噴射混凝土用無堿速凝劑的制備及性能的研究

王龍飛 李茜茜 董樹強(qiáng) 張琪 余京燴

摘要：研究速凝劑中各組分對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響，篩選出最佳合成比例，室溫條件下制備無堿速凝劑，并研究該無堿速凝劑的凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度及對(duì)不同水泥的適應(yīng)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)配比為：硫酸鋁、氟硅酸鎂、有機(jī)醇胺、絡(luò)合劑、水所占質(zhì)量百分比分別為57%、7%、5%、1%、30%，所制得的無堿速凝劑采用不同水泥，摻量5%，初凝時(shí)間均不超過5min，終凝時(shí)間不超過10min，1d抗壓強(qiáng)度均大于10MPa，28天抗壓強(qiáng)度比均大于97%。

關(guān)鍵詞：無堿速凝劑；常溫合成；凝結(jié)時(shí)間；抗壓強(qiáng)度；適應(yīng)性

Abstact：The effects of components in the alkalifree accelerator on the setting time and the optimum synthesis condition were studied in this paper. In addition， the setting time， compressive strength， and the adaptability of the optimum accelerator to different cements was discussed. The results show that， the optimum percentage of aluminum sulfate， magnesium fluosilicate， organic a Moreover， the setting time， organic alcohol amine， complexion agent and water is 57%， 7%， 5%， 1% and 30%， respectively. Furthermore， the dosage of alkalifree accelerator is 5%， the initial setting time less than 5 min， the finial setting time less than 10 min， the compressive strength of 1 day more over 10 Mpa， and the compressive strength ratio of 28 days more over 97%.

Keywords： alkalifree accelerator；room temperature synthesis； setting time；compressive strength； adaptability

隨著隧道、礦山、礦井巷道支護(hù)、堵漏等工程的大量建設(shè)，速凝劑的需求量也越來越大，而液體速凝劑的發(fā)展解決了傳統(tǒng)粉狀速凝劑粉塵大、回彈量大等問題，提高了噴射混凝土的施工質(zhì)量。然而，目前工程上使用的液體速凝劑主要以有堿速凝劑為主，腐蝕性強(qiáng)，容易對(duì)生產(chǎn)人員和施工人員的身體健康造成傷害。除此之外，使用有堿速凝劑容易使得水泥在水化初期形成的鋁酸鹽水化物較為疏松，混凝土易發(fā)生堿集料反應(yīng)，后期強(qiáng)度保留率低，不利于工程的建設(shè)。[13]因此，無堿液體速凝劑的開發(fā)應(yīng)用越來越受到人們重視。

近年來，國(guó)內(nèi)較多研究者對(duì)無堿速凝劑及其作用機(jī)理進(jìn)行了研究，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院王玲課題組[4]通過聚合硫酸鋁、醇胺、硫酸鎂、穩(wěn)定劑和無機(jī)酸合成一種無堿液體速凝劑，摻量5%，水泥凝結(jié)時(shí)間達(dá)到一等品標(biāo)準(zhǔn)，1d 抗壓強(qiáng)度增加68%，28d 抗壓強(qiáng)度保留率為108.3%。此外，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的王棟民課題組[5]采用硫酸鋁、乙二胺四乙酸二鈉、多聚磷酸鈉、甘油和二乙醇胺等原料合成了一種有機(jī)無機(jī)復(fù)合的無堿液體速凝劑，采用基準(zhǔn)水泥，摻量8%，達(dá)到一等品標(biāo)準(zhǔn)，且 28d抗壓強(qiáng)度比為109.9%。這些研究均大大降低了速凝劑的堿含量使之在施工使用中安全環(huán)保，且明顯提高了速凝劑的后期強(qiáng)度，對(duì)無堿速凝劑的發(fā)展具有重要意義。

然而，目前所研制的無堿速凝劑還存在容易產(chǎn)生沉淀、適應(yīng)性較差、成本高、摻量高等問題。因此，研制一種具有促凝效果好、后期強(qiáng)度高、產(chǎn)品穩(wěn)定性好、價(jià)格適宜的無堿速凝劑具有重要的意義。因此，本文在常溫條件下，通過研究各組分對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響，篩選出最佳合成比例，并對(duì)該無堿速凝劑的凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度及對(duì)不同水泥的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 合成

室溫下，將水和氟硅酸鎂按照一定比例加入到四口燒瓶中，待氟硅酸鎂溶解后，加入有機(jī)醇胺，攪拌10min后，將硫酸鋁分三批加入，時(shí)間控制在30min左右，添加結(jié)束后繼續(xù)攪拌1h。最后加入絡(luò)合劑攪拌20 min，制得無堿速凝劑。

