新型液體無堿速凝劑的制備及性能研究

2019-09-10 07:22:44龍福國任俊鵬趙君王毓吳坤蔡榮金

現代鹽化工 2019年6期

龍福國任俊鵬趙君王毓吳坤蔡榮金

摘? ?要：通過以氨水、硝酸鋁、二乙醇胺、硫酸鋁、氟硅酸鎂、磷酸為主要原料合成無堿液態速凝劑，研究在無堿速凝劑中加入各組分的不同質量分數對水泥凝結時間的影響。試驗結果表明，硫酸鋁、氟硅酸鎂、氫氧化鋁、二乙醇胺、磷酸所占最佳質量分數分別為54%，5%，20%，2.7%，3.7%。在無堿速凝劑的摻量占7%時，初凝時間為接近3 min，終凝時間為5 min 30 s左右，1 d后的抗壓強度為3.4 MPa，28 d抗壓強度為23.2 MPa，性能滿足合格品要求。

關鍵詞：硫酸鋁;氟硅酸鎂;液態無堿速凝劑;氫氧化鋁溶膠;凝結時間;抗壓強度

摻入混凝土中能促進水泥或混凝土快速凝結硬化的外加劑被稱為速凝劑，廣泛應用于井巷、隧道等工程錨噴支護、堵漏和搶修工程中。速凝劑種類很多，根據速凝劑的性質和狀態，大致可將其分為：堿性粉狀、無堿粉狀、堿性液態和無堿液態[1-2]。

目前，我國速凝劑主要是高堿粉狀速凝劑，存在回彈量大、粉塵多、添加不均勻等缺點[3]，不僅傷害施工人員身體，而且對混凝土后期強度發展很不利[4-5]。最初研制的速凝劑中大多含有堿金屬離子，由于含堿量較高，速凝的同時產生了很多負面影響。大量研究者試圖通過在速凝劑中摻加其他組分或者尋找其他物質來替代堿金屬鹽類，以降低速凝劑的堿含量，最終發現硫酸鋁可替代傳統速凝劑中的堿金屬鹽類。硫酸鋁本身不含堿金屬離子，且含有大量對水泥速凝水化有利的鋁離子，已成為國內外速凝劑組分研究中的熱點[6]。我國研制的無堿（低堿）液體速凝劑目前仍處于初級階段，有產品種類少、價格昂貴、綜合性能差、含氯離子等問題，有待更進一步研究[7-9]。堿性液體速凝劑摻入混凝土后，會使噴射混凝土的后期強度明顯降低、抗滲等耐久性能下降，而液體無堿（低堿）速凝劑則可以提高噴射混凝土的后期強度、提高抗滲能力[10-12]。

本研究中無堿液體速凝劑是以硫酸鋁和氫氧化鋁為主要原料、二乙醇胺及磷酸作為輔助原料合成。同時，在合成的無堿速凝劑中加入氟硅酸鎂，低摻量時對水泥和混凝土有較好的促凝作用，改善了傳統堿性速凝劑存在的缺陷。

1? ? 實驗

1.1? 實驗藥品

試劑：A.R氨水（重慶茂業化學試劑有限公司）;A.R硝酸鋁（成都金山化學試劑有限公司）;A.R二乙醇胺（天津市致遠化學試劑有限公司）;A.R基準水泥（山東魯城水泥有限公司）;A.R硫酸鋁（廣漢市聚力化學試劑有限公司）;A.R氟硅酸鎂（天津市化學試劑有限公司）;A.R磷酸（重慶川東化學試劑有限公司）。

1.2? 氫氧化鋁溶膠的制備

分別配制出不同質量濃度的硝酸鋁溶液和氨水溶液，先將硝酸鋁溶液倒入四頸燒瓶內，然后再緩慢地把氨水滴入硝酸鋁溶液中，直到能夠明顯觀察到黏稠狀溶膠為止，記錄消耗氨水溶液的體積。將反應生成的氫氧化鋁溶膠在磁力攪拌器上攪拌，并將之置于75 ℃的水浴鍋中熟化至少6 h。由具體的質量濃度比和消耗氨水溶液的量實驗可知在硝酸鋁溶液與氨水溶液兩者間質量濃度比為1∶2時，制得的氫氧化鋁溶膠放置時間最長，放置天數大于25天。

1.3? 無堿速凝劑的制備

在帶有攪拌棒的四頸燒瓶內，65 ℃下依次加入水、硫酸鋁、氟硅酸鎂，待完全溶解后，再往其中加入上面自制的氫氧化鋁溶膠，最后加入磷酸、二乙醇胺，即得到無色透明的溶液，讓其進一步聚合、熟化，即得到無堿液態乳白色速凝劑。

1.4? 測試方法

本實驗用GB 1346—2001型水泥凈漿攪拌器制造水泥凈漿試樣;利用水泥凝結速度快慢測定材料的初、終凝時間;用JJ-5型水泥膠砂攪拌器及ZT-96型水泥膠砂振動臺制備尺寸為40×40×160 mm膠砂樣品，并置于YH-40B水泥恒溫恒濕標準養護箱中進行養護處理;使用TYE—2000壓力試驗機對材料的抗壓強度進行測定。嚴格依據標準《噴射混凝土用速凝劑》（JC 477—2005）進行測定。

