榮，李陽(yáng)輝，白進(jìn)利

（1.云南凱威特新材料股份有限公司，云南 昆明 650000；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100000）

0 引言

噴射混凝土是將膠凝材料、骨料等按照一定比例拌制的混凝土拌合物送入噴射設(shè)備，借助壓縮空氣或其它動(dòng)力輸送，高速噴射至受噴面所形成的一種混凝土。按照混凝土原材料的拌合方式和噴射狀態(tài)，噴射混凝土施工又分為干噴法和濕噴法兩大類[1]。液體速凝劑是噴射混凝土濕噴工藝中必不可少的外加劑，具有凝結(jié)硬化速度快、勻質(zhì)性好，施工速度快，施工粉塵少等優(yōu)點(diǎn)[2]。

根據(jù)堿含量，液體速凝劑可以分為堿性和無(wú)堿2大類[3]。堿性液體速凝劑主要成分為偏鋁酸鈉，無(wú)堿液體速凝劑主要成分為硫酸鋁。研究表明，鋁酸鹽類堿性速凝劑使水泥中的C3A迅速發(fā)生水化，析出水化鋁酸鈣實(shí)現(xiàn)速凝。硫酸鋁類無(wú)堿速凝劑通過(guò)促進(jìn)鈣礬石快速生成，實(shí)現(xiàn)促凝效果[4]。

減水劑是水泥混凝土中不可或缺的外加劑，在濕噴工藝的噴射混凝土中也不例外。加入減水劑能提高混凝土拌合物的流動(dòng)性[5]。通常情況下，減水劑中還會(huì)復(fù)配一些緩凝組分[6]，來(lái)確?；炷量梢栽谳^長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持良好工作性。緩凝劑根據(jù)化學(xué)成分可以分為無(wú)機(jī)類和有機(jī)類。常用的無(wú)機(jī)緩凝劑有磷酸鹽、偏磷酸鹽、硼砂、鋅鹽等，常用的有機(jī)緩凝劑有蔗糖、葡萄糖、葡糖糖酸鈉、酒石酸、檸檬酸、糖蜜等[7]。

在噴射混凝土使用時(shí)，這些減水劑中的緩凝組分如何影響到速凝劑的性能，目前還鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。有鑒于此，本文將制備堿性和無(wú)堿液體速凝劑，并研究蔗糖、葡萄糖酸鈉、糊精、檸檬酸、三聚磷酸鈉等減水劑中的常用緩凝組分對(duì)速凝劑性能的影響規(guī)律。為確保液體速凝劑的實(shí)際使用效果，及噴射混凝土施工中減水劑中緩凝組分的選擇提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

氫氧化鈉、氫氧化鋁、硫酸鋁、三乙醇胺、蔗糖、葡萄糖酸鈉、環(huán)糊精、檸檬酸、三聚磷酸鈉：均為分析純，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；氟硅酸鎂：工業(yè)級(jí)，昆明合起工貿(mào)有限公司。水泥：P·Ⅰ42.5基準(zhǔn)水泥，山東魯城水泥有限公司；標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；去離子水：自制。

1.2 速凝劑的制備

1.2.1 堿性速凝劑的制備

稱取500 g去離子水、240 g NaOH、260 g A（lOH）3置于帶攪拌裝置的三口燒瓶中，升溫至85℃，持續(xù)攪拌4 h，直至得到澄清液體，即得到堿性液體速凝劑。

1.2.2 無(wú)堿速凝劑的制備

將450 g去離子水、25 g氟硅酸鎂和55 g三乙醇胺加入帶攪拌裝置的三口燒瓶中，加熱至60℃。然后分批加入460 g硫酸鋁，攪拌2 h。最后滴加10 g檸檬酸溶液，攪拌至溶液澄清，即得到無(wú)堿液體速凝劑。

1.3 性能測(cè)試方法

1.3.1 凈漿凝結(jié)時(shí)間

速凝劑摻量為水泥質(zhì)量的6%，將緩凝劑（摻量亦按水泥質(zhì)量百分比計(jì)）及稱量好的水（140 g減去液體速凝劑中的水量）放入攪拌鍋中，用玻璃棒攪拌使緩凝劑充分溶解，再加入400g水泥。啟動(dòng)攪拌機(jī)攪拌，之后的操作按照GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》規(guī)定的制備摻液體速凝劑凈漿的方法進(jìn)行。

