混凝土速凝劑的加入對(duì)混凝土性能影響研究

鄭世杰

健研檢測(cè)集團(tuán)有限公司 福建廈門(mén) 361100

噴射混凝土是一種借助壓力噴槍噴筑細(xì)砂石混凝土的施工工藝，噴射混凝土中經(jīng)常加入速凝劑是為了使新拌混凝土迅速凝結(jié)硬化，以提高噴射混凝土的早期強(qiáng)度，能夠及時(shí)的提供支護(hù)防固，尤其在修筑隧道時(shí)加固防護(hù)作用更為關(guān)鍵。我國(guó)目前大多數(shù)隧道工程中仍在使用堿性粉狀速凝劑和有堿液體速凝劑，其主要組分為硅酸鈉、氫氧化鈉和氫氧化鋁等。該類(lèi)速凝劑雖然能滿足噴射混凝土速凝的施工要求，但由于其堿含量過(guò)高且具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性會(huì)產(chǎn)生不利影響，使用時(shí)也會(huì)腐蝕施工工人皮膚，造成事故安全問(wèn)題。為了使速凝劑的性能特點(diǎn)在噴射混凝土中發(fā)揮更大的作用，近年來(lái)，科研人員對(duì)速凝劑的凝結(jié)性能、力學(xué)性能、穩(wěn)定性及安全環(huán)保性開(kāi)展了諸多研究工作[1]。

1 速凝劑對(duì)混凝土性能影響

噴射混凝土中使用的主要液體促進(jìn)劑是富堿的無(wú)堿。富堿液體促進(jìn)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-與Ca2+，SO4反應(yīng)液體中的Al3+水泥漿體，大大促進(jìn)了早期鈣礬石或硫鋁酸鹽，從而達(dá)到快速硬化和早期強(qiáng)度的目的。富堿液速凝劑具有低成本、高早期的優(yōu)點(diǎn)但它們含有大量堿性物質(zhì)，容易造成后期力量嚴(yán)重喪失，誘發(fā)堿骨料反應(yīng)，降低混凝土耐久性，對(duì)人體有很強(qiáng)的腐蝕性。為了緩解這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了無(wú)堿液體促進(jìn)劑并應(yīng)用于噴射混凝土施工。根據(jù)使用速凝劑可以定義為“無(wú)堿”當(dāng)其當(dāng)量堿含量小于1%。

硬化水泥基材料的快速結(jié)構(gòu)堆積和強(qiáng)度發(fā)展在很多場(chǎng)景下總是被寄予厚望，在這些場(chǎng)景下經(jīng)常使用促進(jìn)劑。通過(guò)研究使用不同促進(jìn)劑的水泥澆注料的水化、結(jié)構(gòu)堆積和強(qiáng)度發(fā)展。用靜態(tài)屈服應(yīng)力的增長(zhǎng)來(lái)表征1%納米二氧化硅的新鮮水泥漿的結(jié)構(gòu)堆積。同時(shí)測(cè)定了漿料的熱工曲線、Zeta電位和電導(dǎo)率以及砂漿的強(qiáng)度發(fā)展。結(jié)果表明，促進(jìn)劑在不同階段和不同機(jī)制下促進(jìn)C3S或C3A的反應(yīng)。以彈性模量的增長(zhǎng)或屈服應(yīng)力超過(guò)累積水化熱來(lái)確定C-S-H的力學(xué)效率，可能會(huì)對(duì)C-S-H的效率給出錯(cuò)誤的排序。除了C-S-H凝膠的形成外，結(jié)構(gòu)上的堆積可能來(lái)自于其他來(lái)源[2]。

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

Ad＜PC＜ePC-A＜ePC-B＜CaBr2+DEA（C4H11N02）＜CaBr2+NaSCN+DEA。

水泥摻量在330kg/m3及以上時(shí)，CaBr2+NaSCN+DEA可改善早期強(qiáng)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)展示不同鈣含量C3S的等溫傳導(dǎo)趨勢(shì)和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響?？梢?jiàn)該種速凝劑和摻合料的加入使得混凝土凝結(jié)速度加快有效改善早期強(qiáng)度。

堿性的速凝劑雖高效但是對(duì)于混凝土的堿化作用并不是促進(jìn)作用，與堿性速凝劑相比，無(wú)堿速凝劑具有一定的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，但也存在額外的成本。設(shè)計(jì)了一個(gè)水化模型的形式對(duì)無(wú)堿速凝劑在硅酸鹽水泥中的化學(xué)作用機(jī)理進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與堿性的速凝劑相比，無(wú)堿的速凝劑在使用過(guò)程中開(kāi)始階段對(duì)水化反應(yīng)的促進(jìn)小，水化反應(yīng)發(fā)生慢，后期速度加快，強(qiáng)度也逐漸增加。研究了超聲測(cè)量對(duì)噴射混凝土凝固和硬化監(jiān)測(cè)的好處。評(píng)估了速凝劑類(lèi)型（堿性鋁酸鹽或無(wú)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(kāi)始大幅增加之前沒(méi)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(wú)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(qiáng)度的顯著降低。在研究中將速凝劑（CPCA）加入混凝土中同時(shí)制作另外一組未加的混凝土空白樣對(duì)比凝結(jié)性能和機(jī)械強(qiáng)度通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，前期混凝土的強(qiáng)度增加非?？欤磻?yīng)速度遠(yuǎn)高于未加速凝劑的混凝土，但后期強(qiáng)度則有所降低。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，添加堿性促進(jìn)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(jìn)混凝土水化的效果，在噴射混凝土中也得到了很好的運(yùn)用[3]。

研究開(kāi)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(yù)制膠凝材料和回收/未使用混凝土膠凝材料）對(duì)反應(yīng)性粉末混凝土凝結(jié)硬化過(guò)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(shí)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(jìn)行了測(cè)試以進(jìn)行比較。結(jié)果表明，添加的PHCMs起到了凝結(jié)硬化的促進(jìn)作用。摻有PHCMs的混合物的早期抗壓強(qiáng)度與對(duì)照混合物和摻有加速劑的混合物相當(dāng)或更高。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，PHCMs的加入通過(guò)減少預(yù)誘導(dǎo)期在未水合硅酸三鈣周?chē)纬傻谋Ｗo(hù)層，增強(qiáng)了水合硅酸鈣的成核和再生過(guò)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(yù)制和現(xiàn)澆混凝土提供了一種安全經(jīng)濟(jì)的方法。

2 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代混凝土中經(jīng)常使用許多輔助膠凝材料，導(dǎo)致早期強(qiáng)度較低。但是這樣帶來(lái)的結(jié)果是拆模明顯滯后，增加了成本，降低了施工效率。通過(guò)添加各種類(lèi)型的速凝劑，早期強(qiáng)度可以得到提高，而不會(huì)損害其后期強(qiáng)度和耐久性。因此，這種類(lèi)型的速凝劑在現(xiàn)代混凝土施工中得到了廣泛的應(yīng)用。在為了獲得理想的早期強(qiáng)度發(fā)展，開(kāi)發(fā)了多種促進(jìn)劑和復(fù)合促進(jìn)劑。這使得我們的快速施工技術(shù)得以進(jìn)一步發(fā)展。