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(yīng)用日益廣泛，不但在地下隧道，礦山井巷支護(hù)中，這種錨噴支護(hù)技術(shù)應(yīng)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(fù)及各種護(hù)坡中都全面應(yīng)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(qiáng)度削減較大，一般強(qiáng)度損失在20%～40%，而且回彈率大，這樣既浪費(fèi)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(fù)合出低堿性并使水泥混凝土強(qiáng)度發(fā)展良好的速凝劑。

本研究從水泥的水化機(jī)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(qiáng)度，摻量為4%時，初凝為12分，終凝23分，當(dāng)摻量超過4%時，后期強(qiáng)度會下降；NaF的速凝效果十分顯著，當(dāng)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(qiáng)度，一天強(qiáng)度可達(dá)

9．6MPa，而且后期強(qiáng)度發(fā)展良好，28天強(qiáng)度達(dá)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(xì)度模數(shù)為2．7。

水為自來水。

2 試驗

試驗?zāi)Y(jié)時間按照GB／T 1346—89方法進(jìn)行。水泥抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度按照GB／T 177—85水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法進(jìn)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(qiáng)度的影響

3．1．1 AI₂(SO₄)₃摻量對水泥凝結(jié)時間和強(qiáng)度的影響

Al₂(SO₄)₃摻量與水泥凝結(jié)時間和強(qiáng)度的關(guān)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(dāng)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(qiáng)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(dāng)達(dá)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(qiáng)度明顯提高，可以提高40%以上；當(dāng)其摻量達(dá)到6% 時，隨著摻量增加。水泥28d強(qiáng)度會降低，這是因為加入Al₂(SO₄)₃后，電離出的SO^2-₄；一能與水泥水化生成的ca(OH)₂進(jìn)行反應(yīng)，生成二水石膏NaOH，加快硫鋁酸鈣的生成，提高水泥的早期強(qiáng)度。具體反應(yīng)入下：

Al₃₊ +3OH-=AI(OH)₃，

Ca²⁺+SO^2-₄+2H₂O=CaSO₄·2H₂O,

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

當(dāng)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(qiáng)度。

3．1．2 K₂SO₄摻量對水泥凝結(jié)時間和強(qiáng)度的影響

k₂SO₄ 摻量與水泥凝結(jié)時間和強(qiáng)度的關(guān)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(dāng)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(qiáng)度增加，當(dāng)摻量超過4% 時，后期強(qiáng)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(fù)鹽，提高水泥強(qiáng)度。

3．1．3 NaF摻量對水泥凝結(jié)時間和強(qiáng)度的影響

NaF摻量與水泥凝結(jié)時間和強(qiáng)度的關(guān)系如圖5、圖6。

從圖5可以看出，NaF的速凝效果十分顯著，當(dāng)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(qiáng)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(yīng)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(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)度損失大。在水泥中起作用的是SO^2-₄，要控制整個速凝劑SO^2-₄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(shè)計，確定出各個物質(zhì)的最佳摻量，以達(dá)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(qiáng)度做考核指標(biāo)。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。