田琨，陳凱，莊連蕊，商先鵬，李成鍇，高榮龍

（中建八局第一建設有限公司，山東 濟南 250001）

0 引 言

速凝劑是一種能夠加速水泥凝結硬化的外加劑，而且不會過分地影響水泥后期強度的發(fā)展，因此，速凝劑在噴射混凝土和噴射砂漿中得以廣泛地應用[1-2]。按照化學成分和狀態(tài)，速凝劑主要有堿性粉狀、堿性液態(tài)、無堿粉狀和無堿液態(tài)4大類[3-4]。堿性固態(tài)速凝劑和堿性液態(tài)速凝劑會導致水泥后期強度大幅度降低，而且可能會導致混凝土堿骨料反應，降低水泥混凝土的耐久性；無堿粉狀速凝劑在噴射混凝土中分布不均勻，導致噴射混凝土性能波動較大[5-7]。因此，無堿液體速凝劑成為一個研究的熱點。

Paglia和Bravo等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)：通過研究含硫酸鋁物質的無堿速凝劑的速凝機理，認為無堿速凝劑主要是通過硫酸鋁促進鈣礬石的形成，從而加速凝結，達到速凝的目的。逄魯峰等[5]通過合理控制工藝條件，使得Al2（SO4）3、乳酸和三乙醇胺反應，制備了無堿液體速凝劑聚合硫酸鋁。并研究了該無堿液體速凝劑對硅酸鹽水泥水化和性能的影響，結果表明，聚合硫酸鋁與水泥具有良好的相容性，并且可顯著促進水泥凝結硬化，對水泥后期強度增長也無不利影響。

在噴射混凝土施工的過程中，尤其是在春秋季節(jié)，環(huán)境溫度比較低，導致水泥凝結硬化速度減慢，因此，有必要研究低溫下無堿液體速凝劑對硅酸鹽水泥水化和性能的影響。本文研究了5、10、15℃下聚合硫酸鋁速凝劑對硅酸鹽水泥水化和性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

硫酸鋁、氨水（NH3含量為28%）、三乙醇胺、乳酸：分析純；水：蒸餾水；水泥：中聯(lián)P·O42.5水泥，其化學成分如表1所示。

表1 水泥的化學成分 %

1.2 無堿速凝劑的制備

稱取一定量的硫酸鋁置于四口燒瓶中，加入適量水微熱溶解，制得濃度為22%的硫酸鋁溶液。將氨水（NH3含量為28%）水溶液和配制好的硫酸鋁溶液（氨水稍過量），加入裝有溫度計、攪拌器的四口燒瓶中，控制中和溫度80℃，制備氫氧化鋁膠體溶液，將制得的膠體溶液過濾，用適量蒸餾水洗滌3次。再將濾后得到的膠體置于65℃烘箱烘9 h，烘干后膠體磨細。然后將乳酸、三乙醇胺與氫氧化鋁膠體一起加入濃度為22%的硫酸鋁溶液中，加熱至90℃，直至膠體完全溶解，冷卻到室溫，即可得到聚合硫酸鋁。其中乳酸、三乙醇胺摻量分別為聚合硫酸鋁總質量的5%、11%。

1.3 測試與表征

1.3.1 凝結時間和砂漿抗壓強度

按照JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》測試5、10、15℃下?lián)骄酆狭蛩徜X速凝劑水泥凈漿的凝結時間及砂漿試件的抗壓強度。

1.3.2 水泥砂漿試件內部溫度

采用型號為Elitech精創(chuàng)RC-4溫度記錄儀，記錄不同溫度養(yǎng)護下水泥砂漿試件內部的溫度變化，從而反映聚合硫酸鋁對硅酸鹽水泥水化的影響。

1.3.3 水泥凈漿孔隙率

采用Quanta Poremater-60壓汞儀測試28 d水泥凈漿孔隙率。

1.3.4 X射線衍射分析

將硬化后的水泥凈漿試件粉磨過200目篩，用于X射線衍射測試。所用衍射儀的型號為D8-Advance，射線為Cu Kα，掃描速度為2°/min，掃描方式為步進式掃描，步長為0.02°，掃描角度范圍為 5°~60°。

1.3.5 水化產物微觀形貌分析

采用TESCAN VEGA 3型掃描電鏡觀察水泥凈漿試件中水化產物微觀形貌，掃描電鏡的電壓為25 kV，電流為20 μA，工作距離為15 mm。

2 結果與討論

2.1 速凝劑摻量對水泥凈漿凝結時間的影響

表2為不同養(yǎng)護溫度下速凝劑聚合硫酸鋁對水泥凈漿凝結時間的影響。

表2 聚合硫酸鋁摻量對水泥凈漿凝結時間的影響

由表2可見，隨著聚合硫酸鋁摻量的增加，水泥的初凝和終凝時間明顯縮短，這主要是因為硫酸鋁促進了水化早期鈣礬石的形成[8-9]。當養(yǎng)護溫度為5℃、聚合硫酸鋁摻量為7.5%時，水泥的初、終凝時間分別為5、10 min，符合JC 477—2005中對合格品的凝結時間要求；當養(yǎng)護溫度為10℃、聚合硫酸鋁摻量為6.0%時，水泥的初、終凝時間分別為3、7 min；當養(yǎng)護溫度為15℃、硫酸鋁摻量為4.5%時，水泥的初、終凝時間分別為3、7 min，達到一等品的要求。因此，聚合硫酸鋁速凝劑可用于低溫下制備噴射混凝土。

