摘 要：本文采用机械和人工两种搅拌方式，分别搅拌不同时间进行实验，研究搅拌制度对液态无碱速凝剂检测性能的影响，以选出适合液态无碱速凝剂性能检测的搅拌制度。结果表明，搅拌制度（包括搅拌方式及搅拌时间）在不同水泥、速凝剂体系中，对掺速凝剂的净浆凝结时间和砂浆抗压强度的检测结果均有影响。不同速凝剂掺量条件下，无论是机械搅拌还是人工搅拌，净浆初凝、终凝时间均随着搅拌时间的延长而增加，而砂浆1d、28d抗压强度总体均为先升高后降低，强度均存在最优值，且随搅拌时间变化，1d强度变化较大，28d强度或28d强度比变化较小。对掺速凝剂净浆凝结时间的检测，应在保证速凝剂搅拌均匀的条件下，选用较短的搅拌时间；而对掺速凝剂砂浆强度的检测，应在保证速凝剂搅拌均匀的条件下，同时考虑砂浆1d和28d的强度。
关键词：搅拌制度；无碱液体速凝剂；凝结时间；抗压强度
Effect of mixing system on the testing performance of alkali-free liquid accelerators
Zhao Fangdi1, Zhang Feng2, NING Fengwei2
(1. Nanjing Fangzheng Construction Quality Testing Co., Ltd, Nanjing Jiangsu 210003, China;
2. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing, Jiangsu 210029, China;)
Abstract: In order to find a suitable mixing institution for the performance testing of alkali-free liquid accelerators, two kinds of mixing methods, mixing with different times respectively, were used to study the effect of the mixing institution on the testing performance of alkali-free liquid accelerators. The results indicate that the mixing institution, including mixing method and mixing time, all have a certain effect on the testing results of setting time and compressive strengths no matter what kinds of cement and accelerator are used. Under the condition of different content of accelerators, whether the mechanical stirring or artificial stirring, the initial setting time and final setting time all increased with the mixing time, while the 1 day compressive strength and 28 day compressive strength all increased first and then fell, among them 1 day compressive strength changed more greatly. When testing the setting times, the shorter mixing time should be selected under the condition of ensuring the accelerators had been mixed well. And when testing the compressive strengths, 1 day compressive strength and 28 day compressive strength all should be considered.
