蔣敏　楊春明　尹成杰等

摘 要 利用“水解嵌入聚合”作用將氟硅酸鎂與自制聚合硫酸鋁（PAS）反應(yīng)并結(jié)合“水解聚合濃縮”同步工藝制得無堿無氯液體速凝劑聚合硅酸硫酸鋁（PASS）.實驗結(jié)果表明，PASS速凝劑在7%摻量時接近噴射混凝土用速凝劑（JC4772005）一級品的指標要求.并通過X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）對PASS速凝劑的促凝機理進行了研究.

關(guān)鍵詞 聚合硫酸鋁；氟硅酸鎂；聚合硅酸硫酸鋁；無堿無氯速凝劑

中圖分類號 TU528.042.1文獻標識碼 A文章編號 10002537（2016）02003508

Study on the Preparation and Mechanism of Alkalifree and

Chlorinefree Liquid Accelerator Polyaluminium Silicate Sulfates

JIANG Min， YANG Chunming*， YIN Chengjie， DENG Cuifen， ZHAO Liping， SHEN Ping

（ College of Chemistry and Chemical Engineering， Hunan Normal University， Changsha 410081， China）

Abstract An alkalifree and chlorinefree accelerator liquid acceleratorpolyaluminum silicate sulfate（PASS） was prepared by hydrolysis and polymerization of magnesium silicofluoride within selfmade polyaluminium sulfate matrix， coupled with the “hydrolysispolymerizationconcentration” threeinone technology. The influence of the mass ratio of magnesium silicofluoride to polyaluminium sulfate， reaction temperature and stirring speed on the performance of asprepared liquid accelerator has also been investigated. Our experimental results show that the resultant liquid accelerator has the same quality close to the firstgrade production of shortcrete accelerator standard JC4772005 when the added amount of accelerator is 7.0%. Comparative studies of cement slurry with added accelerator and blank sample at different hydration stages were conducted by XRD analysis and SEM techniques. A possible coagulation mechanism of liquid accelerator PASS was proposed based on above results.

Key words polyaluminium sulfate； magnesium silicofluoride； polyaluminium silicate sulfates； alkalifree and chlorinefree liquid accelerator

速凝劑是一種能促使水泥在較短的時間內(nèi)凝結(jié)硬化，并產(chǎn)生一定抗壓強度的水泥外加劑.速凝劑是噴射混凝土施工中不可缺少的添加劑，主要應(yīng)用于一些具有特殊要求的工程施工，如道路搶修、礦山、隧道、礦井巷道、防洪堤壩等工程[1].速凝劑的生產(chǎn)和使用起源于20世紀30年代[2]，從最早的高堿粉末速凝劑發(fā)展到如今的無堿液體速凝劑[36]，但是無堿速凝劑存在摻量高、穩(wěn)定性差等問題，不利于全面推廣[78].

無堿速凝劑的主要成分之一為鋁鹽，當鋁鹽含量過高時容易析出Al（OH）3沉淀，因而需要加入大量的穩(wěn)定劑[910]，但是穩(wěn)定劑的量過大對促凝起消極作用.作者擬通過使用Al含量較高的自制液體聚合硫酸鋁（PAS）為原料，并引入具有后期強度及防水作用的氟硅酸鎂（MgSiF6·6H2O）嵌入聚合硫酸鋁，采用“水解聚合濃縮”同步方法，得到促凝性能優(yōu)異、穩(wěn)定性良好的無堿無氯液體速凝劑聚合硅酸硫酸鋁（PASS）.由于聚合硫酸鋁（PAS）中引入了Si，能提高速凝劑的穩(wěn)定性而不需要加入額外的穩(wěn)定劑，而同時引入的F-和Mg2+在水泥水化初期分別與水泥漿體中的Ca2+和OH-結(jié)合，形成難溶物CaF2和Mg（OH）2，不僅能消耗Ca2+降低C3S表面的Ca/Si比值，使其具有良好的滲透性能，而且能降低Ca（OH）2的結(jié)晶能壘[11].此外，PASS速凝劑中的少量氟硅酸鎂還會參與水泥的水化反應(yīng)，生成具有微膨脹性質(zhì)的水化產(chǎn)物，使水泥的孔隙變小、結(jié)構(gòu)更加緊密，有效地提高水泥漿體的后期抗壓強度[12].

