用于喷射混凝土的低碱性速凝剂研究

2006-09-30 00:00

O 前言

近年来喷射混凝土发展迅速，应用日益广泛，不但在地下隧道，矿山井巷支护中，这种锚喷支护技术应用的比例越来越高。而且由于其施工简单，在建筑物的加固、结构修复及各种护坡中都全面应用。国内在喷射混凝土施工中，多采用碱性速凝剂，对混凝土的后期强度削减较大，一般强度损失在20%～40%，而且回弹率大，这样既浪费材料又影响喷射混凝土的施工质量。要提高喷射混凝土的性能简单有效的办法就是复合出低碱性并使水泥混凝土强度发展良好的速凝剂。

本研究从水泥的水化机理入手，选择低碱性的水泥速凝剂，以区别与其它高碱性水泥速凝剂。AI₂(SO₄)₃掺量在2%～4%之间时，随着掺量增大，初凝和终凝时间变短，掺量为4%时，初凝为14分，终凝为25分；K₂SO₄掺量在2%～4%之间可以缩短水泥凝结时间，提高强度，掺量为4%时，初凝为12分，终凝23分，当掺量超过4%时，后期强度会下降；NaF的速凝效果十分显著，当其掺量只有0．2%时就可以使水泥的初凝时间控制在5分钟之内，终凝时间控制在10分钟之内。与传统的高碱性外加剂不同，低碱性速凝剂可显著提高喷射混凝土早期强度，一天强度可达

9．6MPa，而且后期强度发展良好，28天强度达到45．5MPa。

1 原材料

K₂SO₄、A1₂(SO₄)₃、NaF。

水泥采用冀东水泥有限公司的盾石牌普硅42．5水泥。

砂为河砂，细度模数为2．7。

水为自来水。

2 试验

试验凝结时间按照GB／T 1346—89方法进行。水泥抗压强度和抗折强度按照GB／T 177—85水泥胶砂强度检验方法进行测定。

3 试验结果与分析

3．1 组分材料掺量对水泥凝结时间和强度的影响

3．1．1 AI₂(SO₄)₃掺量对水泥凝结时间和强度的影响

Al₂(SO₄)₃掺量与水泥凝结时间和强度的关系如

从图1可以看出，Al₂(SO₄)₃掺量在2% ～4%之间时，随着掺量增大，水泥初凝和终凝时间变短；当其掺量超过4%时，随着掺量增大，初凝和终凝时间基本不变。这是因为Al₂(SO₄)₃主要是起早强和密实效果，通过快速生成钙矾石使水泥凝结时间缩短，当达到临界掺量后，继续加入Al₂(SO₄)₃对水泥中钙矾石的生成作用减少。

从图2可以看出，Al₂(SO₄)₃掺量在2% ～4%时，随着掺量增大，水泥早期强度明显提高，可以提高40%以上；当其掺量达到6% 时，随着掺量增加。水泥28d强度会降低，这是因为加入Al₂(SO₄)₃后，电离出的SO^2-₄；一能与水泥水化生成的ca(OH)₂进行反应，生成二水石膏NaOH，加快硫铝酸钙的生成，提高水泥的早期强度。具体反应入下：

Al₃₊ +3OH-=AI(OH)₃，

Ca²⁺+SO^2-₄+2H₂O=CaSO₄·2H₂O,

2C₃A + 3CASO₄·2H₂0 + 25H₂0 = 3Ca·Al₂0₃·3CaSO₄·31H₂0,

当其掺量过大时，新生成的石膏过多。在水泥浆结晶结构形成后还会继续生成膨胀性的硫铝酸钙，降低水泥的后期强度。

3．1．2 K₂SO₄掺量对水泥凝结时间和强度的影响

k₂SO₄ 掺量与水泥凝结时间和强度的关系如图3、图4。

从图3可以看出，K₂SO₄掺量在2% ～4%之间时，随着掺量的增加，水泥的初凝时间和终凝时间缩短，当掺量为4%时，初凝12分，终凝23分。

从图4可以看出，K₂SO₄掺量在2% ～4%之间时，随着K₂SO₄掺量的增加，水泥的早期强度增加，当掺量超过4% 时，后期强度会有所下降。K₂SO₄掺入水泥中作用和Al₂(SO₄)₃基本相同，但K⁺ 极化度高，在水泥水化时生成不溶性复盐，提高水泥强度。

3．1．3 NaF掺量对水泥凝结时间和强度的影响

NaF掺量与水泥凝结时间和强度的关系如图5、图6。

从图5可以看出，NaF的速凝效果十分显著，当掺量只有0．2%时就可以使水泥的初凝时间控制在5分钟之内，终凝控制在10分钟之内。

从图6可以看出，NaF的早强作用也比较明显，这是因为，NaF中的F^-在水泥浆体中与水化生成的Ca(OH)₂，反应生成溶解度更小的CaF，析出大量的晶体，由于大量的Ca²⁺ 被消耗，难以在C₃S表面形成双电层结构，使C₃S诱导期消失，消除水泥中石膏的缓凝作用，水泥得以迅速凝结，提高水泥的早期强度。

3．2 Al₂(SO₄)₃、K₂SO₄以及NaF的最佳掺量的确定

上面试验已经知道了Al₂(SO₄)₃、K₂SO₄以及NaF的掺量范围，即Al₂(SO₄)₃、K₂SO₄的掺量都不要超过4％，否则后期强度损失大。在水泥中起作用的是SO^2-₄，要控制整个速凝剂SO^2-₄的含量，所以在实验中Al₂(SO₄)₃的掺量控制为0．5% ～2．5% ；K₂SO₄的掺量控制为0．5%～ 1．5% ；NaF 的掺量控制为0．1%～0．5% 。通过正交试验设计，确定出各个物质的最佳掺量，以达到较好的试验效果。试验采用L₉(3⁴)。以凝结时间以及水泥的1d、3d、28d的抗压和抗折强度做考核指标。Al₂(SO₄)₃、K₂SO₄以及NaF的最佳掺量确定试验方案见表1，试验结果见表2，正交试验的极差分析和方差分析见表3和表4。