1、第29卷第6期建井技術Vol 129No 16Dec 120082008年12月MIN E CONSTRUCTION TECHNOLO GY高效低堿液態水泥速凝劑的性能及促凝機理研究李付剛, 潘志華, 傅秀新, 周棟梁(南京工業大學材料科學與工程學院, 江蘇南京,210009摘要:介紹了以硫酸鋁為主要成分的速凝劑, 通過對其組分的種類、數量的添加和優化來縮短水泥凝結時間, 改善強度性能的試驗研究情況; 。試驗結果表明:該速凝劑摻量為4%時, 可使得P O4215, 終凝時間縮短至小于5min ;1d 抗壓強度達到1515M Pa , 105%。水泥水化樣品的掃描電鏡觀察(SEM 生成而達到速凝

2、效果的。關鍵詞:水泥速凝劑; ; 中圖分類號:A文章編號:100226029(2008 0620018203劑。噴射混凝土和噴射砂漿工程中, 使用速凝劑, 能使混凝土和砂漿在很短時間內凝結硬化。速凝劑現已廣泛應用于礦山巷道, 公路、鐵路隧道支護等工程中。最早的水泥速凝劑產品是瑞士的西卡(Sika 速凝劑, 至今已有七八十年的歷史; 隨后相繼出現了西古尼特(Sigunite 、依卓克萊特(Isocret 等速凝劑。這些速凝劑大多是以鋁酸鹽、碳酸鹽為主復合其他無機鹽, 或以硅酸鈉為主與其他無機鹽復合制成的高堿性粉狀物質, 對混凝土后期強度發展很不利, 對施工人員皮膚及呼吸系統也有一定的損害。目前,

3、 速凝劑正朝著無堿液態的方向發展1。近幾年來, 國外已成功地研制出了一些無堿液態速凝劑, 但價格昂貴。我們是從2000年開始著手對無堿液態速凝劑制備方法進行研究的, 現已研制出了2種無堿液態速凝劑(N SA 和改性N SA 2,3 和1種低堿液態速凝劑(L SA ; 但這3種速凝劑在摻量、固含量等方面還有不足之處。為此, 我們又在低堿液態速凝劑的基礎上, 進行了添加非鋁硫酸鹽等物質的改性研究。1低堿液態速凝劑試驗111試驗用原材料收稿日期:2008201202(1 水泥:P O4215水泥, 其物理力學性能檢測數據見表1。表1水泥物理力學性能檢測數據比表面積/m 2kg -1376凝結時間/m

4、in安定性初凝合格159抗壓強度/MPa3d 2914終凝23528d 4610(2 速凝劑:低堿液態速凝劑、高效低堿液態速凝劑, 在試驗室合成。112試驗方法(1 摻速凝劑的水泥凝結時間和水泥砂漿強度測定按照J C477-2005噴射混凝土用速凝劑中規定的方法進行, 未摻速凝劑的水泥砂漿強度測定按照G B/T17671-1999水泥膠砂強度檢驗方法中的規定進行。(2 掃描電鏡觀察(SEM 。硬化水泥漿體微觀結構、鈣礬石的形成和分布情況, 采用日本電子公司制造的J SM -5900型掃描電鏡進行觀察。觀察用的試樣為硬化體新鮮自然斷口, 不做拋光處理。2試驗結果與分析211低堿液態速凝劑和高效低

5、堿液態速凝劑的制備低堿液態速凝劑是將硫酸鋁、水、 少量鈉鹽以第6期李付剛, 等:高效低堿液態水泥速凝劑的性能及促凝機理研究19及醇胺類有機物質按一定比例混合后, 再經化學反應處理制成的, 固含量為4211%。該速凝劑中含SO 321. 1%, Al 2O 3910%, Na 2O 817%, 含水5719%。高效低堿液態速凝劑是在低堿液態速凝劑中添加適量的非鋁硫酸鹽后, 再經化學反應處理制成的, 固含量為4311%。212高效低堿液態速凝劑的促凝效果分別對添加低堿液態速凝劑和高效低堿液態速凝劑的P O4215水泥進行凝結時間測定, 測定結果見表2。表2添加速凝劑的水泥凈漿凝結時間速凝劑種類低堿