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

聚合硫酸鋁（PAS，自制，無色透明溶液，pH=3）；氟硅酸鎂（CP，上海三思愛試劑有限公司）.采用湖南寧鄉(xiāng)南方水泥有限公司制造的普通硅酸鹽水泥，P.O 42.5（符合GB 1752007 XK0800100040）作為基準水泥.

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DF101S），鞏義市予華儀器責任有限公司產(chǎn)品；數(shù)字顯示攪拌機（DSX120），杭州儀表電機有限公司產(chǎn)品.

1.2 實驗方法

取90 g 自制PAS置于250 mL三頸燒瓶中.準確稱量一定質(zhì)量 MgSiF6·6H2O，加入適量水使其全部溶解，將溶液轉(zhuǎn)移至50 mL恒壓分液漏斗中.將PAS升溫至60 ℃，開始滴加氟硅酸鎂溶液，控制攪拌速度，待氟硅酸鎂溶液滴加完畢后，繼續(xù)保溫0.5～2.0 h，得到澄清透明的聚合硅酸硫酸鋁PASS產(chǎn)品.

1.3 表征與性能測試

（1） Al含量（w（Al2O3））測試：參照《GB 158922003 PAC水處理劑 聚合氯化鋁》[13]方法.

（2）水泥初終凝時間及抗壓強度的測定：按標準JC 4772005 《噴射混凝土用速凝劑》中的方法[1].

（3） X射線衍射分析（XRD）： 采用粉末試樣衍射方法，管電壓45 kV，管電流30 mA，掃描步長0.02°，掃描角度5°～70°，靶材為銅靶.

（4） 水化樣品SEM分析：取水化反應(yīng)10 min，1 h，1 d和7 d的水泥水化樣品，從中心部位選取粒徑為2～5 mm的小塊，先用無水乙醇洗滌3遍，再放置在無水乙醇中終止其水化，在真空下60 ℃干燥24 h后密封保存以備測試.

1.4 聚合反應(yīng)過程示意圖

在液體聚合鋁的酸性環(huán)境下，氟硅酸鎂首先水解生成硅酸和氫氟酸，然后硅酸再與聚合硫酸鋁進一步反應(yīng)生成聚合硅酸硫酸鋁，具體過程如圖1所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 MgSiF6·6H2O與PSS質(zhì)量比對PASS速凝劑性能的影響

改變MgSiF6·6H2O與PSS的質(zhì)量比，在60 ℃和500 r/min攪拌速度下制備液體速凝劑PASS，其中MgSiF6·6H2O 與PAS的質(zhì)量比分別設(shè)置為0.0∶100，5.0∶100，7.5∶100，10∶100，12.5∶100，15.0∶100.所得速凝劑的各項性能如表1所示.

從表1可知，隨著MgSiF6·6H2O用量的增加PASS速凝劑的初終凝時間呈現(xiàn)先縮短后增加的趨勢.這是由于MgSiF6·6H2O中含有F-，在水化初期F-與溶液中的Ca2+結(jié)合生成CaF2晶體，促進水泥的水化，使得初、終凝時間有所縮短.但是MgSiF6·6H2O中含有6分子結(jié)晶水，其用量越大則PASS中起促凝作用的Al3+濃度降低，導(dǎo)致初、終凝時間相應(yīng)增加，而且會影響水泥1 d和28 d的抗壓強度[14].

隨著MgSiF6·6H2O用量的增加，PASS速凝劑溶液的穩(wěn)定性先變好后變差.因為Si嵌入PAS中AlO骨架中，形成了 “SiOAl” 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加了體系的穩(wěn)定性.但過量的Si反而會成為Al聚合的載體從而降低體系穩(wěn)定性.實驗發(fā)現(xiàn)，MgSiF6·6H2O與PSS的最優(yōu)質(zhì)量比為10.0∶100，此時初、終凝時間分別為8 min 15 s和17 min 4 s，1 d的抗壓強度為14.9 MPa，28 d抗壓強度比為111.2%，體系的穩(wěn)定時間大于50 d.

