用硫酸铝配制混凝土速凝剂的研究现状

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

用硫酸铝配制混凝土速凝剂的研究现状
兰明章，阚常玉，杨进波
(北京工业大学材料科学与工程学院，北京100124)
摘要：概述了国内外速凝剂的发展。论述了硫酸铝的速凝机理及其性能。从成分和制备过程两方面重点讨论了以硫酸铝为主要速凝
成分的速凝剂的研究现状，并对未来速凝剂的发展进行了展望。
关键词：硫酸铝；速凝剂；研究现状；机理
中图分类号： TU528．042．1 文献标志码： A 文章编号： 1002—355O(2012)O9—0039—04
Research situation of concrete accelerator using aluminium sulfate
LAN Ming-zhang，KAN Chang-yu，YANGJin—bo
(College ofMaterial Science and Engineering，Bering University ofTechnology，Beijing 100124，China)
Abstract： The development of accelerators at home and abroad was introduced．Th e accelerating mechanism and performance of alurninium
sulfate were described．The research status of accelerator using aluminium sulfate as mainly accelerating composition was emphasized from com—
portentandpreparationprocess．Atlast，thepromisingdevelopmentofaccelerating admixturewas suggested．
Key words： almninium sulfate；accelerator；research situation；mechanism
0 引言
速凝剂是一种能使水泥或混凝土快速凝结硬化的化学外
加剂，也称促凝剂。它是喷射混凝土中必不可少的一种外加剂
组分。最初研制的速凝剂中大多含有碱金属离子，由于含碱量
较高，速凝的同时产生了很多负面影响，例如对人体腐蚀性强、
后期强度损失大等缺点。人们试图通过在速凝剂中掺加其他组
分，或者寻找其他物质来替代碱金属盐类以降低速凝剂的碱含
量，其中硫酸铝就是一种可替代传统速凝剂中的碱金属盐类的
物质。硫酸铝本身不含碱金属离子，对水泥水化又有促进作用，
已成为国内外速凝剂组分研究中的热点。本研究主要介绍了硫
酸铝的速凝机理及其性能，并论述了以硫酸铝为主要速凝组分
的速凝剂的研究现状。
1 速凝剂的发展
1．1 国外发展
国外对于速凝剂的研究开始于20世纪30年代。最早的速
凝剂是由瑞士和奥地利的制造商共同研制的西卡速凝剂，主要
成分为硅酸钠，其对人体皮肤有腐蚀作用，当掺量为4％时，水
泥净浆在1．5min内初凝，3．75min内终凝。1、3、28 d抗压强度
分别为10．0、23．0、34．0 MPat”。20世纪70年代左右，国外又相
继出现了多种以碱金属的铝酸盐、碳酸盐为主要成分的速凝剂，
又称为传统碱性速凝剂。这些速凝剂含碱量较高，速凝的同时
会使强度降低很大。70年代末，国外开始了无碱(低碱)速凝剂
的研究。日本在传统速凝剂的基础上加入一些其他的无碱成分
收稿日期：2012-03-25
基金项目：国家科技支撑计划项目(201 1BAB02B04)
来降低碱性。美国及欧洲采用钙盐和铝盐代替碱金属盐来降
低碱含量[5-7]。这些低碱速凝剂较传统速凝剂在性能上有所改善，
速凝的同时早期强度有所提高，但是施工性能很差，喷射时粉
尘多，回弹大。对于液体速凝剂的研究在此时兴起。最初为高碱
性的速凝剂，随着研究的深入，液态速凝剂的碱含量逐渐较小，
无碱液态速凝剂产生。20世纪80年代中期对有机无机复合速
凝剂的研究开始出现。日本使用含氧羧酸和无机物质复合嘲，美
国则使用有机酸、醇胺、氨基酸的衍生物和无机物质复合，欧