1.3.2 砂漿抗壓強(qiáng)度

將緩凝劑、稱量好的水（450 g減去液體速凝劑中的水量）放入攪拌鍋中，用玻璃棒攪拌使緩凝劑充分溶解，再加入900 g水泥，啟動(dòng)攪拌機(jī)攪拌，之后的操作按照GB/T 35159—2017規(guī)定的制備摻液體速凝劑受檢砂漿的方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩凝劑對(duì)摻堿性速凝劑凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響（見(jiàn)圖1、圖2）

圖1 緩凝劑摻量對(duì)摻堿性速凝劑凈漿初凝時(shí)間的影響

圖2 緩凝劑摻量對(duì)摻堿性速凝劑凈漿終凝時(shí)間的影響

由圖1、圖2可以看出，不同種類的緩凝劑對(duì)摻堿性速凝劑凈漿的凝結(jié)時(shí)間影響規(guī)律并不相同。蔗糖和葡萄糖酸鈉延長(zhǎng)了摻堿性速凝劑凈漿的初凝和終凝時(shí)間，并隨著摻量增加，凝結(jié)時(shí)間亦相應(yīng)延長(zhǎng)；環(huán)糊精和檸檬酸對(duì)摻堿性速凝劑凈漿的初、終凝時(shí)間影響較小，且摻量增加對(duì)凝結(jié)時(shí)間影響變化不大；三聚磷酸鈉則略微縮短了摻堿性速凝劑凈漿的初、終凝時(shí)間。其中蔗糖對(duì)摻堿性速凝劑凈漿的延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間作用最明顯，0.01%的摻量即導(dǎo)致?lián)綁A性速凝劑凈漿的凝結(jié)時(shí)間不合格。當(dāng)蔗糖摻量增加到0.08%時(shí)，初凝時(shí)間延長(zhǎng)了約10倍，終凝時(shí)間延長(zhǎng)約14倍，這可能與蔗糖對(duì)鋁酸鹽有超強(qiáng)的吸附能力并與鋁酸鹽形成絡(luò)合產(chǎn)物，影響了水化鋁酸鈣的形成有關(guān)。

2.2 緩凝劑對(duì)摻無(wú)堿速凝劑凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響（見(jiàn)圖3、圖4）

圖3 緩凝劑對(duì)摻無(wú)堿速凝劑凈漿初凝時(shí)間的影響

圖4 緩凝劑對(duì)摻無(wú)堿速凝劑凈漿終凝時(shí)間的影響

由圖3和圖4可以看出，除蔗糖外，其他4種緩凝組分都不同程度縮短了摻無(wú)堿速凝劑凈漿的初、終凝時(shí)間，且隨著摻量增加，促凝作用越明顯。蔗糖摻量小于0.04%時(shí)，縮短了摻無(wú)堿速凝劑凈漿的初、終凝時(shí)間；當(dāng)蔗糖摻量為0.04～0.07%時(shí)，則延長(zhǎng)了摻無(wú)堿速凝劑凈漿的凝結(jié)時(shí)間；當(dāng)蔗糖摻量大于0.07%時(shí)，又縮短了摻無(wú)堿速凝劑凈漿的凝結(jié)時(shí)間。

2.3 緩凝劑對(duì)摻堿性速凝劑砂漿早期強(qiáng)度發(fā)展的影響（見(jiàn)圖5、圖6）

圖5 緩凝劑摻量對(duì)摻堿性速凝劑砂漿1 d抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 緩凝劑摻量對(duì)摻堿性速凝劑砂漿3 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5和圖6可以看出：檸檬酸和三聚磷酸鈉在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)對(duì)摻堿性速凝劑砂漿1 d抗壓強(qiáng)度無(wú)不利影響；而檸檬酸、環(huán)糊精和蔗糖則隨著摻量增加，降低了摻堿性速凝劑砂漿的1 d抗壓強(qiáng)度，其中蔗糖對(duì)摻堿性速凝劑砂漿1d抗壓強(qiáng)度影響最大。蔗糖摻量為0.08%時(shí)，砂漿1 d抗壓強(qiáng)度僅為空白組的36%。試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，除高摻量（≧0.06%）的蔗糖外，緩凝劑對(duì)摻堿性速凝劑砂漿的3 d抗壓強(qiáng)度無(wú)不利影響。不同緩凝劑對(duì)摻堿性速凝劑砂漿早期強(qiáng)度的影響規(guī)律并不相同，例如摻環(huán)糊精會(huì)降低摻堿性速凝劑砂漿的1 d抗壓強(qiáng)度，但對(duì)3 d抗壓強(qiáng)度則有所提高。

