無堿液體速凝劑的制備與性能研究

逄魯峰 ，孫華強 ，周在波 ，付鵬

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南 250100；2.山東華迪建筑科技有限公司，山東 濟陽 251400）

0 前言

無堿（或低堿）液體速凝劑是一種噴射混凝土所使用的外加劑，能顯著縮短混凝土的凝結(jié)硬化時間。跟傳統(tǒng)堿性粉狀速凝劑相比，具有堿含量低、在拌合料中分散充分以及施工時空氣中粉塵濃度低等優(yōu)點，能有效減小在施工過程中對施工人員的腐蝕傷害，并且能提高噴射混凝土的強度和避免噴射混凝土的質(zhì)量大幅度波動。因此，開發(fā)液體無堿速凝劑以替代傳統(tǒng)速凝劑已成為當(dāng)前有關(guān)混凝土及施工技術(shù)方面研究的熱點之一[1-3]。

無堿速凝劑的主要成分為鋁鹽，對水泥有很好的速凝效果，但由于鋁鹽溶解度的限制，配制的飽和溶液固含量低，所以，滿足凝結(jié)時間要求需要的鋁鹽溶液摻量較大，而聚合硫酸鋁的固含量高，速凝效果更好，但穩(wěn)定性差，因此制備穩(wěn)定的聚合硫酸鋁體系是本文研究的重點，并對制備的無堿速凝劑性能進行了實驗探究，對指導(dǎo)實際施工應(yīng)用具有重要意義[4-5]。

1 試驗

1.1 原材料及主要試驗儀器

合成用主要用原材料:Al2（SO4）3·18H2O、氨水（NH3含量為28%）、三乙醇胺、乳酸、蒸餾水。

合成用主要儀器：JJ-1型增力電動攪拌器、1000 mL四口燒瓶、溫度計、聚四氟乙烯攪拌槳、燒杯、正大雙層過濾機、RT-25型實驗室冷凍低溫超細(xì)粉碎機。

1.2 聚合硫酸鋁的合成方法

將配制好的硫酸鋁和氨水水溶液，倒入裝有溫度計、攪拌器的四口燒瓶中，控制中和溫度為40℃，制備氫氧化鋁膠體溶液，將制得的膠體溶液過濾，用適量蒸餾水洗滌3次。再將過濾后得到的膠體置于65℃烘干箱烘數(shù)小時，將得到的烘干膠體磨細(xì)。稱取一定量的硫酸鋁置于四口燒杯中，加入適量水微熱溶解，再加入一定量的氫氧化鋁膠體粉末，加熱至80℃，直至膠體完全溶解，冷卻到室溫，即可得到聚合硫酸鋁。

1.3 試驗方案

考慮到穩(wěn)定性是液體速凝劑的一項重要指標(biāo)，通過此方法得到的聚合硫酸鋁在常溫下是極不穩(wěn)定的系統(tǒng)，放置幾個小時就有晶體析出。通過實驗考察聚合條件、幾種穩(wěn)定劑對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合它們對聚合硫酸鋁促凝效果的影響，選取比較合適的聚合條件與穩(wěn)定劑。最后通過正交試驗確定合適的工藝參數(shù)，制備穩(wěn)定時間在3個月以上的無堿液體速凝劑。

1.4 性能測試

1.4.1 試驗材料及儀器設(shè)備

水泥：基準(zhǔn)水泥 P·Ⅰ42.5、魯碧水泥 P·Ⅱ42.5、山水 P·Ⅱ42.5，中聯(lián)水泥P·Ⅱ42.5；水：自來水；無堿速凝劑：某市售進口無堿速凝劑A，具有低摻量、速凝性能好、強度損失低等特點。

水泥凈漿稠度儀：河北虹宇儀器有限公司；壓力試驗機：YES-2000，上海華龍測試儀器有限公司。

1.4.2 性能測試方法

性能測試參照J(rèn)C 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》進行。試驗中，速凝劑與拌合水均勻混合后一起加入，摻量為水泥用量的5%，拌合水量為總水量減去速凝劑中的水量。

