一种改性聚合硫酸铝型速凝剂的适应性研究

陈镇杉

(中国建材检验认证集团厦门宏业有限公司，厦门 361000)

速凝剂是能够加快混凝土凝结和硬化速度的一种调凝剂。速凝剂在喷射混凝土、喷射砂浆及抢修补强工程、灌浆止水混凝土中应用广泛，已成为必不可少的一种外加剂。近年来，湿法喷射混凝土工艺由于施工环境好、回弹量低、施工效率高等优点而逐步取代传统的干喷工艺，得到了广泛的应用。配合该施工工艺使用的速凝剂为液体速凝剂[1,2]。

该文采用工业级原料制备聚合硫酸铝，并通过增效剂进行改性，制备出改性聚合硫酸铝型液体速凝剂，并对其水泥适应性、温度适应性进行研究，采用XRD和热分析测试分析其促凝机理。

1 试 验

1.1 原材料

1)水泥：基准水泥、华润水泥(P.O42.5)、海螺水泥(P.O42.5)。2)改性聚合硫酸铝型液体速凝剂：自制。3)砂：标准砂。

1.2 方法

1)速凝剂的制备 将工业级十八水合硫酸铝与碱化剂A溶于水中，在80 ℃的水浴环境下搅拌反应至均匀稳定的聚合硫酸铝溶液，再将增效剂B加入溶液中，继续反应约60 min，即可获得改性聚合硫酸铝液体速凝剂，命名为CS-4液体速凝剂。

2)适应性试验 速凝剂对水泥适应性及温度适应性试验，主要是研究速凝剂对不同水泥，以及在不同环境温度下对水泥凝结时间及强度的影响，试验方法参照JC477—2005《喷射混凝土用速凝剂》进行。

其中，速凝剂的温度适应性试验，需将水泥、标准砂、拌合水和速凝剂在对应的试验温度环境下存放1 d(当试验温度为0 ℃以下时，拌合水的温度定为0 ℃)，再进行凝结时间测试和抗压强度试件成型，抗压强度试块成型三组，每组三块，其中一组在试验温度下养护1 d，测试1 d抗压强度，另外两组采用标准养护，分别测试1 d和28 d抗压强度。

3)产物分析 将到达指定龄期的水泥净浆采用无水乙醇终止水化，置于60 ℃真空干燥箱干燥2 d，再将样品研磨，使之全部通过180目方孔筛，再进行XRD分析。

2 结果与讨论

2.1 水泥适应性

图1为CS-4速凝剂在不同掺量下对于基准水泥凝结时间的影响。从图1可以看出，初凝时间随着速凝剂掺量从4%增加到6%，略有缩短，而终凝时间对速凝剂掺量的变化比较敏感，当速凝剂从4%增加至4.5%时，终凝时间从900 s缩短至210 s，达到了一等品的要求，之后速凝剂逐步增加至6%，终凝时间变化较小，逐步缩短至150 s。对于基准水泥，速凝剂推荐掺量可为4.5%。

速凝剂在实际工程中的使用效果，往往受到水泥品种和实际施工水灰比的影响，试验选取了华润PO42.5和海螺PO42.5两种水泥，分别用0.40和0.50两种水灰比对速凝剂适应性进行测试，测试结果如表1所示。

表1 CS-4速凝剂对不同品种水泥的促凝效果

可以看出，CS-4速凝剂对这两种常用的水泥表现出很好的适应性。在凝结时间方面，基准水泥的推荐速凝剂掺量为4.5%，而普通硅酸盐水泥中由于含有少量混合材，凝结时间略有延迟，必须增大速凝剂掺量，对于华润PO42.5和海螺PO42.5这两种水泥，仅需将速凝剂掺量提高至5.5%，便可获得速凝效果。在喷射混凝土施工中实际水灰比往往高达0.5，所以针对速凝剂在0.5水灰比下的速凝效果也进行了实验，由表1可见，在0.5水灰比下，速凝剂掺量需增加至6.5%，才能起到促凝作用，且凝结时间略有延缓，初凝时间在3 min左右，终凝时间在7 min左右，仍基本满足一等品对凝结时间的要求。

在强度方面，按JC477—2005《喷射混凝土用速凝剂》规定的方法对基准水泥、华润PO42.5和海螺PO42.5三种水泥的强度进行测试，由表2可见，CS-4速凝剂对于不同水泥均具有很好的早强作用，此外，不同于传统速凝剂后期强度损失大，CS-4速凝剂的28 d抗压强度比均大于100%，保障了水泥的后期强度。

表2 CS-4速凝剂对不同品种水泥强度的影响

在某一实际工程施工中，使用华润PO42.5水泥制备的喷射混凝土，总喷射209 m3混凝土，使用CS-4速凝剂5 000 kg，每方混凝土用水泥432 kg，水灰比约0.5，速凝剂掺量为水泥用量的5.5%，回弹率较低，促凝效果显著。

