无碱液体速凝剂对修补砂浆性能的影响

王武锁，袁倩男，宋心，赵世冉，王欢，任双倩，张强，徐潇

（1.陕西恒盛混凝土有限公司，陕西 西安 710068；2.陕西秦汉恒盛新型建材科技股份有限公司，陕西 西咸新区 712000）

0 前言

随着我国基础设施建设的不断进行，道路、隧道、住宅以及桥梁等建筑数量逐年上涨，水泥混凝土由于成本低、强度高、维护费用低等优点被大量应用在这些建筑上[1]。由于气候环境、自然灾害、服役年限等因素，混凝土易出现开裂、砂浆剥落、错位、沉降的情况，不仅影响其美观和使用，严重时还会影响建筑物的安全性。未来我国的建筑业将修补维护也作为一个主要方向，为修补砂浆的应用提供了更广阔的舞台[2]。

在实际工程中，混凝土破损部位一般具有面积大、施工作业面积小等特点，对于修补砂浆的早强、粘结性提出了更高的要求[3]。速凝剂是一种能使水泥快速凝结硬化的混凝土外加剂，常用在喷射混凝土或者喷射砂浆中达到快凝快硬的效果[4]。目前应用的硫酸铝基无碱液体速凝剂能够使混凝土达到早强的效果[5]，在隧道、边坡支护等施工中大量应用，但对于无碱液体速凝剂在修补砂浆的配方设计和性能影响方面少有研究。因此，本文在硅酸盐水泥基修补砂浆中掺入了硫酸铝基无碱液体速凝剂，研究无碱液体速凝剂对修补砂浆凝结时间、抗压、抗折及拉伸粘结强度的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5冀东水泥；粉煤灰：Ⅱ级，韩城大唐盛龙科技实业有限责任公司；矿粉：S95级，韩城大唐盛龙科技实业有限责任公司；机制砂：1.18～0.60mm和0.60～0.30mm颗粒按3∶5的质量比复合使用，柞水县龙岩建材有限公司；乳胶粉：山东兰杜新材料有限公司产5011 N型可再分散乳胶粉；纤维：灵寿县嘉硕建材加工有限公司产3～5 mm聚丙烯纤维；减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司产PCA-1型聚羧酸型减水剂，固含量10%，减水率27%；无碱液体速凝剂：陕西科之杰新材料股份有限公司产SN型硫酸铝基无碱液体速凝剂，固含量40%。胶凝材料的化学组成如表1所示，水泥的技术性能如表2所示。

表1 胶凝材料的化学组成 %

表2 水泥的技术性能

1.2 配合比

试验修补砂浆试件成型采用水胶比为0.24，胶砂比为1.25，胶凝材料由70%水泥+10%粉煤灰+20%矿粉组成，总质量为1000 kg/m3；乳胶粉、聚丙烯纤维和减水剂掺量分别为胶凝材料质量的1.0%、1.0%、2.3%，无碱液体速凝剂掺量为胶凝材料质量的0～7%。

凝结时间试验采用净浆进行，净浆配合比中胶凝材料由70%水泥+10%粉煤灰+20%矿粉组成，总质量为400 g，乳胶粉掺量为胶凝材料质量的1%，无碱液体速凝剂掺量为胶凝材料质量的0～7%。

1.3 试验方法

凝结时间参照GB/T 35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》进行测试；抗压及抗折强度参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法（ISO法）》进行测试；拉伸粘结强度参照JC/T 2381—2016《修补砂浆》进行测试；水化热试验采用武汉博泰斯特仪器设备有限公司的PTS-12S型水泥水化热测定仪进行测试，测试时将搅拌均匀的净浆倒入一次性塑料杯内，并放入仪器，开始记录测试结果，直至水化3 d为止。

2 结果与分析

2.1 无碱液体速凝剂掺量对净浆凝结时间的影响（见表3）

表3 无碱液体速凝剂掺量对净浆凝结时间的影响

由表3可知，随着无碱液体速凝剂掺量的增加，净浆的初凝、终凝时间均缩短。对比不加无碱液体速凝剂的净浆试样，速凝剂掺量为1%、3%、5%、7%的净浆试样初凝时间分别缩短了69.9%、86.1%、91.0%、97.3%，终凝时间分别缩短32.3%、82.5%、88.9%、96.4%。这主要是由于无碱液体速凝剂中含有大量Al3+和SO42-，加入后促进水泥水化反应生成大量的AFt，形成网状骨架结构，使得净浆迅速凝结硬化[6]。

2.2 无碱液体速凝剂掺量对砂浆抗压及抗折强度的影响（见表4）

表4 无碱液体速凝剂掺量对砂浆抗压及抗折强度的影响

由表4可知：

（1）砂浆试件的抗压强度随着龄期的延长而显著提高，随着无碱液体速凝剂掺量的增加而缓慢提高。与不掺速凝剂的对照组相比，当无碱液体速凝剂掺量为1%时，砂浆试件的1、3、28 d抗压强度分别提高了6.0%、0.4%、0.9%；当无碱液体速凝剂掺量为3%时，砂浆试件的1、3、28 d抗压强度分别提高了8.0%、2.9%、1.7%；当无碱液体速凝剂掺量为5%时，砂浆试件的1、3、28d抗压强度分别提高了10.3%、6.3%、2.6%；当无碱液体速凝剂掺量为7%时，砂浆试件的1、3、28d抗压强度分别提高了13.7%、7.4%、5.1%。砂浆试件在早期的抗压强度随速凝剂掺量增加而提高，而后期抗压强度较早期增幅变小。