2.2 反應(yīng)溫度對PASS速凝劑性能的影響

固定MgSiF6·6H2O 與PAS的質(zhì)量比為10.0∶100，改變聚合反應(yīng)的溫度分別為20，30，40，60，80 ℃，在500 r/min攪拌速度下分別制備速凝劑，所得PASS速凝劑的各項性能如表2所示.

由表2可見，隨著聚合溫度的逐漸升高，PASS速凝劑中的Al含量w（Al2O3）沒有明顯變化， 而初終凝時間和1 d抗壓強度及28 d抗壓強度比隨聚合溫度的改變有小幅度的變化.當聚合溫度為40 ℃時，28 d抗壓強度較好；當聚合溫度為60 ℃時，初終凝時間和1 d抗壓強度性能較優(yōu).值得注意的是，隨著聚合溫度的提高，制備的PASS速凝劑溶液的穩(wěn)定性同樣出現(xiàn)了先變好后變差的趨勢.當聚合溫度較低時，由于需要越過一定能壘使Si嵌入“AlOAl”中形成“SiOAl”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此時生成的PASS量較少，體系的穩(wěn)定性主要取決于PAS，PAS容易相互聚集生成凝膠析出從而失去穩(wěn)定性；而在高溫時由于反應(yīng)體系中水分被蒸發(fā)，容易形成H2SiO3凝膠而吸附Al3+，硅酸凝膠本身也處于亞穩(wěn)態(tài)，容易析出SiO2沉淀， 導(dǎo)致速凝劑體系穩(wěn)定性變劣.因此存在一個較適宜的聚合溫度，實驗發(fā)現(xiàn)聚合溫度在60 ℃時，可以獲得總體穩(wěn)定性較優(yōu)的PASS速凝劑.

2.3 攪拌速度對PASS速凝劑性能的影響

固定MgSiF6·6H2O 與PAS的質(zhì)量比為10.0∶100，聚合反應(yīng)溫度為60 ℃，在不同攪拌速度300， 400， 500， 600 r/min下，制備的速凝劑PASS的各項性能如表3所示.

從表3可見，改變反應(yīng)體系的攪拌速度對PASS速凝劑的促凝作用和抗壓強度指標影響不大，但是對液體速凝劑產(chǎn)品的穩(wěn)定性具有重要的影響，說明加大攪拌有利于反應(yīng)體系的傳質(zhì)過程，促進PAS中的“AlOAl”鍵的斷裂而形成新的“SiOAl”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而在較大的攪拌速度下獲得的PASS具有長期的穩(wěn)定性[15].綜合考慮各項性能，選擇適宜的攪拌速度為500 r/min，此時制備的PASS速凝劑雖然其初凝時間（11 min 30 s）和終凝時間（21 min 36 s）均未達到《噴射混凝土用速凝劑》（JC4772005）中合格品的標準[1]，但其1 d抗壓強度和28 d抗壓強度比分別為11.4 MPa和109.3%，達到了一級品的指標.

2.4 增加摻量對速凝劑性能的影響

通過前面2.1～2.3的單因子試驗，得出PASS速凝劑的最佳制備條件為：m（MgSiF6·6H2O）∶m（PAS）=10.0∶100，聚合反應(yīng)溫度60℃， 攪拌速度500 r/min.所制備的PASS速凝劑的初、終凝時間分別為13 min 51 s和24 min 4 s，1 d抗壓強度和28 d抗壓強度比分別為11.4 MPa和109.3%.根據(jù)標準JC4772005[1]，盡管1 d抗壓強度和28 d抗壓強度比已達到一級品的標準，但是初、終凝時間仍沒有達到合格品的水平.因此，采用提高速凝劑摻量的方法使PASS速凝劑達到JC4772005標準的要求，結(jié)果如表4所示.

由表4可見，增加PASS速凝劑的摻量能明顯縮短水泥凈漿的初、終凝時間，達到了 JC4772005中合格品的要求，主要歸因于其有效速凝成分的進一步提高，同時改善了水泥砂漿的抗壓強度， 1 d抗壓強度優(yōu)于一級品且進一步提高，28 d抗壓強度變化不大但仍超過一級品的要求.可見當速凝劑摻量增至9%時，PASS速凝劑的各項性能指標均滿足JC4772005《噴射混凝土用速凝劑》規(guī)定的合格品要求.

