一種液體低堿速凝劑的制備及其性能研究

李茜茜

（1. 石家莊市長安育才建材有限公司，河北 石家莊 051430；2. 河北省混凝土用功能性材料工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 051430）

0 前言

速凝劑能夠顯著加快混凝土的凝結(jié)速度，在噴射混凝土施工中不可缺少，其效果直接影響到噴射混凝土的噴射質(zhì)量。由于國內(nèi)很多大型重點(diǎn)項(xiàng)目采用了濕噴工藝，液體速凝劑得到了較大關(guān)注。目前液體速凝劑包括無堿速凝劑和有堿速凝劑，無堿速凝劑由于具有較高的后期強(qiáng)度優(yōu)勢越來越受到關(guān)注，并開始逐步取代有堿速凝劑，但有堿速凝劑相較于無堿速凝劑具有摻量低、成本低、回彈量小、早期強(qiáng)度高的優(yōu)勢，因而，研制一種后期強(qiáng)度損失小、摻量低、回彈量小的低堿速凝劑具有較大現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外研究者對有堿速凝劑制備的研究較多，萬甜明[1]等以氫氧化鈉、氫氧化鉀和氫氧化鋁為基礎(chǔ)組分，通過添加改性劑合成了一種鋁酸鹽型低堿液體速凝劑，摻量為 6% 時，水泥初凝時間均小于 3min、終凝均小于 8min，同時該速凝劑 1d 抗壓強(qiáng)度均大于 10MPa，28d 抗壓強(qiáng)度比均大于 100%。張勇[2]等以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了堿鋁比、母液濃度、反應(yīng)溫度和時間等合成工藝參數(shù)對鋁酸鹽液體速凝劑母液的凝結(jié)時間及穩(wěn)定性的影響，并分析了各參數(shù)影響母液性能的原因，得出生產(chǎn)鋁酸鹽液體速凝劑的最佳合成工藝參數(shù)；并通過加入三乙醇胺、聚丙烯酰胺及重鉻酸鉀等明顯改善了速凝劑與水泥的適應(yīng)性，提高了速凝劑的綜合性能。張建綱[3]采用鋁酸鈉、硫酸鋁、硅酸鈉、穩(wěn)定劑為主要原材料合成了一種液體速凝劑，該速凝劑中鋁離子的存在形式大多數(shù)為水合鋁離子的聚合體，其離子半徑大、電荷量高，有利于打破水泥顆粒表面的電位平衡，加速水泥的絮凝和凝結(jié)作用。

然而，有堿速凝劑往往存在水泥適應(yīng)性較差、后期強(qiáng)度損失大等問題。因此，研制一種摻量低、適應(yīng)性好、后期強(qiáng)度損失小的有堿速凝劑具有重要的意義。本文通過氫氧化鋁、氫氧化鉀制得鋁酸鹽溶液，通過加入硅酸鈉、甘油、丙烯酰胺改性制備液體低堿速凝劑，并研究了速凝劑對水泥砂漿凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

氫氧化鋁：工業(yè)級，中鋁山東有限公司；氫氧化鉀：分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司；甘油（丙三醇）：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硅酸鈉：分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司；陽離子型聚丙烯酰胺（分子量 1000 萬）：工業(yè)級，河南眾邦環(huán)保科技有限公司。

1.2 制備方法

將 300g 水和一定量氫氧化鉀加入到 1L 四口燒瓶中，攪拌溶解后，油浴升溫至 110℃，將 260g 硫酸鋁分兩次加入，待完全溶解呈透明狀后，保溫 1h，制得鋁酸鹽溶液。降溫至 70～80℃，將硅酸鈉水溶液（100g 水溶解一定量的硅酸鈉）攪拌下慢慢滴加到鋁酸鹽溶液中，滴加時間控制在 1 小時以上，滴加結(jié)束后加入甘油攪拌 10 分鐘，倒入配制好的聚丙烯酰胺水溶液（水的用量補(bǔ)齊 1L），攪拌 10min，制得液體低堿速凝劑。

1.3 檢測方法

1.3.1 凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度的測定

依照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》對所制得無堿速凝劑的水泥凝結(jié)時間和水泥砂漿強(qiáng)度進(jìn)行測試。

1.3.2 回彈率的測定

依照 JGJ/T 372—2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中附錄 G 提及的方法測試回彈率。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿鋁摩爾比對速凝劑性能的影響

硅酸鈉、丙三醇、聚丙烯酰胺所占質(zhì)量百分比分別為 3%、2%、0.1%，其他條件不變，通過改變堿鋁摩爾比考察其對速凝劑性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表 1。

