无碱无氯液体速凝剂聚合硅酸硫酸铝的制备及机理研究

蒋敏　杨春明　尹成杰等

摘 要 利用“水解嵌入聚合”作用将氟硅酸镁与自制聚合硫酸铝（PAS）反应并结合“水解聚合浓缩”同步工艺制得无碱无氯液体速凝剂聚合硅酸硫酸铝（PASS）.实验结果表明，PASS速凝剂在7%掺量时接近喷射混凝土用速凝剂（JC4772005）一级品的指标要求.并通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对PASS速凝剂的促凝机理进行了研究.

关键词 聚合硫酸铝；氟硅酸镁；聚合硅酸硫酸铝；无碱无氯速凝剂

中图分类号 TU528.042.1文献标识码 A文章编号 10002537（2016）02003508

Study on the Preparation and Mechanism of Alkalifree and

Chlorinefree Liquid Accelerator Polyaluminium Silicate Sulfates

JIANG Min， YANG Chunming*， YIN Chengjie， DENG Cuifen， ZHAO Liping， SHEN Ping

（ College of Chemistry and Chemical Engineering， Hunan Normal University， Changsha 410081， China）

Abstract An alkalifree and chlorinefree accelerator liquid acceleratorpolyaluminum silicate sulfate（PASS） was prepared by hydrolysis and polymerization of magnesium silicofluoride within selfmade polyaluminium sulfate matrix， coupled with the “hydrolysispolymerizationconcentration” threeinone technology. The influence of the mass ratio of magnesium silicofluoride to polyaluminium sulfate， reaction temperature and stirring speed on the performance of asprepared liquid accelerator has also been investigated. Our experimental results show that the resultant liquid accelerator has the same quality close to the firstgrade production of shortcrete accelerator standard JC4772005 when the added amount of accelerator is 7.0%. Comparative studies of cement slurry with added accelerator and blank sample at different hydration stages were conducted by XRD analysis and SEM techniques. A possible coagulation mechanism of liquid accelerator PASS was proposed based on above results.

Key words polyaluminium sulfate； magnesium silicofluoride； polyaluminium silicate sulfates； alkalifree and chlorinefree liquid accelerator

速凝剂是一种能促使水泥在较短的时间内凝结硬化，并产生一定抗压强度的水泥外加剂.速凝剂是喷射混凝土施工中不可缺少的添加剂，主要应用于一些具有特殊要求的工程施工，如道路抢修、矿山、隧道、矿井巷道、防洪堤坝等工程[1].速凝剂的生产和使用起源于20世纪30年代[2]，从最早的高碱粉末速凝剂发展到如今的无碱液体速凝剂[36]，但是无碱速凝剂存在掺量高、稳定性差等问题，不利于全面推广[78].

无碱速凝剂的主要成分之一为铝盐，当铝盐含量过高时容易析出Al（OH）3沉淀，因而需要加入大量的稳定剂[910]，但是稳定剂的量过大对促凝起消极作用.作者拟通过使用Al含量较高的自制液体聚合硫酸铝（PAS）为原料，并引入具有后期强度及防水作用的氟硅酸镁（MgSiF6·6H2O）嵌入聚合硫酸铝，采用“水解聚合浓缩”同步方法，得到促凝性能优异、稳定性良好的无碱无氯液体速凝剂聚合硅酸硫酸铝（PASS）.由于聚合硫酸铝（PAS）中引入了Si，能提高速凝剂的稳定性而不需要加入额外的稳定剂，而同时引入的F-和Mg2+在水泥水化初期分别与水泥浆体中的Ca2+和OH-结合，形成难溶物CaF2和Mg（OH）2，不仅能消耗Ca2+降低C3S表面的Ca/Si比值，使其具有良好的渗透性能，而且能降低Ca（OH）2的结晶能垒[11].此外，PASS速凝剂中的少量氟硅酸镁还会参与水泥的水化反应，生成具有微膨胀性质的水化产物，使水泥的孔隙变小、结构更加紧密，有效地提高水泥浆体的后期抗压强度[12].

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

聚合硫酸铝（PAS，自制，无色透明溶液，pH=3）；氟硅酸镁（CP，上海三思爱试剂有限公司）.采用湖南宁乡南方水泥有限公司制造的普通硅酸盐水泥，P.O 42.5（符合GB 1752007 XK0800100040）作为基准水泥.

集热式恒温加热磁力搅拌器（DF101S），巩义市予华仪器责任有限公司产品；数字显示搅拌机（DSX120），杭州仪表电机有限公司产品.

