混凝土速凝剂的加入对混凝土性能影响研究

（厦门大学嘉庚学院，福建 龙海 363105）

0 引言

快速施工技术由于经济价值一直是建筑行业的重点关注。因此，早期强度快速发展在许多应用中非常重要，例如模板的快速移除、3D 打印、预应力混凝土、滑模和寒冷天气混凝土浇筑。这类混凝土通常是通过使用凝固促进剂或硬化促进剂来制备的，

同时速凝剂也被用于地下结构。它能加速喷射混凝土，减少回弹损失，增加早期喷射混凝土强度，防止喷射混凝土因重力，缩短炮点层之间的间隔时间，从而提高施工安全性。大规模的隧道、矿山、铁路、堵漏等工程的建设，对速凝剂的需求也在不断增加。液体速凝剂的发展解决了粉尘大的问题传统粉末速凝剂的大反弹，以及提高了喷射混凝土的施工质量。

1 速凝剂对混凝土性能影响

喷射混凝土中使用的主要液体促进剂是富碱的无碱。富碱液体促进剂由碱金属氢氧化物、碱金属铝酸盐或硅酸盐。它们主要将大量的Na+和OH 引入水泥。OH 离子与Ca2+，SO4反应液体中的Al3+水泥浆体，大大促进了早期钙矾石或硫铝酸盐，从而达到快速硬化和早期强度的目的。富碱液速凝剂具有低成本、高早期的优点但它们含有大量碱性物质，容易造成后期力量严重丧失，诱发碱骨料反应，降低混凝土耐久性，对人体有很强的腐蚀性。为了缓解这些问题，开发了无碱液体促进剂并应用于喷射混凝土施工。根据使用速凝剂可以定义为“无碱”当其当量碱含量小于1%。

岩土工程中喷射混凝土部分速凝剂使含铝相的水化速度非常快，硬化后的混凝土结构疏松导致不利于水泥基材料的后期力学性能和耐久性，根据其反应机理，可分为3 种类型：1)快速生成大量量水化铝酸钙，2）快速生成大量钙矾石，3）形成铝酸钙和钙矾石。这种类型的速凝剂仅用于非结构混凝土构件。

Mengdie Niu[1]等制备了基于硫酸铝的无碱液体促进剂(F-AS-AF 促进剂),研究了其对水泥、C3A 和C3S 的凝结时间和抗压强度的影响。通过XRD 和TG对促进剂的机理进行了研究。结果表明，F-AS-AF 促进剂缩短了水泥的凝结时间，提高了水泥的早期和后期抗压强度。加入F-AS-AF 促进剂后，Al3+与C3A 中的Ca2+和SO42-反应，迅速形成蚀刻石，Ca2+的消耗进一步促进了C3S的溶解和水化。

为研究物理硫酸盐侵蚀（PSA）对含促进剂混凝土力学性能的影响，进行了三轴试验[2]。在严格遵守中国标准的前提下，采用现场材料制备混凝土样品。共测试了94 个速凝剂混凝土圆柱体样品（ф50 mm×100 mm）。根据硫酸盐溶液的浓度和浸泡时间将试样分成四组。三轴试验结果表明，低浓度硫酸盐下的试样在失效模型、应力应变曲线和强度性能上表现出化学硫酸盐侵蚀的特征，而高浓度硫酸盐下的试样则产生独特的物理硫酸盐侵蚀特征。与化学硫酸盐侵蚀相比，PSA 下的样品显示出不同的机械性能，特别是在静态弹性模量和抗压强度方面。PSA 导致加速混凝土样品的静态弹性模量呈比例下降趋势。这种趋势可以用体积应变模型的裂缝破坏应力阈值来解释。用Mohr-Coulomb 失效准则来标定加速混凝土试样在不同浓度的硫酸盐溶液下的力学性能试验结果。Mohr-Coulomb 准则中的内聚力与暴露的D 数和Na2SO4溶液的浓度表现出一定的关系。

