不同促凝早强剂对喷射混凝土性能的影响研究.docx

引言喷射混凝土是通过浆体射流填充和集料撞击挤压密实而形成的高品质致密混凝土1目前,喷射混凝土被广泛应用于矿业工程、地下工程、铁路工程、隧道工程和桥梁结构之中，喷射混凝土技术的关键之一是早期强度快速发展,在隧道开挖初期喷射混凝土对控制围岩变形起着至关重要的作用，缓慢的强度发展不仅会影响施工进度，也使施工操作人员暴露在支护强度不足的危险中。张向东等发现喷射混凝土3h抗压强度越高，喷射施工的效率和支护的效果越好；张德华等发现喷射后混凝土的早龄期强度极大地影响着围岩的质量，喷射混凝土快速硬化比慢速硬化的拱顶沉降减少10.4%,边墙水平收敛减少了30.7%。目前喷射施工时主要使用无碱速凝剂达到迅速凝结硬化的效果”支关于速凝剂性能的研究着重于24h和28d抗压强度的提升，幼龄期的小时强度并不高，但工程中认为抗压强度高于IMPa时，混凝土才具有一定的支护能力，后续施工才能进行。所以在低温恶劣环境及高难度施工时，仅使用速凝剂的喷射混凝土强度的发展并不能满足施工要求，此时就需要在喷射混凝土中加入促凝早强剂。促凝早强剂是能促进喷射混凝土凝结硬化，并提高其早龄期(<24h)强度且对后期强度无不利影响的外加剂。目前关于喷射混凝土中速凝剂和促凝早强剂复配使用方面也有了一些初步研究,王建黔等1发现硫铝酸钙基促凝早强剂与无碱液体速凝剂协同作用下，湿喷混凝土凝结速度加快，3h抗压强度可达5MPa,这表明速凝剂和促凝早强剂的协同使用能够解决隧道施工中混凝土早龄期强度不足的问题。本文采用3种促凝早强剂，研究不同种类促凝早强剂单掺、促凝早强剂与速凝剂双掺对水泥凝结硬化速度及砂浆抗压强度的影响，通过水泥水化放热特性和水化产物组成分析速凝剂和促凝早强剂协同使用时的作用机理。1、试验部分1.1 原材料%水泥：PI42.5基准水泥，其比表面积3412kg,28d抗压强度45.48MPa。砂：ISo标准砂，其粒度范围0.25-0.65mm,其中0.24-0.40mm占60%,0.40-0.65mm占40%。水：北京地区自来水。无碱液体速凝剂：性能符合GB/T351592017喷射混凝土用速凝剂要求，主要成分为十八水合硫酸铝、氢氧化铝、二乙醇胺。促凝早强剂：FAS主要成分为硫酸盐和硅酸盐的匏合物；FAC主要成分为硫酸盐和甲酸钙的复合物；CN主要成分为无水硫铝酸钙，其化学成分见表1;促凝早强剂均采用内掺法加入。CaOSO3A2O3SiO2MgOTiO243.9933.6514.943.511.401.16表1CN促凝早强剂的化学成分1.2 试验方法凝结时间：按照GB/T35159-2017测试无碱液体速凝剂和促凝早强剂不同掺量下水泥净浆的凝结时间，水灰比均为0.35。砂浆抗压强度：按照GB/T35159-2017测试无碱液体速凝剂和促凝早强剂不同掺量的砂浆抗压强度，水灰比为0.50,胶砂比为2：3。水化热：测试采用ATMair八通道热导式等温量热仪，试验为30恒定条件，水灰比为O.35oXRD测试：采用德国FCinFoCUS-CoUgar型号X射线衍射仪进行物相分析，采用连续扫描模式，扫描速率8。min,步长0.02°,扫描范围580°。TG测试：采用NETZSCHSTA449C型热分析仪，称取20mg左右的待测样品于用烟中，然后将生烟放置于仪器样品台上，在氮气气氛下，将样品从室温25°C升高至900,升温速率1CminXRD和TG测试的试样均采用水灰比为0.35的水泥净浆，成型后养护至规定龄期，使用无水乙醇终止水化。2、结果及分析2.1 促凝早强剂和速凝剂对净浆凝结时间的影响速凝剂及3种促凝早强剂在不同掺量下对水泥净浆凝结时间的影响见表2。由表2可知，（1）水泥净浆的初、终凝时间随速凝剂掺量的增加而缩短。掺量为6%8%时，掺加无碱速凝剂时净浆的凝结时间均满足GB/T35159-2017中初凝时间小于5min,终凝时间小于12min的规定。（2）3种促凝早强剂的加入均能缩短水泥净浆的凝结时间，并随着促凝早强剂掺量的增加促凝效果增强；FAS和CN促凝早强剂均表现出了显著的水化促进能力，D3的初凝时间最短仅47min,C2的终凝时间最短仅75Inirb分别缩短了135min和17Imin；加入FAC促凝早强剂时净浆的初终凝时间都大于IOOnIin,表明FAC促凝效果稍差。表2促凝旱强剂和速凝剂单掺时净浆的凝结时间娟号对照组A1A2A3B1B2C1C2D1D2D3速凝剂掺量/%-678-促凝早强剂掺/%-FAC-8FAC-10FAS-8FAS-IOCN-6CN-8CN-10初凝时间182min3min2min10s1min50s134min120min91min50min122min90min47min终凝时间246min7min10s7min3min30s160min147mi113min75min158min130min115mi2.2 促凝早强剂和速凝剂对砂浆抗压强度的影响速凝剂及3种促凝早强剂在不同掺量下对砂浆抗压强度的影响结果见表3。由表3可知，（D掺加无碱速凝剂时砂浆的24h内抗压强度均有大幅提升，且提升量与掺量成正相关性，砂浆的6h抗压强度均略微大于1oOMPa,表明仅加入速凝剂时砂浆的早龄期抗压强度的增长速度并不迅速。