1.2 实验方法

取90 g 自制PAS置于250 mL三颈烧瓶中.准确称量一定质量 MgSiF6·6H2O，加入适量水使其全部溶解，将溶液转移至50 mL恒压分液漏斗中.将PAS升温至60 ℃，开始滴加氟硅酸镁溶液，控制搅拌速度，待氟硅酸镁溶液滴加完毕后，继续保温0.5～2.0 h，得到澄清透明的聚合硅酸硫酸铝PASS产品.

1.3 表征与性能测试

（1） Al含量（w（Al2O3））测试：参照《GB 158922003 PAC水处理剂 聚合氯化铝》[13]方法.

（2）水泥初终凝时间及抗压强度的测定：按标准JC 4772005 《喷射混凝土用速凝剂》中的方法[1].

（3） X射线衍射分析（XRD）： 采用粉末试样衍射方法，管电压45 kV，管电流30 mA，扫描步长0.02°，扫描角度5°～70°，靶材为铜靶.

（4） 水化样品SEM分析：取水化反应10 min，1 h，1 d和7 d的水泥水化样品，从中心部位选取粒径为2～5 mm的小块，先用无水乙醇洗涤3遍，再放置在无水乙醇中终止其水化，在真空下60 ℃干燥24 h后密封保存以备测试.

1.4 聚合反应过程示意图

在液体聚合铝的酸性环境下，氟硅酸镁首先水解生成硅酸和氢氟酸，然后硅酸再与聚合硫酸铝进一步反应生成聚合硅酸硫酸铝，具体过程如图1所示.

2 结果与讨论

2.1 MgSiF6·6H2O与PSS质量比对PASS速凝剂性能的影响

改变MgSiF6·6H2O与PSS的质量比，在60 ℃和500 r/min搅拌速度下制备液体速凝剂PASS，其中MgSiF6·6H2O 与PAS的质量比分别设置为0.0∶100，5.0∶100，7.5∶100，10∶100，12.5∶100，15.0∶100.所得速凝剂的各项性能如表1所示.

从表1可知，随着MgSiF6·6H2O用量的增加PASS速凝剂的初终凝时间呈现先缩短后增加的趋势.这是由于MgSiF6·6H2O中含有F-，在水化初期F-与溶液中的Ca2+结合生成CaF2晶体，促进水泥的水化，使得初、终凝时间有所缩短.但是MgSiF6·6H2O中含有6分子结晶水，其用量越大则PASS中起促凝作用的Al3+浓度降低，导致初、终凝时间相应增加，而且会影响水泥1 d和28 d的抗压强度[14].

随着MgSiF6·6H2O用量的增加，PASS速凝剂溶液的稳定性先变好后变差.因为Si嵌入PAS中AlO骨架中，形成了 “SiOAl” 网络结构，增加了体系的稳定性.但过量的Si反而会成为Al聚合的载体从而降低体系稳定性.实验发现，MgSiF6·6H2O与PSS的最优质量比为10.0∶100，此时初、终凝时间分别为8 min 15 s和17 min 4 s，1 d的抗压强度为14.9 MPa，28 d抗压强度比为111.2%，体系的稳定时间大于50 d.

2.2 反应温度对PASS速凝剂性能的影响

固定MgSiF6·6H2O 与PAS的质量比为10.0∶100，改变聚合反应的温度分别为20，30，40，60，80 ℃，在500 r/min搅拌速度下分别制备速凝剂，所得PASS速凝剂的各项性能如表2所示.

由表2可见，随着聚合温度的逐渐升高，PASS速凝剂中的Al含量w（Al2O3）没有明显变化， 而初终凝时间和1 d抗压强度及28 d抗压强度比随聚合温度的改变有小幅度的变化.当聚合温度为40 ℃时，28 d抗压强度较好；当聚合温度为60 ℃时，初终凝时间和1 d抗压强度性能较优.值得注意的是，随着聚合温度的提高，制备的PASS速凝剂溶液的稳定性同样出现了先变好后变差的趋势.当聚合温度较低时，由于需要越过一定能垒使Si嵌入“AlOAl”中形成“SiOAl”网络结构，此时生成的PASS量较少，体系的稳定性主要取决于PAS，PAS容易相互聚集生成凝胶析出从而失去稳定性；而在高温时由于反应体系中水分被蒸发，容易形成H2SiO3凝胶而吸附Al3+，硅酸凝胶本身也处于亚稳态，容易析出SiO2沉淀， 导致速凝剂体系稳定性变劣.因此存在一个较适宜的聚合温度，实验发现聚合温度在60 ℃时，可以获得总体稳定性较优的PASS速凝剂.

