噴射混凝土用無堿速凝劑的制備及性能的研究

王龍飛 李茜茜 董樹強 張琪 余京燴

摘要：研究速凝劑中各組分對凝結時間的影響，篩選出最佳合成比例，室溫條件下制備無堿速凝劑，并研究該無堿速凝劑的凝結時間、抗壓強度及對不同水泥的適應性。試驗結果表明，最優配比為：硫酸鋁、氟硅酸鎂、有機醇胺、絡合劑、水所占質量百分比分別為57%、7%、5%、1%、30%，所制得的無堿速凝劑采用不同水泥，摻量5%，初凝時間均不超過5min，終凝時間不超過10min，1d抗壓強度均大于10MPa，28天抗壓強度比均大于97%。

關鍵詞：無堿速凝劑；常溫合成；凝結時間；抗壓強度；適應性

Abstact：The effects of components in the alkalifree accelerator on the setting time and the optimum synthesis condition were studied in this paper. In addition， the setting time， compressive strength， and the adaptability of the optimum accelerator to different cements was discussed. The results show that， the optimum percentage of aluminum sulfate， magnesium fluosilicate， organic a Moreover， the setting time， organic alcohol amine， complexion agent and water is 57%， 7%， 5%， 1% and 30%， respectively. Furthermore， the dosage of alkalifree accelerator is 5%， the initial setting time less than 5 min， the finial setting time less than 10 min， the compressive strength of 1 day more over 10 Mpa， and the compressive strength ratio of 28 days more over 97%.

Keywords： alkalifree accelerator；room temperature synthesis； setting time；compressive strength； adaptability

隨著隧道、礦山、礦井巷道支護、堵漏等工程的大量建設，速凝劑的需求量也越來越大，而液體速凝劑的發展解決了傳統粉狀速凝劑粉塵大、回彈量大等問題，提高了噴射混凝土的施工質量。然而，目前工程上使用的液體速凝劑主要以有堿速凝劑為主，腐蝕性強，容易對生產人員和施工人員的身體健康造成傷害。除此之外，使用有堿速凝劑容易使得水泥在水化初期形成的鋁酸鹽水化物較為疏松，混凝土易發生堿集料反應，后期強度保留率低，不利于工程的建設。[13]因此，無堿液體速凝劑的開發應用越來越受到人們重視。

近年來，國內較多研究者對無堿速凝劑及其作用機理進行了研究，中國建筑材料科學研究總院王玲課題組[4]通過聚合硫酸鋁、醇胺、硫酸鎂、穩定劑和無機酸合成一種無堿液體速凝劑，摻量5%，水泥凝結時間達到一等品標準，1d 抗壓強度增加68%，28d 抗壓強度保留率為108.3%。此外，中國礦業大學的王棟民課題組[5]采用硫酸鋁、乙二胺四乙酸二鈉、多聚磷酸鈉、甘油和二乙醇胺等原料合成了一種有機無機復合的無堿液體速凝劑，采用基準水泥，摻量8%，達到一等品標準，且 28d抗壓強度比為109.9%。這些研究均大大降低了速凝劑的堿含量使之在施工使用中安全環保，且明顯提高了速凝劑的后期強度，對無堿速凝劑的發展具有重要意義。

然而，目前所研制的無堿速凝劑還存在容易產生沉淀、適應性較差、成本高、摻量高等問題。因此，研制一種具有促凝效果好、后期強度高、產品穩定性好、價格適宜的無堿速凝劑具有重要的意義。因此，本文在常溫條件下，通過研究各組分對凝結時間的影響，篩選出最佳合成比例，并對該無堿速凝劑的凝結時間、抗壓強度及對不同水泥的適應性進行評價。

1 試驗方法

1.1 合成

室溫下，將水和氟硅酸鎂按照一定比例加入到四口燒瓶中，待氟硅酸鎂溶解后，加入有機醇胺，攪拌10min后，將硫酸鋁分三批加入，時間控制在30min左右，添加結束后繼續攪拌1h。最后加入絡合劑攪拌20 min，制得無堿速凝劑。

