新型混凝土速凝劑的性能試驗研究

郭文康 ，王述銀 ，肖開濤

（1.長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010；2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010）

0 引言

速凝劑憑借其在速凝、早強方面顯著的特點，已成為噴射混凝土重要組成材料之一[1]，廣泛應用于水利工程的地下洞室、地下廠房、邊坡支護、交通隧道和部分搶修工程。迄今為止，速凝劑主要經歷了從早期的堿性粉狀速凝劑到中期低堿速凝劑，再到近期的液態無堿速凝劑 （通常稱為 “新型速凝劑”）的發展過程[2]。由于傳統混凝土速凝劑不便于噴射混凝土濕法作業，且在凝結時間、早期抗壓強度、后期抗壓強度比、施工人身安全、揚塵和回彈量等方面存在明顯的缺陷，新型混凝土速凝劑憑借其優良的性能，正逐步取代傳統速凝劑，成為速凝劑領域的主流[3-5]。但我國至今仍未出臺針對新型混凝土速凝劑的性能檢驗方法，為了便于更好地了解新型混凝土速凝劑的性能特點，選擇了多個廠家生產的具有代表性的國內外速凝劑品種，參考歐洲相關標準，提出新的性能檢驗方法，驗證多種新型混凝土速凝劑的性能，并與傳統速凝劑的性能進行對比。

1 試驗方法與原材料

1.1 試驗方法探討

傳統速凝劑 （堿性粉狀速凝劑、液態低堿速凝劑）性能檢驗試驗方法選用我國建材行業標準JC447《噴射混凝土用速凝劑》。由于目前我國尚無專門針對液態無堿速凝劑的性能檢驗試驗規程，特參考 EN 934—5 《Admixtures for sprayed concrete》、BS EN196—1 《Methods of Testing Cement》 等歐洲標準，提出更加適合于新型混凝土速凝劑的試驗檢測方法和技術要求。

（1）試驗項目。由于新型混凝土速凝劑對水泥砂漿和混凝土后期強度影響較小，甚至還可使其有所提高，根據性能特點，在JC447的基礎上增加90 d抗壓強度和抗壓強度比C90/C028（C0為基準砂漿28 d抗壓強度，C90為摻速凝劑砂漿90 d抗壓強度）。

（2）凝結時間試驗方法。減水劑已成為現代混凝土工程中不可或缺的原材料，絕大部分噴射混凝土在施工過程中摻加了高效或者高性能減水劑。因此，在檢驗新型混凝土速凝劑凝結時間時，在JC447的基礎上，參考歐洲標準，根據所用減水劑的種類和性能適當摻加減水劑，同時將試驗用水量由160 mL降低至140 mL。初凝和終凝時間判斷方法為:從加水時起至試針沉入水泥凈漿中距底板1.0～2.0 mm所需時間為初凝時間，至試針沉入水泥凈漿中不超過1.0 mm時所需時間為終凝時間。

（3）膠砂強度試驗方法。在JC447的基礎上，增摻減水劑，并將灰砂比提高至1∶2.0，具體參數如下:水泥675 g、標準砂1350 g、拌合水338 g（扣除速凝劑中含水）。

1.2 試驗原材料

試驗采用華新 （東川）水泥股份有限公司生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥、ISO標準砂、巴斯夫化學建材 （中國）有限公司生產的GleniumSP-8CN（標準型）聚羧酸高性能減水劑，經品質檢驗滿足國家相關標準指標要求。速凝劑選用具有代表性的堿性粉狀和液態低堿速凝劑各1種，液態無堿速凝劑8種 （其中包括國外廠家生產的2種）。

2 新型混凝土速凝劑的性能

試驗為了驗證新型混凝土速凝劑的性能，特選擇了堿性粉狀速凝劑、液態低堿速凝劑各1種，其凝結時間、水泥膠砂強度等檢測結果見表1。8種新型混凝土速凝劑性能檢驗結果見表2。以下從新型混凝土凝結時間、水泥膠砂強度、抗壓強度比等方面進行分析。

2.1 凝結時間

從表1、2試驗結果可以看出，堿性粉狀速凝劑、液態低堿速凝劑和8種液態無堿速凝劑的凝結時間均能滿足JC447的技術標準要求；8種新型混凝土速凝劑凝結時間除AFA-3初凝時間稍長，AFA-5終凝時間稍長外，其余6種凝結時間均比較穩定，初凝時間在1 min 56 s～4 min 8 s之間，終凝時間在2 min 57 s～10 min 19 s。計算8種新型速凝劑的凝結時間的平均值，初凝和終凝平均值分別為2 min 46 s和6 min 42 s，與兩種傳統速凝劑的凝結時間比較差別不大，相比之下液態無堿速凝劑和液態低堿速凝劑的凝結時間略優于堿性粉狀速凝劑。

