用于噴射混凝土的低堿性速凝劑研究

[摘要】選擇低堿性速凝、早強物質(zhì)，采用外加劑復(fù)配的方法，通過對水泥凝結(jié)時問，強度檢驗的手段，進行了正交試驗，確定了一種噴射混凝土用低堿性速凝外加劑的配方。通過試驗結(jié)果可以得出，AI2(SO4)3摻量在2%～ 4%之問時．隨著摻量增大，初凝時問和終凝時問變短，摻量為4% 時，初凝為14分，終凝25分；K2SO4摻量在2% 一4%之聞可以縮短水泥凝結(jié)時問，摻量為4% 時，初凝為12分，終凝23分，當其摻量超過4%時．后期強度會下降；NaF的速凝效果十分顯著，當摻量只有0.2% 時就可以使水泥的初凝時問控制在5分鐘，終凝控制在10分鐘。與傳統(tǒng)的高堿性外加劑不同，低堿性速凝劑可顯著提高噴射混凝土早期強度，1天強度可達9.6MPa，而且后期強度發(fā)展良好，28天強度達到45.5MPa。
【關(guān)鍵詞] 噴射混凝土；速凝；早強
[中圖分類號】TU528．042 [文獻標識碼】A [文章編號】1002—3550(2005)02—0059O 前言
近年來噴射混凝土發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，不但在地下隧道，礦山井巷支護中，這種錨噴支護技術(shù)應(yīng)用的比例越來越高。而且由于其施工簡單，在建筑物的加固、結(jié)構(gòu)修復(fù)及各種護坡中都全面應(yīng)用。國內(nèi)在噴射混凝土施工中，多采用堿性速凝劑，對混凝土的后期強度削減較大，一般強度損失在20%～40%，而且回彈率大，這樣既浪費材料又影響噴射混凝土的施工質(zhì)量。要提高噴射混凝土的性能簡單有效的辦法就是復(fù)合出低堿性并使水泥混凝土強度發(fā)展良好的速凝劑。
本研究從水泥的水化機理入手，選擇低堿性的水泥速凝劑，以區(qū)別與其它高堿性水泥速凝劑。AI2(SO4)3摻量在2%～4%之間時，隨著摻量增大，初凝和終凝時間變短，摻量為4%時，初凝為14分，終凝為25分；K2SO4摻量在2%～4%之間可以縮短水泥凝結(jié)時間，提高強度，摻量為4%時，初凝為12分，終凝23分，當摻量超過4%時，后期強度會下降；NaF的速凝效果十分顯著，當其摻量只有0．2%時就可以使水泥的初凝時間控制在5分鐘之內(nèi)，終凝時間控制在10分鐘之內(nèi)。與傳統(tǒng)的高堿性外加劑不同，低堿性速凝劑可顯著提高噴射混凝土早期強度，一天強度可達9．6MPa，而且后期強度發(fā)展良好，28天強度達到45．5MPa。1 原材料
K2SO4、A12(SO4)3、NaF。水泥采用冀東水泥有限公司的盾石牌普硅42.5水泥。砂為河砂，細度模數(shù)為2.7。水為自來水。 2 試驗試驗?zāi)Y(jié)時間按照GB／T 1346—89方法進行。水泥抗壓強度和抗折強度按照GB／T 177—85水泥膠砂強度檢驗方法進行測定。3 試驗結(jié)果與分析 3．1 組分材料摻量對水泥凝結(jié)時間和強度的影響 3．1．1 AI2(SO4)3摻量對水泥凝結(jié)時間和強度的影響 Al2(SO4)3摻量與水泥凝結(jié)時間和強度的關(guān)系如從圖1可以看出，Al2(SO4)3摻量在2% ～4%之間時，隨著摻量增大，水泥初凝和終凝時間變短；當其摻量超過4%時，隨著摻量增大，初凝和終凝時間基本不變。這是因為Al2(SO4)3主要是起早強和密實效果，通過快速生成鈣礬石使水泥凝結(jié)時間縮短，當達到臨界摻量后，繼續(xù)加入Al2(SO4)3對水泥中鈣礬石的生成作用減少。
