減水劑中緩凝組分對速凝劑性能的影響

劉瑋，王子明，陳家榮，李陽輝，白進利

（1.云南凱威特新材料股份有限公司，云南 昆明 650000；2.北京工業(yè)大學，北京 100000）

0 引言

噴射混凝土是將膠凝材料、骨料等按照一定比例拌制的混凝土拌合物送入噴射設備，借助壓縮空氣或其它動力輸送，高速噴射至受噴面所形成的一種混凝土。按照混凝土原材料的拌合方式和噴射狀態(tài)，噴射混凝土施工又分為干噴法和濕噴法兩大類[1]。液體速凝劑是噴射混凝土濕噴工藝中必不可少的外加劑，具有凝結(jié)硬化速度快、勻質(zhì)性好，施工速度快，施工粉塵少等優(yōu)點[2]。

根據(jù)堿含量，液體速凝劑可以分為堿性和無堿2大類[3]。堿性液體速凝劑主要成分為偏鋁酸鈉，無堿液體速凝劑主要成分為硫酸鋁。研究表明，鋁酸鹽類堿性速凝劑使水泥中的C3A迅速發(fā)生水化，析出水化鋁酸鈣實現(xiàn)速凝。硫酸鋁類無堿速凝劑通過促進鈣礬石快速生成，實現(xiàn)促凝效果[4]。

減水劑是水泥混凝土中不可或缺的外加劑，在濕噴工藝的噴射混凝土中也不例外。加入減水劑能提高混凝土拌合物的流動性[5]。通常情況下，減水劑中還會復配一些緩凝組分[6]，來確保混凝土可以在較長時間內(nèi)保持良好工作性。緩凝劑根據(jù)化學成分可以分為無機類和有機類。常用的無機緩凝劑有磷酸鹽、偏磷酸鹽、硼砂、鋅鹽等，常用的有機緩凝劑有蔗糖、葡萄糖、葡糖糖酸鈉、酒石酸、檸檬酸、糖蜜等[7]。

在噴射混凝土使用時，這些減水劑中的緩凝組分如何影響到速凝劑的性能，目前還鮮有文獻報道。有鑒于此，本文將制備堿性和無堿液體速凝劑，并研究蔗糖、葡萄糖酸鈉、糊精、檸檬酸、三聚磷酸鈉等減水劑中的常用緩凝組分對速凝劑性能的影響規(guī)律。為確保液體速凝劑的實際使用效果，及噴射混凝土施工中減水劑中緩凝組分的選擇提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

氫氧化鈉、氫氧化鋁、硫酸鋁、三乙醇胺、蔗糖、葡萄糖酸鈉、環(huán)糊精、檸檬酸、三聚磷酸鈉：均為分析純，國藥化學試劑有限公司；氟硅酸鎂：工業(yè)級，昆明合起工貿(mào)有限公司。水泥：P·Ⅰ42.5基準水泥，山東魯城水泥有限公司；標準砂：廈門ISO標準砂；去離子水：自制。

1.2 速凝劑的制備

1.2.1 堿性速凝劑的制備

稱取500 g去離子水、240 g NaOH、260 g A（lOH）3置于帶攪拌裝置的三口燒瓶中，升溫至85℃，持續(xù)攪拌4 h，直至得到澄清液體，即得到堿性液體速凝劑。

1.2.2 無堿速凝劑的制備

將450 g去離子水、25 g氟硅酸鎂和55 g三乙醇胺加入帶攪拌裝置的三口燒瓶中，加熱至60℃。然后分批加入460 g硫酸鋁，攪拌2 h。最后滴加10 g檸檬酸溶液，攪拌至溶液澄清，即得到無堿液體速凝劑。

