硫酸铝速凝剂的性能研究

硫酸铝速凝剂的性能研究

速溶剂是一种亲水化合剂，可以快速结晶水泥。喷射混凝土和喷射砂浆工程中,使用速凝剂,能使混凝土和砂浆在很短时间内凝结硬化。速凝剂现已广泛应用于矿山巷道,公路、铁路隧道支护等工程中。最早的水泥速凝剂产品是瑞士的西卡(Sika)速凝剂,至今已有七八十年的历史;随后相继出现了西古尼特(Sigunite)、依卓克莱特(Isocret)等速凝剂。这些速凝剂大多是以铝酸盐、碳酸盐为主复合其他无机盐,或以硅酸钠为主与其他无机盐复合制成的高碱性粉状物质,对混凝土后期强度发展很不利,对施工人员皮肤及呼吸系统也有一定的损害。目前,速凝剂正朝着无碱液态的方向发展。近几年来,国外已成功地研制出了一些无碱液态速凝剂,但价格昂贵。我们是从2000年开始着手对无碱液态速凝剂制备方法进行研究的,现已研制出了2种无碱液态速凝剂(NSA和改性NSA)和1种低碱液态速凝剂(LSA);但这3种速凝剂在掺量、固含量等方面还有不足之处。为此,我们又在低碱液态速凝剂的基础上,进行了添加非铝硫酸盐等物质的改性研究。1低碱速溶剂试验1.1试验用原材料(1)水泥：p.o42。5水泥。表1显示了物理强度测试的数据(2)速凝剂：低碱溶性速凝剂和高效低碱阴性速凝剂在实验室中合成1.2试验设备及仪器(1)掺速凝剂的水泥凝结时间和水泥砂浆强度测定按照JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》中规定的方法进行,未掺速凝剂的水泥砂浆强度测定按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》中的规定进行。(2)扫描电镜观察(SEM)。硬化水泥浆体微观结构、钙矾石的形成和分布情况,采用日本电子公司制造的JSM-5900型扫描电镜进行观察。观察用的试样为硬化体新鲜自然断口,不做抛光处理。2试验结果与分析2.1络合物速凝剂低碱液态速凝剂是将硫酸铝、水、少量钠盐以及醇胺类有机物质按一定比例混合后,再经化学反应处理制成的,固含量为42.1%。该速凝剂中含SO321.1%,Al2O39.0%,Na2O8.7%,含水57.9%。高效低碱液态速凝剂是在低碱液态速凝剂中添加适量的非铝硫酸盐后,再经化学反应处理制成的,固含量为43.1%。2.2水泥净浆效果分别对添加低碱液态速凝剂和高效低碱液态速凝剂的P·O42.5水泥进行凝结时间测定,测定结果见表2。从表2中可以看出,高效低碱液态速凝剂掺量比低碱液态速凝剂减少了1/3(前者为4%,后者为6%);同时水泥净浆初、终凝时间也明显缩短,可能是非铝硫酸盐的加入对凝结时间起了重要作用,具体机理尚不完全清楚。还有高效低碱液态速凝剂中的固含量比低碱液态速凝剂有所提高,前者为43.1%,后者为42.1%;而固含量的提高通常意味着含水率的降低,再加上掺量的降低,使得采用“后掺法”施工工艺时,能有更多的混凝土拌合用水。但是,固含量的过分提高可能会使得速凝剂液体粘度变大,影响添加计量的准确性和速凝剂液体的稳定性,所以必须把固含量控制在适当范围内。2.3高效低碱水溶液速凝剂对混凝土后期强度的影响传统的速凝剂都存在早期强度跟不上、后期强度严重下降的问题,而我们研制的高效低碱液态速凝剂,则能很好地克服这些问题。表3中列出了P·O42.5水泥空白胶砂试样和添加了低碱液态速凝剂、高效低碱液态速凝剂的试样强度测定结果。