用于噴射混凝土的低堿性速凝劑研究
2006-04-28 00:00
[摘要】選擇低堿性速凝、早強(qiáng)物質(zhì)，采用外加劑復(fù)配的方法，通過(guò)對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)問(wèn)，強(qiáng)度檢驗(yàn)的手段，進(jìn)行了正交試驗(yàn)，確定了一種噴射混凝土用低堿性速凝外加劑的配方。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，AI2(SO4)3摻量在2%～ 4%之問(wèn)時(shí)．隨著摻量增大，初凝時(shí)問(wèn)和終凝時(shí)問(wèn)變短，摻量為4% 時(shí)，初凝為14分，終凝25分；K2SO4摻量在2% 一4%之聞可以縮短水泥凝結(jié)時(shí)問(wèn)，摻量為4% 時(shí)，初凝為12分，終凝23分，當(dāng)其摻量超過(guò)4%時(shí)．后期強(qiáng)度會(huì)下降；NaF的速凝效果十分顯著，當(dāng)摻量只有0.2% 時(shí)就可以使水泥的初凝時(shí)問(wèn)控制在5分鐘，終凝控制在10分鐘。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，1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。
【關(guān)鍵詞] 噴射混凝土； 速凝； 早強(qiáng)
[中圖分類號(hào)】TU528．042 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A [文章編號(hào)】1002—3550(2005)02—0059
O 前言
近年來(lái)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(lái)越高。而且由于其施工簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)在噴射混凝土施工中，多采用堿性速凝劑，對(duì)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(jiǎn)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(shí)，隨著摻量增大，初凝和終凝時(shí)間變短，摻量為4%時(shí)，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(shí)間，提高強(qiáng)度，摻量為4%時(shí)，初凝為12分，終凝23分，當(dāng)摻量超過(guò)4%時(shí)，后期強(qiáng)度會(huì)下降；NaF的速凝效果十分顯著，當(dāng)其摻量只有0．2%時(shí)就可以使水泥的初凝時(shí)間控制在5分鐘之內(nèi)，終凝時(shí)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)
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(lái)水。
2 試驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)Y(jié)時(shí)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(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3．1 組分材料摻量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響
3．1．1 AI2(SO4)3摻量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響
Al2(SO4)3摻量與水泥凝結(jié)時(shí)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(shí)，隨著摻量增大，水泥初凝和終凝時(shí)間變短；當(dāng)其摻量超過(guò)4%時(shí)，隨著摻量增大，初凝和終凝時(shí)間基本不變。這是因?yàn)锳l2(SO4)3主要是起早強(qiáng)和密實(shí)效果，通過(guò)快速生成鈣礬石使水泥凝結(jié)時(shí)間縮短，當(dāng)達(dá)到臨界摻量后，繼續(xù)加入Al2(SO4)3對(duì)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(shí)，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(shí)，隨著摻量增加。水泥28d強(qiáng)度會(huì)降低，這是因?yàn)榧尤階l2(SO4)3后，電離出的SO42-；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++SO2-4+2H2O=CaSO4·2H2O,
2C3A + 3CASO4·2H20 + 25H20 = 3Ca·Al203·3CaSO4·31H20,
當(dāng)其摻量過(guò)大時(shí)，新生成的石膏過(guò)多。在水泥漿結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成后還會(huì)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(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響
k2SO4 摻量與水泥凝結(jié)時(shí)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(shí)，隨著摻量的增加，水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間縮短，當(dāng)摻量為4%時(shí)，初凝12分，終凝23分。
從圖4可以看出，K2SO4摻量在2% ～4%之間時(shí)，隨著K2SO4摻量的增加，水泥的早期強(qiáng)度增加，當(dāng)摻量超過(guò)4% 時(shí)，后期強(qiáng)度會(huì)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(shí)生成不溶性復(fù)鹽，提高水泥強(qiáng)度。
3．1．3 NaF摻量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的影響
NaF摻量與水泥凝結(jié)時(shí)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(shí)就可以使水泥的初凝時(shí)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?yàn)?，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(yàn)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(guò)4％，否則后期強(qiáng)度損失大。在水泥中起作用的是SO2-4，要控制整個(gè)速凝劑SO2-4的含量，所以在實(shí)驗(yàn)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(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定出各個(gè)物質(zhì)的最佳摻量，以達(dá)到較好的試驗(yàn)效果。試驗(yàn)采用L9(34)。以凝結(jié)時(shí)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(yàn)方案見(jiàn)表1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，正交試驗(yàn)的極差分析和方差分析見(jiàn)表3和表4。
由正交試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果和方差分析結(jié)果可知，對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間影響非常顯著的因素是NaF，可見(jiàn)，NaF的促凝效果較好，K2SO4對(duì)初凝時(shí)間的影響是非常顯著的，而對(duì)終凝時(shí)間影響不明顯。從各齡期的抗壓強(qiáng)度來(lái)看，NaF對(duì)1d強(qiáng)度影響非常顯著，而A12(SO4)3對(duì)3d強(qiáng)度影響是非常顯著的，A12(SO4)3對(duì)28d強(qiáng)度的影響是非常顯著的，K2SO4對(duì)28d強(qiáng)度的影響是顯著的，NaF則沒(méi)有影響。
經(jīng)綜合分析評(píng)價(jià)，確定了最佳配料組合為A2B1C2，復(fù)合配制的低回彈噴射混凝土外加劑，在沈陽(yáng)五洲商廈基坑支護(hù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土試驗(yàn)。回彈率為9．3% ，效果較好。
4 結(jié)論
(1) Al2(SO4)3、K2SO4以及NaF等低堿性的早強(qiáng)物質(zhì)可以配制出對(duì)水泥混凝土后期強(qiáng)度影響小的速凝早強(qiáng)劑；
(2)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得出， Al2(SO4)3摻量在2%～4%之間時(shí)，隨著摻量增大，水泥初凝時(shí)間和終凝時(shí)間變短，摻量為4%時(shí)，初凝為14分，終凝25分；
(3)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，K2SO4摻量在2% ～4%之間時(shí)，隨著摻量的增加，水泥初凝時(shí)間和終凝時(shí)間縮短，當(dāng)摻量為4% 時(shí)，初凝12分，終凝23分；
(4)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，NaF的速凝效果十分顯著，當(dāng)摻量只有0．2%時(shí)就可以使水泥的初凝時(shí)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(qiáng)劑可以使水泥的1d強(qiáng)度達(dá)到9.6MPa，28d強(qiáng)度達(dá)到45.5MPa。
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