1.3 性能測試方法

1.3.1 凈漿凝結(jié)時間

速凝劑摻量為水泥質(zhì)量的6%，將緩凝劑（摻量亦按水泥質(zhì)量百分比計）及稱量好的水（140 g減去液體速凝劑中的水量）放入攪拌鍋中，用玻璃棒攪拌使緩凝劑充分溶解，再加入400g水泥。啟動攪拌機攪拌，之后的操作按照GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》規(guī)定的制備摻液體速凝劑凈漿的方法進行。

1.3.2 砂漿抗壓強度

將緩凝劑、稱量好的水（450 g減去液體速凝劑中的水量）放入攪拌鍋中，用玻璃棒攪拌使緩凝劑充分溶解，再加入900 g水泥，啟動攪拌機攪拌，之后的操作按照GB/T 35159—2017規(guī)定的制備摻液體速凝劑受檢砂漿的方法進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩凝劑對摻堿性速凝劑凈漿凝結(jié)時間的影響（見圖1、圖2）

圖1 緩凝劑摻量對摻堿性速凝劑凈漿初凝時間的影響

圖2 緩凝劑摻量對摻堿性速凝劑凈漿終凝時間的影響

由圖1、圖2可以看出，不同種類的緩凝劑對摻堿性速凝劑凈漿的凝結(jié)時間影響規(guī)律并不相同。蔗糖和葡萄糖酸鈉延長了摻堿性速凝劑凈漿的初凝和終凝時間，并隨著摻量增加，凝結(jié)時間亦相應延長；環(huán)糊精和檸檬酸對摻堿性速凝劑凈漿的初、終凝時間影響較小，且摻量增加對凝結(jié)時間影響變化不大；三聚磷酸鈉則略微縮短了摻堿性速凝劑凈漿的初、終凝時間。其中蔗糖對摻堿性速凝劑凈漿的延長凝結(jié)時間作用最明顯，0.01%的摻量即導致?lián)綁A性速凝劑凈漿的凝結(jié)時間不合格。當蔗糖摻量增加到0.08%時，初凝時間延長了約10倍，終凝時間延長約14倍，這可能與蔗糖對鋁酸鹽有超強的吸附能力并與鋁酸鹽形成絡合產(chǎn)物，影響了水化鋁酸鈣的形成有關(guān)。

2.2 緩凝劑對摻無堿速凝劑凈漿凝結(jié)時間的影響（見圖3、圖4）

圖3 緩凝劑對摻無堿速凝劑凈漿初凝時間的影響

圖4 緩凝劑對摻無堿速凝劑凈漿終凝時間的影響

由圖3和圖4可以看出，除蔗糖外，其他4種緩凝組分都不同程度縮短了摻無堿速凝劑凈漿的初、終凝時間，且隨著摻量增加，促凝作用越明顯。蔗糖摻量小于0.04%時，縮短了摻無堿速凝劑凈漿的初、終凝時間；當蔗糖摻量為0.04～0.07%時，則延長了摻無堿速凝劑凈漿的凝結(jié)時間；當蔗糖摻量大于0.07%時，又縮短了摻無堿速凝劑凈漿的凝結(jié)時間。

2.3 緩凝劑對摻堿性速凝劑砂漿早期強度發(fā)展的影響（見圖5、圖6）

圖5 緩凝劑摻量對摻堿性速凝劑砂漿1 d抗壓強度的影響

圖6 緩凝劑摻量對摻堿性速凝劑砂漿3 d抗壓強度的影響

由圖5和圖6可以看出：檸檬酸和三聚磷酸鈉在試驗摻量范圍內(nèi)對摻堿性速凝劑砂漿1 d抗壓強度無不利影響；而檸檬酸、環(huán)糊精和蔗糖則隨著摻量增加，降低了摻堿性速凝劑砂漿的1 d抗壓強度，其中蔗糖對摻堿性速凝劑砂漿1d抗壓強度影響最大。蔗糖摻量為0.08%時，砂漿1 d抗壓強度僅為空白組的36%。試驗摻量范圍內(nèi)，除高摻量（≧0.06%）的蔗糖外，緩凝劑對摻堿性速凝劑砂漿的3 d抗壓強度無不利影響。不同緩凝劑對摻堿性速凝劑砂漿早期強度的影響規(guī)律并不相同，例如摻環(huán)糊精會降低摻堿性速凝劑砂漿的1 d抗壓強度，但對3 d抗壓強度則有所提高。