1.2 檢測(cè)

依照標(biāo)準(zhǔn)《噴射混凝土用速凝劑》（JC4772005）對(duì)所制得無堿速凝劑的水泥凝結(jié)時(shí)間和水泥砂漿強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 速凝劑中各組分用量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

通過考察速凝劑各組分硫酸鋁、氟硅酸鎂、有機(jī)醇胺、絡(luò)合劑在對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響篩選出較佳的配方，其中，采用基準(zhǔn)水泥，摻量5%，凝結(jié)時(shí)間隨各組分用量的變化曲線見圖1～4。

硫酸鋁是無堿速凝劑的主要促凝組分，不含堿，且Al3+對(duì)水泥水化有較好的促凝作用，如圖1所示，隨著硫酸鋁用量的增加，凝結(jié)時(shí)間先縮短后趨于平緩，表明硫酸鋁對(duì)水泥有較好的促凝作用，且隨著硫酸鋁用量的增加速凝劑樣品變稠穩(wěn)定性差，當(dāng)用量為60%時(shí)呈膏狀，綜合考慮，硫酸鋁用量為57%時(shí)促凝效果最佳。

圖2可見，隨著氟硅酸鎂用量的增加，凝結(jié)時(shí)間先增加后縮短最終趨于平緩，當(dāng)氟硅酸鎂為7%時(shí)促凝效果最佳。摻用少量氟硅酸鎂凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)可歸因于其水解產(chǎn)物可在水泥水化產(chǎn)物表面反應(yīng)生成幾種晶體物質(zhì)，阻止了水化反應(yīng)的進(jìn)行。而繼續(xù)增加氟硅酸鎂用量破壞了水化產(chǎn)物表面的覆蓋層，促進(jìn)水泥水化反應(yīng)。

圖3可見，隨有機(jī)醇胺用量的增加凝結(jié)時(shí)間先縮短后趨于平緩，有機(jī)醇胺用量最佳為5%。其中，凝結(jié)時(shí)間的縮短可歸因于醇胺的N原子有利于Al3+、Fe3+等的離子在水泥水化過程中形成的可溶的絡(luò)合物，從而提高水化產(chǎn)物擴(kuò)散速率，促進(jìn)了水泥的水化，縮短了凝結(jié)時(shí)間。

圖4可見，隨著絡(luò)合劑用量的增加，初凝時(shí)間變化較小，終凝時(shí)間先縮小后延長(zhǎng)。絡(luò)合劑用量最佳為1%。這是由于絡(luò)合劑中的COO2能與Al3+絡(luò)合，形成的絡(luò)合物可溶性好，同時(shí)也抑制了Al3+的水解，因此，縮短了速凝劑的凝結(jié)時(shí)間并提高了其穩(wěn)定性。

2.2 無堿速凝劑的基本性能研究

本文對(duì)優(yōu)化后的最佳配方采用5中不同品種的水泥對(duì)其凝結(jié)時(shí)間、水泥砂漿強(qiáng)度和適應(yīng)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見表1。

由表1可見，所制得無堿速凝劑采用5種水泥摻量5%均能滿足JC4772005一等品的要求，表明該產(chǎn)品具有較好的促凝效果和水泥適應(yīng)性，同時(shí)該速凝劑1d抗壓強(qiáng)度均大于10MPa，28天抗壓強(qiáng)度比均大于97%，解決了有堿速凝劑后期強(qiáng)度保留率低的問題。

3 結(jié)論

（1）本文在室溫條件下制備了一種無堿速凝劑，通過研究各組分對(duì)速凝劑凝結(jié)時(shí)間的影響，確定最優(yōu)合成條件為，硫酸鋁、氟硅酸鎂、有機(jī)醇胺、絡(luò)合劑、水所占質(zhì)量百分比分別為57%、7%、5%、1%、30%。

（2）所制得無堿速凝劑具有較好的促凝效果和水泥適應(yīng)性，同時(shí)該速凝劑1d抗壓強(qiáng)度均大于10MPa，28天抗壓強(qiáng)度比均大于97%，解決了有堿速凝劑后期強(qiáng)度保留率低的問題。

（3）該無堿速凝劑合成方法，簡(jiǎn)單易操作，且無需熱源，環(huán)保節(jié)能。且所選用原材料環(huán)保無污染，價(jià)格低廉，降低了生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

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