硫鋁酸鈣基促凝促強劑對濕噴混凝土性能的影響

王建黔，陳智豐，王國興，張振秋，聶松，徐名鳳，周健

（1.唐山北極熊建材有限公司，河北 唐山 063705；2.河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401）

0 引言

噴射混凝土是使用壓縮空氣或其它動力，將按一定比例配制的拌合料通過管道高速噴射到受噴面上，迅速凝結硬化而成的混凝土，已經廣泛應用于地下工程、防護工程以及結構加固修復工程等領域[1]。過去，噴射混凝土施工普遍采用干噴和潮噴工藝。隨著施工技術的不斷發(fā)展，濕噴工藝正逐漸應用于噴射混凝土施工作業(yè)中[2]。與傳統(tǒng)的噴射工藝相比，濕噴具有回彈量小、混凝土密實、質量好、強度高、無粉塵、效率高等優(yōu)勢[3]。

濕噴混凝土技術的關鍵是如何提高混凝土的早期強度。對于Ⅲ級以上圍巖，要求噴射混凝土的3 h抗壓強度不低于1.5 MPa。噴射混凝土3 h抗壓強度越高，噴射施工的效率和支護的效果越好[4]。為了促進濕噴混凝土凝結硬化和提高早期強度，通常需要摻入速凝劑，以滿足施工要求[5-6]。目前常用的速凝劑可分為有堿速凝劑和無堿速凝劑兩大類。有堿速凝劑的主要有效成分為堿金屬氫氧化物、氫氧化鋁和硅酸鈉等。然而，有堿速凝劑的摻入容易導致濕噴混凝土后期強度倒縮和耐久性變差。此外，有堿速凝劑腐蝕性較強，嚴重威脅施工人員的健康[7]。為解決上述問題，科研人員研發(fā)了以硫酸鋁為有效組分的無堿速凝劑[8-10]。該類速凝劑可顯著提高混凝土的粘聚性，改善濕噴混凝土的回彈問題，且不會引起后期強度的倒縮。但單獨使用無堿速凝劑容易引起過渡激發(fā)的問題。

大量研究表明[11-14]，將硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復摻后，硫鋁酸鹽水泥中活性組分無水硫鋁酸鈣不僅可以迅速水化生成大量鈣礬石，同時也能夠促進硅酸鹽水泥凝結硬化，從而提高水泥的早期強度。本文采用無水硫鋁酸鈣為促凝促強劑的主要組分，研究硫鋁酸鈣基促凝促強劑對硅酸鹽水泥凝結硬化速度及濕噴混凝土早期強度和電通量的影響，分析其對濕噴混凝土早期力學性能和耐久性的作用機理。

1 試驗

1.1 原材料

硫鋁酸鈣基促凝促強劑：唐山北極熊建材有限公司，主要化學成分見表1；水泥：P·O42.5水泥，唐山冀東水泥股份有限公司，主要化學成分見表1，物理力學性能見表2；無堿液體速凝劑：符合GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》要求，其組成見表3；聚羧酸類高效減水劑：減水率≥25%，經試驗驗證，減水劑與水泥及速凝劑適應性較好，保坍組分適宜；河砂：細度模數2.8，含泥量2.8%；細石：5~10 mm碎石，表觀密度2.63 g/cm3，含泥量1.8%。

表1 促凝促強劑和水泥的主要化學成分 %

表2 水泥的物理力學性能

表3 無堿液體速凝劑的組成 %

1.2 試驗方法

1.2.1 凝結時間

按照GB/T 35159—2017測試不同硫鋁酸鈣基促凝促強劑和無堿液體速凝劑摻量水泥凈漿的凝結時間。硫鋁酸鈣基促凝促強劑等質量取代水泥。

1.2.2 力學性能

按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》測試不同硫鋁酸鈣基促凝促強劑和無堿液體速凝劑摻量水泥砂漿的抗壓強度。根據上述砂漿強度試驗結果，優(yōu)化了硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量（等質量取代水泥）和無堿液體速凝劑摻量（按占膠凝材料質量計），確定了噴射混凝土配合比。按照GB/T 50081—2019《混凝土力學性能試驗方法標準》進行混凝土力學性能測試。

1.2.3 抗氯離子滲透性

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的電通量法測試混凝土的抗氯離子滲透性能。

2 結果與分析

2.1 水泥凈漿的凝結時間

硫鋁酸鈣基促凝促強劑和無堿液體速凝劑摻量對水泥凈漿凝結時間的影響如圖1所示。

圖1 硫鋁酸鈣基促凝促強劑和無堿液體速凝劑摻量對水泥凈漿凝結時間的影響

由圖1可知，隨著硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量的增加，水泥凈漿的初凝和終凝時間均顯著縮短。在無堿液體速凝劑摻量為6%的條件下，當硫鋁酸鈣基促凝促強劑的摻量從6%分別增加到8%、10%、12%和15%時，凈漿的初凝時間分別縮短了24.3%、34.1%、43.9%和53.7%，終凝時間分別縮短了16.9%、31.3%、44.6%和56.6%。在無堿液體速凝劑摻量為8%的條件下，當硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量從4%分別增加到6%、8%、10%和12%時，凈漿的初凝時間分別縮短了33.3%、41.0%、51.3%和61.5%，終凝時間分別縮短了31.25%、53.4%、59.9%和65.8%。