Key words: mixing institution; alkali-free liquid accelerators; setting time; compressive strength
0 引言
近年来，喷射混凝土技术应用越来越广泛[1-4]，而速凝剂是喷射混凝土中不可缺少的重要组成材料[5]，国内外学者研究表明其作用是通过与水泥早期水化生成大量的AlO2-和SO42-发生化学反应迅速析出大量短柱状的钙矾石，新生成的钙矾石晶体相互交错形成紧密的网状结构而使水泥速凝[6-10]，使混凝土在很短的时间内形成足够的强度，以保证特殊施工的要求[11-12]。
混凝土速凝剂发展至今，主要经历了碱性粉状、低碱液体和无碱液体几个发展阶段[13]。目前国外粉状、碱性速凝剂的使用已很少见，多数为无碱液体速凝剂，大量研究表明[6-7,14]，无碱液体速凝剂能够克服传统速凝剂的诸多缺陷，具有施工安全、扬尘小、回弹率低和后期强度损失小等优点。无碱液体速凝剂在性能上与传统速凝剂有着明显的区别，传统速凝剂检测标准已无法满足新型速凝剂性能检测的需要，为了便于更好了解速凝剂的性能特点，指导工程实际应用，就需要对现有速凝剂性能检测方法和标准进行改进。现有标准JC 477-2005《喷射混凝土用速凝剂》中，对掺速凝剂后净浆或砂浆拌合物是采用机械还是人工搅拌方式未做明确规定，且对搅拌时间的规定也只给出一个时间范围，这都给检测结果带来较大影响。因此本文采用机械和人工两种搅拌方式，分别搅拌不同时间进行实验，研究搅拌制度对无碱液体速凝剂检测性能的影响，以选出适合无碱液体速凝剂性能检测的搅拌制度。
1 实验
1.1 原材料
1.1.1 水泥
本实验选取了三种水泥，分别为海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥、乃托牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥和混凝土外加剂检测用基准水泥（P·Ⅰ 42.5硅酸盐水泥），分别以HL、NT和JZ表示，其化学成分按GB/T 176-2008《水泥化学分析方法》测定，见表1。基准水泥CaO含量最高达到62.10%，乃托水泥的SO3含量相对较高达2.62%。水泥的矿物组成采用Rigaku SmartLab(3)型X-射线衍射仪进行分析，Cu靶，电压3KW，扫描速度为10°/min，结果见图1。水泥的主要矿物组成均为C3S、C2S和C3A，并含有少量的C4AF、石膏。
表1 原材料的化学组成/ wt.%
Materials CaO MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 Loss Total
HL海螺 59.03 1.54 22.83 6.54 3.29 2.01 3.63 98.87
NT乃托 58.90 3.16 21.38 5.32 3.13 2.62 3.28 97.79
JZ基准 62.10 2.89 20.28 4.38 3.65 2.41 1.76 97.47
（A：C3S、B：C2S、C：C3A、F：C4AF、G-Gypsum、Q-Quartz）
图1 水泥的XRD图谱
1.1.2 无碱液体速凝剂
实验中无碱液体速凝剂有三种，分别为成品、A和C表示。其中成品为购买的某公司生产的速凝剂，其含固量为44%；而A和C两种速凝剂则为实验室中分别按母液、水、硫酸铝（工业级Al2SO4·18H2O）比例25：25：50和35：25：40配制所得，配制过程中先将母液和水混合，再加入硫酸铝搅拌至均匀、无固体颗粒，计算得其含固量分别为41%和42%。样品编号以“水泥编号-速凝剂编号”表示，以“HL-A”为例，其表示在速凝剂性能实验中，选用海螺牌HL水泥和A速凝剂；未掺速凝剂样品则以“水泥编号-0”表示。
1.2 实验方法
实验中无碱液体速凝剂性能的测定参考JC 477-2005《喷射混凝土用速凝剂》中方法进行，但改变标准实验中的搅拌制度，分别采用机械和人工方式搅拌不同时间来进行实验。当采用机械方式搅拌时，当加入无碱液体速凝剂后即开始计时，使用净浆或砂浆搅拌机，先慢速搅拌5s再快速搅拌相应时间，以“慢5s+快40s”为例，表示采用机械方式先慢搅5s后快搅40s；当采用人工方式搅拌时，则加入速凝剂后计时，立即人工用铲刀在锅内翻拌相应时间，以“人工15s”为例，表示采用人工方式搅拌15s。实验中，净浆凝结时间、砂浆抗压强度的测定分别选取了6种不同搅拌制度。
2 结果与讨论
2.1 水泥、速凝剂种类
