无碱速凝剂凝结性能影响因素研究

杨彰林

（中铁五局物资公司广州分公司）

0 引言

速凝剂大致可以分为碱性速凝剂、低碱速凝剂和无碱速凝剂[1]。相对于传统的碱性速凝剂，无碱速凝剂因其后期强度大、施工安全、对人体伤害小和回弹量低等方面有着显著的优势，使得其应用日益广泛[2]。因此，开展高性能无碱速凝剂的合成研究及其应用指导显得尤为重要[3]。本实验选取国内某厂家生产的无碱速凝剂，参照国内外相关标准[4-7]，从搅拌方式、温度、水胶比、速凝剂掺量等几方面，开展无碱速凝剂凝结性能影响因素的研究，以期在无碱速凝剂应用过程中起到指导作用。

1 实验部分

1.1 原材料及仪器

实验中所用的主要原料及仪器如表1 所示。

表1 主要试验原料和试剂

1.2 实验方法

参照标准GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》提出的速凝剂试验方法将400g 水泥与计算用水量(扣除速凝剂中的水) 搅拌均匀，再加入实验设定掺量的无碱速凝剂，按实验设定方式搅拌一定时间，立即装入圆模，人工振捣数次，削去多余水泥浆，并用洁净的刀抹平表面。从加入无碱速凝剂开始，操作时间不应超过50s。

2 结果与讨论

2.1 搅拌方式对凝结时间的影响

国家标准GB∕T 35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》中掺液体速凝剂的水泥净浆凝结时间的试验方法是将水与水泥放入搅拌锅内，低速搅拌15s，然后将液体速凝剂加入水泥净浆中，低速搅拌5s 后再高速搅拌15s，立即装入圆模中进行净浆凝结时间测定，速凝剂与水泥净浆的混合时间20s；而实际施工中无碱速凝剂以雾化的方式与喷射混凝土快速混合，时间较短。无碱速凝剂的检测方法与无碱速凝剂在现场应用中，存在显著差异，主要体现在水泥与速凝剂混合时间的不同。因此本试验研究无碱速凝剂与水泥净浆混合后，不同搅拌方式对凝结时间的影响，以期指导现场施工。试验在20℃、采用尖峰水泥、无碱速凝剂掺量6%、水胶比0.35的条件下进行。

从表2、图1 中可以看出，在10～15s 时间范围内，搅拌时间越长，水泥净浆的初、终凝时间变短；在15-35s 范围内，随着搅拌时间增加，净浆的初、终凝时间变长，当搅拌时间为15s（慢搅5s 后快搅10s）时，初终凝时间均最短。出现上述现象的原因是因为当搅拌时间过短，无碱速凝剂与水泥混合不均匀，接触面积少，水泥水化慢。当搅拌时间增长时，速凝剂提供的Al3+、SO42-在水泥浆体中充分分散，Al3+、SO42-与水泥浆中更多C3A、Ca2+充分接触，加速了化学反应的发生，从而迅速生成大量的微细针状钙钒石及中间产物次生石膏。这些新生晶体在水泥颗粒之间交叉生成网络状结构急速促进水泥凝结，从而缩短水泥净浆凝结时间。但当搅拌时间过长时，这些已经形成的网络状结构会被破坏，从而使净浆凝结时间延长。

表2 搅拌方式对凝结时间的影响

图1 搅拌方式对凝结时间的影响

2.2 温度对凝结时间的影响

不同地域气候环境差异大，同一地域不同季节气候条件也存在一定差异性，速凝剂在工程实际应用中必将面对不同的气温条件，无法满足试验室设计的20℃条件下进行施工。因此，进行温度对速凝剂凝结时间影响的研究，对指导速凝剂在工程实际中的应用有着重要意义。试验条件如下：采用尖峰水泥，无碱速凝剂掺量6%，水胶比0.35，先慢搅5s 后快搅10s。

从表3、图2 中数据可以看出，温度对无碱速凝剂凝结时间存在显著影响，在一定温度范围内，速凝剂凝结时间随着温度的增加而缩短。主要有以下两方面原因：一方面温度升高，分子运动加剧，分子碰撞及键合的概率增大，化学反应进行得更快；另一方面，随着温度升高，单位体积内活化分子数增多，分子有效碰撞次数增多，反应速率增大。因此，温度升高显著加速了Al3+、SO42-与水泥中C3A、Ca2+、OH-、H2O 化学反应的发生，单位时间内生成钙矾石及中间产物次生石膏的数量增多，进而缩短了水泥浆体凝结时间。