从表3中可以看出,与空白水泥胶砂试样相比,添加了6%的低碱液态速凝剂的水泥胶砂试样,其1d抗折、抗压强度均有所提高,但7d和28d的抗折、抗压强度均有所降低,显示该速凝剂对后期强度发展有不利影响。而添加了4%的高效低碱液态速凝剂的水泥胶砂试样,其1d抗折、抗压强度均有显著提高,其中抗折强度提高了1MPa,抗压强度提高了4.1MPa,能很好地满足喷射混凝土早强的要求;同时其28d抗压强度也有所提高(强度保留率为105%),显示该速凝剂对后期强度发展非但没有不利影响,反而有增强作用。此外,从表3中还可以看出,不论是低碱液态速凝剂,还是高效低碱液态速凝剂,其28d抗压强度保留率都符合JC477-2005标准规定(一等品28d抗压强度保留率大于75%)。2.4水化过程中钙仿真分析目前,对于速凝剂的速凝机理,尚未达成统一认识。熊大玉等学者认为,速凝剂主要是通过消除石膏缓凝,促进C3A水化形成钙矾石而实现速凝。冷悦天认为,速凝剂是通过改变C-S-H凝胶形成速度来加速水化而实现速凝。刘晨等学者认为,速凝剂是通过促进C3S水化而实现速凝。还有些学者认为,速凝剂是通过直接生成细针状钙矾石和水化铝酸钙而实现速凝。实际上,不同的速凝剂可能对应不同的速凝机理。我们认为,高效低碱液态速凝剂是通过促进钙矾石的快速大量生成而实现速凝。附图是空白P·O42.5水泥及添加了4%的高效低碱液态速凝剂的P·O42.5水泥不同水化时间时的SEM照片。从附图中可以看出,空白水泥水化260min时所形成的钙矾石很少,基本上都是几乎不溶于水的水化硅酸钙(C-S-H),开始以胶体微粒析出,逐渐凝聚成凝胶。而在添加了4%的高效低碱液态速凝剂后,水化6min时就已经能清晰地看到有许多短柱状钙矾石广泛地分布于整个水泥硬化体中,这说明该速凝剂能促进水泥水化而快速生成钙矾石。水化时间增加到260min时,水泥硬化体中的短柱状钙矾石数量大大增加,成片分布。此外,从附图中还可以看出,空白水泥与添加了4%的高效低碱液态速凝剂的水泥水化时,钙矾石的初始形成位置有所不同:空白水泥水化形成的钙矾石集中分布并覆盖于无水矿物表面,这会阻碍水泥的进一步水化,从而影响水泥浆体的凝结速度。而添加了4%的高效低碱液态速凝剂的水泥水化形成的钙矾石,是在水化产物的空隙间分散分布。这些钙矾石搭建成一种架状结构,使水泥浆体很快失去流动性,同时又不会影响水泥水化,反而由于消耗了浆体中的大量Ca2+和SO42-而促进了水泥中C3S的水化,进一步加速了水泥浆体凝结。其次是水化形成的钙矾石形状有所不同:空白水泥形成的钙矾石是细针状,而添加了高效低碱液态速凝剂的水泥形成的钙矾石是短柱状。这是由于2种水泥浆体中的Al3+和SO42-浓度不同而造成的:空白水泥水化形成的钙矾石能够正常结晶生长,所以是细针状;而添加了高效低碱液态速凝剂后,由于水泥浆体中的Al3+和SO42-浓度大幅度提高,使得钙矾石析晶的过饱和度增大,晶体大量快速生长,所以呈短柱状,并且这些短柱状晶体是无序地分布于整个水泥浆体中,使水泥浆体早期强度提高。3高效低碱共享水泥浆体的合成机理(1)高效低碱液态速凝剂与低碱液态速凝剂相比,掺量减少了1/3,凝结时间大大缩短,早期及后期抗折、抗压强度均有明显提高。(2)试验表明,添加了高效低碱液态速凝剂的水泥胶砂试样,其28d抗压强度高于空白水泥胶砂试样(前者28d抗压强度保留率为105%),显示高效低碱液态速凝剂对喷射混凝土或喷射砂浆的后期强度发展非但没有不利影响,反而有增强作用。(