新型混凝土速凝剂的性能试验研究

郭文康 ，王述银 ，肖开涛

（1.长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010）

0 引言

速凝剂凭借其在速凝、早强方面显著的特点，已成为喷射混凝土重要组成材料之一[1]，广泛应用于水利工程的地下洞室、地下厂房、边坡支护、交通隧道和部分抢修工程。迄今为止，速凝剂主要经历了从早期的碱性粉状速凝剂到中期低碱速凝剂，再到近期的液态无碱速凝剂 （通常称为 “新型速凝剂”）的发展过程[2]。由于传统混凝土速凝剂不便于喷射混凝土湿法作业，且在凝结时间、早期抗压强度、后期抗压强度比、施工人身安全、扬尘和回弹量等方面存在明显的缺陷，新型混凝土速凝剂凭借其优良的性能，正逐步取代传统速凝剂，成为速凝剂领域的主流[3-5]。但我国至今仍未出台针对新型混凝土速凝剂的性能检验方法，为了便于更好地了解新型混凝土速凝剂的性能特点，选择了多个厂家生产的具有代表性的国内外速凝剂品种，参考欧洲相关标准，提出新的性能检验方法，验证多种新型混凝土速凝剂的性能，并与传统速凝剂的性能进行对比。

1 试验方法与原材料

1.1 试验方法探讨

传统速凝剂 （碱性粉状速凝剂、液态低碱速凝剂）性能检验试验方法选用我国建材行业标准JC447《喷射混凝土用速凝剂》。由于目前我国尚无专门针对液态无碱速凝剂的性能检验试验规程，特参考 EN 934—5 《Admixtures for sprayed concrete》、BS EN196—1 《Methods of Testing Cement》 等欧洲标准，提出更加适合于新型混凝土速凝剂的试验检测方法和技术要求。

（1）试验项目。由于新型混凝土速凝剂对水泥砂浆和混凝土后期强度影响较小，甚至还可使其有所提高，根据性能特点，在JC447的基础上增加90 d抗压强度和抗压强度比C90/C028（C0为基准砂浆28 d抗压强度，C90为掺速凝剂砂浆90 d抗压强度）。

（2）凝结时间试验方法。减水剂已成为现代混凝土工程中不可或缺的原材料，绝大部分喷射混凝土在施工过程中掺加了高效或者高性能减水剂。因此，在检验新型混凝土速凝剂凝结时间时，在JC447的基础上，参考欧洲标准，根据所用减水剂的种类和性能适当掺加减水剂，同时将试验用水量由160 mL降低至140 mL。初凝和终凝时间判断方法为:从加水时起至试针沉入水泥净浆中距底板1.0～2.0 mm所需时间为初凝时间，至试针沉入水泥净浆中不超过1.0 mm时所需时间为终凝时间。

（3）胶砂强度试验方法。在JC447的基础上，增掺减水剂，并将灰砂比提高至1∶2.0，具体参数如下:水泥675 g、标准砂1350 g、拌合水338 g（扣除速凝剂中含水）。

1.2 试验原材料

试验采用华新 （东川）水泥股份有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥、ISO标准砂、巴斯夫化学建材 （中国）有限公司生产的GleniumSP-8CN（标准型）聚羧酸高性能减水剂，经品质检验满足国家相关标准指标要求。速凝剂选用具有代表性的碱性粉状和液态低碱速凝剂各1种，液态无碱速凝剂8种 （其中包括国外厂家生产的2种）。

2 新型混凝土速凝剂的性能

试验为了验证新型混凝土速凝剂的性能，特选择了碱性粉状速凝剂、液态低碱速凝剂各1种，其凝结时间、水泥胶砂强度等检测结果见表1。8种新型混凝土速凝剂性能检验结果见表2。以下从新型混凝土凝结时间、水泥胶砂强度、抗压强度比等方面进行分析。

2.1 凝结时间

从表1、2试验结果可以看出，碱性粉状速凝剂、液态低碱速凝剂和8种液态无碱速凝剂的凝结时间均能满足JC447的技术标准要求；8种新型混凝土速凝剂凝结时间除AFA-3初凝时间稍长，AFA-5终凝时间稍长外，其余6种凝结时间均比较稳定，初凝时间在1 min 56 s～4 min 8 s之间，终凝时间在2 min 57 s～10 min 19 s。计算8种新型速凝剂的凝结时间的平均值，初凝和终凝平均值分别为2 min 46 s和6 min 42 s，与两种传统速凝剂的凝结时间比较差别不大，相比之下液态无碱速凝剂和液态低碱速凝剂的凝结时间略优于碱性粉状速凝剂。

