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基于配位效应的新型无碱液体速凝剂的研究

顾本庆  
【摘要】:无碱液体速凝剂作为当前喷射混凝土中不可或缺的关键材料,对喷射混凝土的快速凝结硬化具有十分重要的作用。然而在实际应用中,无碱液体速凝剂目前主要存在掺量高,稳定性较差,早期强度比较低等影响喷射混凝土施工的突出问题。本文针对目前无碱液体速凝剂研究中遇到的几类问题展开了研究,并以此为基础,开发出一种新型无碱液体速凝剂,结合水泥水化和单矿水化,研究了硫酸铝型无碱液体速凝剂的促凝机理,为未来新一代无碱液体速凝剂的研究奠定基础。通过研究得到如下几点结论:(1)研究了醇胺类配位剂与铝离子的配位机理及pH值对速凝剂溶液稳定性的影响。采用XPS以及电导率等表征手段,研究了配位剂对提高硫酸铝溶解度的影响,分析了不同配位剂对铝离子配位机理以及不同配位键的形成难易程度。结果显示,醇胺与铝离子的配位反应,最先是由醇胺中心氮原子与铝离子形成配位键,但当其消耗完毕后,醇胺上的羟基也能够与铝离子发生配位反应,进一步增大铝离子的溶解度;另外,采用DLS以及宏观稳定性试验研究了不同pH值对速凝剂溶液稳定性的影响,结果显示,当pH值在3以下时,无碱液体速凝剂稳定性较好,在20±2℃条件下存放28天时不分层;(2)研究了速凝剂主要组分对水泥凝结时间及砂浆强度的影响。硫酸铝作为主要的促凝组分,能明显缩短水泥的初、终凝时间,且随着掺量的增加,其促凝效果越来越显著;醇胺对水泥的凝结时间是随着掺量的增加先缩短后延长的,当掺量占水泥质量的0.2%~0.25%时,水泥的凝结时间最短;而稳定剂对水泥的水化有一定的缓凝作用;硫酸铝对水泥砂浆的早期强度和后期强度保留率均有明显的提高作用;而醇胺在掺量小于0.1%时,能够提高砂浆的1天强度和28天强度,但随着掺量的提高,砂浆的早期强度明显降低,后期强度增长率也逐渐减小。稳定剂对砂浆的1天强度也是有降低作用,但对后期强度无明显的副作用。元明粉和纳米二氧化硅对硫酸铝-醇胺-稳定剂三元体系速凝剂的1天强度均有明显的改善作用;而三异丙醇胺作为常用的早强剂,对硫酸铝-醇胺体系的无碱液体速凝剂的早期强度无明显的改善作用;(3)根据相关的研究基础,设计出了一种新型无碱液体速凝剂CG的初始配方并对其性能进行的评价,该速凝剂以硫酸铝(A)、醇胺(B)、稳定剂(C)、早强剂(D)、增稠组分(E)为主要组成成分,初始配方为:按质量百分占比A料(56%),B料(8.5%),C料(2%),D料(2%),E料(0.05%),通过凝结时间和强度数据以及稳定性研究表明,在掺量为7%条件下即可实现水泥初凝时间缩短为3′38″,终凝时间缩短为8′49″;其1天抗压强度为9.2MPa,28天强度保留率为98%。保存28天时无结晶及沉淀产生;(4)研究了硫酸铝型无碱液体速凝剂对水泥及单矿的水化机理。无碱液体速凝剂会加速水泥早期水化,加速钙矾石的生成和浆体中Ca~(2+)的消耗,从而使得浆体快速凝结硬化。硫酸铝可以加速C_3S水化生成钙矾石,缩短水化诱导期,使得浆体快速凝结硬化。在无石膏存在的条件下,硫酸铝使得C_3A水化生成的主要是片状的C_4AH_(13),该种晶体附着在C_3A晶体表面,延缓了离子和水分的传输,从而抑制了C_3A早期水化,且硫酸铝的存在,能够明显改善C_3A的28天的水化程度,使得28天时未反应的C_3A的量明显减少。


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