实验首先用海螺水泥HL、乃托水泥NT和基准水泥JZ三种水泥，分别掺入成品、A和C三种速凝剂，研究搅拌制度在不同水泥、速凝剂体系中对净浆凝结时间和砂浆抗压强度的影响，结果如表1和表2所示，速凝剂掺量固定为6%，表1括号中凝结时间为试针初次达到测试终点后立即换取两位置再次进行试验，试针第三次达到测试终点所用的时间，两个凝结时间差值可反映速凝剂搅拌的均匀性及测试结果的准确性。
由表1可知，相同条件下，三种水泥中NT的初凝、终凝结时间均相对较短，JZ次之，而HL凝结时间最长。而水泥相同时，掺A速凝剂的净浆凝结时间最佳，成品速凝剂次之，C速凝剂最差。在不同水泥和速凝剂体系中，采用不同的搅拌制度，测出的凝结时间不同，“机械慢5s+快5s”条件下净浆的初凝、终凝时间均较“人工15s”条件要短。当凝结时间较短时，试验过程中速凝剂反应较快导致浆体装模较难，不易填充密实，且括号内外两个凝结时间的差值也相对较大，终凝时间尤为明显，说明此条件下速凝剂搅拌的均匀性较差。表中HL-成品和HL-A均有3种搅拌制度，可知搅拌制度不同凝结时间的测试结果也均不相同，并且机械方式搅拌时间越长，初凝、终凝时间也越长，其中终凝时间变化明显，但两种速凝剂受搅拌时间延长影响的程度不一；“人工15s”条件下凝结时间介于“慢5s+快5s”和“慢5s+快10s”两者之间。
表1 掺速凝剂净浆的凝结时间
样品编号 速凝剂掺量 搅拌制度 凝结时间/min:s 装模难易程度
初凝 终凝
JZ-成品 6% 慢5s+快5s 1:20 (1:23) 5:39 (5:45) 较难
JZ-成品 人工15s 1:26 (1:31) 6:10 (6:14)
JZ-A 慢5s+快5s 1:14(1:18) 5:07 (5:12) 较难
JZ-A 人工15s 1:22 (1:27) 6:00 (6:04) 较难
JZ-C 慢5s+快5s 1:36 (1:40) 7:02 (7:06)
JZ-C 人工15s 1:41 (1:44) 7:18 (7:21)
NT-成品 慢5s+快5s 1:14 (1:17) 5:36 (5:40) 较难
NT-成品 人工15s 1:18 (1:25) 6:20 (6:24)
NT-A 慢5s+快5s 1:06 (1:10) 4:58 (5:03) 较难
NT-A 人工15s 1:15 (1:19) 5:48 (5:52) 较难
HL-成品 慢5s+快5s 1:51 (1:55) 7:39 (7:43)
HL-成品 慢5s+快10s 2:16 (2:20) 12:42 (12:47)
HL-成品 人工15s 3:05 (3:11) 11:45 (11:52)
HL-A 慢5s+快5s 1:35 (1:40) 7:25 (7:30)
HL-A 慢5s+快10s 1:45 (1:49) 10:45 (10:48)
HL-A 人工15s 1:42 (1:47) 8:54 (8:59)
表2 掺速凝剂砂浆强度
样品编号 速凝剂掺量 搅拌制度 1d 28d 成型难易程度
抗压强度/MPa 抗压强度/MPa 抗压强度比/%
JZ-0 0% - 4.0 44.5 100.0 容易
JZ-成品 6% 慢5s+快40s 6.5 43.9 98.6
JZ-成品 人工40s 5.7 45.6 102.5
JZ-A 慢5s+快40s 7.2 46.1 103.5
JZ-A 人工40s 6.6 48.8 109.7
JZ-C 慢5s+快40s 2.2 42.6 95.6
JZ-C 人工40s 2.0 48.6 109.2
NT-0 0% - - 44.3 100.0
NT-成品 6% 慢5s+快40s 12.6 43.3 97.8
NT-A 慢5s+快40s 15.2 50.6 114.2
HL-0 0% - 10.8 44.3 100.0
HL-成品 6% 慢5s+快40s 4.1 50.5 113.9
HL-A 慢5s+快20s 6.8 50.4 113.8
HL-A 慢5s+快40s 5.9 52.7 118.9
HL-A 人工40s 4.9 52.5 118.4
