减水剂中缓凝组分对速凝剂性能的影响

刘玮，王子明，陈家荣，李阳辉，白进利

（1.云南凯威特新材料股份有限公司，云南 昆明 650000；2.北京工业大学，北京 100000）

0 引言

喷射混凝土是将胶凝材料、骨料等按照一定比例拌制的混凝土拌合物送入喷射设备，借助压缩空气或其它动力输送，高速喷射至受喷面所形成的一种混凝土。按照混凝土原材料的拌合方式和喷射状态，喷射混凝土施工又分为干喷法和湿喷法两大类[1]。液体速凝剂是喷射混凝土湿喷工艺中必不可少的外加剂，具有凝结硬化速度快、匀质性好，施工速度快，施工粉尘少等优点[2]。

根据碱含量，液体速凝剂可以分为碱性和无碱2大类[3]。碱性液体速凝剂主要成分为偏铝酸钠，无碱液体速凝剂主要成分为硫酸铝。研究表明，铝酸盐类碱性速凝剂使水泥中的C3A迅速发生水化，析出水化铝酸钙实现速凝。硫酸铝类无碱速凝剂通过促进钙矾石快速生成，实现促凝效果[4]。

减水剂是水泥混凝土中不可或缺的外加剂，在湿喷工艺的喷射混凝土中也不例外。加入减水剂能提高混凝土拌合物的流动性[5]。通常情况下，减水剂中还会复配一些缓凝组分[6]，来确保混凝土可以在较长时间内保持良好工作性。缓凝剂根据化学成分可以分为无机类和有机类。常用的无机缓凝剂有磷酸盐、偏磷酸盐、硼砂、锌盐等，常用的有机缓凝剂有蔗糖、葡萄糖、葡糖糖酸钠、酒石酸、柠檬酸、糖蜜等[7]。

在喷射混凝土使用时，这些减水剂中的缓凝组分如何影响到速凝剂的性能，目前还鲜有文献报道。有鉴于此，本文将制备碱性和无碱液体速凝剂，并研究蔗糖、葡萄糖酸钠、糊精、柠檬酸、三聚磷酸钠等减水剂中的常用缓凝组分对速凝剂性能的影响规律。为确保液体速凝剂的实际使用效果，及喷射混凝土施工中减水剂中缓凝组分的选择提供依据。

1 试验

1.1 原材料

氢氧化钠、氢氧化铝、硫酸铝、三乙醇胺、蔗糖、葡萄糖酸钠、环糊精、柠檬酸、三聚磷酸钠：均为分析纯，国药化学试剂有限公司；氟硅酸镁：工业级，昆明合起工贸有限公司。水泥：P·Ⅰ42.5基准水泥，山东鲁城水泥有限公司；标准砂：厦门ISO标准砂；去离子水：自制。

1.2 速凝剂的制备

1.2.1 碱性速凝剂的制备

称取500 g去离子水、240 g NaOH、260 g A（lOH）3置于带搅拌装置的三口烧瓶中，升温至85℃，持续搅拌4 h，直至得到澄清液体，即得到碱性液体速凝剂。

1.2.2 无碱速凝剂的制备

将450 g去离子水、25 g氟硅酸镁和55 g三乙醇胺加入带搅拌装置的三口烧瓶中，加热至60℃。然后分批加入460 g硫酸铝，搅拌2 h。最后滴加10 g柠檬酸溶液，搅拌至溶液澄清，即得到无碱液体速凝剂。

1.3 性能测试方法

1.3.1 净浆凝结时间

速凝剂掺量为水泥质量的6%，将缓凝剂（掺量亦按水泥质量百分比计）及称量好的水（140 g减去液体速凝剂中的水量）放入搅拌锅中，用玻璃棒搅拌使缓凝剂充分溶解，再加入400g水泥。启动搅拌机搅拌，之后的操作按照GB/T 35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》规定的制备掺液体速凝剂净浆的方法进行。

1.3.2 砂浆抗压强度

将缓凝剂、称量好的水（450 g减去液体速凝剂中的水量）放入搅拌锅中，用玻璃棒搅拌使缓凝剂充分溶解，再加入900 g水泥，启动搅拌机搅拌，之后的操作按照GB/T 35159—2017规定的制备掺液体速凝剂受检砂浆的方法进行。

2 结果与讨论

2.1 缓凝剂对掺碱性速凝剂净浆凝结时间的影响（见图1、图2）

图1 缓凝剂掺量对掺碱性速凝剂净浆初凝时间的影响

图2 缓凝剂掺量对掺碱性速凝剂净浆终凝时间的影响

由图1、图2可以看出，不同种类的缓凝剂对掺碱性速凝剂净浆的凝结时间影响规律并不相同。蔗糖和葡萄糖酸钠延长了掺碱性速凝剂净浆的初凝和终凝时间，并随着掺量增加，凝结时间亦相应延长；环糊精和柠檬酸对掺碱性速凝剂净浆的初、终凝时间影响较小，且掺量增加对凝结时间影响变化不大；三聚磷酸钠则略微缩短了掺碱性速凝剂净浆的初、终凝时间。其中蔗糖对掺碱性速凝剂净浆的延长凝结时间作用最明显，0.01%的掺量即导致掺碱性速凝剂净浆的凝结时间不合格。当蔗糖掺量增加到0.08%时，初凝时间延长了约10倍，终凝时间延长约14倍，这可能与蔗糖对铝酸盐有超强的吸附能力并与铝酸盐形成络合产物，影响了水化铝酸钙的形成有关。

