硫铝酸钙基促凝促强剂对湿喷混凝土性能的影响

王建黔，陈智丰，王国兴，张振秋，聂松，徐名凤，周健

（1.唐山北极熊建材有限公司，河北 唐山 063705；2.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401）

0 引言

喷射混凝土是使用压缩空气或其它动力，将按一定比例配制的拌合料通过管道高速喷射到受喷面上，迅速凝结硬化而成的混凝土，已经广泛应用于地下工程、防护工程以及结构加固修复工程等领域[1]。过去，喷射混凝土施工普遍采用干喷和潮喷工艺。随着施工技术的不断发展，湿喷工艺正逐渐应用于喷射混凝土施工作业中[2]。与传统的喷射工艺相比，湿喷具有回弹量小、混凝土密实、质量好、强度高、无粉尘、效率高等优势[3]。

湿喷混凝土技术的关键是如何提高混凝土的早期强度。对于Ⅲ级以上围岩，要求喷射混凝土的3 h抗压强度不低于1.5 MPa。喷射混凝土3 h抗压强度越高，喷射施工的效率和支护的效果越好[4]。为了促进湿喷混凝土凝结硬化和提高早期强度，通常需要掺入速凝剂，以满足施工要求[5-6]。目前常用的速凝剂可分为有碱速凝剂和无碱速凝剂两大类。有碱速凝剂的主要有效成分为碱金属氢氧化物、氢氧化铝和硅酸钠等。然而，有碱速凝剂的掺入容易导致湿喷混凝土后期强度倒缩和耐久性变差。此外，有碱速凝剂腐蚀性较强，严重威胁施工人员的健康[7]。为解决上述问题，科研人员研发了以硫酸铝为有效组分的无碱速凝剂[8-10]。该类速凝剂可显著提高混凝土的粘聚性，改善湿喷混凝土的回弹问题，且不会引起后期强度的倒缩。但单独使用无碱速凝剂容易引起过渡激发的问题。

大量研究表明[11-14]，将硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复掺后，硫铝酸盐水泥中活性组分无水硫铝酸钙不仅可以迅速水化生成大量钙矾石，同时也能够促进硅酸盐水泥凝结硬化，从而提高水泥的早期强度。本文采用无水硫铝酸钙为促凝促强剂的主要组分，研究硫铝酸钙基促凝促强剂对硅酸盐水泥凝结硬化速度及湿喷混凝土早期强度和电通量的影响，分析其对湿喷混凝土早期力学性能和耐久性的作用机理。

1 试验

1.1 原材料

硫铝酸钙基促凝促强剂：唐山北极熊建材有限公司，主要化学成分见表1；水泥：P·O42.5水泥，唐山冀东水泥股份有限公司，主要化学成分见表1，物理力学性能见表2；无碱液体速凝剂：符合GB/T 35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》要求，其组成见表3；聚羧酸类高效减水剂：减水率≥25%，经试验验证，减水剂与水泥及速凝剂适应性较好，保坍组分适宜；河砂：细度模数2.8，含泥量2.8%；细石：5~10 mm碎石，表观密度2.63 g/cm3，含泥量1.8%。

表1 促凝促强剂和水泥的主要化学成分 %

表2 水泥的物理力学性能

表3 无碱液体速凝剂的组成 %

1.2 试验方法

1.2.1 凝结时间

按照GB/T 35159—2017测试不同硫铝酸钙基促凝促强剂和无碱液体速凝剂掺量水泥净浆的凝结时间。硫铝酸钙基促凝促强剂等质量取代水泥。

1.2.2 力学性能

按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》测试不同硫铝酸钙基促凝促强剂和无碱液体速凝剂掺量水泥砂浆的抗压强度。根据上述砂浆强度试验结果，优化了硫铝酸钙基促凝促强剂掺量（等质量取代水泥）和无碱液体速凝剂掺量（按占胶凝材料质量计），确定了喷射混凝土配合比。按照GB/T 50081—2019《混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土力学性能测试。

1.2.3 抗氯离子渗透性

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的电通量法测试混凝土的抗氯离子渗透性能。

2 结果与分析

2.1 水泥净浆的凝结时间

硫铝酸钙基促凝促强剂和无碱液体速凝剂掺量对水泥净浆凝结时间的影响如图1所示。

图1 硫铝酸钙基促凝促强剂和无碱液体速凝剂掺量对水泥净浆凝结时间的影响

由图1可知，随着硫铝酸钙基促凝促强剂掺量的增加，水泥净浆的初凝和终凝时间均显著缩短。在无碱液体速凝剂掺量为6%的条件下，当硫铝酸钙基促凝促强剂的掺量从6%分别增加到8%、10%、12%和15%时，净浆的初凝时间分别缩短了24.3%、34.1%、43.9%和53.7%，终凝时间分别缩短了16.9%、31.3%、44.6%和56.6%。在无碱液体速凝剂掺量为8%的条件下，当硫铝酸钙基促凝促强剂掺量从4%分别增加到6%、8%、10%和12%时，净浆的初凝时间分别缩短了33.3%、41.0%、51.3%和61.5%，终凝时间分别缩短了31.25%、53.4%、59.9%和65.8%。