2.4 緩凝劑對(duì)摻無(wú)堿速凝劑砂漿早期強(qiáng)度發(fā)展的影響（見(jiàn)圖7、圖8）

圖7 緩凝劑摻量對(duì)摻無(wú)堿速凝劑砂漿1 d抗壓強(qiáng)度的影響

圖8 緩凝劑摻量對(duì)摻無(wú)堿速凝劑砂漿3 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖7和圖8可以看出，在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，緩凝劑的摻入會(huì)降低摻無(wú)堿速凝劑砂漿的1 d抗壓強(qiáng)度，且摻量越多，1 d抗壓強(qiáng)度降幅越大。其中，檸檬酸降低摻無(wú)堿速凝劑砂漿1 d抗壓強(qiáng)度的作用最為明顯，當(dāng)檸檬酸摻量為0.08%時(shí)，1 d抗壓強(qiáng)度僅為空白組的52%。摻加緩凝劑可以不同程度提高摻無(wú)堿速凝劑砂漿的3 d抗壓強(qiáng)度，其中以摻葡萄糖酸鈉對(duì)提高砂漿3 d抗壓強(qiáng)度的效果最佳，提高最大幅度為30%。

2.5 緩凝劑對(duì)摻速凝劑砂漿28 d抗壓強(qiáng)度比的影響（見(jiàn)圖9、圖10）

由圖9可以看出：試驗(yàn)摻量下，檸檬酸、葡萄糖酸鈉、蔗糖對(duì)摻堿性速凝劑砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度比無(wú)不利影響；而環(huán)糊精和三聚磷酸鈉則會(huì)隨著摻量的增加而降低摻堿性速凝劑砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度比，當(dāng)三聚磷酸鈉的摻量為0.08%時(shí)，摻堿性速凝劑砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度比只為51%，遠(yuǎn)低于GB/T 35159—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 緩凝劑摻量對(duì)摻堿性速凝劑砂漿28 d抗壓強(qiáng)度比的影響

圖10 緩凝劑摻量對(duì)摻無(wú)堿速凝劑砂漿28 d抗壓強(qiáng)度比的影響

由圖10可以看出：試驗(yàn)摻量下，檸檬酸和三聚磷酸鈉對(duì)摻無(wú)堿速凝劑砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度比影響較小；蔗糖、環(huán)糊精、葡萄糖酸鈉則可以提高摻無(wú)堿速凝劑砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度比。其中以葡萄糖酸鈉對(duì)提高砂漿28 d抗壓強(qiáng)度比效果最為明顯。

3 結(jié)論

（1）隨著摻量的增加，蔗糖會(huì)嚴(yán)重延緩摻堿性速凝劑凈漿的初、終凝時(shí)間，并降低其砂漿的1 d抗壓強(qiáng)度。因此在選擇噴射混凝土減水劑中緩凝組分時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎使用蔗糖。不同種類的緩凝組分對(duì)摻堿性速凝劑凈漿的凝結(jié)時(shí)間和砂漿早期、后期強(qiáng)度發(fā)展的影響規(guī)律各不相同。綜合考慮凝結(jié)時(shí)間和早期、后期抗壓強(qiáng)度發(fā)展等因素，對(duì)于堿性速凝劑而言，選擇檸檬酸和葡萄糖酸鈉作為減水劑的緩凝組分更佳。

（2）在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，無(wú)堿速凝劑對(duì)減水劑中緩凝組分的適應(yīng)性要優(yōu)于堿性速凝劑，且絕大多數(shù)的緩凝組分都會(huì)縮短摻無(wú)堿速凝劑凈漿的初、終凝時(shí)間。本試驗(yàn)選擇的5種緩凝組分都會(huì)降低摻無(wú)堿速凝劑砂漿的1 d抗壓強(qiáng)度，但會(huì)不同程度地提高其3 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度比。綜合考慮凝結(jié)時(shí)間和早期、后期強(qiáng)度發(fā)展等因素，對(duì)于無(wú)堿速凝劑而言，選擇葡萄糖酸鈉、環(huán)糊精作為減水劑中的緩凝組分最佳，但應(yīng)嚴(yán)格控制緩凝組分的摻量。