浅析粉状速凝剂凝结时间的影响因素

李芹柴卫花

摘要：速凝剂是隧道工程喷射混凝土必须掺加的外加剂，喷射混凝土的施工工艺主要是依据回弹量和粘结强度两个指标进行判定；然而，影响喷射混凝土回弹量主要取决于掺用速凝剂后的混凝土凝结时间。针对粉状速凝剂的凝结时间不稳定这一情况，本文通过对其作用机理的研究，对影响粉状速凝剂的凝结时间的各种因素进行试验分析，通过试验得出了一些影响粉状速凝剂凝结时间的一些规律。

关键词：粉状速凝剂凝结时间影响因素

1.粉状速凝剂的概念和特点

速凝剂，即掺入混凝土中能使混凝土迅速硬化的外加剂。粉状速凝剂为粉状固体，其适宜掺量仅占水泥用量的3%-6%，却能缩短混凝土在短期内由液态变为固态所需时间，以达到使混凝土快速凝结的目的。1h就可产生强度，ld强度提高2～3倍，但后期强度会下降，28d强度约为不掺时的80％～90％。速凝剂不同掺量下凝结时间和强度试验结果见表1.掺加速凝剂后，混凝土的干缩率有增加趋势，弹性模量、抗剪强度、粘结力等有所降低。

2.粉状速凝剂的成分及速凝机理

速凝剂按其成分大致可以分为三类：碳酸盐系（铝氧熟料）、明矾石系（铝氧熟料）、水玻璃系（硅酸钠系）。目前，国内生产的速凝剂其主要成分为铝氧熟料(即铝矾土、纯碱、生石灰按比例烧制成的熟料)经磨细而制成。其速凝机理为：在未掺入速凝剂的水泥中水化过程中，由于调凝组分石膏（CaSO4）迅速与水化快的组分铝酸三钙（C3A）反应生成钙矾石AFt（C3A·3CaSO4·3H2O）覆于铝酸三钙（C3A）表面，阻止其继续与深层的铝酸三钙（C3A）反应，直至钙矾石AFt层致密爆裂才继续进行，因而铝酸三钙（C3A）的水化反应大大减缓。而铝酸钠NaAlO2速凝剂加入后发生了以下化学反应：

Na2CO3+CaO+H2O=CaCO3+2NaOH

Na2CO3+CaSO4=CaCO3+Na2SO4

NaAlO2+2H2O=Al（OH）3+NaOH

2NaAlO2+3CaO+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH

2NaOH+CaSO4=Na2SO4+Ca（OH）2

随着调凝组分石膏（CaSO4）被迅速的反应消耗后浓度的降低，其阻凝作用已不是很明显，于是水泥水化反应迅速进行，凝结、固化等现象随之产生。

3.影响凝结时间的因素

3.1水温的影响

依据规范《喷射混凝土用速凝剂》JC/T477-2005，在采取不同水温的情况下，对同一种速凝剂和同一种水泥的凝结时间的测定，其试验结果见表2：

水泥凝结时间都随着温度的升高而逐渐缩短，初凝时间的缩短幅度都不是很明显。一般情况下，温度升高，水泥的初、终凝时间均提前。可见，温度对速凝剂的使用效果影响显著，温度越高，速凝效果越好。这是因为温度升高本身就促进水泥的水化，加入速凝剂后，速凝剂也加快水泥水化。另一方面，温度升高也会加强速凝剂的作用效果，所以温度升高，水泥速凝效果越好，初、终凝时间均缩短。

3.2速凝剂细度的影响

粉状速凝剂的凝结时间和其自身的细度也有一定的关系，依据标准《喷射混凝土用速凝剂》JC/T477-2005，粉状速凝剂的细度应参照GB/T1345-2008的水泥细度筛析法，用80μm的筛子筛余应小于15%。根据现场送样的情况，每批速凝剂的细度也存在比较大的差异，通过试验，得出以下数据，其试验结果见表3：

3.4水泥适应性

以上情况的分析，都是采用现场送样的同一厂家以及同一批号的水泥，与速凝剂的凝结时间的测定才具有一定的对比性。依据JC/T477-2005检测标准，一直将基准水泥作为检测速凝剂凝结时间的标准物，而现场施工所采用的水泥往往与基准水泥的成分差异很大，施工过程中会出现速凝剂与现场水泥有很大的不适应，例如回弹率高，不能保证正常施工，拖延工期。所以，水泥与速凝剂的适应性尤其重要，当把速凝剂按其掺量掺到水泥中后，若能达到应有的速凝效果，则称这种水泥与速凝剂的适应性良好。若水泥与速凝剂的适应性良好，则直接影响喷射混凝土的优良质量。通过对速凝剂的速凝机理的研究，而现场施工所用的水泥往往应该考虑其C3A含量。

水泥水化速凝主要取决于水泥成分中铝酸三钙和石膏的相对含量，速凝剂的主要作用就是改变这种平衡。水泥的石膏含量主要由三氧化硫含量来体现，因此，我取了几个三氧化硫非常接近的水泥，三氧化硫值分别为2.21、2.25、2.27、2.32，在三氧化硫含量基本稳定的情况下，根据速凝剂的速凝机理，对水泥速凝起主要作用的是C3A，为此，通过对三氧化硫基本稳定的几种水泥分别做了C3A含量，并用同一种速凝剂与这四种水泥分别做了凝结时间的对比，试验结果见:5:

依据现在的普通硅酸盐水泥中C3A的含量的范围一般控制在8%以内，这样就会对速凝剂与水泥适应性造成很大波动。由表中得知，随着C3A含量的增加，速凝剂掺量一定的情况下，达到凝结时间的速度也逐渐降低了，这一结果也验证了影响水泥和速凝剂的适应性的本质是C3A含量。可见，在喷射混凝土施工中应尽可能选择C3A含量较高的水泥。而C3A含量高（大于8%）的水泥往往会影响高效减水剂对混凝土的坍落度保持性能，因此，喷射混凝土中选择C3A含量为6-8%的水泥较为合适。

4.结论

本文通过对粉状速凝剂的作用机理的分析，得出粉状速凝剂凝结时间的各种影响因素，对配制出优质喷射混凝土及现场施工工艺的研究均能起到一定的作用。由于喷射混凝土施工过程中，速凝剂与水泥的适应性问题比较常见，解决措施主要有以下几种。

1提高速凝剂掺量：适当提高速凝剂的用量能够显著地缩短凝结时间，加快水泥水化，使喷射混凝土迅速形成支护作用。

2降低水灰比：水泥水化、硬化与水灰比有密切关系，在相同的速凝剂掺量下，水灰比能够显著地缩短凝结时间，有利于喷射混凝土的凝结，减少施工中的回弹量，提高喷射混凝土施工效率。

3在配制喷射混凝土时，应尽可能选择C3A含量较高的水泥。

参考文献

[1]《喷射混凝土用速凝剂》JC/T477-2005.

[2]石建，何水清，喷射混凝土速凝剂影响因素及应用，混凝土，2003[4].

[3]陈署东，康勇，水泥品种、速凝剂掺量及环境温度对净浆凝结时间影响的试验研究，辽宁建材，2010[1].