（2）加入FAS会明显提高砂浆的早龄期抗压强度，加入FAC和CN对砂浆的6h、8h抗压强度提升不明显，加入FAC时砂浆的24h抗压强度还有一定的降低，随着3种促凝早强剂掺量的增加砂浆的抗压强度都增加；FAC和FAS主要增强砂浆的6h、8h抗压强度；CN适当掺量下砂浆的早期强度提升仍不明显，但是对24h抗压强度的增强效果好，CN掺量为8%时强度提升显著，继续提升掺量增强效果提升不大；加入FAC、FAS和CN时砂浆的6h抗压强度均小于0.70MPa,表明仅加入促凝早强剂时砂浆的早龄期抗压强度的增长速度也较慢。表3促凝早强剂和速凝剂单掺时砂浆的抗压强度编号-抗压强度/MPa6h8h24h28d90d对照组0.210.496.0845.4866.43A11.082.8010.9649.0459.33A21.163.3611.7855.1062.52A31.224.0412.0847.4257.16B10.300.785.6847.2349.58B20.430.875.7456.0960.29C10.440.987.1342.4851.78C20.691.387.2344.7752.41D10.180.355.4543.9442.39D20.190.558.3051.7960.96D30.290.648.4854.0463.462.3促凝早强剂与速凝剂复配对净浆凝结时间的影响3种促凝早强剂与A1狂配对水泥净浆凝结时间的影响结果见表4。由表4可知，在A1基础上加入C2和D2,水泥净浆的凝结时间缩短，其中A1D2的凝结时间最短，初凝时间为2min20s,终凝时间为4min5Os;在A1基础上加入B2,水泥净浆的凝结时间反而延长了，说明FAC与速凝剂存在着一定的竞争关系，使速凝剂促凝能力降低。表4促凝早强剂与A1复配时净浆的凝结时间编号促凝组分及掺量/%初凝时间终凝时间A1速凝剂-63min7mi10sA1B2速凝剂-6+FAC-103min20s8mi40sA1C2速凝剂-6+FAS-102min30s6minA1D2速凝齐J-6+CN-82mi20s4mi50s2.4促凝早强剂与速凝剂复配对砂浆抗压强度的影响3种促凝早强剂与A1复配对砂浆抗压强度的影响结果如图1所示。由图1可知，在A1基础上加入B2,砂浆的6h抗压强度略微上升，其余龄期抗压强度都有不同程度降低，表明FAC和速凝剂复配对砂浆抗压强度的提升效果较差，还会引起抗压强度的损失；在A1基础上加入C2和D2促凝早强剂，砂浆的早龄期抗压强度都有显著提升，A1C2和A1D2试样砂浆的6h抗压强度都大于3.50MPa,A1C2试样砂浆的8h抗压强度达到6.34MPa,A1D2试样砂浆的24h抗压强度达到14.OOMPa,A1C2长龄期（28d和90d）抗压强度都低于A1组，A1D2长龄期抗压强度都高于A1组，表明FAS、CN和速凝剂一同使用时都可以使砂浆的早龄期抗压强度显著提升，6h抗压强度大于3.50UPa,满足了隧道施工对混凝土强度的要求，并且CN不会使后期强度降低，FAS只会使后期强度略有下降。6050-萼A1»A1B2A1C2-亥A1D2bcb4030201006h8h24h28d90d龄期图1促凝早强剂与A1复配时砂浆的抗压强度2.5促凝早强剂与速凝剂复配时水泥水化放热特性3种促凝早强剂与A1复配时水泥水化放热曲线结果如图2所示。由图2可知，在掺加速凝剂的基础上，加入FAC使水泥水化的第一放热峰出现时间略微延后，第一放热峰峰值无明显变化，加入FAS、CN使水泥水化的第一放热峰峰值明显提高，第一放热峰峰值分别为78.41mWg和87.14mWg,A1D2的第一放热峰最高，说明4个体系对水泥早期水化的促进能力排序为：A1D2>A1C2>A1>A1B2,这与凝结时间的结果一致。通过累计放热量对比发现引入促凝早强剂都能提高水泥水化的早期累计放热量，在掺加速凝剂的基础上，加入3种促凝早强剂都明显提高了6h时的累计放热量，并且A1D2试样的6h累计放热量最高。A1C2和A1D2试样的24h累计放热量分别为160.35Wh和172.46Wh,都高于A1试样的157.82Wh,A1B2试样的24h累计放热量仅为148.46Wh,低于A1试样，表明在速凝剂的基础上，加入FAS、CN时砂浆24h后的水化速度都提升，加入FAC时砂浆24h后的水化速度降低，这与2.4中抗压强度结果一致。4812162024时间/h(a)A1B2双掺体系瞬时放热量6 0 8 6 4 2 0 (QME ) /胤景超后噩0O48121620时间/h(b)A1C2双掺体系瞬时放热量0 8 6 4 2 ii(&ME ) /忘相后塞240t1,1,>1,1,_104812162024时间/h0 8 6 4 2(WME)、蜩或相右驱21501502 (1M)、*1相睐2 2 2 BCD 4 1- 1 1 AAAA二二8121620时间/h24(C)A1D2双掺体系瞬时放热量(d)累计放热量图2促凝早强剂与A1免配时水泥水化放热曲线2.6促凝早强剂与速凝剂复配时水泥水化产物组成3种促凝早强剂