混凝土速凝劑的加入對混凝土性能影響研究

（廈門大學嘉庚學院，福建 龍海 363105）

0 引言

快速施工技術由于經(jīng)濟價值一直是建筑行業(yè)的重點關注。因此，早期強度快速發(fā)展在許多應用中非常重要，例如模板的快速移除、3D 打印、預應力混凝土、滑模和寒冷天氣混凝土澆筑。這類混凝土通常是通過使用凝固促進劑或硬化促進劑來制備的，

同時速凝劑也被用于地下結構。它能加速噴射混凝土，減少回彈損失，增加早期噴射混凝土強度，防止噴射混凝土因重力，縮短炮點層之間的間隔時間，從而提高施工安全性。大規(guī)模的隧道、礦山、鐵路、堵漏等工程的建設，對速凝劑的需求也在不斷增加。液體速凝劑的發(fā)展解決了粉塵大的問題傳統(tǒng)粉末速凝劑的大反彈，以及提高了噴射混凝土的施工質(zhì)量。

1 速凝劑對混凝土性能影響

噴射混凝土中使用的主要液體促進劑是富堿的無堿。富堿液體促進劑由堿金屬氫氧化物、堿金屬鋁酸鹽或硅酸鹽。它們主要將大量的Na+和OH 引入水泥。OH 離子與Ca2+，SO4反應液體中的Al3+水泥漿體，大大促進了早期鈣礬石或硫鋁酸鹽，從而達到快速硬化和早期強度的目的。富堿液速凝劑具有低成本、高早期的優(yōu)點但它們含有大量堿性物質(zhì)，容易造成后期力量嚴重喪失，誘發(fā)堿骨料反應，降低混凝土耐久性，對人體有很強的腐蝕性。為了緩解這些問題，開發(fā)了無堿液體促進劑并應用于噴射混凝土施工。根據(jù)使用速凝劑可以定義為“無堿”當其當量堿含量小于1%。

巖土工程中噴射混凝土部分速凝劑使含鋁相的水化速度非?？?，硬化后的混凝土結構疏松導致不利于水泥基材料的后期力學性能和耐久性，根據(jù)其反應機理，可分為3 種類型：1)快速生成大量量水化鋁酸鈣，2）快速生成大量鈣礬石，3）形成鋁酸鈣和鈣礬石。這種類型的速凝劑僅用于非結構混凝土構件。

Mengdie Niu[1]等制備了基于硫酸鋁的無堿液體促進劑(F-AS-AF 促進劑),研究了其對水泥、C3A 和C3S 的凝結時間和抗壓強度的影響。通過XRD 和TG對促進劑的機理進行了研究。結果表明，F(xiàn)-AS-AF 促進劑縮短了水泥的凝結時間，提高了水泥的早期和后期抗壓強度。加入F-AS-AF 促進劑后，Al3+與C3A 中的Ca2+和SO42-反應，迅速形成蝕刻石，Ca2+的消耗進一步促進了C3S的溶解和水化。

為研究物理硫酸鹽侵蝕（PSA）對含促進劑混凝土力學性能的影響，進行了三軸試驗[2]。在嚴格遵守中國標準的前提下，采用現(xiàn)場材料制備混凝土樣品。共測試了94 個速凝劑混凝土圓柱體樣品（ф50 mm×100 mm）。根據(jù)硫酸鹽溶液的濃度和浸泡時間將試樣分成四組。三軸試驗結果表明，低濃度硫酸鹽下的試樣在失效模型、應力應變曲線和強度性能上表現(xiàn)出化學硫酸鹽侵蝕的特征，而高濃度硫酸鹽下的試樣則產(chǎn)生獨特的物理硫酸鹽侵蝕特征。與化學硫酸鹽侵蝕相比，PSA 下的樣品顯示出不同的機械性能，特別是在靜態(tài)彈性模量和抗壓強度方面。PSA 導致加速混凝土樣品的靜態(tài)彈性模量呈比例下降趨勢。這種趨勢可以用體積應變模型的裂縫破壞應力閾值來解釋。用Mohr-Coulomb 失效準則來標定加速混凝土試樣在不同濃度的硫酸鹽溶液下的力學性能試驗結果。Mohr-Coulomb 準則中的內(nèi)聚力與暴露的D 數(shù)和Na2SO4溶液的濃度表現(xiàn)出一定的關系。

