有堿無堿液體速凝劑雙摻性能的研究

馬強 左勇志 張巧麗 曹高品 閆光杰

摘 ?????要：研究了有堿無堿液體速凝劑雙摻的作用效果。測試了有堿無堿液體速凝劑雙摻時水泥的凝結時間、水泥膠砂的1?d抗壓強度、28?d抗壓強度比和90?d抗壓強度保留值。試驗結果表明，有堿無堿液體速凝劑雙摻時具有良好的速凝效果。有堿無堿液體速凝劑按照5∶5的質量比雙摻時，在摻量<5%的條件下，能夠滿足水泥的初凝時間<5?min、終凝時間<12?min;水泥砂漿的1?d抗壓強度>7.0?MPa，28?d抗壓強度比>90%，90?d抗壓強度保留值>100%。

關 ?鍵 ?詞：速凝劑;有堿無堿;雙摻

中圖分類號：TQ528.042 ?????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）11-2580-04

Study on the Property of Double-mixture of Alkali and

Alkali-free Liquid Flash Setting Admixture

MA Qiang¹， ZUO Yong-zhi¹， ZHANG Qiao-li¹， CAO Gao-pin¹， YAN Guang-jie²

（1. Beijing Building Construction Research Institute Co.， Ltd.， Beijng?100039，China;

2.?Department of Training and Research， Transport Management Institute of Ministry of Transport， Beijng?101601， China）

Abstract： The?effect of the double-mixture of alkali and alkali-free liquid flash setting admixture?was studied. The setting time of cement， 1 d compressive strength， 28?d compressive strength ratio and the retention value of 90 d compressive strength of cement mortar with alkali and alkali-free liquid flash setting admixture were measured. The results showed that， the property of the double-mixture of alkali and alkali-free liquid flash setting admixture was good. Under the condition that the dosage was less than 5% and the mixing mass ratio of the alkali and alkali-free liquid flash setting admixture was 5：5， the initial and final setting time of cement was less than 5 min and 12 min， respectively; the 1 d compressive strength of cement mortar was more than 7.0 MPa， the 28 d compressive strength ratio was more than 90%， the retention value of 90 d compressive strength was more than 100%.

Key words： Flash setting admixture; Alkali and alkali-free; Double-mixture

隨著我國高鐵、地鐵隧道項目的廣泛開展，噴射混凝土的使用達到了前所未有的高度，于此同時在軍事搶修、強建方面，噴射混凝土也具有十分廣闊的應用前景^[1]。濕噴混凝土在使用過程中出現的速凝劑摻量過高、混凝土凝結時間過長和后期抗壓強度過低等技術難題也日漸顯現出來。堿性速凝劑會加劇混凝土后期強度的損失，而無堿速凝劑摻量高，也不利于大量推廣應用^[2-4]。此外，我國水泥產量大，生產企業多，材料來源和水泥的礦物的差異，使得水泥與速凝劑的適應性問題非常突出^[5，6]。

以鋁酸鹽為主的堿性液體速凝劑其主要的作用機理如式下所示。

NaAlO₂+2H₂O →Al （OH）₃+NaOH????????（1）

2NaAlO₂+3CaO+7H₂O→3CaO·Al₂O₃·6H₂O+2NaOH（2）

在反應過程中產生了大量的NaOH，它能夠跟水泥中的石膏之間建立以下平衡關系：

2NaOH+CaSO₄→Ca（OH）₂+Na₂SO₄ （3）

速凝劑中的鋁酸鹽與水泥溶解的鈣離子發生水化反應，生成水化鋁酸鈣，并形成晶核，有利于C₃A的進一步水化反應。于此同時，速凝劑的水解打破了水溶液中酸堿平衡，使得水溶液的堿性增強，進而消除了CaSO₄的緩凝作用，水化熱大量釋放，促進了C₃S的水化^[7]。因此，堿性液體速凝劑的作用效果與水泥中石膏的溶解速度、C₃A的含量有著直接的關系，也是決定該類液體速凝劑水泥適應性的關鍵因素之一^[8，9]。

以硫鋁酸鹽為主的液體速凝劑其主要作用機理如下所示。

Al₂（SO₄）₃ + 3CaO + 5H₂O → 3CaSO₄·2H₂O + 2Al（OH）₃（4）

2NaAlO₂+ 3CaO+ 7H₂O → 3CaO·Al₂O₃·6H₂O +2NaOH（5）

3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 3CaSO₄·2H₂O +

24H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O（6）

速凝劑中的AL₂（SO₄）₃與液相中水泥水化溶出的大量Ca²⁺迅速發生化學反應，生成大量的鈣礬石，鈣礬石呈針棒狀結構，能夠促使水泥漿體迅速形成搭接;由于石膏被大量地消耗，鋁酸鹽水化反應加速，水泥漿體溫度迅速升高，進一步促進了水化反應^[2，7]。可見，由于無堿速凝劑自身含有大量的硫酸鋁，在鈣礬石生成階段受到水泥中的礦物影響較小，因此水泥適應性優于鋁酸鹽速凝劑^[10]。