2.3 水胶比对凝结时间的影响

表3 温度对凝结时间的影响

图2 温度对凝结时间的影响

水胶比是指用水量与胶凝材料用量的重量比值，在实际工程施工中是控制混凝土质量的一个关键技术指标。而现场施工中，砂石料的含水随时都在变化，因此，要研究无碱速凝剂对水泥凝结时间的影响，水胶比就是一个必不可少的研究对象。本节研究了不同水胶比条件下的速凝剂凝结时间，试验在20℃下、采用尖峰水泥、无碱速凝剂掺量为6%、先慢搅5s 后快搅10s 的条件下进行。

不同水胶比条件下，无碱速凝剂对水泥净浆的影响结果如表4、图3 所示。可以看出，在相同无碱速凝剂掺量下，随着水胶比的增大，水泥净浆的初、终凝结时间逐渐增加，当水胶达到0.44 时，水泥净浆凝结时间的增加幅度显著变大。这是因为无碱速凝剂主要成份是硫酸铝，其促凝机理是通过Al3+、SO42-与水泥中C3A、Ca2+、OH-、H2O 迅速发生反应生成钙矾石，化学反应方程式如下：

2Al3++3SO42-+6Ca2++12OH-+26H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

这些大量呈短柱状、随机取向、无序分布于整个硬化空间的钙矾石晶体的生成是引起水泥浆体快速凝结的主要原因。当水胶比增大时，分散在液相中的水泥颗粒间距增大，用来填充水泥颗粒间距使水泥浆失去可塑性的钙矾石数量需求也随之增大，使水泥浆体失去可塑性的时间也就变长；且随着水胶比增大，水泥浆体体系内游离水含量增多，水泥水化消耗这些游离水所需的时间增长，当游离水未消耗完时，水泥浆体的摩擦阻力较小，浆体失去可塑性的时间较长，从而导致凝结时间的增加。由上述方程式可以看出，1mol 钙矾石的形成可以消耗26mol 游离水，当水胶比增加至一定值时，体系内Al3+、SO42-浓度不足以快速消耗体系内的游离水，从而使无碱速凝剂促凝效果减弱，浆体凝结时间的增幅也随之变大。

表4 水胶比对凝结时间的影响

图3 水胶比对凝结时间的影响

2.4 无碱速凝剂掺量对净浆凝结时间的影响

在工程实际应用中，速凝剂的掺量是可以根据凝结效果进行调整的，因此，研究无碱速凝剂掺量对凝结时间的影响能够更好地指导速凝剂在施工现场的应用，本节研究了无碱速凝剂掺量对凝结时间影响，实验条件如下：在20℃下选用尖峰水泥、水胶比为0.35、先慢搅5s后快搅10s。

由表5、图4 中数据看出，净浆初、终凝时间都随着无碱速凝剂掺量的增加而缩短。无碱速凝剂掺量越大，净浆凝结时间越短，这是因为增加速凝剂用量相当于增加体系中反应物浓度，体系中Al3+、SO42-数量增多，单位时间内生成的钙矾石及中间产物次生石膏数量增多，从而加速了速凝剂凝结硬化，缩短了净浆凝结时间。

3 结论

⑴当搅拌方式采用先慢搅5s 后快搅10s 时，水泥净浆初、终凝结时间最短。

⑵试验温度从5℃增加至35℃，水泥净浆初、终凝时间逐渐缩短，且环境温度低至5℃，水泥净浆初凝时间不合格。

表5 速凝剂掺量对净浆凝结时间的影响

图4 速凝剂掺量对净浆凝结时间的影响

⑶随着水胶比增大，水泥净浆凝结时间变长。

⑷国标GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》检测方法与实际施工应用存在一定差异，具体表现在速凝剂添加后搅拌时间过长，以及未考虑温度等因素对无碱速凝剂凝结性能的影响。因此在无碱速凝剂现场应用过程中，应根据现场实际情况，合理选用标准中规定的内容。