1.2 檢測

依照標準《噴射混凝土用速凝劑》（JC4772005）對所制得無堿速凝劑的水泥凝結時間和水泥砂漿強度進行檢測。

2 結果與討論

2.1 速凝劑中各組分用量對水泥凝結時間的影響

通過考察速凝劑各組分硫酸鋁、氟硅酸鎂、有機醇胺、絡合劑在對水泥凝結時間的影響篩選出較佳的配方，其中，采用基準水泥，摻量5%，凝結時間隨各組分用量的變化曲線見圖1～4。

硫酸鋁是無堿速凝劑的主要促凝組分，不含堿，且Al3+對水泥水化有較好的促凝作用，如圖1所示，隨著硫酸鋁用量的增加，凝結時間先縮短后趨于平緩，表明硫酸鋁對水泥有較好的促凝作用，且隨著硫酸鋁用量的增加速凝劑樣品變稠穩定性差，當用量為60%時呈膏狀，綜合考慮，硫酸鋁用量為57%時促凝效果最佳。

圖2可見，隨著氟硅酸鎂用量的增加，凝結時間先增加后縮短最終趨于平緩，當氟硅酸鎂為7%時促凝效果最佳。摻用少量氟硅酸鎂凝結時間的延長可歸因于其水解產物可在水泥水化產物表面反應生成幾種晶體物質，阻止了水化反應的進行。而繼續增加氟硅酸鎂用量破壞了水化產物表面的覆蓋層，促進水泥水化反應。

圖3可見，隨有機醇胺用量的增加凝結時間先縮短后趨于平緩，有機醇胺用量最佳為5%。其中，凝結時間的縮短可歸因于醇胺的N原子有利于Al3+、Fe3+等的離子在水泥水化過程中形成的可溶的絡合物，從而提高水化產物擴散速率，促進了水泥的水化，縮短了凝結時間。

圖4可見，隨著絡合劑用量的增加，初凝時間變化較小，終凝時間先縮小后延長。絡合劑用量最佳為1%。這是由于絡合劑中的COO2能與Al3+絡合，形成的絡合物可溶性好，同時也抑制了Al3+的水解，因此，縮短了速凝劑的凝結時間并提高了其穩定性。

2.2 無堿速凝劑的基本性能研究

本文對優化后的最佳配方采用5中不同品種的水泥對其凝結時間、水泥砂漿強度和適應性進行了評價，結果見表1。

由表1可見，所制得無堿速凝劑采用5種水泥摻量5%均能滿足JC4772005一等品的要求，表明該產品具有較好的促凝效果和水泥適應性，同時該速凝劑1d抗壓強度均大于10MPa，28天抗壓強度比均大于97%，解決了有堿速凝劑后期強度保留率低的問題。

3 結論

（1）本文在室溫條件下制備了一種無堿速凝劑，通過研究各組分對速凝劑凝結時間的影響，確定最優合成條件為，硫酸鋁、氟硅酸鎂、有機醇胺、絡合劑、水所占質量百分比分別為57%、7%、5%、1%、30%。

（2）所制得無堿速凝劑具有較好的促凝效果和水泥適應性，同時該速凝劑1d抗壓強度均大于10MPa，28天抗壓強度比均大于97%，解決了有堿速凝劑后期強度保留率低的問題。

（3）該無堿速凝劑合成方法，簡單易操作，且無需熱源，環保節能。且所選用原材料環保無污染，價格低廉，降低了生產成本。

參考文獻：

[1]馬忠誠，汪瀾，馬井雨.噴射混凝土技術及其速凝劑的發展[J]混凝土，2014，12：126128.

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[4]甘杰忠.無氯無堿液體速凝劑的組成、性能及機理研究[D].中國建筑材料科學研究總院，2014.

[5]張述雄，王棟民，張力冉，逄建軍，李娟.一種新型無堿液態速凝劑的研究[J].硅酸鹽通報，2014，33（11）：29462951.