6、液態速凝劑高效低堿液態速凝劑固含量含水率摻量(% 42114311(% 57195619(% 64者為6% ; 同時水泥凈漿初、終凝時間也明顯縮短, 可能是非鋁硫酸鹽的加入對凝結時間起了重要作用, 具體機理尚不完全清楚。還有高效低堿液態速凝劑中的固含量比低堿液態速凝劑有所提高, 前者為4311%, 后者為4211%; 而固含量的提高通常意味著含水率的降低, 再加上摻量的降低, 使得采用“后摻法”施工工藝時, 能有更多的混凝土拌合用水。但是, 固含量的過分提高可能會使得速凝劑液體粘度變大, 影響添加計量的準確性和速凝劑液體的穩定性, 所以必須把固含量控制在適當范圍內。213、后期。表3中列O42

7、15水泥空白膠砂試樣和添加了低堿液態速凝劑、高效低堿液態速凝劑的試樣強度測定結果。抗壓強度/MPa28d 8137147157d 37123219401428d 461940114911min凝結時間初凝212終凝91031從表2中可以看出前者為4%, 后摻量(% 0641d 218219318表3、高效低堿液態速凝劑的水泥膠砂試樣強度速凝劑種類無低堿液態速凝劑高效低堿液態速凝劑抗折強度/MPa7d 711415511R (% 10086105注:R 為添加速凝劑的水泥膠砂試樣28d 抗壓強度與空白水泥膠砂試樣28d 抗壓強度之比。從表3中可以看出, 與空白水泥膠砂試樣相比, 添加了6%的低堿

8、液態速凝劑的水泥膠砂試樣, 其1d 抗折、抗壓強度均有所提高, 但7d 和28d 的抗折、抗壓強度均有所降低, 顯示該速凝劑對后期強度發展有不利影響。而添加了4%的高效低堿液態速凝劑的水泥膠砂試樣, 其1d 抗折、抗壓強度均有顯著提高, 其中抗折強度提高了1M Pa , 抗壓強度提高了411M Pa , 能很好地滿足噴射混凝土早強的要求; 同時其28d 抗壓強度也有所提高(強度保留率為105% , 顯示該速凝劑對后期強度發展非但沒有不利影響, 反而有增強作用。此外, 從表3中還可以看出, 不論是低堿液態速凝劑, 還是高效低堿液態速凝劑, 其28d 抗壓強度保留率都符合J C477-2005標準

9、規定(一等品28d 抗壓強度保留率大于75% 。214高效低堿液態速凝劑的促凝機理目前, 對于速凝劑的速凝機理, 尚未達成統一認識。熊大玉等學者認為, 速凝劑主要是通過消除石膏緩凝, 促進C 3A 水化形成鈣礬石而實現速凝4。冷悅天認為, 速凝劑是通過改變C -S -H 凝膠形成速度來加速水化而實現速凝5。劉晨等學者認為, 速凝劑是通過促進C 3S 水化而實現速凝6。還有些學者認為, 速凝劑是通過直接生成細針狀鈣礬石和水化鋁酸鈣而實現速凝。實際上, 不同的速凝劑可能對應不同的速凝機理。我們認為, 高效低堿液態速凝劑是通過促進鈣礬石的快速大量生成而實現速凝。附圖是空白P O4215水泥及添加了4

10、%的高效低堿液態速凝劑的P O4215 水泥不同水化時間時的SEM 照片。從附圖中可以看出, 空白水泥水化260min 時所形成的鈣礬石很少, 基本上都是幾乎不溶于水的水化硅酸鈣(C -S -H , 開始以膠體微粒析出, 逐漸凝聚成凝膠。而在添加了4%的高效低堿液態速凝劑后, 水化6min 時就已經能清晰地看到有許多短柱狀鈣礬石廣泛地分布于整個水泥硬化體中, 這說明該速凝劑能促進水泥水化而快速生成鈣礬石。水化時間增加到260min 時, 水泥硬化體中的短柱狀鈣礬石數量大大增加, 成片20 建井技術2008年第29 卷附圖空白P O4215水泥及添加了4%的高效低堿液態速凝劑的水泥不同水化時間時