2.3 搅拌速度对PASS速凝剂性能的影响

固定MgSiF6·6H2O 与PAS的质量比为10.0∶100，聚合反应温度为60 ℃，在不同搅拌速度300， 400， 500， 600 r/min下，制备的速凝剂PASS的各项性能如表3所示.

从表3可见，改变反应体系的搅拌速度对PASS速凝剂的促凝作用和抗压强度指标影响不大，但是对液体速凝剂产品的稳定性具有重要的影响，说明加大搅拌有利于反应体系的传质过程，促进PAS中的“AlOAl”键的断裂而形成新的“SiOAl”网络结构，因而在较大的搅拌速度下获得的PASS具有长期的稳定性[15].综合考虑各项性能，选择适宜的搅拌速度为500 r/min，此时制备的PASS速凝剂虽然其初凝时间（11 min 30 s）和终凝时间（21 min 36 s）均未达到《喷射混凝土用速凝剂》（JC4772005）中合格品的标准[1]，但其1 d抗压强度和28 d抗压强度比分别为11.4 MPa和109.3%，达到了一级品的指标.

2.4 增加掺量对速凝剂性能的影响

通过前面2.1～2.3的单因子试验，得出PASS速凝剂的最佳制备条件为：m（MgSiF6·6H2O）∶m（PAS）=10.0∶100，聚合反应温度60℃， 搅拌速度500 r/min.所制备的PASS速凝剂的初、终凝时间分别为13 min 51 s和24 min 4 s，1 d抗压强度和28 d抗压强度比分别为11.4 MPa和109.3%.根据标准JC4772005[1]，尽管1 d抗压强度和28 d抗压强度比已达到一级品的标准，但是初、终凝时间仍没有达到合格品的水平.因此，采用提高速凝剂掺量的方法使PASS速凝剂达到JC4772005标准的要求，结果如表4所示.

由表4可见，增加PASS速凝剂的掺量能明显缩短水泥净浆的初、终凝时间，达到了 JC4772005中合格品的要求，主要归因于其有效速凝成分的进一步提高，同时改善了水泥砂浆的抗压强度， 1 d抗压强度优于一级品且进一步提高，28 d抗压强度变化不大但仍超过一级品的要求.可见当速凝剂掺量增至9%时，PASS速凝剂的各项性能指标均满足JC4772005《喷射混凝土用速凝剂》规定的合格品要求.

2.5 水解聚合浓缩同步制备工艺对速凝剂性能的影响

前面PASS速凝剂的制备由于在三颈瓶中进行，溶剂水的挥发量较少，加上MgSiF6还会引入部分结晶水分子，因而制备的速凝剂其Al2O3有效含量仅为7%～9%.基于PASS聚合时需要一定的温度，作者提出将MgSiF6的水解嵌入PAS的聚合溶液的浓缩过程三者结合，采用同步工艺，在敞口容器中一边完成MgSiF6的水解，一边进行PASS的聚合，同时将多余的水分蒸发掉，以获得Al2O3有效含量高且稳定性能较好的PASS速凝剂.表5给出了在不同的水解聚合浓缩温度下所制备的PASS速凝剂的各项性能结果.

由表5可见，随着水解聚合浓缩温度的升高，PASS速凝剂的Al含量w（Al2O3）也稳步增加，其初、终凝时间明显缩短，但对1 d抗压强度和28 d抗压强度比的影响并不大.温度为50 ℃时，所得PASS速凝剂的性能指标即达到《喷射混凝土用速凝剂》（JC4772005）中合格品的标准；当温度升至60 ℃时，所得PASS速凝剂初、终凝时间进一步改善，接近一级品的指标要求，且所制备的PASS速凝剂的稳定性能较好（稳定时间超过50 d）；进一步升高过程温度将导致体系形成硅铝胶体，液体速凝剂的稳定性能迅速恶化.因此，在同步工艺中选择温度60 ℃较为合适，获得的产品性能优于前面的非同步工艺.