2.4 緩凝劑對摻無堿速凝劑砂漿早期強度發(fā)展的影響（見圖7、圖8）

圖7 緩凝劑摻量對摻無堿速凝劑砂漿1 d抗壓強度的影響

圖8 緩凝劑摻量對摻無堿速凝劑砂漿3 d抗壓強度的影響

由圖7和圖8可以看出，在試驗摻量范圍內(nèi)，緩凝劑的摻入會降低摻無堿速凝劑砂漿的1 d抗壓強度，且摻量越多，1 d抗壓強度降幅越大。其中，檸檬酸降低摻無堿速凝劑砂漿1 d抗壓強度的作用最為明顯，當檸檬酸摻量為0.08%時，1 d抗壓強度僅為空白組的52%。摻加緩凝劑可以不同程度提高摻無堿速凝劑砂漿的3 d抗壓強度，其中以摻葡萄糖酸鈉對提高砂漿3 d抗壓強度的效果最佳，提高最大幅度為30%。

2.5 緩凝劑對摻速凝劑砂漿28 d抗壓強度比的影響（見圖9、圖10）

由圖9可以看出：試驗摻量下，檸檬酸、葡萄糖酸鈉、蔗糖對摻堿性速凝劑砂漿的28 d抗壓強度比無不利影響；而環(huán)糊精和三聚磷酸鈉則會隨著摻量的增加而降低摻堿性速凝劑砂漿的28 d抗壓強度比，當三聚磷酸鈉的摻量為0.08%時，摻堿性速凝劑砂漿的28 d抗壓強度比只為51%，遠低于GB/T 35159—2017標準要求。

圖9 緩凝劑摻量對摻堿性速凝劑砂漿28 d抗壓強度比的影響

圖10 緩凝劑摻量對摻無堿速凝劑砂漿28 d抗壓強度比的影響

由圖10可以看出：試驗摻量下，檸檬酸和三聚磷酸鈉對摻無堿速凝劑砂漿的28 d抗壓強度比影響較小；蔗糖、環(huán)糊精、葡萄糖酸鈉則可以提高摻無堿速凝劑砂漿的28 d抗壓強度比。其中以葡萄糖酸鈉對提高砂漿28 d抗壓強度比效果最為明顯。

3 結(jié)論

（1）隨著摻量的增加，蔗糖會嚴重延緩摻堿性速凝劑凈漿的初、終凝時間，并降低其砂漿的1 d抗壓強度。因此在選擇噴射混凝土減水劑中緩凝組分時應謹慎使用蔗糖。不同種類的緩凝組分對摻堿性速凝劑凈漿的凝結(jié)時間和砂漿早期、后期強度發(fā)展的影響規(guī)律各不相同。綜合考慮凝結(jié)時間和早期、后期抗壓強度發(fā)展等因素，對于堿性速凝劑而言，選擇檸檬酸和葡萄糖酸鈉作為減水劑的緩凝組分更佳。

（2）在試驗摻量范圍內(nèi)，無堿速凝劑對減水劑中緩凝組分的適應性要優(yōu)于堿性速凝劑，且絕大多數(shù)的緩凝組分都會縮短摻無堿速凝劑凈漿的初、終凝時間。本試驗選擇的5種緩凝組分都會降低摻無堿速凝劑砂漿的1 d抗壓強度，但會不同程度地提高其3 d抗壓強度和28 d抗壓強度比。綜合考慮凝結(jié)時間和早期、后期強度發(fā)展等因素，對于無堿速凝劑而言，選擇葡萄糖酸鈉、環(huán)糊精作為減水劑中的緩凝組分最佳，但應嚴格控制緩凝組分的摻量。