由表2可知，相同条件下，三种水泥中NT胶砂1d强度较高，超过12.0MPa，基准水泥JZ次之，而海螺水泥HL胶砂1d强度最低，不到空白砂浆HL-0强度的一半；三种水泥空白胶砂28d强度相差不大，而HL掺速凝剂后强度最高，各搅拌制度下28d抗压强度比均超过了110%。基准水泥JZ体系中，掺A速凝剂砂浆的1d、28d强度均较高，成品速凝剂次之，C速凝剂最差，尤其1d抗压强度仅约为2.0MPa，低于JC 477-2005中合格品速凝剂的强度要求；并且采用不同搅拌制度时，强度也不相同，“机械慢5s+快40s”较“人工40s”制度下，1d强度较高，而28d强度则略低。HL-A有3种搅拌制度，可知搅拌方式不同、搅拌时间不同，掺速凝剂砂浆的强度测试结果也不相同，“人工40s”条件下， 1d强度要明显低于机械搅拌“慢5s+快20s”和“慢5s+快40s”时的强度，但28d强度相差不大。
因此可知，检测速凝剂凝结时间、强度性能时，搅拌方式及搅拌时间对不同水泥和不同速凝剂的检测结果均有影响。
2.2 速凝剂掺量
由于搅拌制度在不同水泥、速凝剂体系中对净浆凝结时间和砂浆抗压强度的检测结果均有影响，因此本节选取海螺水泥HL和A速凝剂，采用多种搅拌制度进行试验，研究在速凝剂不同掺量下，搅拌制度对检测结果的影响，进而选出最佳的搅拌制度，实验结果分别如表3和表4所示，实验中速凝剂的掺量为5%-8%，净浆、砂浆分别采用6种不同搅拌制度。
表3 速凝剂掺量及搅拌制度对水泥凝结时间的影响
样品编号 搅拌制度 速凝剂掺量 凝结时间/min:s 装模难易程度 速凝剂掺量 凝结时间/min:s 装模难易程度
初凝 终凝 初凝 终凝
HL-A 慢5s+快5s 8% 0:56(1:02) 2:15(2:21) 较难 7% 1:14(1:20) 3:17(3:25) 较难
慢5s+快10s 1:10(1:15) 4:25(4:51) 较难 1:32(1:36) 8:08(8:14)
慢5s+快15s 1:31(1:35) 7:50(7:54) 2:02(2:06) 24:06(24:10)
慢5s+快20s 2:10(2:13) 30:10(30:14) 3:28(3:32) > 40:00
人工15s 1:05(1:12) 2:25(2:30) 较难 1:21(1:26) 3:55(4:02) 较难
人工25s 1:16(1:20) 6:55(6:58) 1:40(1:44) 9:15(9:20)
慢5s+快5s 6% 1:35(1:40) 7:25 (7:31) 5% 2:28(2:32) 13:31(13:35)
慢5s+快10s 1:45(1:49) 10:45 (10:48) - -
慢5s+快15s 4:58(5:02) 30:24(30:28) - -
人工15s 1:42(1:46) 8:54(8:59) 2:05(2:08) 12:48(12:52)
人工25s 2:20(2:23) 22:57(23:00) 6:15(6:18) 44:10(44:13)
表4 速凝剂掺量及搅拌制度对砂浆强度的影响
样品编号 搅拌制度 速凝剂掺量 1d 28d 成型难易程度 速凝剂掺量 1d 28d 成型难易程度
抗压强度/MPa 抗压强度/MPa 抗压强度比/% 抗压强度/MPa 抗压强度/MPa 抗压强度比/%
HL-A 慢5s+快15s 8% 5.1 45.7 103.2 较难 7% 6.0 49.6 111.9 较难
慢5s+快20s 6.0 53.6 121.0 较难 5.5 51.5 116.2
慢5s+快30s 7.7 48.7 109.9 较难 7.0 47.8 107.8
慢5s+快40s 9.5 50.0 112.8 7.4 45.3 102.3
慢5s+快50s 8.8 49.2 111.0 7.2 47.5 107.3
人工40s 5.7 49.0 110.7 5.7 47.2 106.5
慢5s+快15s 6% 5.0 48.8 110.1 5% 5.0 51.6 116.5
慢5s+快20s 6.8 50.4 113.8 4.7 51.3 115.9
慢5s+快30s 6.2 51.5 116.3 - - -
慢5s+快40s 5.9 52.7 118.9 5.3 56.6 127.7
慢5s+快50s 5.1 49.4 111.5 - - -
人工40s 4.9 52.5 118.4 4.3 54.3 122.5
由表3可知，速凝剂掺量不同，净浆凝结时间也不相同，掺量越高，初凝、终凝时间越短，且在各掺量下，无论是机械搅拌还是人工搅拌，初凝、终凝时间在速凝剂不同掺量下均随着搅拌时间的延长而增加。“人工15s”与“慢5s+快5s”搅拌制度下实验结果相近，“人工25s”条件实验结果则介于“慢5s+快10s”和“慢5s+快15s”之间。考虑到机械方式搅拌要比人工方式搅拌更利于控制，同等条件下应优先选择机械方式搅拌。