2.6 PASS速凝剂的促凝机理

2.6.1 XRD分析 采用XRD对掺7.0% PASS速凝剂的水泥浆体和空白水泥浆体的不同龄期（水化10 min，1 h，1 d，7 d）进行分析，以确定不同龄期水泥浆体的组成与物相.

（1） 水泥水化10 min和1 h的XRD分析

图2为水泥水化10 min及1 h样品的XRD图，不加速凝剂的作为空白对照组.比较图2中空白（a）、加速凝剂的水泥（c）水化10 min的XRD图.空白水化10 min看不出钙矾石（AFt）的衍射峰，但是加速凝剂水化10 min在9.0°，15.6°，22.9°处能明显观察到钙矾石（AFt）的衍射峰；而且相较于空白水化10 min的水泥样，加入速凝剂后水泥样品中25.4°，385°，40.8°处CaSO4的衍射峰有所降低，说明速凝剂中的Al3+在水化初期即与水泥中的石膏结合生成大量的钙矾石.生成钙矾石中的Ca2+不仅来自于CaSO4，还有部分来自硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）水解析出的Ca2+.由于钙矾石的生成，促进了C3S及C2S的水解，在XRD图谱上表现为加速凝剂的水泥水化10 min样中C3S（293°，32.1°，34.3°，412°，51.6°，622°），C2S（32.1°，34.3°）的峰比空白水化10 min的峰有所降低.同时在加速凝剂水化10 min的样中出现了新的CaF2（28.2°，46.7°）峰，说明速凝剂中的F-与Ca2+结合生成比Ca（OH）2溶解度更小的CaF2，进一步促进了C3S和C2S的水化，缩短了诱导期时间[11].

比较图2中空白（b）和加速凝剂的水泥（d）水化1 h的XRD图.发现空白水化1 h的水泥浆体在9.0°，15.6°，22.9°处也出现了钙矾石的衍射峰，同时CaSO4的峰无明显变化.说明生成的钙矾石主要覆盖在铝酸三钙（C3A）的表面上，阻碍了C3A的进一步水化，这与C3A的水化过程一致.加速凝剂的水泥水化1 h后，CaSO4（25.4°，38.5°，40.8°），C3S（29.3°，32.1°，34.3°）及C2S（32.1°，34.3°）的衍射峰进一步减弱，说明速凝剂对C3A、C3S及C2S的水解起到了促进的作用[1618].

（2） 水泥水化1 d的XRD分析

图3为水泥水化1 d样品的XRD图，不加速凝剂的作为空白对照组.

比较图3中空白（a）、加速凝剂的水泥（b）水化1 d的XRD图.空白水化1 d的水泥在17.9°，286°，341°，47.1°，54.2°处出现了强且尖锐的氢氧化钙（CH）衍射峰，同时存在AFt的衍射峰（9.0°，15.6°，229°），在25.4°处CaSO4的衍射峰消失.这说明水泥中的CaSO4基本被消耗完，AFt与剩余的C3A水化产物结合进一步转化成单硫型水化铝酸钙（AFm）；C3S及C2S开始加速水化生成大量的Ca（OH）2.

加速水化1 d的水泥样中同样也出现了Ca（OH）2和AFt的衍射峰，但是Ca（OH） 2的衍射峰比空白样弱很多.这是因为速凝剂中含有大量的Al3+不仅能与水泥中的CaSO4结合生成大量的钙矾石，还能捕捉C3S和C2S水化生成的Ca2+生成钙矾石，导致Ca（OH）2的生成量降低；而且速凝剂中还含有Mg2+，能结合溶液中的OH-，生成Mg（OH）2沉淀.Ca2+和OH-的同时消耗促进了C3S和C2S的进一步水化，表现为XRD中C3S和C2S的衍射峰比空白样中有所减弱.此外，随着速凝剂的不断消耗，水化体中的硅以SiO2的形式析出，导致加速凝剂的水化样中SiO2的衍射峰（20.8°，26.5°，68.2°）比空白样尖锐且强.

（3） 水泥水化7 d的XRD分析

图4为水泥水化7 d样品的XRD图，不加速凝剂的作为空白对照组.由图4（a）可见，空白样品水化7 d后在9.0°，15.6°，22.9°处钙矾石AFt的衍射峰消失，而在17.9°，286°，34.1°，47.1°，54.2°处Ca（OH）2的衍射峰变得强且尖锐，同时C3S和C2S的衍射峰有所减弱，说明钙矾石AFt已经全部转化为单硫型水化硫铝酸钙AFm，C3S和C2S不断水化生成大量的Ca（OH） 2.

掺有速凝剂的水泥水化样品（b）中，在9.0°，15.6°，22.9°处钙矾石AFt的衍射峰有所减弱，在17.9°，28.6°，34.1°，47.1°，54.2°处也形成了Ca（OH） 2的尖锐的衍射峰，同样C3S和C2S的衍射峰也有所减弱.但与空白样品相比，Ca（OH） 2的衍射峰较弱，C3S和C2S的衍射峰强度降低更明显.这说明加速凝剂的水泥样品中，AFt正在向AFm转化.由于速凝剂中的Al3+，F-和Mg2+大量消耗了水泥浆体溶液中的Ca2+和OH-，加速了C3S和C2S的水化，所以C3S和C2S的衍射峰强度减小得更多， 相应的Ca（OH） 2的衍射峰强度更小.

