无碱速凝剂用于喷射混凝土的研究

目录

一、前言 (2)

二、无碱速凝剂的制备 (2)

三、无碱速凝剂的性能研究 (3)

（一）无碱速凝剂的掺量对凝结时间的影响 (3)

（二）无碱速凝剂对基准水泥强度的影响 (3)

（三）无碱速凝剂与减水剂的适应性研究 (4)

四、无碱速凝剂的促凝机理 (5)

（一）有碱速凝剂的促凝机理 (5)

（二）无碱速凝剂促凝机理 (5)

五、硬化混凝土抗软水侵蚀性 (6)

（一）软水侵蚀及评价方法 (6)

（二）掺有碱速凝剂硬化混凝土抗软水侵蚀性 (7)

（三）掺无碱速凝剂硬化混凝土抗软水侵蚀性 (7)

（四）试验对比 (7)

六、无碱速凝剂的工程应用 (7)

（一）工程概况 (8)

（二）施工用喷射混凝土配合比 (8)

（三）施工效果 (8)

（四）成本分析 (8)

结论 (11)

致谢 (11)

参考文献 (11)

无碱速凝剂用于喷射混凝土的研究

摘要

无碱速凝剂用于喷射混凝土已成为现阶段工程领域喷射混凝土的发展趋势，但其生产、使用存在诸多问题，本文结合普通速凝剂（高碱含量）与无碱速凝剂的性能与使用对比，总结各自的适用范围特点，供不同使用条件下的参考。

关键词：速凝剂喷射混凝土适应性碱

一、前言

喷射混凝土技术已广泛应用于地下、地表的各种软弱、破碎地层，成为及时支护不可分割的重要手段。长期以来，喷射混凝土施工中所使用的速凝剂主要是以高碱、粉体的速凝剂为主，这些速凝剂主要是以铝酸盐、碳酸盐为主与其他无机盐复合或以硅酸钠为主再与其他无机盐复合，由于这一系列的速凝剂碱性较大，喷射混凝土的后期强度降低明显，一般混凝土28d强度损失30%~50%；同时还极易发生碱骨料反应，造成混凝土破坏。另外，高碱速凝剂对施工人员的身体也有一定的伤害。而液体无碱速凝剂则可以提高喷射混凝土的后期强度、提高抗渗能力[1]，低碱液体速凝剂已经成为喷射混凝土用速凝剂发展的一个重要方向。

国外研制的无碱速凝剂大多使用钙盐和铝盐代替碱金属盐来研制和生产无碱速凝剂，实践证明无碱速凝剂确实大大改善了混凝土后期强度。但施工中往往存在速凝剂对水泥适应性差、料浆和易性差等缺陷。

加入少量的适当有机物到无机速凝剂中，能显著改变料浆的粘聚性能。有机物与水泥的作用非常复杂，有的有机物本身也有速凝效果，但一般不单独作为速凝剂使用，总是与无机速凝组分合成为速凝剂。能与无机速凝成分一起使用的有机物很多，如二乙醇胺、链烷醇胺、有机减水剂、羧酸等。有机无机复合速凝剂增加了水泥浆的粘聚性，使混凝土回弹量大大降低。

我们对液体无碱速凝剂的配制进行了试验研究，合成出了一种液体无碱速凝剂，其各项性能均能满足标准要求，并对无碱速凝剂的促凝机理进行了探讨。

二、无碱速凝剂的制备

在常温下，将无碱速凝剂添加剂、硫酸铝、有机增强剂按一定比例依次加入水中溶解完全并搅拌均匀，得到的灰白色半透明液体即为无碱速凝剂。本文所使用的无碱速凝剂添加剂主要成分是氟硅酸镁铝，采用特殊工艺将磷肥生产企业产生的含氟废气进行洗涤、回收最终制得。在无碱速凝剂添加剂的作用下，硫酸铝在水中的溶解度比较高，按照55%的比例加入水中也能完全溶解，且比较稳定。醇胺类物质有很明显的促凝增强效果，二乙醇胺的适应性要好于三乙醇胺，能够大幅度提高掺速凝剂水泥浆体的早期强度。该无碱速凝剂pH值1~3，密度1.4g/cm3，固含量为40~50%。

三、无碱速凝剂的性能研究

（一）无碱速凝剂的掺量对凝结时间的影响

一般来说，水泥凝结时间随速凝剂掺量的增加而缩短。选用基准水泥，研究了无碱速凝剂的掺量对水泥凝结时间的影响，结果见表1。从表1可知，无碱速凝剂掺入水泥中，凝结时间随掺量的增加而缩短，当无碱速凝剂的掺量为4%时，初凝时间超过5min，终凝时间超过12min，不符合标准要求，速凝剂的掺量增大，凝结时间也越短。

表1 有碱速凝剂的掺量对基准水泥凝结时间的影响

新型无碱速凝剂早期强度比较高，28d强度几乎无损失，表2是无碱速凝剂对基准水泥强度的影响。可见，随无碱速凝剂掺量的增加，抗压强度是逐步提高的趋势，且28d抗压强

度比均高于100，说明无碱速凝剂不会降低后期水泥砂浆强度。但是，当掺量继续增大时，其抗压强度反而会降低。

表3 无碱速凝剂对基准水泥砂浆强度的影响

3的对比可知，高碱速凝剂因为存在较多的铝酸钠，硅酸钠等高碱性物质，所以水泥砂浆的后期强度保留率较低。

表4 高碱速凝剂的掺量对基准水泥砂浆强度的影响

采用基准水泥，进行了无碱速凝剂与减水剂的适应性研究，试验时的速凝剂掺量为8%，用水量扣除了速凝剂和减水剂中含有的水。减水剂的掺量考虑了不同减水剂的减水率基本相同。试验结果列于表3。从结果来看，该无碱速凝剂与各类型减水剂的适应性较好，在同样减水率的条件下，减水剂对掺速凝剂的水泥净浆初凝时间的影响较小，而终凝时间提前，说明减水剂的掺入不会影响速凝剂的促凝效果。同时，针对缓凝型高性能减水剂，凝结时间有一定的延长，但仍不超过规定值。

表5 无碱速凝剂与减水剂的适应性研究

水剂对有碱速凝剂有严重的冲突，造成初、终凝时间大幅延长。

四、无碱速凝剂的促凝机理

（一）有碱速凝剂的促凝机理

有碱速凝剂的速凝机理主要是速凝剂中碱金属（主要是NaOH）含量较大，溶解后释放出大量强碱性氢氧化物，因为硅酸盐和铝酸盐在强碱溶液中易溶，他们的溶液浓度随pH值的增加而开始增长，所以碱性速凝剂加入后能够促进水泥矿物尤其是C3S和C3A的水化，同时形成难溶的钙盐或氢氧化钙，放出大量水化热。水泥中石膏及水泥矿物初期水化得到的Ca2+与外加入的AlO2-化合迅速生成大量的水化铝酸钙晶体，骨架产物增多，Ca2+浓度降低，在C3S溶液界面上出现浓度差，C3S表面的离子将继续进入溶液，C3S初始生成的水化膜和双电层阻碍水化的作用被减弱或消除，诱导期缩短或消失，C3S迅速水化。NaAlO2溶于水放热、水化铝酸钙迅速结晶放热、C3S迅速水化放热，这些放热反应集合在一起，使水泥浆体温度急剧升高，进一步促使水泥水化反应的进行。

（二）无碱速凝剂促凝机理