表1 傳統混凝土速凝劑性能檢驗結果

表2 新型混凝土速凝劑性能檢驗結果

2.2 水泥膠砂抗壓強度

摻8種新型混凝土速凝劑的各齡期水泥膠砂抗壓強度見圖1。從圖1可以看出，不同廠家生產的新型混凝土速凝劑1d膠砂抗壓強度在4.4～13.2 MPa之間，波動較大；28、90 d膠砂抗壓強度分別在39～44.3 MPa和47.5～54.9 MPa之間，抗壓強度均較高，且相對穩定。較高的后期抗壓強度是新型混凝土速凝劑的顯著特點之一。

圖1 不同品種新型混凝土速凝劑各齡期膠砂抗壓強度

計算8種新型速凝劑各齡期的膠砂抗壓強度平均值，1、28、90 d齡期分別為 9.2、41.7、50.5 MPa，與兩種傳統速凝劑的各齡期膠砂抗壓強度對比見圖2。由圖2可知，綜合來講，傳統速凝劑與新型速凝劑1 d膠砂抗壓強度差別不大，但新型混凝土速凝劑后期強度明顯高于傳統速凝劑，新型速凝劑90 d抗壓強度分別達到液態低堿速凝劑和堿性粉狀速凝劑的137%和154%。因此，新型速凝劑后期強度高且增長快，可以顯著提高摻液態無堿速凝劑混凝土的物理力學性能和耐久性。分別計算三種不同類型速凝劑各齡期的強度增長率，并對摻3種不同類型速凝劑的抗壓強度 （Rc）與齡期 （t）進行回歸分析，結果見表3。從表3可以看出，液態無堿速凝劑后期強度增長率遠大于傳統速凝劑；堿性粉狀速凝劑、液態低堿速凝劑和液態無堿速凝劑的各齡期膠砂強度增長規律均符合對數增長關系。

2.3 水泥膠砂抗壓強度比

圖2 不同類型混凝土速凝劑各齡期膠砂抗壓強度

摻8種液態無堿速凝劑的28、90 d抗壓強度比如圖3所示。從圖3可知，28 d抗壓強度比 （C28/C028）在89%～101%之間，90 d抗壓強度比 （C90/C028）在109%～126%之間，新型混凝土速凝劑對28 d抗壓強度無太大影響，90 d抗壓強度甚至高于基準強度10%～20%。

圖3 不同品種新型混凝土速凝劑各齡期膠砂抗壓強度比

計算8種新型速凝劑28 d和90 d齡期的膠砂抗壓強度比平均值，分別為95.4%和115.6%。不同類型速凝劑各齡期抗壓比比較見圖4。從圖4可以看出，液態無堿速凝劑28、90 d抗壓強度比均最大，液態低堿速凝劑次之，堿性粉狀速凝劑最低；三種速凝劑28、90 d齡期抗壓強度比均呈指數增長關系。

3 結論

（1）新型混凝土速凝劑在凝結時間、后期抗壓強度、后期抗壓強度比等方面明顯優于傳統速凝劑，且性能穩定，可廣泛應用于水利水電、交通、采礦、搶修等工程中。

（2）我國現有的建材行業性能檢驗標準JC447《噴射混凝土用速凝劑》已不適用于新型混凝土速凝劑，在此基礎上從檢測項目、凝結時間、抗壓強度比等方面探討了新型混凝土速凝劑的性能檢驗方法，新的試驗方法更加客觀的反應了新型混凝土速凝劑的優良性能，取得了較好的性能試驗效果。

表3 不同類型混凝土速凝劑膠砂強度與齡期之間的關系

圖4 不同類型混凝土速凝劑膠砂抗壓強度比

（3）液態無堿速凝劑在凝結時間上與傳統速凝劑相差不大，相比之下略優于傳統速凝劑。

（4）新型混凝土速凝劑對水泥膠砂28 d齡期抗壓強度影響較小，而后期強度增長較快，90 d抗壓強度甚至高于基準強度達10%～20%。

（5）堿性粉狀速凝劑、液態低堿速凝劑和液態無堿速凝劑的各齡期膠砂抗壓強度均呈對數增長關系。

（6）新型速凝劑28、90 d抗壓強度比均最大，液態低堿速凝劑次之，堿性粉狀速凝劑最低。堿性粉狀、液態低堿、液態無堿3種速凝劑28、90 d齡期抗壓強度比均呈指數增長關系。

［1］青義琢.混凝土速凝劑的研究成果與展望［J］.云南冶金，1998，27（1）:16-20.

［2］潘志華，閭文，程建坤.無堿液體速凝劑的性能及其促凝機理［J］.建井技術， 2006， 27（5）:25-29.

［3］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.

［4］曾康生，劉波.噴射混凝土添加劑研究現狀與發展趨勢［J］.中國煤炭， 1998， 24（5）:l8-24.

［5］VARLEY N.Research and development Experiences with the use of alkali free accelerators in Asia［J］.Tunnelling and Underground Space Technology.2006， 21（3-4）:409-456.