当速凝剂掺量较高，搅拌时间较短时，试验过程中速凝剂反应较快，导致浆体装模较难，不易填充密实，试样底面多孔洞，且括号内外两个凝结时间的差值也相对较大，终凝时间尤为明显，这说明相同条件下速凝剂掺量越高搅拌时间越短时，速凝剂速凝效果越好，但速凝剂搅拌的均匀性相对越差，测试结果易出现较大波动。例如当速凝剂掺量为8%时，“慢5s+快5s”搅拌制度下，初凝、终凝括号内外两时间差值均为6s，成型装模较困难，不易填充密实；而随搅拌时间延长，两个差值均逐渐减小，“慢5s+快20s”时，差值分别减小为3s和4s，成型装模较容易，延长人工搅拌时间规律也是如此。而当搅拌超过一定时间后，净浆凝结时间会出现明显延长，终凝时间尤为显著，例如速凝剂掺量8%条件下，机械快搅时间从15s增加至20s时，初凝、终凝时间均明显延长，终凝时间从7min50s延长至30min10s，说明搅拌超过一定时间会破坏速凝剂掺入水泥浆体后反应产生的网状结构，导致速凝效果变差。各掺量条件下，实验规律类似，且速凝剂掺量越低，其网状结构越容易被破坏，即在越短的搅拌时间下即可被破坏。
因此，对掺速凝剂净浆凝结时间检测时，最佳的搅拌制度，应在保证速凝剂搅拌均匀的条件下，选用较短的搅拌时间，以免速凝剂反应产生的网状结构被破坏。综合考虑，对于掺A速凝剂净浆凝结时间的检测应在8%掺量下采用“慢5s+快15s”的搅拌制度。
由表4可知，在不同速凝剂掺量条件下，采用机械方式搅拌，快速搅拌时间从15s增加至50s时，掺速凝剂砂浆1d抗压抗压强度变化较大，28d抗压强度或28d抗压强度比则相差较小，但1d、28d抗压强度总体均为先升高后降低，强度存在最优值，但1d与28d抗压强度的对应性较差。例如，速凝剂掺量为8%时，砂浆1d抗压强度在“慢5s+快40s”条件下达到最高值9.5MPa，而砂浆28d抗压强度在“慢5s+快20s”条件下达到最高值53.6MPa、抗压强度比达121.0%。JC 477-2005标准中，成型砂浆采用人工方式搅拌40-50s，即为本实验中“人工40s”搅拌制度，比较发现，“人工40s”条件下1d、28d抗压强度均低于机械搅拌下的强度最优值，其中1d抗压强度相差较为明显。
相同条件下，速凝剂掺量越高，搅拌时间越短，砂浆成型越困难，如掺量8%时，“慢5s+快15s”机械搅拌制度下，搅拌过程中拌合物剧烈放热并快速凝结，成型时砂浆较难振实，脱模后可见试件表面有较多孔洞；当降低速凝剂掺量或延长搅拌时间时，砂浆拌合物会越来越稀，成型较容易。同时随速凝剂掺量的降低低，砂浆1d抗压强度的最优值逐渐降低，当掺量降至5%时，1d抗压强度已均低于6.0MPa，低于JC 477-2005中合格品速凝剂的强度要求，但速凝剂掺量变化对28d强度或28d抗压强度比最优值影响较小。
在速凝剂不同掺量下，搅拌制度对掺速凝剂砂浆强度检测结果有一定影响，且对砂浆1d、28d强度检的影响不一，最佳的搅拌制度，应在保证速凝剂搅拌均匀的条件下，综合考虑砂浆1d和28d的强度，对于掺A速凝剂砂浆强度的检测应在8%掺量下采用“慢5s+快30s”的搅拌制度。
3 结论
1）搅拌制度（包括搅拌方式及搅拌时间）在不同水泥、速凝剂体系中，对掺速凝剂的净浆凝结时间和砂浆抗压强度的检测结果均有影响。
2）不同速凝剂掺量条件下，无论是机械搅拌还是人工搅拌，掺速凝剂净浆初凝、终凝时间均随着搅拌时间的延长而增加，且“人工15s”与“慢5s+快5s”搅拌制度下结果相近；而采用机械方式搅拌，快搅时间从15s增加至50s时，掺速凝剂砂浆1d、28d抗压强度总体均为先升高后降低，强度均存在最优值，但1d与28d抗压强度最优值的对应性较差，且随搅拌时间变化，1d强度变化较大，28d强度或28d强度比变化较小。
3）对掺速凝剂净浆凝结时间的检测，最佳的搅拌制度，应在保证速凝剂搅拌均匀的条件下，选用较短的搅拌时间，以免破坏速凝剂反应产生的网状结构；对掺速凝剂砂浆强度的检测，最佳的搅拌制度，应在保证速凝剂搅拌均匀的条件下，同时考虑砂浆1d和28d的强度。综合考虑，对A速凝剂性能的检测，应在8%掺量下，净浆凝结时间的检测采用“慢5s+快15s”的搅拌制度，砂浆强度的检测采用“慢5s+快30s”的搅拌制度。
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搅拌制度对无碱液体速凝剂检测性能的影响
发布时间：2022-04-09 12:27:00
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