一種改性聚合硫酸鋁型速凝劑的適應性研究

陳鎮杉

(中國建材檢驗認證集團廈門宏業有限公司，廈門 361000)

速凝劑是能夠加快混凝土凝結和硬化速度的一種調凝劑。速凝劑在噴射混凝土、噴射砂漿及搶修補強工程、灌漿止水混凝土中應用廣泛，已成為必不可少的一種外加劑。近年來，濕法噴射混凝土工藝由于施工環境好、回彈量低、施工效率高等優點而逐步取代傳統的干噴工藝，得到了廣泛的應用。配合該施工工藝使用的速凝劑為液體速凝劑[1,2]。

該文采用工業級原料制備聚合硫酸鋁，并通過增效劑進行改性，制備出改性聚合硫酸鋁型液體速凝劑，并對其水泥適應性、溫度適應性進行研究，采用XRD和熱分析測試分析其促凝機理。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：基準水泥、華潤水泥(P.O42.5)、海螺水泥(P.O42.5)。2)改性聚合硫酸鋁型液體速凝劑：自制。3)砂：標準砂。

1.2 方法

1)速凝劑的制備 將工業級十八水合硫酸鋁與堿化劑A溶于水中，在80 ℃的水浴環境下攪拌反應至均勻穩定的聚合硫酸鋁溶液，再將增效劑B加入溶液中，繼續反應約60 min，即可獲得改性聚合硫酸鋁液體速凝劑，命名為CS-4液體速凝劑。

2)適應性試驗 速凝劑對水泥適應性及溫度適應性試驗，主要是研究速凝劑對不同水泥，以及在不同環境溫度下對水泥凝結時間及強度的影響，試驗方法參照JC477—2005《噴射混凝土用速凝劑》進行。

其中，速凝劑的溫度適應性試驗，需將水泥、標準砂、拌合水和速凝劑在對應的試驗溫度環境下存放1 d(當試驗溫度為0 ℃以下時，拌合水的溫度定為0 ℃)，再進行凝結時間測試和抗壓強度試件成型，抗壓強度試塊成型三組，每組三塊，其中一組在試驗溫度下養護1 d，測試1 d抗壓強度，另外兩組采用標準養護，分別測試1 d和28 d抗壓強度。

3)產物分析 將到達指定齡期的水泥凈漿采用無水乙醇終止水化，置于60 ℃真空干燥箱干燥2 d，再將樣品研磨，使之全部通過180目方孔篩，再進行XRD分析。

2 結果與討論

2.1 水泥適應性

圖1為CS-4速凝劑在不同摻量下對于基準水泥凝結時間的影響。從圖1可以看出，初凝時間隨著速凝劑摻量從4%增加到6%，略有縮短，而終凝時間對速凝劑摻量的變化比較敏感，當速凝劑從4%增加至4.5%時，終凝時間從900 s縮短至210 s，達到了一等品的要求，之后速凝劑逐步增加至6%，終凝時間變化較小，逐步縮短至150 s。對于基準水泥，速凝劑推薦摻量可為4.5%。

速凝劑在實際工程中的使用效果，往往受到水泥品種和實際施工水灰比的影響，試驗選取了華潤PO42.5和海螺PO42.5兩種水泥，分別用0.40和0.50兩種水灰比對速凝劑適應性進行測試，測試結果如表1所示。

表1 CS-4速凝劑對不同品種水泥的促凝效果

可以看出，CS-4速凝劑對這兩種常用的水泥表現出很好的適應性。在凝結時間方面，基準水泥的推薦速凝劑摻量為4.5%，而普通硅酸鹽水泥中由于含有少量混合材，凝結時間略有延遲，必須增大速凝劑摻量，對于華潤PO42.5和海螺PO42.5這兩種水泥，僅需將速凝劑摻量提高至5.5%，便可獲得速凝效果。在噴射混凝土施工中實際水灰比往往高達0.5，所以針對速凝劑在0.5水灰比下的速凝效果也進行了實驗，由表1可見，在0.5水灰比下，速凝劑摻量需增加至6.5%，才能起到促凝作用，且凝結時間略有延緩，初凝時間在3 min左右，終凝時間在7 min左右，仍基本滿足一等品對凝結時間的要求。

在強度方面，按JC477—2005《噴射混凝土用速凝劑》規定的方法對基準水泥、華潤PO42.5和海螺PO42.5三種水泥的強度進行測試，由表2可見，CS-4速凝劑對于不同水泥均具有很好的早強作用，此外，不同于傳統速凝劑后期強度損失大，CS-4速凝劑的28 d抗壓強度比均大于100%，保障了水泥的后期強度。

表2 CS-4速凝劑對不同品種水泥強度的影響

在某一實際工程施工中，使用華潤PO42.5水泥制備的噴射混凝土，總噴射209 m3混凝土，使用CS-4速凝劑5 000 kg，每方混凝土用水泥432 kg，水灰比約0.5，速凝劑摻量為水泥用量的5.5%，回彈率較低，促凝效果顯著。

