混凝土速凝劑的加入對混凝土性能影響研究

鄭世杰

健研檢測集團有限公司 福建廈門 361100

噴射混凝土是一種借助壓力噴槍噴筑細砂石混凝土的施工工藝，噴射混凝土中經(jīng)常加入速凝劑是為了使新拌混凝土迅速凝結(jié)硬化，以提高噴射混凝土的早期強度，能夠及時的提供支護防固，尤其在修筑隧道時加固防護作用更為關(guān)鍵。我國目前大多數(shù)隧道工程中仍在使用堿性粉狀速凝劑和有堿液體速凝劑，其主要組分為硅酸鈉、氫氧化鈉和氫氧化鋁等。該類速凝劑雖然能滿足噴射混凝土速凝的施工要求，但由于其堿含量過高且具有強腐蝕性，對混凝土的后期強度和耐久性會產(chǎn)生不利影響，使用時也會腐蝕施工工人皮膚，造成事故安全問題。為了使速凝劑的性能特點在噴射混凝土中發(fā)揮更大的作用，近年來，科研人員對速凝劑的凝結(jié)性能、力學(xué)性能、穩(wěn)定性及安全環(huán)保性開展了諸多研究工作[1]。

1 速凝劑對混凝土性能影響

噴射混凝土中使用的主要液體促進劑是富堿的無堿。富堿液體促進劑由堿金屬氫氧化物、堿金屬鋁酸鹽或硅酸鹽。它們主要將大量的Na+和OH引入水泥。OH-與Ca2+，SO4反應(yīng)液體中的Al3+水泥漿體，大大促進了早期鈣礬石或硫鋁酸鹽，從而達到快速硬化和早期強度的目的。富堿液速凝劑具有低成本、高早期的優(yōu)點但它們含有大量堿性物質(zhì)，容易造成后期力量嚴(yán)重喪失，誘發(fā)堿骨料反應(yīng)，降低混凝土耐久性，對人體有很強的腐蝕性。為了緩解這些問題，開發(fā)了無堿液體促進劑并應(yīng)用于噴射混凝土施工。根據(jù)使用速凝劑可以定義為“無堿”當(dāng)其當(dāng)量堿含量小于1%。

硬化水泥基材料的快速結(jié)構(gòu)堆積和強度發(fā)展在很多場景下總是被寄予厚望，在這些場景下經(jīng)常使用促進劑。通過研究使用不同促進劑的水泥澆注料的水化、結(jié)構(gòu)堆積和強度發(fā)展。用靜態(tài)屈服應(yīng)力的增長來表征1%納米二氧化硅的新鮮水泥漿的結(jié)構(gòu)堆積。同時測定了漿料的熱工曲線、Zeta電位和電導(dǎo)率以及砂漿的強度發(fā)展。結(jié)果表明，促進劑在不同階段和不同機制下促進C3S或C3A的反應(yīng)。以彈性模量的增長或屈服應(yīng)力超過累積水化熱來確定C-S-H的力學(xué)效率，可能會對C-S-H的效率給出錯誤的排序。除了C-S-H凝膠的形成外，結(jié)構(gòu)上的堆積可能來自于其他來源[2]。

為了確定外加劑和速凝劑的最佳組合，以提高10°C養(yǎng)護時混凝土的水平形去除強度（5MPa）考慮到單位水泥用量，使用單一和混合的化學(xué)外加劑和速凝劑；測定了坍落度、空氣含量和抗壓強度。摻合料和促進劑對混凝土強度的影響如下：

Ad＜PC＜ePC-A＜ePC-B＜CaBr2+DEA（C4H11N02）＜CaBr2+NaSCN+DEA。

水泥摻量在330kg/m3及以上時，CaBr2+NaSCN+DEA可改善早期強度。通過實驗展示不同鈣含量C3S的等溫傳導(dǎo)趨勢和養(yǎng)護溫度對混凝土強度的影響?？梢娫摲N速凝劑和摻合料的加入使得混凝土凝結(jié)速度加快有效改善早期強度。

堿性的速凝劑雖高效但是對于混凝土的堿化作用并不是促進作用，與堿性速凝劑相比，無堿速凝劑具有一定的生態(tài)優(yōu)勢，但也存在額外的成本。設(shè)計了一個水化模型的形式對無堿速凝劑在硅酸鹽水泥中的化學(xué)作用機理進行了研究。在實驗中發(fā)現(xiàn)，與堿性的速凝劑相比，無堿的速凝劑在使用過程中開始階段對水化反應(yīng)的促進小，水化反應(yīng)發(fā)生慢，后期速度加快，強度也逐漸增加。研究了超聲測量對噴射混凝土凝固和硬化監(jiān)測的好處。評估了速凝劑類型（堿性鋁酸鹽或無堿）和用量的敏感性，以及速凝劑與水泥的相容性。在脈沖速度開始大幅增加之前沒有發(fā)現(xiàn)休眠期，表明固相連通性發(fā)生了快速變化。堿性速凝劑的效果優(yōu)于無堿速凝劑，特別是在90分鐘以下。只有堿性速凝劑造成了抗壓強度的顯著降低。在研究中將速凝劑（CPCA）加入混凝土中同時制作另外一組未加的混凝土空白樣對比凝結(jié)性能和機械強度通過實驗發(fā)現(xiàn)，前期混凝土的強度增加非?？?，水化反應(yīng)速度遠高于未加速凝劑的混凝土，但后期強度則有所降低。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，添加堿性促進劑的水泥漿體中氫氧化鈣可以很好地填充混凝土內(nèi)部的空腔。這使得含堿的混凝土速凝劑在同等情況下有較好的促進混凝土水化的效果，在噴射混凝土中也得到了很好的運用[3]。

研究開創(chuàng)了自加速混凝土的概念。研究了在不同溫度下，摻加部分水化膠凝材料（預(yù)制膠凝材料和回收/未使用混凝土膠凝材料）對反應(yīng)性粉末混凝土凝結(jié)硬化過程的影響。部分水化膠凝材料（PHCMs）的添加速率為質(zhì)量比的的25%、33%和50%。同時還與加入含有氯基速凝劑（CAs）和不氯基速凝劑（NCAs）的混凝土也進行了測試以進行比較。結(jié)果表明，添加的PHCMs起到了凝結(jié)硬化的促進作用。摻有PHCMs的混合物的早期抗壓強度與對照混合物和摻有加速劑的混合物相當(dāng)或更高。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，PHCMs的加入通過減少預(yù)誘導(dǎo)期在未水合硅酸三鈣周圍形成的保護層，增強了水合硅酸鈣的成核和再生過程。因此，使用PHCMs為不需要加速外加劑的自加速混凝土鋪平了道路，為預(yù)制和現(xiàn)澆混凝土提供了一種安全經(jīng)濟的方法。

2 結(jié)語

現(xiàn)代混凝土中經(jīng)常使用許多輔助膠凝材料，導(dǎo)致早期強度較低。但是這樣帶來的結(jié)果是拆模明顯滯后，增加了成本，降低了施工效率。通過添加各種類型的速凝劑，早期強度可以得到提高，而不會損害其后期強度和耐久性。因此，這種類型的速凝劑在現(xiàn)代混凝土施工中得到了廣泛的應(yīng)用。在為了獲得理想的早期強度發(fā)展，開發(fā)了多種促進劑和復(fù)合促進劑。這使得我們的快速施工技術(shù)得以進一步發(fā)展。