2.5 水解聚合濃縮同步制備工藝對速凝劑性能的影響

前面PASS速凝劑的制備由于在三頸瓶中進行，溶劑水的揮發(fā)量較少，加上MgSiF6還會引入部分結(jié)晶水分子，因而制備的速凝劑其Al2O3有效含量僅為7%～9%.基于PASS聚合時需要一定的溫度，作者提出將MgSiF6的水解嵌入PAS的聚合溶液的濃縮過程三者結(jié)合，采用同步工藝，在敞口容器中一邊完成MgSiF6的水解，一邊進行PASS的聚合，同時將多余的水分蒸發(fā)掉，以獲得Al2O3有效含量高且穩(wěn)定性能較好的PASS速凝劑.表5給出了在不同的水解聚合濃縮溫度下所制備的PASS速凝劑的各項性能結(jié)果.

由表5可見，隨著水解聚合濃縮溫度的升高，PASS速凝劑的Al含量w（Al2O3）也穩(wěn)步增加，其初、終凝時間明顯縮短，但對1 d抗壓強度和28 d抗壓強度比的影響并不大.溫度為50 ℃時，所得PASS速凝劑的性能指標即達到《噴射混凝土用速凝劑》（JC4772005）中合格品的標準；當溫度升至60 ℃時，所得PASS速凝劑初、終凝時間進一步改善，接近一級品的指標要求，且所制備的PASS速凝劑的穩(wěn)定性能較好（穩(wěn)定時間超過50 d）；進一步升高過程溫度將導(dǎo)致體系形成硅鋁膠體，液體速凝劑的穩(wěn)定性能迅速惡化.因此，在同步工藝中選擇溫度60 ℃較為合適，獲得的產(chǎn)品性能優(yōu)于前面的非同步工藝.

2.6 PASS速凝劑的促凝機理

2.6.1 XRD分析 采用XRD對摻7.0% PASS速凝劑的水泥漿體和空白水泥漿體的不同齡期（水化10 min，1 h，1 d，7 d）進行分析，以確定不同齡期水泥漿體的組成與物相.

（1） 水泥水化10 min和1 h的XRD分析

圖2為水泥水化10 min及1 h樣品的XRD圖，不加速凝劑的作為空白對照組.比較圖2中空白（a）、加速凝劑的水泥（c）水化10 min的XRD圖.空白水化10 min看不出鈣礬石（AFt）的衍射峰，但是加速凝劑水化10 min在9.0°，15.6°，22.9°處能明顯觀察到鈣礬石（AFt）的衍射峰；而且相較于空白水化10 min的水泥樣，加入速凝劑后水泥樣品中25.4°，385°，40.8°處CaSO4的衍射峰有所降低，說明速凝劑中的Al3+在水化初期即與水泥中的石膏結(jié)合生成大量的鈣礬石.生成鈣礬石中的Ca2+不僅來自于CaSO4，還有部分來自硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）水解析出的Ca2+.由于鈣礬石的生成，促進了C3S及C2S的水解，在XRD圖譜上表現(xiàn)為加速凝劑的水泥水化10 min樣中C3S（293°，32.1°，34.3°，412°，51.6°，622°），C2S（32.1°，34.3°）的峰比空白水化10 min的峰有所降低.同時在加速凝劑水化10 min的樣中出現(xiàn)了新的CaF2（28.2°，46.7°）峰，說明速凝劑中的F-與Ca2+結(jié)合生成比Ca（OH）2溶解度更小的CaF2，進一步促進了C3S和C2S的水化，縮短了誘導(dǎo)期時間[11].

比較圖2中空白（b）和加速凝劑的水泥（d）水化1 h的XRD圖.發(fā)現(xiàn)空白水化1 h的水泥漿體在9.0°，15.6°，22.9°處也出現(xiàn)了鈣礬石的衍射峰，同時CaSO4的峰無明顯變化.說明生成的鈣礬石主要覆蓋在鋁酸三鈣（C3A）的表面上，阻礙了C3A的進一步水化，這與C3A的水化過程一致.加速凝劑的水泥水化1 h后，CaSO4（25.4°，38.5°，40.8°），C3S（29.3°，32.1°，34.3°）及C2S（32.1°，34.3°）的衍射峰進一步減弱，說明速凝劑對C3A、C3S及C2S的水解起到了促進的作用[1618].