2.2 速凝劑摻量對水泥砂漿抗壓強度的影響

表3為不同養(yǎng)護溫度下聚合硫酸鋁對水泥砂漿抗壓強度的影響。

表3 聚合硫酸鋁摻量對水泥砂漿抗壓強度的影響 MPa

由表3可知，當養(yǎng)護溫度為5、10、15℃時，隨著水泥中聚合硫酸鋁摻量的增加，水泥砂漿早期抗壓強度提高，尤其是養(yǎng)護溫度為5℃時，水泥砂漿強度提高效果比較明顯。當養(yǎng)護齡期為28 d時，隨著養(yǎng)護溫度的升高，水泥砂漿抗壓強度提高，這主要是因為，低溫養(yǎng)護在一定程度上抑制了水泥礦物的水化。養(yǎng)護溫度為5、10、15℃時，隨著聚合硫酸鋁摻量的增加，水泥砂漿的28 d抗壓強度略微降低，但聚合硫酸鋁對砂漿抗壓強度的不利影響均較小，可以忽略不計。

2.3 速凝劑對水泥砂漿內部溫度的影響

水泥中的活性組分水化產生熱量，活性組分水化程度越高，水泥砂漿試件的內部溫度也就越高，因此，水泥砂漿試件內部的溫度也可在一定程度上反應水泥的水化程度。圖1為10℃養(yǎng)護下，未摻速凝劑的空白樣品及聚合硫酸鋁摻量為6.0%時，不同水化時間水泥砂漿的內部溫度變化。

圖1 10℃養(yǎng)護下聚合硫酸鋁對水泥砂漿內部溫度的影響

由圖1可知，當聚合硫酸鋁摻量為6.0%、水化時間為4 h時，水泥砂漿試件內部溫度達到最高，為18.8℃；空白樣品在水化6 h時，水泥砂漿試件內部溫度達到最高，為12.9℃。這說明聚合硫酸鋁在很大程度上促進了水泥中鋁酸三鈣和阿利特礦物在低溫條件下的水化，因此，摻入聚合硫酸鋁速凝劑提高了低溫養(yǎng)護的水泥砂漿在1 d時的抗壓強度。

2.4 X射線衍射分析

養(yǎng)護溫度為10℃、不同聚合硫酸鋁摻量下，水泥水化6 h時水化產物的XRD圖譜見圖2。

圖2 不同聚合硫酸鋁摻量下6h水泥水化產物的XRD圖譜

由圖2可知，隨著聚合硫酸鋁速凝劑摻量的增加，AFt和Ca（OH）2的衍射峰強度增強，這說明聚合硫酸鋁在一定程度上促進了鈣礬石的形成，還可促進阿利特礦物的水化，因此，聚合硫酸鋁速凝劑提高了低溫養(yǎng)護條件下的水泥砂漿抗壓強度。

2.5 水化產物微觀形貌

圖3和圖4分別為不同聚合硫酸鋁摻量下10℃養(yǎng)護的水泥凈漿水化產物在6 h和28 d水化產物的微觀形貌。

圖3 10℃下養(yǎng)護6 h時水泥凈漿水化產物的SEM照片

圖4 10℃下養(yǎng)護28 d時水泥凈漿水化產物的SEM照片

由圖3可知，養(yǎng)護齡期為6 h時，隨著聚合硫酸鋁速凝劑摻量的增加，水泥顆粒表面逐漸出現(xiàn)一些針棒狀的鈣礬石，并且晶體顆粒的尺寸逐漸長大，這說明，聚合硫酸鋁速凝劑不僅可以促進C3A礦物的水化，而且可以促進針棒狀鈣礬石的生長發(fā)育。由圖4可知，養(yǎng)護齡期為28 d時，聚合硫酸鋁速凝劑對水泥水化產物的形貌并沒有明顯的影響，但是隨著聚合硫酸鋁速凝劑摻量的增加，水泥凈漿中的孔洞和微裂縫數(shù)量逐漸增多，這在一定程度上不利于水泥強度的發(fā)展。

2.6 聚合硫酸鋁摻量對水泥砂漿孔隙率的影響

為了進一步探究聚合硫酸鋁速凝劑對水泥砂漿孔隙率的影響，對水泥砂漿進行孔隙率分析。圖5為10℃養(yǎng)護溫度下，聚合硫酸鋁摻量對水泥砂漿28 d孔隙率的影響。

圖5 聚合硫酸鋁摻量對水泥砂漿孔隙率的影響

由圖5可知，隨著聚合鋁酸鋁速凝劑摻量的增加，水泥砂漿的孔隙率增大?？紫堵室彩怯绊懰嗌皾{抗壓強度的一個重要因素，雖然聚合硫酸鋁速凝劑在一定程度上促進了阿利特礦物的水化，但是也使得水泥砂漿的孔隙率更高，因此，摻加了聚合硫酸鋁速凝劑28 d抗壓強度降低。

3 結論

（1）低溫環(huán)境下，聚合硫酸鋁是一種良好的硅酸鹽水泥速凝劑，當養(yǎng)護溫度和聚合硫酸鋁摻量分別為5℃、7.5%，10℃、6.0%，15℃、4.5%時，水泥的初凝和終凝時間分別為5、10 min，3、7 min，3、7 min，符合 JC 477—2005對凝結時間的要求。

（2）聚合硫酸鋁速凝劑可促進水泥中鋁酸三鈣和硅酸三鈣礦物在5、10、15℃養(yǎng)護時的水化，從而提高了硅酸鹽水泥1 d時的抗壓強度。

（3）低溫條件下養(yǎng)護時，聚合硫酸鋁速凝劑使得水泥砂漿28 d孔隙率增大，導致水泥砂漿28 d抗壓強度略有降低，但降低降低的幅度很小，可忽略不計。