用于噴射混凝土的低堿性速凝劑研究
2006-09-30 00:00
O 前言
近年來噴射混凝土發(fā)展迅速，應用日益廣泛，不但在地下隧道，礦山井巷支護中，這種錨噴支護技術應用的比例越來越高。而且由于其施工簡單，在建筑物的加固、結(jié)構(gòu)修復及各種護坡中都全面應用。國內(nèi)在噴射混凝土施工中，多采用堿性速凝劑，對混凝土的后期強度削減較大，一般強度損失在20%～40%，而且回彈率大，這樣既浪費材料又影響噴射混凝土的施工質(zhì)量。要提高噴射混凝土的性能簡單有效的辦法就是復合出低堿性并使水泥混凝土強度發(fā)展良好的速凝劑。
本研究從水泥的水化機理入手，選擇低堿性的水泥速凝劑，以區(qū)別與其它高堿性水泥速凝劑。AI2(SO4)3摻量在2%～4%之間時，隨著摻量增大，初凝和終凝時間變短，摻量為4%時，初凝為14分，終凝為25分；K2SO4摻量在2%～4%之間可以縮短水泥凝結(jié)時間，提高強度，摻量為4%時，初凝為12分，終凝23分，當摻量超過4%時，后期強度會下降；NaF的速凝效果十分顯著，當其摻量只有0．2%時就可以使水泥的初凝時間控制在5分鐘之內(nèi)，終凝時間控制在10分鐘之內(nèi)。與傳統(tǒng)的高堿性外加劑不同，低堿性速凝劑可顯著提高噴射混凝土早期強度，一天強度可達
9．6MPa，而且后期強度發(fā)展良好，28天強度達到45．5MPa。1 原材料
K2SO4、A12(SO4)3、NaF。
水泥采用冀東水泥有限公司的盾石牌普硅42．5水泥。
砂為河砂，細度模數(shù)為2．7。
水為自來水。
2 試驗
試驗凝結(jié)時間按照GB／T 1346—89方法進行。水泥抗壓強度和抗折強度按照GB／T 177—85水泥膠砂強度檢驗方法進行測定。
3 試驗結(jié)果與分析
3．1 組分材料摻量對水泥凝結(jié)時間和強度的影響
3．1．1 AI2(SO4)3摻量對水泥凝結(jié)時間和強度的影響
Al2(SO4)3摻量與水泥凝結(jié)時間和強度的關系如
從圖1可以看出，Al2(SO4)3摻量在2% ～4%之間時，隨著摻量增大，水泥初凝和終凝時間變短；當其摻量超過4%時，隨著摻量增大，初凝和終凝時間基本不變。這是因為Al2(SO4)3主要是起早強和密實效果，通過快速生成鈣礬石使水泥凝結(jié)時間縮短，當達到臨界摻量后，繼續(xù)加入Al2(SO4)3對水泥中鈣礬石的生成作用減少。
從圖2可以看出，Al2(SO4)3摻量在2% ～4%時，隨著摻量增大，水泥早期強度明顯提高，可以提高40%以上；當其摻量達到6% 時，隨著摻量增加。水泥28d強度會降低，這是因為加入Al2(SO4)3后，電離出的SO2-4；一能與水泥水化生成的ca(OH)2進行反應，生成二水石膏NaOH，加快硫鋁酸鈣的生成，提高水泥的早期強度。具體反應入下：
Al3+ +3OH-=AI(OH)3，
Ca2++SO2-4+2H2O=CaSO4·2H2O,
2C3A + 3CASO4·2H20 + 25H20 = 3Ca·Al203·3CaSO4·31H20,
當其摻量過大時，新生成的石膏過多。在水泥漿結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成后還會繼續(xù)生成膨脹性的硫鋁酸鈣，降低水泥的后期強度。
3．1．2 K2SO4摻量對水泥凝結(jié)時間和強度的影響
k2SO4 摻量與水泥凝結(jié)時間和強度的關系如圖3、圖4。
從圖3可以看出，K2SO4摻量在2% ～4%之間時，隨著摻量的增加，水泥的初凝時間和終凝時間縮短，當摻量為4%時，初凝12分，終凝23分。