（2） 水泥水化1 d的XRD分析

圖3為水泥水化1 d樣品的XRD圖，不加速凝劑的作為空白對照組.

比較圖3中空白（a）、加速凝劑的水泥（b）水化1 d的XRD圖.空白水化1 d的水泥在17.9°，286°，341°，47.1°，54.2°處出現(xiàn)了強且尖銳的氫氧化鈣（CH）衍射峰，同時存在AFt的衍射峰（9.0°，15.6°，229°），在25.4°處CaSO4的衍射峰消失.這說明水泥中的CaSO4基本被消耗完，AFt與剩余的C3A水化產(chǎn)物結(jié)合進一步轉(zhuǎn)化成單硫型水化鋁酸鈣（AFm）；C3S及C2S開始加速水化生成大量的Ca（OH）2.

加速水化1 d的水泥樣中同樣也出現(xiàn)了Ca（OH）2和AFt的衍射峰，但是Ca（OH） 2的衍射峰比空白樣弱很多.這是因為速凝劑中含有大量的Al3+不僅能與水泥中的CaSO4結(jié)合生成大量的鈣礬石，還能捕捉C3S和C2S水化生成的Ca2+生成鈣礬石，導(dǎo)致Ca（OH）2的生成量降低；而且速凝劑中還含有Mg2+，能結(jié)合溶液中的OH-，生成Mg（OH）2沉淀.Ca2+和OH-的同時消耗促進了C3S和C2S的進一步水化，表現(xiàn)為XRD中C3S和C2S的衍射峰比空白樣中有所減弱.此外，隨著速凝劑的不斷消耗，水化體中的硅以SiO2的形式析出，導(dǎo)致加速凝劑的水化樣中SiO2的衍射峰（20.8°，26.5°，68.2°）比空白樣尖銳且強.

（3） 水泥水化7 d的XRD分析

圖4為水泥水化7 d樣品的XRD圖，不加速凝劑的作為空白對照組.由圖4（a）可見，空白樣品水化7 d后在9.0°，15.6°，22.9°處鈣礬石AFt的衍射峰消失，而在17.9°，286°，34.1°，47.1°，54.2°處Ca（OH）2的衍射峰變得強且尖銳，同時C3S和C2S的衍射峰有所減弱，說明鈣礬石AFt已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為單硫型水化硫鋁酸鈣AFm，C3S和C2S不斷水化生成大量的Ca（OH） 2.

摻有速凝劑的水泥水化樣品（b）中，在9.0°，15.6°，22.9°處鈣礬石AFt的衍射峰有所減弱，在17.9°，28.6°，34.1°，47.1°，54.2°處也形成了Ca（OH） 2的尖銳的衍射峰，同樣C3S和C2S的衍射峰也有所減弱.但與空白樣品相比，Ca（OH） 2的衍射峰較弱，C3S和C2S的衍射峰強度降低更明顯.這說明加速凝劑的水泥樣品中，AFt正在向AFm轉(zhuǎn)化.由于速凝劑中的Al3+，F(xiàn)-和Mg2+大量消耗了水泥漿體溶液中的Ca2+和OH-，加速了C3S和C2S的水化，所以C3S和C2S的衍射峰強度減小得更多， 相應(yīng)的Ca（OH） 2的衍射峰強度更小.