硬化水泥基材料的快速结构堆积和强度发展在很多场景下总是被寄予厚望，在这些场景下经常使用促进剂[3]。Qiang Yuan[3]等通过研究使用不同促进剂的水泥浇注料的水化、结构堆积和强度发展。用静态屈服应力的增长来表征1%纳米二氧化硅的新鲜水泥浆的结构堆积。同时测定了浆料的热工曲线、Zeta 电位和电导率以及砂浆的强度发展。结果表明，促进剂在不同阶段和不同机制下促进C3S 或C3A 的反应。以弹性模量的增长或屈服应力超过累积水化热来确定C-S-H 的力学效率，可能会对C-S-H 的效率给出错误的排序。除了C-S-H 凝胶的形成外，结构上的堆积可能来自于其他来源。

为了确定外加剂和速凝剂的最佳组合,以提高10°C 养护时混凝土的水平形去除强度(5MPa )考虑到单位水泥用量,使用单一和混合的化学外加剂和速凝剂;测定了坍落度、空气含量和抗压强度。掺合料和促进剂对混凝土强度的影响如下:Ad

图1 不同钙含量C3S 的等温传导量热曲线[4]

图2 养护温度对混凝土强度的影响[4]

碱性的速凝剂虽高效但是对于混凝土的碱化作用并不是促进作用，与碱性速凝剂相比，无碱速凝剂具有一定的生态优势，但也存在额外的成本。Qi Xu等[5]设计了一个水化模型的形式对无碱速凝剂在硅酸盐水泥中的化学作用机理进行了研究。在实验中发现，与碱性的速凝剂相比，无碱的速凝剂在使用过程中开始阶段对水化反应的促进小，水化反应发生慢，后期速度加快，强度也逐渐增加。De Belie 等[6]研究了超声测量对喷射混凝土凝固和硬化监测的好处。评估了速凝剂类型(碱性铝酸盐或无碱)和用量的敏感性，以及速凝剂与水泥的相容性。在脉冲速度开始大幅增加之前没有发现休眠期，表明固相连通性发生了快速变化。碱性速凝剂的效果优于无碱速凝剂，特别是在90分钟以下。只有碱性速凝剂造成了抗压强度的显著降低。Yanliang Ji 等[7]在研究中将速凝剂(CPCA)加入混凝土中同时制作另外一组未加的混凝土空白样对比凝结性能和机械强度通过实验发现，前期混凝土的强度增加非常快，水化反应速度远高于未加速凝剂的混凝土，但后期强度则有所降低。此外，研究还发现，添加碱性促进剂的水泥浆体中氢氧化钙可以很好地填充混凝土内部的空腔。这使得含碱的混凝土速凝剂在同等情况下有较好的促进混凝土水化的效果，在喷射混凝土中也得到了很好的运用。

Ahmed M.等[8]的研究开创了自加速混凝土的概念。研究了在不同温度下，掺加部分水化胶凝材料(预制胶凝材料和回收/未使用混凝土胶凝材料)对反应性粉末混凝土凝结硬化过程的影响。部分水化胶凝材料(PHCMs)的添加速率为质量比的的25、33 和50%。同时还与加入含有氯基速凝剂(CAs)和不氯基速凝剂(NCAs)的混凝土也进行了测试以进行比较。结果表明，添加的PHCMs起到了凝结硬化的促进作用。掺有PHCMs 的混合物的早期抗压强度与对照混合物和掺有加速剂的混合物相当或更高。微观结构分析表明，PHCMs 的加入通过减少预诱导期在未水合硅酸三钙周围形成的保护层，增强了水合硅酸钙的成核和再生过程。因此，使用PHCMs 为不需要加速外加剂的自加速混凝土铺平了道路，为预制和现浇混凝土提供了一种安全经济的方法。

3 结论

现代混凝土中经常使用许多辅助胶凝材料，导致早期强度较低。但是这样带来的结果是拆模明显滞后，增加了成本，降低了施工效率。通过添加各种类型的速凝剂，早期强度可以得到提高，而不会损害其后期强度和耐久性。因此，这种类型的速凝剂在现代混凝土施工中得到了广泛的应用。在为了获得理想的早期强度发展，开发了多种促进剂和复合促进剂。这使得我们的快速施工技术得以进一步发展。