洲采用链烷醇胺、羧酸等有机物与无机物质复合【l3]。此后，液体
速凝剂和复合速凝剂同时发展开来。有机成分主要包括各种醇
胺、酰胺、有机醇、羧酸等，无机成分主要以硫酸铝为主。迄今为
止，速凝剂的品种已达几百种。在日本、欧洲等发达国家，已经
几乎不存在碱性速凝剂。
1．2 国内发展
中国对于速凝剂的研究起步较晚，开始于2O世纪60年代。
最早的速凝剂是由原中科院工程力学研究所建筑材料研究室
研制的红星一型粉状速凝剂，主要成分为铝氧熟料、生石灰和
纯碱。该速凝剂含碱量高，后期强度降低较大，掺加该速凝剂
的混凝土28 d强度为不掺者的60％～73％t 】。70年代中期，液
态速凝剂出现，如KR型速凝剂。8O年代中期，出现有机无机
复合的速凝剂，如长沙矿山研究院于1985年研制而成的高强
减水速凝剂，由矾泥、工业铝酸钠和FDN减水剂组成。速凝剂
中的有机成分与国外的大致相同，无机成分也是以硫酸铝为主。
目前，我国的液体速凝剂的研究还处于初级阶段，有待于进一
步的研究。
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1．3 发展趋势
从国内外速凝剂的研究发展状况来看[I,13,1 ，速凝剂的发展
趋势有如下几个特点：
(1)高碱速凝剂碱性高，腐蚀性强，逐渐被低碱或无碱速凝
剂取代；
(2)单一的速凝剂向具有良好性能的复合速凝剂发展，通
过添加有机高分子材料如减水剂、早强剂、增黏剂和降尘剂等
可以减少喷射时的回弹率、粉尘含量，改善速凝剂的性能；
(3)新型速凝剂必须具备无毒、无腐蚀、无刺激性，对水泥
各龄期强度无较大负影响，功能价格比优越等特征。
2 硫酸铝速凝机理及性能分析
传统的速凝剂大多以碳酸盐、铝酸盐和硅酸盐为主，碱性
高腐蚀性强，对工人的眼睛和皮肤造成伤害；强碱的存在，很
易引发碱骨料反应，使集料和浆体界面发生劣化，吸水后产生
膨胀，使混凝土的结构遭到破坏，耐久性变差。新型的速凝剂要
求碱含量很低或无碱。国内外学者对此有过很多研究，试图在速
凝剂中添加一些其他成分，或者寻求其他物质来替代碱金属盐。其
中，由于A1 (s()4)，不含碱，且对水泥水化有一定的促进作用，
是一种理想的碱金属盐的替代品，已成为配制速凝剂的主要速
凝组分。很多学者对用A1：(SO )，配制速凝剂做过许多研究，也
研制出了一些性能较好的速凝剂品种。
2．1 机理分析
M~(so )，加入水泥浆体中会发生如下化学反应[16-171：
A12(sO4)3+3Ca(OH)2+6H20-÷2Al(0H)3+3CASO4"2H20 (1)
C +3CaSO,c2H20+26H2()． 3CaO·A1203"3CASO4．32H20 (2)
Al2(SO4)3+6Ca(OH)2十26H2o_÷3Ca0·Al203"3CASO4"321-120 (3)
2AI(OH)3+3Ca(OH)2+3CASO4+26H2O一
3CaO·A1203·3CaSO4-32H20 (4)
s0；-一与Ca2'反应生成次生石膏，其比水泥中原有石膏的活性
大，更易于与CA反应生成钙矾石，即反应式(1)、(2)。A1：(so ) 与
液相中Ca(OH) 可以直接反应生成钙矾石，而不需要c 的
参与，即反应式(3)，此种钙矾石形成于水泥浆体的原充水空
间，不同于C 水化生成钙矾石的位置。反应生成的A1(OH)
一般不能稳定存在，也会与Ca(OH)。反应生成钙矾石，即反应
式(4)。A1 还能够加速C．S-H凝胶体粒子的凝聚作用，加速
C，S的水化。各反应消耗Ca(OH)：，促进了C S的水化。较多的
钙矾石交叉联结成网络，形成水泥浆体的骨架，同时水化硅酸
钙凝胶填充其间，促进了水泥浆体的凝结。
另外，有研究表明[I8】非离子形态的铝元素，如A1(OH) 和
A120，等添加到水泥中，均不能在短时间内促使水泥水化，促凝
作用很不明显。而离子形态的铝元素添加到水泥中，能够在极
短的时间内加速水泥的水化，使水泥迅速凝结，如A1 和Al0j。
且随着掺入量的增加水泥的凝结时间逐渐缩短。在此，硫酸铝
中的铝元素既是以离子的形式起速凝作用的。
2．2 性能分析
固态Al (so )，常带结晶水，稳定性较好，不易风化失去结
晶水，极易溶于水，但其溶解度小。表1为A1 (SO,) 随温度的
变化在水中的溶解度J清况。