（2）砂浆试件的抗折强度随着龄期的延长而显著提高，掺入无碱液体速凝剂试件的抗折强度比对照组均有所提高。与对照组相比，当无碱液体速凝剂掺量为1%时，砂浆试件的1、3、28 d抗折强度分别提高了3.3%、3.7%、1.4%；当无碱液体速凝剂掺量为3%时，砂浆试件的1、3、28d抗折强度分别提高了4.9%、6.1%、2.8%；当无碱液体速凝剂掺量为5%时，砂浆试件的1、3、28d抗折强度分别提高了11.5%、7.3%、0.7%；当无碱液体速凝剂掺量为7%时，砂浆试件的1、3、28 d抗折强度分别提高了9.8%、11.0%、3.4%。由此可知，无碱液体速凝剂的掺入会使砂浆试件的抗折强度有所提高，但随着速凝剂掺量的增加，其抗折强度的提高无明显规律。

无碱液体速凝剂掺入后砂浆试件的抗压及抗折强度提高，这主要是由于速凝剂带入的Al3+转化为[Al（OH）4]-，以及速凝剂中的SO42-与水泥浆的Ca2+和H2O反应生成针棒状的AFt，迅速搭接形成网状骨架结构，水泥水化形成的水化硅酸钙凝胶填充在AFt骨架结构的空隙中，使得水泥石迅速变得致密，具有早强的作用[7-8]。同时，形成AFt的液相反应-沉淀过程也使得砂浆结构更加密实，提高后期强度[9]。

2.3 无碱液体速凝剂掺量对砂浆拉伸粘结强度的影响（见表5）

表5 无碱液体速凝剂掺量对砂浆拉伸粘结强度的影响

由表5可知，砂浆试件的拉伸粘结强度随着龄期的延长而显著提高。与不掺无碱液体速凝剂的对照组相比，速凝剂掺量为1%砂浆试件的1、28 d拉伸粘结强度分别提高了1.3%、0.2%；速凝剂掺量为3%砂浆试件的1、28 d拉伸粘结强度分别提高了3.0%、0.1%；速凝剂掺量为5%砂浆试件的1、28 d拉伸粘结强度分别提高了4.1%、2.2%；速凝剂掺量为7%砂浆试件的1、28 d拉伸粘结强度分别提高了5.8%、3.8%。试件的早期拉伸粘结强度随着速凝剂掺量的增加显著提高，而后期拉伸粘结强度虽较对照组提高但不明显。由于无碱液体速凝剂的加入提高了砂浆试块的密实度，粘结表面孔隙少，改善界面区的结构，从而使得砂浆的拉伸粘结强度也有所提高[10]。

2.4 水化热分析

速凝剂掺量为0和5%两组修补砂浆水化0～72 h的水化放热曲线如图1所示。

图1 速凝剂对砂浆早期水化放热行为的影响

由图1（a）、（b）、（c）可知，速凝剂掺量为0和5%样品的放热规律类似，均在水化0～20min内出现第一放热峰，水化540～1440min内出现第二放热峰。掺入无碱液体速凝剂后修补砂浆的放热速率显著增大，速凝剂掺量为0样品的第一放热峰值仅为12.7 J/（g·min），而加入5%速凝剂的样品放热峰值达到了30.4 J（/g·min）。这是因为加无碱液体速凝剂带入大量SO42-，减少了体系中石膏相释放SO42-的过程，故该组样品生成钙矾石时放热速率更快、放热峰值更高[7]。2组砂浆样品在加速期出现了第二放热峰，相比较而言，不掺速凝剂样品的放热峰比掺5%的放热峰晚约50min出现，且放热速率小于掺量5%样品。这是由于速凝剂加入生成的钙矾石可以削弱水化矿物表面的富钙层厚度，更易进行水化过程[7]。故加入无碱液体速凝剂促进了修补砂浆体系水化反应的进行，使砂浆凝结时间缩短。

由图1（d）可知，水化0～72 h内，掺5%无碱液体速凝剂的样品累计放热始终大于对照样品，这是由于Ca2+的快速消耗促进了C2S和C3S的水化，加速了水泥的硬化速率[8]，故加入速凝剂后修补砂浆的早期强度有一定的提高。

3 结论

（1）掺加无碱液体速凝剂后，修补砂浆的凝结时间大幅缩短，更易进行位置高的破损部位修补。

（2）对比不掺加无碱液体速凝剂的修补砂浆，掺加无碱液体速凝剂后砂浆的抗压、抗折以及拉伸粘结强度都有所提高，尤其是早期强度增幅较大，且随无碱液体速凝剂掺量的增加而提高。

（3）水化热试验表明，掺入无碱液体速凝剂提高了修补砂浆的水化速率，加快了同时间下砂浆的水化程度，使得修补砂浆的凝结时间缩短、早期强度提高。