2.2 水泥砂漿的抗壓強度

無堿液體速凝劑對水泥砂漿抗壓強度的影響見表4。

表4 無堿液體速凝劑對水泥砂漿抗壓強度的影響

由表4可見，在不摻硫鋁酸鈣基促強促凝劑的條件下，當無堿液體速凝劑摻量從6%增加到10%時，水泥砂漿3 h未測得抗壓強度，而24 h抗壓強度提高了5.3%。在硫鋁酸鈣基促強促凝劑摻量為10%的條件下，無堿液體速凝劑的摻量對水泥砂漿3 h和24 h抗壓強度無明顯影響。

在無堿液體速凝劑摻量為6%的條件下，硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量對水泥砂漿抗壓強度的影響見圖2。

圖2 硫鋁酸鈣基促凝促強劑對水泥砂漿抗壓強度的影響

由圖2可見，隨著硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量從0增加到14%，水泥砂漿的3 h抗壓強度逐漸提高，24 h抗壓強度先提高后稍有降低，當硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量為12%時，水泥砂漿的24 h抗壓強度最高。

2.3 混凝土的抗壓強度

根據水泥凈漿凝結時間和砂漿抗壓強度的試驗結果，確定了濕噴混凝土中無堿液體速凝劑摻量為6%。在此基礎上，進一步研究硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量和水膠比對濕噴混凝土力學性能的影響。混凝土的初始坍落度控制為200 mm。水膠比為0.40時，硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量對濕噴混凝土抗壓強度的影響見表5；硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量為40 kg/m3時，水膠比對濕噴混凝土抗壓強度的影響見表6。

表5 硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量對濕噴混凝土抗壓強度的影響

表6 水膠比對濕噴混凝土抗壓強度的影響

由表5可見，在未摻加硫鋁酸鈣基促凝促強劑的情況下，混凝土3 h未測得抗壓強度。隨著硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量的增加，濕噴混凝土的3 h和24 h抗壓強度均顯著提高。當促凝促強劑的摻量為48 kg/m3時，濕噴混凝土的3 h和24 h抗壓強度分別達5.0、19.7 MPa。這表明，硫鋁酸鈣基促凝促強劑的摻入可以顯著提高濕噴混凝土的早期強度，尤其是3 h抗壓強度。

由表6可以看出，隨著水膠比的減小，濕噴混凝土的3 h和24 h抗壓強度明顯提高。當水膠比為0.35時，混凝土的3 h和24 h抗壓強度分別為5.3、23.1 MPa，較水膠比為0.50時分別提高了60.6%和128.7%。

2.4 混凝土的抗氯離子滲透性

將混凝土試件養(yǎng)護至56 d，通過電通量法表征了混凝土抗氯離子滲透性能。水膠比為0.40時，硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量對濕噴混凝土抗氯離子滲透性能的影響見表7。

表7 硫鋁酸鈣基促凝促強劑摻量對濕噴混凝土電通量的影響

由表7可知，在未摻硫鋁酸鈣基促凝促強劑的情況下，混凝土的56 d電通量高達5697 C；隨著硫鋁酸鈣基促凝促強劑的摻量的增加，混凝土的56 d電通量顯著減小。當硫鋁酸鈣基促凝促強劑的摻量超過32 kg/m3后，混凝土的56 d電通量小于1500 C，抗氯離子滲透性能明顯提高。

3 機理分析

無堿液體速凝劑的主要有效成分為硫酸鋁。當混凝土與水拌合后，硫酸鋁與硅酸鹽水泥早期水化產物氫氧化鈣反應生成鈣礬石，反應如式（1）所示。無堿液體速凝劑的作用效果受硅酸鈣的水化速度控制，對早期強度的貢獻有限，這與水泥砂漿3 h抗壓強度試驗結果一致。若濕噴混凝土單獨使用無堿液體速凝劑，為達到速凝的效果，往往會引起過度激發(fā)的問題。噴射混凝土在保證速凝的同時，噴射操作過程中混凝土的流變性較差，容易導致噴射后的混凝土空隙率高，成型不密實。

硫鋁酸鈣基促凝促強劑的主要成分為無水硫鋁酸鈣。摻入硫鋁酸鈣基促凝促強劑后，無水硫鋁酸鈣首先與二水石膏快速迅速反應，生成大量鈣礬石和鋁膠，反應如式（2）所示。鈣礬石的快速形成可以為水泥漿體提供骨架結構，促進混凝土的凝結，提高早期強度。隨著水化反應的進行，硫酸鋁、鋁膠、氫氧化鈣和二水石膏之間還會發(fā)生二次反應，生成鈣礬石。此時生成的鈣礬石有利于提高混凝土的密實度，促進早期強度發(fā)展，改善混凝土耐久性。

4 結論

（1）硫鋁酸鈣基促凝促強劑加入噴射混凝土后，在與無堿液體速凝劑協(xié)同作用下，迅速形成大量的鈣礬石，縮短了水泥凝結時間，實現速凝早強效果。

（2）硫鋁酸鈣基促凝促強劑的摻入可以顯著提高濕噴混凝土的早期強度，混凝土的3 h抗壓強度可高達5 MPa。

（3）硫鋁酸鈣基促凝促強劑的摻入降低了濕噴混凝土的56 d電通量，提高了混凝土的抗氯離子滲透性能。