新一代高性能無堿液態速凝劑的研制與應用

王朝友，惠海濤

（中鐵一局集團，陜西 西安 710054）

新一代高性能無堿液態速凝劑的研制與應用

王朝友，惠海濤

（中鐵一局集團，陜西 西安 710054）

本文介紹了 HT-WL 無堿液體速凝劑的制備工藝及性能特點，研究了其與不同地區、不同品牌水泥的適應性，并對比了其與萘系減水劑及與聚羧酸減水劑的適應性。HT-WL 無堿液體速凝劑制備工藝簡單，與各種水泥及減水劑之間均有很好的適應性，發展前景廣闊。

無堿速凝劑；研制；應用

0 前言

速凝劑是一種能使混凝土快速硬化的外加劑，是噴射混凝土不可缺少的外加劑之一。廣泛應于地下工程、礦山工程、引水工程、隧道工程、堤壩護坡加固及搶險工程等。傳統的速凝劑主要分為粉狀速凝劑和液態速凝劑。通過水解得到的強堿加速水泥水化速度并激發水泥中混合材料的活性，從而加速混凝土快速硬化。其大多適用于干噴施工工藝，其噴射質量難以得到保證，且粉塵量和回彈量均大，在質量控制、環境保護和職業健康要求更高的今天，干噴法已屬于淘汰的落后施工工藝了。近年來濕噴混凝土工藝由于質量有保證、回彈量低、不至于嚴重破壞施工環境及提高施工效率等優點逐步取代傳統的干噴工藝。目前市場上常用的液體速凝劑包括硅酸鈉、鋁酸鈉為主的堿性或低堿性液體速凝劑。高堿性速凝劑和堿金屬發生反應產生大量刺鼻的氣味對施工人員的身體傷害大，且強堿特性極易導致堿骨料反應造成混凝土強度降低，并導致混凝土開裂。其中堿性速凝劑摻入混凝土后，會使混凝土的后期強度明顯降低，抗滲等級下降。

本產品研發目的就是開發一種無堿液體速凝劑，拓寬速凝劑的適應性，既能滿足濕噴混凝土的速凝要求，又能實現綠色環保無污染的施工環境，在保證噴射混凝土質量穩定的同時，還能大大提高噴射混凝土的后期強度及抗滲等級。

1 HT-WL 無堿液體速凝劑的制備

1.1 原材料

本產品主要采用硫酸鋁，其它成分包括絡合劑、有效增強劑、pH 調節劑及有機胺等。

1.2 制備工藝

首先將 40g 硫酸鋁融入一定量的水中，然后在水浴或者油浴加熱條件下加熱，緩慢加入 5g 有機胺和 5g 的絡合物形成劑。然后在 70～80℃ 條件下反應 3 小時，隨后加入適量的有機增強劑攪拌均勻。降溫后得淡綠色透明液體即為無堿液體速凝劑。該產品含固量 50%、密度為 1.4g/cm3、pH 值3.2。

1.3 性能

由于本產品大量引入了三價的鋁離子和硫酸根離子，由于硫酸根離子和鋁離子與水泥原有的鋁酸三鈣及石膏共同反應成二水石膏和鈣礬石晶體，產生大量網狀結構的鈣礬石并放出水化熱，使混凝土漿體在短時間內快速凝結。

1.4 性能試驗

1.4.1 試驗方法

摻速凝劑的砂漿凝結時間和強度根據 JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》進行檢測，未摻速凝劑的水泥砂漿強度按照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂檢測法（ISO 法）》進行檢測。

1.4.2 試驗結果與影響

以基準水泥為膠凝材料性能試驗結果見表1。

由表1 可以看出 HT-WL 液態無堿速凝劑摻量大于 5% 能滿足 JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》標準中的合格品要求（初凝時間≤5min、終凝時間≤12min，1d 抗壓強度大于6.0MPa，28d 抗壓強度比大于 70%），隨著摻量的增大，水泥凈漿的凝結時間明顯縮短，且 1d 抗壓強度值和 28d 抗壓強度比能滿足 JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》一等品要求。本產品為無堿環保產品，無氯無堿砂漿早期強度只能增加膠凝材料摻量才能滿足一等品指標。