2? ? 結果與討論

2.1? 硫酸鋁質量分數對水泥凝結時間的影響

圖1所示為硫酸鋁對水泥凝結時間的影響，在摻量為7%、硫酸鋁的質量分數在48%～54%時，初凝時間呈下降趨勢，終凝時間呈先下降后上升再下降趨勢。在質量分數54%時，初凝時間降至195 s，終凝時間降至354 s，水泥的初、終凝時間達到最短，性能相對最好。當質量分數超過54%時，凝結時間都有一定程度的上升。而且，實驗發現，當硫酸鋁不斷增加時，本身溶解度會大幅度降低，并出現白色固體，速凝劑穩定時間變短，因此，硫酸鋁的量并不是越多越好。

2.2? 氫氧化鋁溶膠對水泥凝結時間的影響

圖2所示為氫氧化鋁溶膠對凝結時間的影響，在摻量為7%、氫氧化鋁質量分數在13%～20%時，曲線呈下降趨勢且下降的速度很快，凝結時間快速縮短。在摻量20%時，初、終凝時間分別為158 s，268 s，凝結時間最短。當摻量大于20%后，凝結時間緩慢增加。而且，氫氧化鋁溶膠為該速凝劑提供盡可能多的Al3+，隨著Al3+不斷改變，水泥凝結時間也有很大變化，但過多Al3+會抑制水泥凝結時間。

2.3? 二乙醇胺對水泥凝結時間的影響

二乙醇胺對水泥凝結時間的影響如圖3所示，在摻量為7%時，不同的二乙醇胺質量分數（1.5%～6.9%）對水泥初凝、終凝時間的影響。隨著二乙醇胺的摻量增加，凝結時間逐漸縮短且很快出現較短的初、終凝時間。在摻量為2.7%時，初、終凝時間分別為150 s，340 s;當摻量大于2.7%，凝結時間反而被抑制，故二乙醇胺不宜過多。醇胺作為有機早強劑，能加速水泥的水化，可以作為水化催化劑。實驗中加入二乙醇胺既能起到促凝的作用，又能增大砂漿的抗壓強度。實驗發現將少量的適當有機物加入無機速凝劑中，在顯著改變料漿的黏聚性能的同時也能縮短水泥的凝結時間。

2.4? 氟硅酸鎂對水泥凝結時間的影響

氟硅酸鎂對水泥凝結時間的影響如圖4所示。由圖4可知，在摻量為7%時，低摻量的氟硅酸鎂對水泥和混凝土性能有較好的促凝作用;當摻量達到5%左右時，初凝時間降至183 s，終凝時間降至318 s。隨著摻量的增加，凝結時間變長。氟硅酸鎂可以很好地彌補水泥耐久性不足的缺點，在速凝劑中加入氟硅酸鎂，不僅能提高水泥的硬度，也能提高抗腐蝕性。

2.5? 磷酸質量分數對水泥凝結時間的影響

磷酸質量分數對水泥凝結時間的影響如圖5所示，在摻量為7%、磷酸質量分數在1.2%～3.7%時，凝結時間呈下降趨勢。當磷酸質量分數為3.7%時，其初凝時間降到172 s，終凝時間降到381 s。大于3.7%后，初、終凝時間均呈增加趨勢。從凝結時間來看，隨著磷酸摻量的增加，水泥凈漿凝結時間呈先縮短后延長的趨勢。這是因為磷酸與鈣離子結合生成了難溶于水的磷酸鈣晶體，晶體在三維空間相互搭接形成的骨架促進漿體的凝結。但是當摻量升高時，大量的磷酸鈣晶體與鈣礬石晶體一起覆蓋在未水化的水泥顆粒表面，阻礙了水分子擴散，相對地延緩了漿體的凝結時間。

3? ? 結語

（1）以硝酸鋁和氨水為主要原料，當硝酸鋁溶液與氨水溶液間質量濃度比為1∶2、體積比61∶95時，制得的氫氧化鋁溶膠最為穩定，穩定時間可達25 d。

（2）以硫酸鋁、氫氧化鋁溶膠為主要原料，得出無堿液態速凝劑最佳配比為硫酸鋁∶氟硅酸鎂∶氫氧化鋁∶二乙醇胺∶磷酸=54%∶5%∶20%∶2.7%∶3.7%時，速凝效果最好。

（3）在7%的摻量下，水泥的初凝時間為3 min 2 s，終凝時間為5 min 34 s，1 d抗壓強度達到3.4 MPa，28 d的抗壓強度為23.2 MPa，性能滿足JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》中合格品要求。

[參考文獻]

[1]程建坤.無堿液態水泥速凝劑合成方法的研究[D].南京：南京工業大學，2005.

[2]李瓊，王子明，劉艷霞，等.SL型液體低堿速凝劑的速凝機理研究[J].混凝土，2003（4）：28-30.

[3]張冠倫，張云理.混凝土外加劑原理及應用技術[M].上海：上海科學技術文獻出版社，1985.

[4]李付剛，潘志華，傅秀新，等.高效低堿液態水泥速凝劑的性能及促凝機理研究[J].建井技術，2008（6）：19-21..

[5]王軍，高飛，邱樹恒，等.無堿液態高效水泥速凝劑的研制與速凝機理研究[J].混凝土與水泥制品，2013（4）：19-22.

[6]蘭明章，闞常玉，楊進波，等.用Al2（SO4）3制品配制混凝土速凝劑的研究現狀[J].混凝土，2012（9）：44-47.

[7]楊力遠，田俊濤，楊藝博，等.噴射混凝土液體速凝劑研究現狀[J].隧道建設，2017（5）：27-36.