高效低碱液态速凝剂合成及应用的基础研究

摘要

速凝剂是一种促进水泥凝结速度的水泥外加剂。目前，国内使用的水泥速凝剂大部分是强碱性粉状的，尽管能够满足速凝的时间要求，但对后期强度不利，添加时不易均匀，对施工人员也有一定的伤害，甚至还对钢筋有腐蚀作用。因此，研制低碱(或无碱)液体水泥速凝剂具有重要的实际工程意义。
　　 本论文在实验室前期研究成果的基础上，展开了高效低碱液态速凝剂的合成和性能的研究，得到了掺量和性能等方面均优于前期研制出的低减液态速凝剂高效低碱液态速凝剂；并且针对泡沫混凝土对速凝剂的需要，成功合成了无碱液态水泥速凝剂，满足了泡沫混凝土的生产需要。
　　 在前期低碱液态速凝剂的基础上，继续进行了硝酸铝和硫酸锌等多种无机盐的凝结时间测试，发现将硫酸锌按照一定比例添加到低碱液态速凝剂后，可以很大程度的降低掺量。经过大量实验结合三乙醇胺和马来酸、磷酸的添加等成功地合成出新型高效低碱液态速凝剂(H-LSA)。最终确定H-LSA速凝剂的质量比为Al2(SO4)3·18H2O：NaF：H2O：ZnSO4·7H2O：N(CH2CH2OH)3：H3PO4：C4H4O4=250:50：125:34:1:0.45:0.45的速凝剂。得到的高效低碱液态速凝剂外观为乳白色溶液，稳定性大于180天，当掺量4％时，PO42.5水泥的初凝时间和终凝时间分别为1.7min和3.7min；对水泥砂浆强度发展也有很好的作用，当H-LSA速凝剂掺量为4％时PO42.5水泥1d抗压强度可达到12.0MPa，比不掺时抗压强度提高5.3％；28d强度保留率为101.5％。
　　 利用XRD和SEM等现代分析手段对H-LSA速凝剂的水泥硬化体的微观结构及促凝机理进行了分析。分析表明，添加速凝剂的水泥硬化体中水化早期有大量棒状的钙矾石晶体生成，这些钙矾石晶体不像水泥常规水化的针状钙矾石晶体一样从水泥颗粒的表面长出，而是分布在整个水泥硬化浆体内与其他水化产物相互交错地填充在水泥浆体的孔隙中。同时，由于生成大量的钙矾石消耗了大量的Ca2+所以水泥硬化浆体中的早期CH量较少。可见添加H-LSA速凝剂并未改变水化产物的种类，只是使水化产物的数量、位置和形态发生了变化。由此推断，H-LSA速凝剂对水泥的促凝作用是通过早期在水泥浆体中迅速形成大量棒状且分散分布的钙矾石达到促凝效果的。
　　 速凝剂用途广泛，其中泡沫混凝土用于耐火衬里工程时，针对实际生产，我们需要一种120min分钟到180min内初凝，250min内终凝的泡沫混凝土用速凝剂。我们通过对硝酸铝、硝酸钙等无机盐的凝结时间的试验，再研究实际生产中的各种添加剂的适应性。根据正交试验结果，泡沫混凝土用速凝剂的最佳质量配比为：Al(NO3)3·9H2O：Ca(NO3)2·4H2O：H2O：N(CH2CH2OH)3=6:6:5:1，该速凝剂无碱、无氯，添加后的水泥浆体能保持高流动性；掺量3％～3.5％时就可以达到2h-3h内初凝，5h内终凝；而且添加速凝剂后泡沫混凝土的流动度为118s，能很好的保证其流动性。