喷射混凝土用无碱速凝剂的制备及性能的研究

王龙飞 李茜茜 董树强 张琪 余京烩

摘要：研究速凝剂中各组分对凝结时间的影响，筛选出最佳合成比例，室温条件下制备无碱速凝剂，并研究该无碱速凝剂的凝结时间、抗压强度及对不同水泥的适应性。试验结果表明，最优配比为：硫酸铝、氟硅酸镁、有机醇胺、络合剂、水所占质量百分比分别为57%、7%、5%、1%、30%，所制得的无碱速凝剂采用不同水泥，掺量5%，初凝时间均不超过5min，终凝时间不超过10min，1d抗压强度均大于10MPa，28天抗压强度比均大于97%。

关键词：无碱速凝剂；常温合成；凝结时间；抗压强度；适应性

Abstact：The effects of components in the alkalifree accelerator on the setting time and the optimum synthesis condition were studied in this paper. In addition， the setting time， compressive strength， and the adaptability of the optimum accelerator to different cements was discussed. The results show that， the optimum percentage of aluminum sulfate， magnesium fluosilicate， organic a Moreover， the setting time， organic alcohol amine， complexion agent and water is 57%， 7%， 5%， 1% and 30%， respectively. Furthermore， the dosage of alkalifree accelerator is 5%， the initial setting time less than 5 min， the finial setting time less than 10 min， the compressive strength of 1 day more over 10 Mpa， and the compressive strength ratio of 28 days more over 97%.

Keywords： alkalifree accelerator；room temperature synthesis； setting time；compressive strength； adaptability

随着隧道、矿山、矿井巷道支护、堵漏等工程的大量建设，速凝剂的需求量也越来越大，而液体速凝剂的发展解决了传统粉状速凝剂粉尘大、回弹量大等问题，提高了喷射混凝土的施工质量。然而，目前工程上使用的液体速凝剂主要以有碱速凝剂为主，腐蚀性强，容易对生产人员和施工人员的身体健康造成伤害。除此之外，使用有碱速凝剂容易使得水泥在水化初期形成的铝酸盐水化物较为疏松，混凝土易发生碱集料反应，后期强度保留率低，不利于工程的建设。[13]因此，无碱液体速凝剂的开发应用越来越受到人们重视。

近年来，国内较多研究者对无碱速凝剂及其作用机理进行了研究，中国建筑材料科学研究总院王玲课题组[4]通过聚合硫酸铝、醇胺、硫酸镁、稳定剂和无机酸合成一种无碱液体速凝剂，掺量5%，水泥凝结时间达到一等品标准，1d 抗压强度增加68%，28d 抗压强度保留率为108.3%。此外，中国矿业大学的王栋民课题组[5]采用硫酸铝、乙二胺四乙酸二钠、多聚磷酸钠、甘油和二乙醇胺等原料合成了一种有机无机复合的无碱液体速凝剂，采用基准水泥，掺量8%，达到一等品标准，且 28d抗压强度比为109.9%。这些研究均大大降低了速凝剂的碱含量使之在施工使用中安全环保，且明显提高了速凝剂的后期强度，对无碱速凝剂的发展具有重要意义。

然而，目前所研制的无碱速凝剂还存在容易产生沉淀、适应性较差、成本高、掺量高等问题。因此，研制一种具有促凝效果好、后期强度高、产品稳定性好、价格适宜的无碱速凝剂具有重要的意义。因此，本文在常温条件下，通过研究各组分对凝结时间的影响，筛选出最佳合成比例，并对该无碱速凝剂的凝结时间、抗压强度及对不同水泥的适应性进行评价。

1 试验方法

1.1 合成

室温下，将水和氟硅酸镁按照一定比例加入到四口烧瓶中，待氟硅酸鎂溶解后，加入有机醇胺，搅拌10min后，将硫酸铝分三批加入，时间控制在30min左右，添加结束后继续搅拌1h。最后加入络合剂搅拌20 min，制得无碱速凝剂。