2.2 溫度適應性

噴射混凝土實際施工應用中，往往會碰到冬季施工，低溫氣候的極端條件，這就要求速凝劑除了需要有水泥適應性外，還需要有溫度適應性，目前相關研究比較少[12-14]。溫度適應性包括兩點：1)液體速凝劑能在低溫下保持穩定，不變稠不凝固；2)液體速凝劑在低溫環境下施工，仍能具有促凝效果，保證噴射混凝土施工順利進行。

實驗研究了不同溫度下速凝劑對水泥的凝結時間和抗壓強度的影響，采用基準水泥進行試驗，測試了不同溫度下(-10～20 ℃)速凝劑的使用效果，結果如表3所示。

表3 CS-4速凝劑在不同試驗溫度下的促凝效果

由表3可看出，隨著試驗溫度的降低，產生促凝效果所需的速凝劑摻量逐步提高，試驗溫度為15 ℃、20 ℃時，速凝劑推薦摻量為4.5%，當溫度為5 ℃、10 ℃時，速凝劑推薦摻量為5.0%，而當溫度低至0 ℃、-5 ℃、-10 ℃時，速凝劑推薦摻量為5.5%。可見，當溫度從20 ℃降低至-10 ℃時，速凝劑摻量僅需從4.5%提高至5.5%，便可滿足促凝要求。此外，CS-4速凝劑保存在-10 ℃的環境下，不凝固不稠化，仍具有流動性。

圖2為不同試驗溫度下，采用對應推薦摻量速凝劑，對水泥1 d和28 d抗壓強度的影響。當采用試驗溫度進行養護時，1 d抗壓強度隨溫度降低而降低。以10 ℃為臨界點，當試驗溫度從20 ℃降低至10 ℃時，對應的1 d抗壓強度從11.9 MPa降低至8.7 MPa，降幅為27%，此時仍高于一等品要求的抗壓強度。但當試驗溫度從10 ℃降低至5 ℃時，抗壓強度從8.7 MPa急劇降低至1.5 MPa，降幅達到83%，此后隨著試驗溫度的逐步下降至-10 ℃，抗壓強度逐漸降低至0.2 MPa。而采用標準養護的情況下，1 d抗壓強度隨著試驗溫度的降低緩慢降低，試驗溫度由20 ℃降低至-10 ℃時，1 d抗壓強度從11.9 MPa降低至7.0 MPa，剛好滿足一等品要求的抗壓強度。在-10 ℃試驗環境下成型的抗壓試塊，在-10 ℃養護至1 d，抗壓強度僅為0.2 MPa，而采用標準養護，抗壓強度可高達7.0 MPa。以標準養護28 d抗壓強度來代表后期強度，由圖2可見，在保證充分養護的情況下，水泥得到充分的水化，試驗溫度的變化對水泥后期強度略微降低，試驗溫度為20 ℃時，28 d抗壓強度為35.4 MPa，當試驗溫度在-10～10 ℃時，28 d抗壓強度在32～34 MPa范圍內波動，強度下降不到10%。這說明了養護條件對于低溫施工的重要性。

2.3 速凝劑機理分析

制備未摻速凝劑的空白樣水泥漿R-0和摻入5%速凝劑的水泥漿R-1，水灰比均為0.4。將兩組水泥漿在5 min，1 h和1 d齡期進行取樣并終止水化，進行XRD測試，測試結果如圖3所示。

由XRD測試結果可以看出，摻入5%速凝劑的水泥漿在5 min齡期已生成大量的鈣礬石晶體，而未摻速凝劑的水泥漿直到1 d齡期才有微弱的鈣礬石衍射峰。另外，R-0的5 min和1 h齡期都有明顯的二水石膏衍射峰，而R-1的水泥漿在5 min時已無二水石膏衍射峰，說明速凝劑優先與水泥中的二水石膏反應生成大量鈣礬石，促進水泥漿凝結。同時，被消耗的石膏導致C3A水化迅速，也促進了水泥漿的凝結。

3 結 論

a.自制聚合硫酸鋁速凝劑具有良好的水泥適應性，針對不同的普通硅酸鹽水泥，在0.4和0.5水灰比條件下，摻量在4.5%～6.5%時能滿足JC477—2005《噴射混凝土用速凝劑》規定的一等品要求。

b.自制聚合硫酸鋁速凝劑具有良好的溫度適應性，當環境溫度從20 ℃降至-10 ℃時，速凝劑仍可穩定保存，摻量僅需從4.5%增加至5.5%，便能使凝結時間達到一等品要求。強度方面，低溫施工需要注意保持養護溫度，以保證噴射混凝土施工質量。

c.由XRD測試結果可以看出，自制聚合硫酸鋁速凝劑優先與水泥中的二水石膏反應生成大量鈣礬石，促進水泥漿凝結。同時，被消耗的石膏導致C3A水化迅速，也促進了水泥漿的凝結。