從圖4可以看出，K2SO4摻量在2% ～4%之間時，隨著K2SO4摻量的增加，水泥的早期強度增加，當摻量超過4% 時，后期強度會有所下降。K2SO4摻入水泥中作用和Al2(SO4)3基本相同，但K+ 極化度高，在水泥水化時生成不溶性復鹽，提高水泥強度。
3．1．3 NaF摻量對水泥凝結(jié)時間和強度的影響
NaF摻量與水泥凝結(jié)時間和強度的關系如圖5、圖6。
從圖5可以看出，NaF的速凝效果十分顯著，當摻量只有0．2%時就可以使水泥的初凝時間控制在5分鐘之內(nèi)，終凝控制在10分鐘之內(nèi)。
從圖6可以看出，NaF的早強作用也比較明顯，這是因為，NaF中的F-在水泥漿體中與水化生成的Ca(OH)2，反應生成溶解度更小的CaF，析出大量的晶體，由于大量的Ca2+ 被消耗，難以在C3S表面形成雙電層結(jié)構(gòu)，使C3S誘導期消失，消除水泥中石膏的緩凝作用，水泥得以迅速凝結(jié)，提高水泥的早期強度。
3．2 Al2(SO4)3、K2SO4以及NaF的最佳摻量的確定
上面試驗已經(jīng)知道了Al2(SO4)3、K2SO4以及NaF的摻量范圍，即Al2(SO4)3、K2SO4的摻量都不要超過4％，否則后期強度損失大。在水泥中起作用的是SO2-4，要控制整個速凝劑SO2-4的含量，所以在實驗中Al2(SO4)3的摻量控制為0．5% ～2．5% ；K2SO4的摻量控制為0．5%～ 1．5% ；NaF 的摻量控制為0．1%～0．5% 。通過正交試驗設計，確定出各個物質(zhì)的最佳摻量，以達到較好的試驗效果。試驗采用L9(34)。以凝結(jié)時間以及水泥的1d、3d、28d的抗壓和抗折強度做考核指標。Al2(SO4)3、K2SO4以及NaF的最佳摻量確定試驗方案見表1，試驗結(jié)果見表2，正交試驗的極差分析和方差分析見表3和表4。
由正交試驗的計算結(jié)果和方差分析結(jié)果可知，對水泥凝結(jié)時間影響非常顯著的因素是
NaF，可見，NaF的促凝效果較好，K2SO4對初凝時間的影響是非常顯著的，而對終凝時間
影響不明顯。從各齡期的抗壓強度來看，NaF對1d強度影響非常顯著，而A12(SO4)3對3d
強度影響是非常顯著的，A12(SO4)3對28d強度的影響是非常顯著的，K2SO4對28d強度的
影響是顯著的，NaF則沒有影響。
經(jīng)綜合分析評價，確定了最佳配料組合為A2B1C2，復合配制的低回彈噴射混凝土外加劑，在沈陽五洲商廈基坑支護進行了現(xiàn)場噴射混凝土試驗?；貜椔蕿?．3% ，效果較好。
4 結(jié)論
(1) Al2(SO4)3、K2SO4以及NaF等低堿性的早強物質(zhì)可以配制出對水泥混凝土后期強度影
響小的速凝早強劑；
(2)通過試驗結(jié)果可以得出， Al2(SO4)3摻量在2%～4%之間時，隨著摻量增大，水泥初凝
時間和終凝時間變短，摻量為4%時，初凝為14分，終凝25分；
(3)通過試驗結(jié)果可以得出，K2SO4摻量在2% ～4%之間時，隨著摻量的增加，水泥初凝時
間和終凝時間縮短，當摻量為4％ 時，初凝12分，終凝23分；
(4)通過試驗結(jié)果可以得出，NaF的速凝效果十分顯著，當摻量只有0．2%時就可以使水
泥的初凝時間控制在5分鐘之內(nèi)，終凝控制在10分鐘之內(nèi)；
(5)該種速凝早強劑可以使水泥的1d強度達到9．6MPa，28d強度達到45．5MPa.
摘自：中國混凝土網(wǎng)
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