1.2 检测

依照标准《喷射混凝土用速凝剂》（JC4772005）对所制得无碱速凝剂的水泥凝结时间和水泥砂浆强度进行检测。

2 結果与讨论

2.1 速凝剂中各组分用量对水泥凝结时间的影响

通过考察速凝剂各组分硫酸铝、氟硅酸镁、有机醇胺、络合剂在对水泥凝结时间的影响筛选出较佳的配方，其中，采用基准水泥，掺量5%，凝结时间随各组分用量的变化曲线见图1～4。

硫酸铝是无碱速凝剂的主要促凝组分，不含碱，且Al3+对水泥水化有较好的促凝作用，如图1所示，随着硫酸铝用量的增加，凝结时间先缩短后趋于平缓，表明硫酸铝对水泥有较好的促凝作用，且随着硫酸铝用量的增加速凝剂样品变稠稳定性差，当用量为60%时呈膏状，综合考虑，硫酸铝用量为57%时促凝效果最佳。

图2可见，随着氟硅酸镁用量的增加，凝结时间先增加后缩短最终趋于平缓，当氟硅酸镁为7%时促凝效果最佳。掺用少量氟硅酸镁凝结时间的延长可归因于其水解产物可在水泥水化产物表面反应生成几种晶体物质，阻止了水化反应的进行。而继续增加氟硅酸镁用量破坏了水化产物表面的覆盖层，促进水泥水化反应。

图3可见，随有机醇胺用量的增加凝结时间先縮短后趋于平缓，有机醇胺用量最佳为5%。其中，凝结时间的缩短可归因于醇胺的N原子有利于Al3+、Fe3+等的离子在水泥水化过程中形成的可溶的络合物，从而提高水化产物扩散速率，促进了水泥的水化，缩短了凝结时间。

图4可见，随着络合剂用量的增加，初凝时间变化较小，终凝时间先缩小后延长。络合剂用量最佳为1%。这是由于络合剂中的COO2能与Al3+络合，形成的络合物可溶性好，同时也抑制了Al3+的水解，因此，缩短了速凝剂的凝结时间并提高了其稳定性。

2.2 无碱速凝剂的基本性能研究

本文对优化后的最佳配方采用5中不同品种的水泥对其凝结时间、水泥砂浆强度和适应性进行了评价，结果见表1。

由表1可见，所制得无碱速凝剂采用5种水泥掺量5%均能满足JC4772005一等品的要求，表明该产品具有较好的促凝效果和水泥适应性，同时该速凝剂1d抗压强度均大于10MPa，28天抗压强度比均大于97%，解决了有碱速凝剂后期强度保留率低的问题。

3 结论

（1）本文在室温条件下制备了一种无碱速凝剂，通过研究各组分对速凝剂凝结时间的影响，确定最优合成条件为，硫酸铝、氟硅酸镁、有机醇胺、络合剂、水所占质量百分比分别为57%、7%、5%、1%、30%。

（2）所制得无碱速凝剂具有较好的促凝效果和水泥适应性，同时该速凝剂1d抗压强度均大于10MPa，28天抗压强度比均大于97%，解决了有碱速凝剂后期强度保留率低的问题。

（3）该无碱速凝剂合成方法，简单易操作，且无需热源，环保节能。且所选用原材料环保无污染，价格低廉，降低了生产成本。

参考文献：

[1]马忠诚，汪澜，马井雨.喷射混凝土技术及其速凝剂的发展[J]混凝土，2014，12：126128.

[2]王子明.國内外速凝剂研究以及应用现状[J].中国混凝土外加剂，2015，4：1015.

[3]杨仁树，肖同社，刘波，牛学超.喷射混凝土速凝剂的应用与发展[J].中国矿业，2005，7：7981

[4]甘杰忠.无氯无碱液体速凝剂的组成、性能及机理研究[D].中国建筑材料科学研究总院，2014.

[5]张述雄，王栋民，张力冉，逄建军，李娟.一种新型无碱液态速凝剂的研究[J].硅酸盐通报，2014，33（11）：29462951.