砂漿的抗壓、抗折強度測試按GB/T 17671—2011《水泥膠砂強度檢驗方法》進行，收縮率測試按JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合條件對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響

2.1.1 硫酸鋁的濃度對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響

聚合反應(yīng)溫度設(shè)置為80℃，取5種不同濃度的硫酸鋁溶液配制聚合硫酸鋁，放置觀察其穩(wěn)定性。硫酸鋁濃度及穩(wěn)定性試驗結(jié)果見表1。

表1 硫酸鋁濃度對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響

從表1可以看出，隨著硫酸鋁濃度逐漸增大，制備得到的聚合硫酸鋁初始時都無析晶狀況，液體也為透明狀態(tài)，但穩(wěn)定性隨著硫酸鋁濃度增加會出現(xiàn)變差的情況，即隨著硫酸鋁濃度的增大，聚合硫酸鋁在較短時間內(nèi)失去流動性。

2.1.2 聚合反應(yīng)溫度對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響

取硫酸鋁濃度為20%，觀察不同聚合反應(yīng)溫度對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響，試驗結(jié)果見表2。

從表2可以看出，聚合反應(yīng)溫度對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性影響不大。在60～99℃時，制備的聚合硫酸鋁初始時都無析晶狀況，液體也為透明狀態(tài)，穩(wěn)定時間在16～20 h。

表2 聚合反應(yīng)溫度對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響

2.2 穩(wěn)定劑對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響

初期試驗發(fā)現(xiàn)，羧酸與有機物作為穩(wěn)定劑適當(dāng)?shù)膿饺雽酆狭蛩徜X有較好的穩(wěn)定效果，試驗主要研究乳酸（3-羥基-3-羧基戊二酸）、三乙醇胺的摻入對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響。將穩(wěn)定劑與氫氧化鋁膠體一起加入預(yù)先配制的硫酸鋁溶液中，在硫酸鋁濃度為20%，反應(yīng)溫度80℃的條件下，至溶液澄清。穩(wěn)定劑摻量按占聚合硫酸鋁總質(zhì)量的百分比計。

2.2.1 乳酸對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性影響（見表3）

表3 乳酸摻量對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響

從表3可以看出，乳酸對聚合硫酸鋁有一定的穩(wěn)定作用。乳酸摻量在1%～4%時，隨乳酸摻量的增加，聚合硫酸鋁的穩(wěn)定時間延長。乳酸摻量在4%時，穩(wěn)定時間可以達到16 d；摻量超過4%時，再增加乳酸摻量，聚合硫酸鋁的穩(wěn)定性沒有明顯改善。所以，單獨摻加乳酸作為穩(wěn)定劑，在摻量5%以內(nèi)無法得到穩(wěn)定時間達3個月左右的聚合硫酸鋁。

2.2.2 三乙醇胺對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響（見表4）

表4 三乙醇胺摻量對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性的影響

從表4可以看出，三乙醇胺對聚合硫酸鋁有一定的穩(wěn)定作用。當(dāng)三乙醇胺摻量為5%時，聚合硫酸鋁的穩(wěn)定時間可以達到38 d。摻量為7%～11%時，穩(wěn)定時間的變化不大；但當(dāng)摻量達到13%時聚合硫酸鋁的穩(wěn)定性反而變差。因此，三乙醇胺作為聚合硫酸鋁的穩(wěn)定劑的合適摻量為7%～11%。但單獨添加三乙醇胺作為穩(wěn)定劑時，仍然無法得到穩(wěn)定時間達3個月左右的聚合硫酸鋁。

2.3 無堿速凝劑CS-A的制備

根據(jù)以上聚合反應(yīng)條件和穩(wěn)定劑對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性以及速凝效果影響的試驗結(jié)果，選取硫酸鋁濃度、聚合反應(yīng)溫度、乳酸和三乙醇胺用量共4個因素，每個因素選3個水平進行正交試驗，考察無堿速凝劑摻量為6%時的穩(wěn)定性及其對基準(zhǔn)水泥的速凝效果。L9（34）正交試驗設(shè)計見表5，試驗結(jié)果與分析見表6。