從以上機理可以看出，AL₂（SO₄）₃和NaAlO₂是對于水泥的速凝起到主要作用的離子基團。因此，若能將這些離子一起加入水泥，將具有優良的速凝性能，同時，由于其作用機理的互補性，將給水泥帶來更加良好的適應性。

本研究的目的是解決目前預拌濕噴混凝土存在的速凝劑摻量過高、凝結時間過長和混凝土后期抗壓強度過低三者不匹配的技術難題。采用有堿無堿雙組分速凝劑的協同作用，使水泥水化進行二次加速反應，形成更多穩定型水化晶型，同時滿足工程需要的低摻量（<5%）、初凝時間短（<5?min）、高抗壓強度比（d₂₈>90%、d₉₀>100%）的技術要求。

1 ?實驗部分

1.1 ?試驗原材料

固含量50%的有堿液體速凝劑，市售價格2?600元/t;固含量為50%的無堿液體速凝劑，市售價格為2?400元/t。

基準水泥，華新P·O42.5水泥，尖峰P·O42.5水泥。

1.2 ?試驗方法

按照GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》規定的方法，測試摻速凝劑后水泥凈漿的凝結時間、水泥砂漿1?d抗壓強度、28?d抗壓強度比和90?d抗壓強度保留值。

2 ?試驗結果

2.1 ?有堿速凝劑和無堿速凝劑單摻對水泥凝結時間的影響

將有堿速凝劑和無堿液體速凝劑按照不同摻量分別加入到水泥凈漿中，不同摻量條件下速凝劑對水泥凝結時間的影響結果見表1。

表1給出了有堿、無堿液體速凝劑單摻對水泥凈漿凝結時間的影響，從表中可以看出，在單摻的條件下，有堿速凝劑達到5%的摻量時方可滿足GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》規程對凝結時間的要求。對無堿速凝劑而言，摻量則要達到6%時，才能滿足規程對凝結時間的要求。

2.2 ?有堿速凝劑和無堿速凝劑雙摻對水泥凝結時間的影響

采用同時摻入的方法將有堿、無堿液體速凝劑按照不同的質量比，依次加入到水泥凈漿中，不同摻量對水泥凝結時間的影響結果見表2。

表2給出了有堿速凝劑和無堿速凝劑雙摻時對水泥凈漿凝結時間的影響，從表中可以看出，有堿速凝劑和無堿速凝劑的雙摻時速凝效果顯著，當摻量達到4%時，水泥凈漿的凝結時間能夠達到GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》規程的要求。

同時從表2還可以看出，有堿速凝劑和無堿速凝劑雙摻時的比例對凝結時間的影響較大，兩者的比例在5∶5時，協同作用最為顯著，速凝效果達到最佳。

2.3 ?速凝劑的加入對水泥砂漿抗壓強度的影響

選用基準水泥測試不同種類的速凝劑對水泥砂漿抗壓強度的影響，將不同種類的速凝劑按照一定的摻量加入水泥膠砂中，依照GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》規定的方法，制備水泥膠砂試件并測試其不同齡期的抗壓強度，試驗結果如表3所示。

表3給出了有堿速凝劑和無堿速凝劑的摻入對水泥硬化砂漿抗壓強度的影響。從表中可以看出，有堿速凝劑的加入能夠顯著提高水泥砂漿1d抗壓強度，同時也降低了28?d抗壓強度比和90?d抗壓強度保留值。隨著有堿速凝劑摻量的增加，硬化砂漿1d抗壓強度值也隨之增大，而28?d抗壓強度比和90?d抗壓強度保留值卻呈現逐漸降低的趨勢，當摻量達到6%時，28?d抗壓強度比和90?d抗壓強度保留值均低于70%，無法滿足GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》規程對28?d抗壓強度比的要求。

表3顯示，無堿速凝劑的加入，對水泥硬化砂漿1?d抗壓強度和28?d抗壓強度比均有較大的影響，隨著無堿速凝劑摻量的增加，其水泥硬化砂漿1?d抗壓強度和28?d抗壓強度比也隨之顯著增長。更為明顯的是，無堿液體速凝劑的加入，大大增加了硬化砂漿后期的抗壓強度，使得水泥硬化砂漿28?d抗壓強度比超過了100%，90?d抗壓強度保留值也明顯高于110%。

當有堿速凝劑和無堿速凝劑雙摻時，水泥硬化砂漿1?d抗壓強度隨著摻量的增大而增大，而28?d抗壓強度比和90?d抗壓強度保留值卻隨之逐漸降低。在雙摻摻量不大于6%的條件下，水泥硬化砂漿1?d抗壓強度大于10?MPa，28?d抗壓強度比大于90%，90?d抗壓強度保留值大于100%，均能滿足GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》規程對硬化砂漿抗壓強度的技術要求。。