表 1 堿鋁摩爾比對速凝劑性能影響

由表 1 可見，隨堿鋁比的增加，初、終凝時間均由慢至快后又慢下來。這是由于一方面速凝劑中的 NaOH與石膏反應(yīng)生成 Ca(OH)2，消除石膏緩凝，促進(jìn) C3A 水化形成鈣釩石而速凝[4]；另一方面，OH-濃度對鋁酸鈉溶液中鋁陰離子的存在形式有直接影響，堿鋁摩爾比較大時，越多的 Al(OH)4-與 OH-反應(yīng)生成 Al(OH)63-[5]。水泥體系中的濃度加大，大量生成鈣礬石晶體，相互交聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大大加速了混凝土的水化時間，使混凝土凝結(jié)時間大幅縮短[6]。堿鋁比過大時，鋁陰離子所占比例相對減少，反而不利于縮短凝結(jié)時間。隨著堿鋁比增加，堿含量增大，混凝土易發(fā)生堿骨料反應(yīng)，使得后期強(qiáng)度損失增大。因此，應(yīng)將堿鋁比控制在 1.4 左右最佳。

2.2 硅酸鈉對速凝劑性能的影響

堿鋁比為 1.4、丙三醇、聚丙烯酰胺所占質(zhì)量百分比分別為 2%、0.1%，其他合成條件不變通過改變硅酸鈉的用量考察其對速凝劑性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表 2 硅酸鈉對速凝劑性能影響

由表 2 可見，隨著硅酸鈉用量的提高，凝結(jié)時間先縮短后趨于不變。這是由于硅酸鈉不僅能夠迅速消耗水泥漿體中的石膏，還能夠與漿體中的鈣離子反應(yīng)生成水化硅酸鈣膠凝性產(chǎn)物，從而促進(jìn)漿體凝結(jié)[7]。硅酸鈉用量達(dá)到 4% 后，凝結(jié)時間略有縮短，但考慮到速凝劑穩(wěn)定性的問題，硅酸鈉最佳用量為 3%。

2.3 丙三醇對速凝劑性能的影響

堿鋁比為 1.4、硅酸鈉、聚丙烯酰胺所占質(zhì)量百分比分別為 3%、0.1%，其他合成條件不變通過改變丙三醇的用量考察其對速凝劑性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表 3 丙三醇對速凝劑性能影響

由表 3 可見，隨著硅酸鈉用量的提高，凝結(jié)時間先縮短后延長，這是由于丙三醇分子中含有 -OH，其中O 作為配位原子能提供電子對與中心離子 Al3+進(jìn)行配位形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，形成的絡(luò)合物在溶液中形成了很多可溶區(qū)，提高了水化產(chǎn)物的擴(kuò)散速率，促進(jìn)水泥的水化，促進(jìn)水泥快速凝結(jié)。此外，這種絡(luò)合離子具有一定的溶解度，能穩(wěn)定存在于溶液中，有效降低游離 Al3+的濃度，也能抑制溶液中鋁離子的水解，從而提高速凝劑的穩(wěn)定性。但是過量的丙三醇對 C3A、C3S 的水化、新生晶體生長產(chǎn)生抑制作用，從而導(dǎo)致凝結(jié)時間延長。因此，丙三醇最佳用量為 2%。

2.4 聚丙烯酰胺對速凝劑性能的影響

堿鋁比為 1.4、硅酸鈉、丙三醇所占質(zhì)量百分比分別為 3%、2%，其他合成條件不變通過丙三醇的用量考察其對速凝劑性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表 4。

表 4 聚丙烯酰胺對速凝劑性能影響

由表 4 可見，隨著聚丙烯酰胺用量的提高，凝結(jié)時間先縮短后延長，這是由于隨著聚丙烯酰胺高分子聚合物的加入，聚合分子相互聯(lián)接，吸附在水泥顆粒上起到“架橋”作用，使水泥漿體更容易形成遠(yuǎn)程凝聚結(jié)構(gòu)，使得體系粘度增大，水泥顆粒間移動的阻力增加，從而縮短了凝結(jié)時間[2]。但當(dāng)聚丙烯酰胺過量時，分子結(jié)構(gòu)中過量的酰胺基團(tuán)會抑制水泥水化，出現(xiàn)緩凝現(xiàn)象。因此，聚丙烯酰胺最佳用量為 0.1%。

2.5 無堿速凝劑的不同水泥適應(yīng)性評價(jià)

采用 5 種不同品種的水泥，水泥的主要化學(xué)組成見表 5，對優(yōu)化后的最佳配方合成的速凝劑的凝結(jié)時間、水泥砂漿強(qiáng)度進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果見表 6。

表 5 各種水泥的主要化學(xué)組成 wt.%

由表 6 可見，所制得無堿速凝劑采用 5 種水泥在GB/T 35159—2017 規(guī)定的范疇內(nèi)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，表明該產(chǎn)品具有較好的促凝效果、水泥適應(yīng)性和較低的回彈性，同時改善了后期強(qiáng)度損失大的問題。

3 結(jié)論

（1）本文制備了一種液體低堿速凝劑，并通過研究各組分對速凝劑性能的影響，確定最優(yōu)合成條件為：堿鋁比 1.4、硅酸鈉、丙三醇、聚丙烯酰胺所占質(zhì)量百分比分別為 3%、2%、0.1%。

（2）所制得低堿速凝劑摻量低、水泥適應(yīng)性好、回彈性小，同時改善了后期強(qiáng)度損失大的問題。

表 6 所制得無堿速凝劑的凝結(jié)時間、砂漿強(qiáng)度及回彈率結(jié)果