2.2 缓凝剂对掺无碱速凝剂净浆凝结时间的影响（见图3、图4）

图3 缓凝剂对掺无碱速凝剂净浆初凝时间的影响

图4 缓凝剂对掺无碱速凝剂净浆终凝时间的影响

由图3和图4可以看出，除蔗糖外，其他4种缓凝组分都不同程度缩短了掺无碱速凝剂净浆的初、终凝时间，且随着掺量增加，促凝作用越明显。蔗糖掺量小于0.04%时，缩短了掺无碱速凝剂净浆的初、终凝时间；当蔗糖掺量为0.04～0.07%时，则延长了掺无碱速凝剂净浆的凝结时间；当蔗糖掺量大于0.07%时，又缩短了掺无碱速凝剂净浆的凝结时间。

2.3 缓凝剂对掺碱性速凝剂砂浆早期强度发展的影响（见图5、图6）

图5 缓凝剂掺量对掺碱性速凝剂砂浆1 d抗压强度的影响

图6 缓凝剂掺量对掺碱性速凝剂砂浆3 d抗压强度的影响

由图5和图6可以看出：柠檬酸和三聚磷酸钠在试验掺量范围内对掺碱性速凝剂砂浆1 d抗压强度无不利影响；而柠檬酸、环糊精和蔗糖则随着掺量增加，降低了掺碱性速凝剂砂浆的1 d抗压强度，其中蔗糖对掺碱性速凝剂砂浆1d抗压强度影响最大。蔗糖掺量为0.08%时，砂浆1 d抗压强度仅为空白组的36%。试验掺量范围内，除高掺量（≧0.06%）的蔗糖外，缓凝剂对掺碱性速凝剂砂浆的3 d抗压强度无不利影响。不同缓凝剂对掺碱性速凝剂砂浆早期强度的影响规律并不相同，例如掺环糊精会降低掺碱性速凝剂砂浆的1 d抗压强度，但对3 d抗压强度则有所提高。

2.4 缓凝剂对掺无碱速凝剂砂浆早期强度发展的影响（见图7、图8）

图7 缓凝剂掺量对掺无碱速凝剂砂浆1 d抗压强度的影响

图8 缓凝剂掺量对掺无碱速凝剂砂浆3 d抗压强度的影响

由图7和图8可以看出，在试验掺量范围内，缓凝剂的掺入会降低掺无碱速凝剂砂浆的1 d抗压强度，且掺量越多，1 d抗压强度降幅越大。其中，柠檬酸降低掺无碱速凝剂砂浆1 d抗压强度的作用最为明显，当柠檬酸掺量为0.08%时，1 d抗压强度仅为空白组的52%。掺加缓凝剂可以不同程度提高掺无碱速凝剂砂浆的3 d抗压强度，其中以掺葡萄糖酸钠对提高砂浆3 d抗压强度的效果最佳，提高最大幅度为30%。

2.5 缓凝剂对掺速凝剂砂浆28 d抗压强度比的影响（见图9、图10）

由图9可以看出：试验掺量下，柠檬酸、葡萄糖酸钠、蔗糖对掺碱性速凝剂砂浆的28 d抗压强度比无不利影响；而环糊精和三聚磷酸钠则会随着掺量的增加而降低掺碱性速凝剂砂浆的28 d抗压强度比，当三聚磷酸钠的掺量为0.08%时，掺碱性速凝剂砂浆的28 d抗压强度比只为51%，远低于GB/T 35159—2017标准要求。

图9 缓凝剂掺量对掺碱性速凝剂砂浆28 d抗压强度比的影响

图10 缓凝剂掺量对掺无碱速凝剂砂浆28 d抗压强度比的影响

由图10可以看出：试验掺量下，柠檬酸和三聚磷酸钠对掺无碱速凝剂砂浆的28 d抗压强度比影响较小；蔗糖、环糊精、葡萄糖酸钠则可以提高掺无碱速凝剂砂浆的28 d抗压强度比。其中以葡萄糖酸钠对提高砂浆28 d抗压强度比效果最为明显。

3 结论

（1）随着掺量的增加，蔗糖会严重延缓掺碱性速凝剂净浆的初、终凝时间，并降低其砂浆的1 d抗压强度。因此在选择喷射混凝土减水剂中缓凝组分时应谨慎使用蔗糖。不同种类的缓凝组分对掺碱性速凝剂净浆的凝结时间和砂浆早期、后期强度发展的影响规律各不相同。综合考虑凝结时间和早期、后期抗压强度发展等因素，对于碱性速凝剂而言，选择柠檬酸和葡萄糖酸钠作为减水剂的缓凝组分更佳。

（2）在试验掺量范围内，无碱速凝剂对减水剂中缓凝组分的适应性要优于碱性速凝剂，且绝大多数的缓凝组分都会缩短掺无碱速凝剂净浆的初、终凝时间。本试验选择的5种缓凝组分都会降低掺无碱速凝剂砂浆的1 d抗压强度，但会不同程度地提高其3 d抗压强度和28 d抗压强度比。综合考虑凝结时间和早期、后期强度发展等因素，对于无碱速凝剂而言，选择葡萄糖酸钠、环糊精作为减水剂中的缓凝组分最佳，但应严格控制缓凝组分的掺量。