2.2 水泥砂浆的抗压强度

无碱液体速凝剂对水泥砂浆抗压强度的影响见表4。

表4 无碱液体速凝剂对水泥砂浆抗压强度的影响

由表4可见，在不掺硫铝酸钙基促强促凝剂的条件下，当无碱液体速凝剂掺量从6%增加到10%时，水泥砂浆3 h未测得抗压强度，而24 h抗压强度提高了5.3%。在硫铝酸钙基促强促凝剂掺量为10%的条件下，无碱液体速凝剂的掺量对水泥砂浆3 h和24 h抗压强度无明显影响。

在无碱液体速凝剂掺量为6%的条件下，硫铝酸钙基促凝促强剂掺量对水泥砂浆抗压强度的影响见图2。

图2 硫铝酸钙基促凝促强剂对水泥砂浆抗压强度的影响

由图2可见，随着硫铝酸钙基促凝促强剂掺量从0增加到14%，水泥砂浆的3 h抗压强度逐渐提高，24 h抗压强度先提高后稍有降低，当硫铝酸钙基促凝促强剂掺量为12%时，水泥砂浆的24 h抗压强度最高。

2.3 混凝土的抗压强度

根据水泥净浆凝结时间和砂浆抗压强度的试验结果，确定了湿喷混凝土中无碱液体速凝剂掺量为6%。在此基础上，进一步研究硫铝酸钙基促凝促强剂掺量和水胶比对湿喷混凝土力学性能的影响。混凝土的初始坍落度控制为200 mm。水胶比为0.40时，硫铝酸钙基促凝促强剂掺量对湿喷混凝土抗压强度的影响见表5；硫铝酸钙基促凝促强剂掺量为40 kg/m3时，水胶比对湿喷混凝土抗压强度的影响见表6。

表5 硫铝酸钙基促凝促强剂掺量对湿喷混凝土抗压强度的影响

表6 水胶比对湿喷混凝土抗压强度的影响

由表5可见，在未掺加硫铝酸钙基促凝促强剂的情况下，混凝土3 h未测得抗压强度。随着硫铝酸钙基促凝促强剂掺量的增加，湿喷混凝土的3 h和24 h抗压强度均显著提高。当促凝促强剂的掺量为48 kg/m3时，湿喷混凝土的3 h和24 h抗压强度分别达5.0、19.7 MPa。这表明，硫铝酸钙基促凝促强剂的掺入可以显著提高湿喷混凝土的早期强度，尤其是3 h抗压强度。

由表6可以看出，随着水胶比的减小，湿喷混凝土的3 h和24 h抗压强度明显提高。当水胶比为0.35时，混凝土的3 h和24 h抗压强度分别为5.3、23.1 MPa，较水胶比为0.50时分别提高了60.6%和128.7%。

2.4 混凝土的抗氯离子渗透性

将混凝土试件养护至56 d，通过电通量法表征了混凝土抗氯离子渗透性能。水胶比为0.40时，硫铝酸钙基促凝促强剂掺量对湿喷混凝土抗氯离子渗透性能的影响见表7。

表7 硫铝酸钙基促凝促强剂掺量对湿喷混凝土电通量的影响

由表7可知，在未掺硫铝酸钙基促凝促强剂的情况下，混凝土的56 d电通量高达5697 C；随着硫铝酸钙基促凝促强剂的掺量的增加，混凝土的56 d电通量显著减小。当硫铝酸钙基促凝促强剂的掺量超过32 kg/m3后，混凝土的56 d电通量小于1500 C，抗氯离子渗透性能明显提高。

3 机理分析

无碱液体速凝剂的主要有效成分为硫酸铝。当混凝土与水拌合后，硫酸铝与硅酸盐水泥早期水化产物氢氧化钙反应生成钙矾石，反应如式（1）所示。无碱液体速凝剂的作用效果受硅酸钙的水化速度控制，对早期强度的贡献有限，这与水泥砂浆3 h抗压强度试验结果一致。若湿喷混凝土单独使用无碱液体速凝剂，为达到速凝的效果，往往会引起过度激发的问题。喷射混凝土在保证速凝的同时，喷射操作过程中混凝土的流变性较差，容易导致喷射后的混凝土空隙率高，成型不密实。

硫铝酸钙基促凝促强剂的主要成分为无水硫铝酸钙。掺入硫铝酸钙基促凝促强剂后，无水硫铝酸钙首先与二水石膏快速迅速反应，生成大量钙矾石和铝胶，反应如式（2）所示。钙矾石的快速形成可以为水泥浆体提供骨架结构，促进混凝土的凝结，提高早期强度。随着水化反应的进行，硫酸铝、铝胶、氢氧化钙和二水石膏之间还会发生二次反应，生成钙矾石。此时生成的钙矾石有利于提高混凝土的密实度，促进早期强度发展，改善混凝土耐久性。

4 结论

（1）硫铝酸钙基促凝促强剂加入喷射混凝土后，在与无碱液体速凝剂协同作用下，迅速形成大量的钙矾石，缩短了水泥凝结时间，实现速凝早强效果。

（2）硫铝酸钙基促凝促强剂的掺入可以显著提高湿喷混凝土的早期强度，混凝土的3 h抗压强度可高达5 MPa。

（3）硫铝酸钙基促凝促强剂的掺入降低了湿喷混凝土的56 d电通量，提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。