2.6.2 水泥水化SEM分析

（1） 水泥水化10 min和1 h樣品的SEM分析

從圖5中可見，空白漿體水化10 min （a）和1 h （c）均未明顯出現(xiàn)鈣礬石AFt和CH.而加速凝劑的水泥漿體水化10 min （b）時，即能觀察到大量短棒狀鈣礬石AFt生成，這也與XRD的測試結(jié)果一致，這些鈣礬石AFt無序排列著，同時有少量水和硅酸鈣（CSH）凝膠生成；當水化1 h時，短棒狀的鈣礬石不斷生長變成細長針狀鈣礬石且相互搭接在一起，同時凝膠狀CSH在鈣礬石附近生長并填充在鈣礬石AFt間隙，沒有觀察到六邊形的CH生成，這說明速凝劑提供的大量Al3+和SO42-能與水泥中的C3A及溶液中的Ca2+結(jié)合生成大量的鈣礬石.由于漿體溶液中Ca2+濃度下降，C3S表面的鈣硅層被破壞，水泥中的C3S開始水化產(chǎn)生大量的CSH包圍在鈣礬石的周圍，并填充其形成的空隙，使水泥漿體喪失流動性，促進水泥漿體的凝結(jié)[1618].

（2） 水泥水化1 d和7 d樣品的SEM分析

圖6為空白漿體（a）、加速凝劑水泥（b）分別水化1d； 空白漿體（c）、加速凝劑水泥（d）分別水化7 d后水化樣品的SEM圖.

圖6 水泥水化1 d和7 d的SEM圖

Fig.6 SEM images of cement hydration for 1 day and 7 days

從圖6可見，空白漿體水化1 d時（a）能看到少量短柱狀鈣礬石，少量六方片狀的CH晶體穿插在CSH凝膠中，整個結(jié)構(gòu)分布松散.而加入速凝劑的漿體水化1 d時（b）能觀察到大量柱狀鈣礬石緊密排列著，構(gòu)成了漿體的3D骨架，大量CSH膠體圍繞在鈣礬石周圍起到連接鞏固作用，少量的CH穿插在CSH周圍，整個結(jié)構(gòu)比較緊湊，這也是加速凝劑后1 d樣品抗壓強度高于空白漿體的原因.

當空白漿體水化7 d時（圖6c），基本上看不到鈣礬石，大量的CH晶體呈層狀堆積于CSH的凝膠之間，整體結(jié)構(gòu)依然比較松散，中間存在較多孔隙.加入速凝劑的漿體水化7 d時（圖6d）依然能觀察到大量針狀鈣礬石晶體穿插于孔隙之間，同時在鈣礬石周圍緊密地包裹著CSH凝膠厚層.在CSH凝膠中間穿插著一些CH層狀晶體，但是CH的量和結(jié)晶度都明顯低于空白水化樣品，這也與XRD的測試結(jié)果一致.由于有鈣礬石的橋梁作用，水化體整體結(jié)構(gòu)致密，這正是加速凝劑水化樣品的后期抗壓強度高于空白水化樣品的主要原因.

3 結(jié)論

將MgSiF6的水解與嵌入聚合硫酸鋁（PAS）的過程結(jié)合起來，獲得了聚合硅酸硫酸鋁液體速凝劑（PASS），不僅提高了PAS的促凝作用，還由于形成了聚合硅酸硫酸鋁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進一步改善了液體速凝劑的穩(wěn)定性.通過改變PASS的制備工藝條件，獲得了適宜的工藝參數(shù)為：m（MgSiF6·6H2O）∶m（PAS）=10.0∶100，聚合反應(yīng)溫度60 ℃，攪拌速度500 r/min.將水解聚合濃縮過程三者同步進行，獲得了最適宜的過程溫度為50～60 ℃，該工藝制備的液體速凝劑在7%摻量時水泥凈漿的初、終凝時間接近《噴射混凝土用速凝劑》（JC4772005）一級品要求，而砂漿1 d強度及28 d強度比優(yōu)于一級品指標要求，產(chǎn)品存儲穩(wěn)定性良好.

通過XRD和SEM對摻速凝劑和對比空白樣的分析，提出PASS速凝劑的促凝機理為：聚合鋁中大量的Al3+進入水泥漿體中與水泥中的CaSO4和C3A進行水化反應(yīng)生成鈣礬石AFt，鈣礬石的生成消耗了溶液中的Ca2+，同時速凝劑中的F-也與Ca2+結(jié)合生成CaF2；溶液中的Ca2+大量被消耗，破壞了C3S表面形成的鈣硅層，縮短了C3S的水化誘導(dǎo)期，促進了C3S的水化，從而使得水泥漿體快速凝結(jié)并產(chǎn)生抗壓強度.

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（編輯 WJ）