2.6.2 水泥水化SEM分析

（1） 水泥水化10 min和1 h样品的SEM分析

从图5中可见，空白浆体水化10 min （a）和1 h （c）均未明显出现钙矾石AFt和CH.而加速凝剂的水泥浆体水化10 min （b）时，即能观察到大量短棒状钙矾石AFt生成，这也与XRD的测试结果一致，这些钙矾石AFt无序排列着，同时有少量水和硅酸钙（CSH）凝胶生成；当水化1 h时，短棒状的钙矾石不断生长变成细长针状钙矾石且相互搭接在一起，同时凝胶状CSH在钙矾石附近生长并填充在钙矾石AFt间隙，没有观察到六边形的CH生成，这说明速凝剂提供的大量Al3+和SO42-能与水泥中的C3A及溶液中的Ca2+结合生成大量的钙矾石.由于浆体溶液中Ca2+浓度下降，C3S表面的钙硅层被破坏，水泥中的C3S开始水化产生大量的CSH包围在钙矾石的周围，并填充其形成的空隙，使水泥浆体丧失流动性，促进水泥浆体的凝结[1618].

（2） 水泥水化1 d和7 d样品的SEM分析

图6为空白浆体（a）、加速凝剂水泥（b）分别水化1d； 空白浆体（c）、加速凝剂水泥（d）分别水化7 d后水化样品的SEM图.

图6 水泥水化1 d和7 d的SEM图

Fig.6 SEM images of cement hydration for 1 day and 7 days

从图6可见，空白浆体水化1 d时（a）能看到少量短柱状钙矾石，少量六方片状的CH晶体穿插在CSH凝胶中，整个结构分布松散.而加入速凝剂的浆体水化1 d时（b）能观察到大量柱状钙矾石紧密排列着，构成了浆体的3D骨架，大量CSH胶体围绕在钙矾石周围起到连接巩固作用，少量的CH穿插在CSH周围，整个结构比较紧凑，这也是加速凝剂后1 d样品抗压强度高于空白浆体的原因.

当空白浆体水化7 d时（图6c），基本上看不到钙矾石，大量的CH晶体呈层状堆积于CSH的凝胶之间，整体结构依然比较松散，中间存在较多孔隙.加入速凝剂的浆体水化7 d时（图6d）依然能观察到大量针状钙矾石晶体穿插于孔隙之间，同时在钙矾石周围紧密地包裹着CSH凝胶厚层.在CSH凝胶中间穿插着一些CH层状晶体，但是CH的量和结晶度都明显低于空白水化样品，这也与XRD的测试结果一致.由于有钙矾石的桥梁作用，水化体整体结构致密，这正是加速凝剂水化样品的后期抗压强度高于空白水化样品的主要原因.

3 结论

将MgSiF6的水解与嵌入聚合硫酸铝（PAS）的过程结合起来，获得了聚合硅酸硫酸铝液体速凝剂（PASS），不仅提高了PAS的促凝作用，还由于形成了聚合硅酸硫酸铝网络结构进一步改善了液体速凝剂的稳定性.通过改变PASS的制备工艺条件，获得了适宜的工艺参数为：m（MgSiF6·6H2O）∶m（PAS）=10.0∶100，聚合反应温度60 ℃，搅拌速度500 r/min.将水解聚合浓缩过程三者同步进行，获得了最适宜的过程温度为50～60 ℃，该工艺制备的液体速凝剂在7%掺量时水泥净浆的初、终凝时间接近《喷射混凝土用速凝剂》（JC4772005）一级品要求，而砂浆1 d强度及28 d强度比优于一级品指标要求，产品存储稳定性良好.

通过XRD和SEM对掺速凝剂和对比空白样的分析，提出PASS速凝剂的促凝机理为：聚合铝中大量的Al3+进入水泥浆体中与水泥中的CaSO4和C3A进行水化反应生成钙矾石AFt，钙矾石的生成消耗了溶液中的Ca2+，同时速凝剂中的F-也与Ca2+结合生成CaF2；溶液中的Ca2+大量被消耗，破坏了C3S表面形成的钙硅层，缩短了C3S的水化诱导期，促进了C3S的水化，从而使得水泥浆体快速凝结并产生抗压强度.

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（编辑 WJ）