11、的SEM 照片(a 空白水泥水化260min ; (b 添加4%的高效低堿液態速凝劑的水泥水化6min ;(c 添加4%的高效低堿液態速凝劑的水泥水化260min分布。此外, 從附圖中還可以看出, 空白水泥與添加了4%的高效低堿液態速凝劑的水泥水化時, 鈣礬石的初始形成位置有所不同:空白水泥水化形成的鈣礬石集中分布并覆蓋于無水礦物表面, 會阻礙水泥的進一步水化, 凝結速度。而添加了4, 間分散分布, 使水泥漿體很快失去流動性, 同時又不會影響水泥水化, 反而由于消耗了漿體中的大量Ca 2和SO 42而促進了水泥中C 3S 的水化, 進一步加速了水泥漿體凝結。其次是水化形成的鈣礬石形狀有所不同:

12、空白水泥形成的鈣礬石是細針狀, 而添+-水化早期生成了大量的AlO 2和SO 42; 再通過化學反應, 錯, , 使水泥漿體迅速凝-C -S -H 凝, 使水泥漿體早期強度得以提高。參考文獻1潘志華, 程建坤1水泥速凝劑研究現狀及發展方向J1建井技術,2005,26(2 :22-2712潘志華, 閭文, 程建坤. 無堿液態水泥速凝劑的性能及其促凝機理J1建井技術,2006,27(5 :25-29.3閭文, 李付剛, 潘志華1NSA 無堿液態速凝劑改性和速凝機理的研究J1南京工業大學學報,2007,29(2 :34-3914熊大玉, 王小虹1混凝土外加劑M 1北京:化學工業出版社,200215冷

13、悅天1無氯速凝液S30在熱采井固井中的應用J1石油鉆加了高效低堿液態速凝劑的水泥形成的鈣礬石是短柱狀。這是由于2種水泥漿體中的Al 3和SO 42濃度不同而造成的:空白水泥水化形成的鈣礬石能夠正常結晶生長, 所以是細針狀; 而添加了高效低堿液態速凝劑后, 由于水泥漿體中的Al 3和SO 42濃度大幅度提高, 使得鈣礬石析晶的過飽和度增大, 晶體大量快速生長, 所以呈短柱狀, 并且這些短柱狀晶體是無序地分布于整個水泥漿體中, 使水泥漿體早期強度提高。+-+-探技術,1998,26(1 :34-3516劉晨, 龍世宗, 鄔燕蓉. 混凝土速凝劑促凝機理新探J1建筑材料學報,2000,3(2 :175

14、-1811隧道經理軟件Tunnels &Tunnelling International 2008年第9期報道, 使用阿特拉斯科普克公司的3種升級后的隧道經理軟件, 可以在隧道施工中獲得信息和智能上的支持。這種以窗口為基礎的程序適用于裝備有機械控制系統(RCS 和先進的鉆臂控制裝置(ABC 或ABC 總體的Boomer 鑿巖鉆車。3結論(1 高效低堿液態速凝劑與低堿液態速凝劑相比, 摻量減少了1/3, 凝結時間大大縮短, 早期及后期抗折、抗壓強度均有明顯提高。(2 試驗表明, 添加了高效低堿液態速凝劑的水泥膠砂試樣, 其28d 抗壓強度高于空白水泥膠砂試樣(前者28d 抗壓強度保留率為105% , 顯示高效低堿液態速凝劑對噴射混凝土或噴射砂漿的后期強度發展非但沒有不利影響, 反而有增強作用。(3 添加高效低堿液態速凝劑的水泥漿體,