表5CS-A制備的L9（34）正交試驗設(shè)計

表6 CS-A的合成配比正交試驗結(jié)果與分析

從表6可以看出：各因素對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性影響大小為：三乙醇胺用量＞乳酸用量＞聚合反應(yīng)溫度=硫酸鋁濃度；各因素對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性影響大小為：三乙醇胺用量＞聚合反應(yīng)溫度硫酸鋁濃度＞乳酸用量。穩(wěn)定性的最佳方案與速凝效果的最佳方案并不一致?？紤]到成本與環(huán)保問題，選擇在相對低硫酸鋁濃度條件下，制備穩(wěn)定性佳、速凝效果好的速凝劑。因此，選擇硫酸鋁濃度為22%，聚合反應(yīng)溫度為90℃，乳酸摻量為5%，三乙醇胺摻量為11%的條件制備速凝劑CS-A。

2.4 速凝劑對水泥的適應(yīng)性

為了考察CS-A對不同水泥的適用性，選用魯碧水泥P·Ⅱ42.5、山水 P·Ⅱ42.5、中聯(lián)水泥 P·Ⅱ42.5，分別用自制的CS-A、某市售進口無堿速凝劑A在相同室溫（20℃）、相同摻量條件下，進行了速凝劑的凝結(jié)時間和抗壓強度的適應(yīng)性試驗，結(jié)果見表7。

表7 不同速凝劑對水泥的適應(yīng)性對比

從表7可以看出，與某市售進口無堿速凝劑A相比，摻入自制的CS-A，3種水泥都可實現(xiàn)快速凝結(jié)硬化。魯碧水泥P·Ⅱ42.5，初凝時間、終凝時間、1 d、28 d抗壓強度均優(yōu)于摻速凝劑A；山水P·Ⅱ42.5水泥，初凝時間略遜于摻速凝劑A，但終凝時間、1 d抗壓強度、28 d抗壓強度優(yōu)于摻速凝劑A；中聯(lián)水泥P·Ⅱ42.5，1 d抗壓強度略遜于摻速凝劑A，但初凝時間、終凝時間優(yōu)于摻速凝劑A，28 d抗壓強度效果相同。摻入自制的CS-A具有良好的后期強度，28 d抗壓強度比均不小于100%，毫不遜色于進口無堿速凝劑A。

3 結(jié)語

（1）制備聚合硫酸鋁時，隨著硫酸鋁濃度的增大，得到的聚合硫酸鋁會在較短時間內(nèi)失去流動性；聚合反應(yīng)溫度對聚合硫酸鋁穩(wěn)定性影響不大。

（2）根據(jù)聚合硫酸鋁穩(wěn)定性分析和速凝效果測試，確定無堿速凝劑CS-A的最佳制備工藝參數(shù)為：硫酸鋁濃度為22%，聚合反應(yīng)溫度為90℃，乳酸摻量為5%。

（3）通過對不同水泥的適應(yīng)性試驗結(jié)果表明：自制的CSA對水泥有良好的適應(yīng)性，可實現(xiàn)快速凝結(jié)硬化。28 d抗壓強度比均不小于100%，毫不遜色于進口無堿速凝劑A。

[1] 周偉玲，張建綱.液體無堿速凝劑的制備與應(yīng)用技術(shù)研究[J].混凝土與水泥制品，2009（3）：6-8.

[2] 甘杰忠，王玲，田培，等.酸對硫酸鋁系列液體無堿速凝劑穩(wěn)定性影響[J].武漢：武漢理工大學(xué)學(xué)報，2014（2）：38-43.

[3] 潘志華，徐永東，吳承楨，等.水泥無堿速凝劑的研究[J].南京：南京化工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1997（2）：65-69.

[4] 黃斌.無堿速凝劑的凝結(jié)時間測試方法研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2016（9）：251-252.

[5] 溫國梁，姚學(xué)健，白梅榮.混凝土外加劑與水泥適應(yīng)性分析[J].混凝土，2010（10）：82-83.