2.2 温度适应性

喷射混凝土实际施工应用中，往往会碰到冬季施工，低温气候的极端条件，这就要求速凝剂除了需要有水泥适应性外，还需要有温度适应性，目前相关研究比较少[12-14]。温度适应性包括两点：1)液体速凝剂能在低温下保持稳定，不变稠不凝固；2)液体速凝剂在低温环境下施工，仍能具有促凝效果，保证喷射混凝土施工顺利进行。

实验研究了不同温度下速凝剂对水泥的凝结时间和抗压强度的影响，采用基准水泥进行试验，测试了不同温度下(-10～20 ℃)速凝剂的使用效果，结果如表3所示。

表3 CS-4速凝剂在不同试验温度下的促凝效果

由表3可看出，随着试验温度的降低，产生促凝效果所需的速凝剂掺量逐步提高，试验温度为15 ℃、20 ℃时，速凝剂推荐掺量为4.5%，当温度为5 ℃、10 ℃时，速凝剂推荐掺量为5.0%，而当温度低至0 ℃、-5 ℃、-10 ℃时，速凝剂推荐掺量为5.5%。可见，当温度从20 ℃降低至-10 ℃时，速凝剂掺量仅需从4.5%提高至5.5%，便可满足促凝要求。此外，CS-4速凝剂保存在-10 ℃的环境下，不凝固不稠化，仍具有流动性。

图2为不同试验温度下，采用对应推荐掺量速凝剂，对水泥1 d和28 d抗压强度的影响。当采用试验温度进行养护时，1 d抗压强度随温度降低而降低。以10 ℃为临界点，当试验温度从20 ℃降低至10 ℃时，对应的1 d抗压强度从11.9 MPa降低至8.7 MPa，降幅为27%，此时仍高于一等品要求的抗压强度。但当试验温度从10 ℃降低至5 ℃时，抗压强度从8.7 MPa急剧降低至1.5 MPa，降幅达到83%，此后随着试验温度的逐步下降至-10 ℃，抗压强度逐渐降低至0.2 MPa。而采用标准养护的情况下，1 d抗压强度随着试验温度的降低缓慢降低，试验温度由20 ℃降低至-10 ℃时，1 d抗压强度从11.9 MPa降低至7.0 MPa，刚好满足一等品要求的抗压强度。在-10 ℃试验环境下成型的抗压试块，在-10 ℃养护至1 d，抗压强度仅为0.2 MPa，而采用标准养护，抗压强度可高达7.0 MPa。以标准养护28 d抗压强度来代表后期强度，由图2可见，在保证充分养护的情况下，水泥得到充分的水化，试验温度的变化对水泥后期强度略微降低，试验温度为20 ℃时，28 d抗压强度为35.4 MPa，当试验温度在-10～10 ℃时，28 d抗压强度在32～34 MPa范围内波动，强度下降不到10%。这说明了养护条件对于低温施工的重要性。

2.3 速凝剂机理分析

制备未掺速凝剂的空白样水泥浆R-0和掺入5%速凝剂的水泥浆R-1，水灰比均为0.4。将两组水泥浆在5 min，1 h和1 d龄期进行取样并终止水化，进行XRD测试，测试结果如图3所示。

由XRD测试结果可以看出，掺入5%速凝剂的水泥浆在5 min龄期已生成大量的钙矾石晶体，而未掺速凝剂的水泥浆直到1 d龄期才有微弱的钙矾石衍射峰。另外，R-0的5 min和1 h龄期都有明显的二水石膏衍射峰，而R-1的水泥浆在5 min时已无二水石膏衍射峰，说明速凝剂优先与水泥中的二水石膏反应生成大量钙矾石，促进水泥浆凝结。同时，被消耗的石膏导致C3A水化迅速，也促进了水泥浆的凝结。

3 结 论

a.自制聚合硫酸铝速凝剂具有良好的水泥适应性，针对不同的普通硅酸盐水泥，在0.4和0.5水灰比条件下，掺量在4.5%～6.5%时能满足JC477—2005《喷射混凝土用速凝剂》规定的一等品要求。

b.自制聚合硫酸铝速凝剂具有良好的温度适应性，当环境温度从20 ℃降至-10 ℃时，速凝剂仍可稳定保存，掺量仅需从4.5%增加至5.5%，便能使凝结时间达到一等品要求。强度方面，低温施工需要注意保持养护温度，以保证喷射混凝土施工质量。

c.由XRD测试结果可以看出，自制聚合硫酸铝速凝剂优先与水泥中的二水石膏反应生成大量钙矾石，促进水泥浆凝结。同时，被消耗的石膏导致C3A水化迅速，也促进了水泥浆的凝结。