硬化水泥基材料的快速結構堆積和強度發(fā)展在很多場景下總是被寄予厚望，在這些場景下經(jīng)常使用促進劑[3]。Qiang Yuan[3]等通過研究使用不同促進劑的水泥澆注料的水化、結構堆積和強度發(fā)展。用靜態(tài)屈服應力的增長來表征1%納米二氧化硅的新鮮水泥漿的結構堆積。同時測定了漿料的熱工曲線、Zeta 電位和電導率以及砂漿的強度發(fā)展。結果表明，促進劑在不同階段和不同機制下促進C3S 或C3A 的反應。以彈性模量的增長或屈服應力超過累積水化熱來確定C-S-H 的力學效率，可能會對C-S-H 的效率給出錯誤的排序。除了C-S-H 凝膠的形成外，結構上的堆積可能來自于其他來源。

為了確定外加劑和速凝劑的最佳組合,以提高10°C 養(yǎng)護時混凝土的水平形去除強度(5MPa )考慮到單位水泥用量,使用單一和混合的化學外加劑和速凝劑;測定了坍落度、空氣含量和抗壓強度。摻合料和促進劑對混凝土強度的影響如下:Ad

圖1 不同鈣含量C3S 的等溫傳導量熱曲線[4]

圖2 養(yǎng)護溫度對混凝土強度的影響[4]

堿性的速凝劑雖高效但是對于混凝土的堿化作用并不是促進作用，與堿性速凝劑相比，無堿速凝劑具有一定的生態(tài)優(yōu)勢，但也存在額外的成本。Qi Xu等[5]設計了一個水化模型的形式對無堿速凝劑在硅酸鹽水泥中的化學作用機理進行了研究。在實驗中發(fā)現(xiàn)，與堿性的速凝劑相比，無堿的速凝劑在使用過程中開始階段對水化反應的促進小，水化反應發(fā)生慢，后期速度加快，強度也逐漸增加。De Belie 等[6]研究了超聲測量對噴射混凝土凝固和硬化監(jiān)測的好處。評估了速凝劑類型(堿性鋁酸鹽或無堿)和用量的敏感性，以及速凝劑與水泥的相容性。在脈沖速度開始大幅增加之前沒有發(fā)現(xiàn)休眠期，表明固相連通性發(fā)生了快速變化。堿性速凝劑的效果優(yōu)于無堿速凝劑，特別是在90分鐘以下。只有堿性速凝劑造成了抗壓強度的顯著降低。Yanliang Ji 等[7]在研究中將速凝劑(CPCA)加入混凝土中同時制作另外一組未加的混凝土空白樣對比凝結性能和機械強度通過實驗發(fā)現(xiàn)，前期混凝土的強度增加非?？欤磻俣冗h高于未加速凝劑的混凝土，但后期強度則有所降低。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，添加堿性促進劑的水泥漿體中氫氧化鈣可以很好地填充混凝土內(nèi)部的空腔。這使得含堿的混凝土速凝劑在同等情況下有較好的促進混凝土水化的效果，在噴射混凝土中也得到了很好的運用。

Ahmed M.等[8]的研究開創(chuàng)了自加速混凝土的概念。研究了在不同溫度下，摻加部分水化膠凝材料(預制膠凝材料和回收/未使用混凝土膠凝材料)對反應性粉末混凝土凝結硬化過程的影響。部分水化膠凝材料(PHCMs)的添加速率為質(zhì)量比的的25、33 和50%。同時還與加入含有氯基速凝劑(CAs)和不氯基速凝劑(NCAs)的混凝土也進行了測試以進行比較。結果表明，添加的PHCMs起到了凝結硬化的促進作用。摻有PHCMs 的混合物的早期抗壓強度與對照混合物和摻有加速劑的混合物相當或更高。微觀結構分析表明，PHCMs 的加入通過減少預誘導期在未水合硅酸三鈣周圍形成的保護層，增強了水合硅酸鈣的成核和再生過程。因此，使用PHCMs 為不需要加速外加劑的自加速混凝土鋪平了道路，為預制和現(xiàn)澆混凝土提供了一種安全經(jīng)濟的方法。

3 結論

現(xiàn)代混凝土中經(jīng)常使用許多輔助膠凝材料，導致早期強度較低。但是這樣帶來的結果是拆模明顯滯后，增加了成本，降低了施工效率。通過添加各種類型的速凝劑，早期強度可以得到提高，而不會損害其后期強度和耐久性。因此，這種類型的速凝劑在現(xiàn)代混凝土施工中得到了廣泛的應用。在為了獲得理想的早期強度發(fā)展，開發(fā)了多種促進劑和復合促進劑。這使得我們的快速施工技術得以進一步發(fā)展。