從圖2可以看出，Al2(SO4)3摻量在2% ～4%時，隨著摻量增大，水泥早期強度明顯提高，可以提高40%以上；當其摻量達到6% 時，隨著摻量增加。水泥28d強度會降低，這是因為加入Al2(SO4)3后，電離出的SO42-；一能與水泥水化生成的ca(OH)2進行反應(yīng)，生成二水石膏NaOH，加快硫鋁酸鈣的生成，提高水泥的早期強度。具體反應(yīng)入下： Al3+ +3OH-=AI(OH)3，Ca2++SO2-4+2H2O=CaSO4·2H2O, 2C3A + 3CASO4·2H20 + 25H20 = 3Ca·Al203·3CaSO4·31H20, 當其摻量過大時，新生成的石膏過多。在水泥漿結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成后還會繼續(xù)生成膨脹性的硫鋁酸鈣，降低水泥的后期強度。3．1．2 K2SO4摻量對水泥凝結(jié)時間和強度的影響 k2SO4 摻量與水泥凝結(jié)時間和強度的關(guān)系如圖3、圖4。從圖3可以看出，K2SO4摻量在2% ～4%之間時，隨著摻量的增加，水泥的初凝時間和終凝時間縮短，當摻量為4%時，初凝12分，終凝23分。從圖4可以看出，K2SO4摻量在2% ～4%之間時，隨著K2SO4摻量的增加，水泥的早期強度增加，當摻量超過4% 時，后期強度會有所下降。K2SO4摻入水泥中作用和Al2(SO4)3基本相同，但K+ 極化度高，在水泥水化時生成不溶性復(fù)鹽，提高水泥強度。3．1．3 NaF摻量對水泥凝結(jié)時間和強度的影響NaF摻量與水泥凝結(jié)時間和強度的關(guān)系如圖5、圖6。

從圖5可以看出，NaF的速凝效果十分顯著，當摻量只有0．2%時就可以使水泥的初凝時間控制在5分鐘之內(nèi)，終凝控制在10分鐘之內(nèi)。
從圖6可以看出，NaF的早強作用也比較明顯，這是因為，NaF中的F-在水泥漿體中與水化生成的Ca(OH)2，反應(yīng)生成溶解度更小的CaF，析出大量的晶體，由于大量的Ca2+ 被消耗，難以在C3S表面形成雙電層結(jié)構(gòu)，使C3S誘導(dǎo)期消失，消除水泥中石膏的緩凝作用，水泥得以迅速凝結(jié)，提高水泥的早期強度。3．2 Al2(SO4)3、K2SO4以及NaF的最佳摻量的確定上面試驗已經(jīng)知道了Al2(SO4)3、K2SO4以及NaF的摻量范圍，即Al2(SO4)3、K2SO4的摻量都不要超過4％，否則后期強度損失大。在水泥中起作用的是SO2-4，要控制整個速凝劑SO2-4的含量，所以在實驗中Al2(SO4)3的摻量控制為0．5% ～2．5% ；K2SO4的摻量控制為0．5%～ 1．5% ；NaF 的摻量控制為0．1%～0．5% 。通過正交試驗設(shè)計，確定出各個物質(zhì)的最佳摻量，以達到較好的試驗效果。試驗采用L9(34)。以凝結(jié)時間以及水泥的1d、3d、28d的抗壓和抗折強度做考核指標。Al2(SO4)3、K2SO4以及NaF的最佳摻量確定試驗方案見表1，試驗結(jié)果見表2，正交試驗的極差分析和方差分析見表3和表4。由正交試驗的計算結(jié)果和方差分析結(jié)果可知，對水泥凝結(jié)時間影響非常顯著的因素是NaF，可見，NaF的促凝效果較好，K2SO4對初凝時間的影響是非常顯著的，而對終凝時間影響不明顯。從各齡期的抗壓強度來看，NaF對1d強度影響非常顯著，而A12(SO4)3對3d強度影響是非常顯著的，A12(SO4)3對28d強度的影響是非常顯著的，K2SO4對28d強度的影響是顯著的，NaF則沒有影響。經(jīng)綜合分析評價，確定了最佳配料組合為A2B1C2，復(fù)合配制的低回彈噴射混凝土外加劑，在沈陽五洲商廈基坑支護進行了現(xiàn)場噴射混凝土試驗。回彈率為9．3% ，效果較好。4 結(jié)論 (1) Al2(SO4)3、K2SO4以及NaF等低堿性的早強物質(zhì)可以配制出對水泥混凝土后期強度影響小的速凝早強劑； (2)通過試驗結(jié)果可以得出， Al2(SO4)3摻量在2%～4%之間時，隨著摻量增大，水泥初凝時間和終凝時間變短，摻量為4%時，初凝為14分，終凝25分； (3)通過試驗結(jié)果可以得出，K2SO4摻量在2% ～4%之間時，隨著摻量的增加，水泥初凝時間和終凝時間縮短，當摻量為4% 時，初凝12分，終凝23分； (4)通過試驗結(jié)果可以得出，NaF的速凝效果十分顯著，當摻量只有0．2%時就可以使水泥的初凝時間控制在5分鐘之內(nèi)，終凝控制在10分鐘之內(nèi)； (5)該種速凝早強劑可以使水泥的1d強度達到9.6MPa，28d強度達到45.5MPa。