表1 传统混凝土速凝剂性能检验结果

表2 新型混凝土速凝剂性能检验结果

2.2 水泥胶砂抗压强度

掺8种新型混凝土速凝剂的各龄期水泥胶砂抗压强度见图1。从图1可以看出，不同厂家生产的新型混凝土速凝剂1d胶砂抗压强度在4.4～13.2 MPa之间，波动较大；28、90 d胶砂抗压强度分别在39～44.3 MPa和47.5～54.9 MPa之间，抗压强度均较高，且相对稳定。较高的后期抗压强度是新型混凝土速凝剂的显著特点之一。

图1 不同品种新型混凝土速凝剂各龄期胶砂抗压强度

计算8种新型速凝剂各龄期的胶砂抗压强度平均值，1、28、90 d龄期分别为 9.2、41.7、50.5 MPa，与两种传统速凝剂的各龄期胶砂抗压强度对比见图2。由图2可知，综合来讲，传统速凝剂与新型速凝剂1 d胶砂抗压强度差别不大，但新型混凝土速凝剂后期强度明显高于传统速凝剂，新型速凝剂90 d抗压强度分别达到液态低碱速凝剂和碱性粉状速凝剂的137%和154%。因此，新型速凝剂后期强度高且增长快，可以显著提高掺液态无碱速凝剂混凝土的物理力学性能和耐久性。分别计算三种不同类型速凝剂各龄期的强度增长率，并对掺3种不同类型速凝剂的抗压强度 （Rc）与龄期 （t）进行回归分析，结果见表3。从表3可以看出，液态无碱速凝剂后期强度增长率远大于传统速凝剂；碱性粉状速凝剂、液态低碱速凝剂和液态无碱速凝剂的各龄期胶砂强度增长规律均符合对数增长关系。

2.3 水泥胶砂抗压强度比

图2 不同类型混凝土速凝剂各龄期胶砂抗压强度

掺8种液态无碱速凝剂的28、90 d抗压强度比如图3所示。从图3可知，28 d抗压强度比 （C28/C028）在89%～101%之间，90 d抗压强度比 （C90/C028）在109%～126%之间，新型混凝土速凝剂对28 d抗压强度无太大影响，90 d抗压强度甚至高于基准强度10%～20%。

图3 不同品种新型混凝土速凝剂各龄期胶砂抗压强度比

计算8种新型速凝剂28 d和90 d龄期的胶砂抗压强度比平均值，分别为95.4%和115.6%。不同类型速凝剂各龄期抗压比比较见图4。从图4可以看出，液态无碱速凝剂28、90 d抗压强度比均最大，液态低碱速凝剂次之，碱性粉状速凝剂最低；三种速凝剂28、90 d龄期抗压强度比均呈指数增长关系。

3 结论

（1）新型混凝土速凝剂在凝结时间、后期抗压强度、后期抗压强度比等方面明显优于传统速凝剂，且性能稳定，可广泛应用于水利水电、交通、采矿、抢修等工程中。

（2）我国现有的建材行业性能检验标准JC447《喷射混凝土用速凝剂》已不适用于新型混凝土速凝剂，在此基础上从检测项目、凝结时间、抗压强度比等方面探讨了新型混凝土速凝剂的性能检验方法，新的试验方法更加客观的反应了新型混凝土速凝剂的优良性能，取得了较好的性能试验效果。

表3 不同类型混凝土速凝剂胶砂强度与龄期之间的关系

图4 不同类型混凝土速凝剂胶砂抗压强度比

（3）液态无碱速凝剂在凝结时间上与传统速凝剂相差不大，相比之下略优于传统速凝剂。

（4）新型混凝土速凝剂对水泥胶砂28 d龄期抗压强度影响较小，而后期强度增长较快，90 d抗压强度甚至高于基准强度达10%～20%。

（5）碱性粉状速凝剂、液态低碱速凝剂和液态无碱速凝剂的各龄期胶砂抗压强度均呈对数增长关系。

（6）新型速凝剂28、90 d抗压强度比均最大，液态低碱速凝剂次之，碱性粉状速凝剂最低。碱性粉状、液态低碱、液态无碱3种速凝剂28、90 d龄期抗压强度比均呈指数增长关系。

［1］青义琢.混凝土速凝剂的研究成果与展望［J］.云南冶金，1998，27（1）:16-20.

［2］潘志华，闾文，程建坤.无碱液体速凝剂的性能及其促凝机理［J］.建井技术， 2006， 27（5）:25-29.

［3］潘志华，程建坤.水泥速凝剂研究现状及发展方向［J］.建井技术， 2005， 26（2）:22-27.

［4］曾康生，刘波.喷射混凝土添加剂研究现状与发展趋势［J］.中国煤炭， 1998， 24（5）:l8-24.

［5］VARLEY N.Research and development Experiences with the use of alkali free accelerators in Asia［J］.Tunnelling and Underground Space Technology.2006， 21（3-4）:409-456.