表1 HT-WL 液態無堿速凝劑的摻量對水泥凝結時間的影響

2 有機胺作為早強劑對本產品的影響

考慮到傳統的無機類早強劑大部分是以堿性鹽為主，對混凝土的早期強度有大大的提高，但是隨著堿含量的增加會對混凝土的耐久性產生負面影響，因此在本產品生產中使用有機胺替代了傳統的無機類早強劑。有機胺能加速水泥的水化，是一種水性催化劑，在本產品里面也是一種絡合劑。有機胺含量對速凝劑的穩定性和凝結時間影響見表2。

表2 有機胺含量對速凝劑的穩定性和凝結時間的影響

3 高分子增稠劑對本產品的性能影響

傳統的高堿液體速凝劑在噴射混凝土中由于回彈量比較高，造成極大的浪費，本產品結合施工現場需求通過試驗在本產品里引入一定量的高分子增黏成分提高液體速凝劑的粘聚力。通過試驗表明最佳引入量為 2% 時，可大大降低噴射混凝土回彈率，增加一次性噴射層厚度。

4 適應性

4.1 與不同區域、不同品種的水泥適應性

考察 HT-WL 液態無堿速凝劑與不同品種水泥的適應性，試驗結果見表3。

從表3 中可以看到，本產品對以上品種水泥有著良好的適應性，能夠使不同品牌不同區域普通硅酸鹽水泥凝結時間且強度滿足 JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》標準要求。本產品對不同水泥凝結時間和強度存在一些差異，也是因為水泥里的摻合料不同所致。在實際應用中，噴射混凝土的具體施工可根據水泥品種的不同調整速凝劑摻量來達到最佳效果。

表3 HT-WL 液態無堿速凝劑摻量在 6% 時不同水泥的凝結時間變化

4.2 與萘系減水劑及聚羧酸減水劑的適應性

由于施工的需要，需同時使用速凝劑和高效減水劑，在濕噴工藝中由于對混凝土的水灰比要求一般控制在 0.4 左右，坍落度一般控制在 80～120mm，坍落度一個小時的保留值符合規范要求，因此在配合比設計時需要加入一定量的高效減水劑來滿足施工要求。通過實驗，對傳統的萘系減水劑及 PC聚羧酸減水劑的適應性分析，如表4、表5 所示。

由表4、表5 可以看出來，HT-WL 液態無堿速凝劑和高效減水劑復合使用時，適當調整水灰比和速凝劑的摻量都可以使速凝劑符合 JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》標準要求。由于隧道施工在山區沒有充分的原材，利用就地取材，可能會用到機制砂，本身機制砂石粉含量大，導致了混凝土的膠凝材料增多，使混凝土漿體增大影響噴射混凝土的凝結時間。這對外加劑的適應性提出了很高的要求，通過實驗 HT-WL 液態無堿速凝劑可以很好地適應材料的變化，可以通過調整配合比達到濕噴的最佳效果。

表4 HT-WL 液態無堿速凝劑與傳統萘系減水劑適應性

表5 HT-WL 液態無堿速凝劑與PC 聚羧酸減水劑的適應性

5 結論

HT-WL 液態無堿速凝劑中所用的有機胺是一種很理想的早強物質，雖然促凝效果不是很明顯，但是有利于砂漿1天的強度增長，而且對產品的整體穩定性起到一定的作用。其效果受制備工藝、濕噴工藝、水膠比、混凝土配合比、試驗溫度及水泥質量的較大影響，不同的速凝劑摻入量都能滿足 JC-477—2005《噴射混凝土用速凝劑》標準要求的凝結時間和強度。本產品隨著摻量的增大，主要性能指標能達到或超過國內外同類產品，濕噴回彈能控制在 5%～10%，是目前國內市場理想的更新換代產品，有很廣闊的市場前景。

[1] 唐明，邱晴，王博．現代混凝土外加劑及摻合料[M]．沈陽：東北大學出版社，1999.6．

[2] 程良奎．噴射混凝土[M]．北京：中國建筑工業出版社，1990．

[3] JC477—2005．噴射混凝土及外加劑[S]．

[4] 程建坤．液體無堿速凝劑合成與研究[D]．南京：南京工業大學，2005．

［通訊地址］西安市雁塔北路 1 號（710054）

王朝友（1977—），遼寧建昌人，畢業于長安大學材料學院。