2.4 ?速凝劑對水泥的適應性

將有堿速凝劑和無堿速凝劑按照5∶5的質量比在不同摻量條件下依次加入到華新P·O42.5水泥和尖峰P·O42.5水泥中，依照GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》規定的方法，測試速凝劑對工程水泥的適應性，試驗結果見表4。

由表4可以看出，有堿無堿液體速凝劑按照5∶5的質量比摻加時，對工程用尖峰P·O42.5水泥和華新P·O42.5水泥都有較好的適應性，但適應性有所不同。

對于兩種水泥而言，隨著速凝劑摻量的增加，水泥凈漿的初凝時間呈現減少趨勢，且都能夠滿足<5?min的標準要求;終凝時間也隨速凝劑摻量的增加而減少，且能夠滿足<12?min的標準要求。水泥砂漿的早期強度隨速凝劑摻量的增加而增大，且滿足1天抗壓強度均大于7.0?MPa的標準要求。水泥砂漿的后期強度隨速凝劑摻量的增加而降低，其28?d抗壓強度比均滿足>90%的標準要求，90?d抗壓強度保留值也滿足>100%的標準要求。

有堿無堿液體速凝劑的協同作用對華新P·O42.5水泥的凝結時間的改變作用明顯，對尖峰P·O42.5水泥后期強度的提高方面作用顯著。

3 ?結果分析與討論

3.1 ?經濟可行分析

從試驗結果2可以看出，單摻有堿速凝劑5%時，凝結時間、砂漿抗壓強度能夠滿足國家相關標準。單摻無堿速凝劑達到6%時，凝結時間和砂漿抗壓強度能滿足國家相關標準。有堿無堿液體速凝劑按照5∶5的質量比雙摻時，4%的摻量便能滿足GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》規程對凝結時間和砂漿抗壓強度的要求。

新建玉磨鐵路南聯山1#隧道初支噴射混凝土配合比見表5。

如表5所示，C30初支噴射混凝土中有堿液體速凝劑的摻量為5%，單方速凝劑的用量為23.1?kg，折合速凝劑材料成本為60.06元/m³。

若改為無堿液體速凝劑施工，摻量則變為6%，折合速凝劑材料成本為66.53元/m³，相對有堿速凝劑成本增加10.8%。

若改為有堿無堿液體速凝劑按照5∶5的質量比施工，摻量則降為4%，折合速凝劑材料成本為46.2元/m³，相對有堿速凝劑成本下降23.1%。由此可見，有堿無堿液體速凝劑的雙摻施工能夠帶來更好的經濟效益。

3.2 ?技術可行性分析

傳統的混凝土濕噴機僅配有一套液體速凝劑計量添加設備，只適用于單一液體速凝劑的計量和添加，無法滿足兩種不同種類速凝劑的同時添加。

筆者已申請專利《一種用于雙組分液體速凝劑添加的噴射設備及施工方法》，針對液體速凝劑的噴射設備進行了改進，研究發明了擁有兩套獨立的液體速凝劑計量和添加的噴射設備，為有堿無堿液體速凝劑的同時添加提供了有力的技術支持。

4 ?結 論

（1）有堿速凝劑和無堿速凝劑雙摻時具有良好的促凝性能。

（2）有堿無堿液體速凝劑按照5∶5的質量比雙摻時，在摻量<5%的條件下，能夠滿足水泥的初凝時間<5?min、終凝時間<12?min;水泥砂漿的1?d抗壓強度>7.0?MPa，28?d抗壓強度比>90%，90?d抗壓強度保留值>100%。

（3）有堿無堿液體速凝劑雙摻時能夠創造更好的經濟效益，具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]?熊志卿，歐忠文，劉晉銘.超高韌性噴射混凝土研究進展[J].當代化工，2018，47（8）：1713-1716.

[2] 張建綱，喬艷靜，等.復合鋁酸鹽液體速凝劑的制備與性能[J].新型建筑材料，2012.12：77-79.

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

[4]?潘志華，程建坤.水泥速凝劑研究現狀及發展方向[J].建井技術，2005，26 （2）：22-27.

[5]?唐明述.節能減排應重視提高基建工程壽命[J].建材發展導向，2008（4）：1-6.

[6]?張建綱.噴射混凝土用液體速凝劑水泥適應性研究[J].隧道建設，2009（1）：6-9.

[7]?劉晨，龍世宗，鄔燕蓉，等.混凝土速凝劑促凝機理新探[J].建筑材料學報，2000（2）：175-181.

[8]?李國新，宋學峰，周文英，等.幾種協同增效組分對鋁酸鈉液體速凝劑作用效果的影響[J].混凝土，2005（4）：49-52.

[9]?劉進強，王子明.聚羧酸系減水劑與早強組分的復合性能研究[J].混凝土，2008，7：58-59.

[10]潘志華，程建坤.水泥速凝劑研究現狀及發展方向[J].建井技術，2005（4）：22-28.