速凝劑的分類及作用機理

速凝劑是混凝土調凝劑的一種，調凝劑是調節(jié)水泥凝結時間的外加劑。這類外加劑對混凝土的凝結時間和強度發(fā)展影響顯著，其中有些調凝劑能促使混凝土的凝結，稱為速凝劑；有些能顯著促進混凝土的強度發(fā)展稱為早強劑；還有些能明顯延緩混凝土的凝結，則成為緩凝劑。它們對混凝土凝結作用的差異，為各類混凝土工程的質量提供了保證。

速凝劑能使混凝土在很短時間內(nèi)凝結、硬化，因而廣泛應用于噴射混凝土、灌漿止水混凝土及搶修補強工程中。其的主要性能特點是：

⒈ 有較高的早期強度，后期強度降低不能太大。

⒉ 使混凝土噴出或澆筑后3—5min內(nèi)初凝，10min之內(nèi)終凝。

⒊ 使混凝土具有一定的黏度，防止噴射混凝土回彈率過高。

⒋ 盡量減小水灰比，防止收縮開裂，提高抗?jié)B性能。

⒌ 對鋼筋無銹蝕作用。

速凝劑按其成分大致可以分成以下三類：

（一）    鋁氧熟料—碳酸鹽系

主要速凝成分為鋁氧熟料、碳酸鈉以及生石灰。

鋁氧熟料是有鋁礬土礦（主要成分為NaAlO2,其中NaAlO2含量可達60%—80%）經(jīng)過煅燒而成。 屬于此速凝劑的產(chǎn)品有紅星Ⅰ型、711型、782型等。 

紅星Ⅰ型速凝劑    是由鋁氧熟料（主要成分NaAlO2）、碳酸鈉（NaCO3）、生石灰（CaO）按質量比1：1：0.5的比例配制而成，粉磨細度接近于水泥。成分中偏鋁酸鈉占20%、氧化鈣占20%、碳酸鈉占40%，其余為無速凝作用的硅酸二鈣、硅酸鈉和鐵酸鈉。 

711型速凝劑     是有鋁礬土、碳酸鈉、生石灰按一定比例配合成生料，將生料在1300度左右的高溫下煅燒成鋁氧燒結塊，再將其與無水石膏按質量比3：1（鋁氧燒結塊：無水石膏）共同粉磨制成。其中偏鋁酸鈉占37.5%、無水石膏占25%，其余為硅酸二鈣及中性鈉鹽等。 

782型速凝劑     是由礬泥、鋁氧熟料和生石灰按質量比74.5%:14.5%:11%的比例配制而成,這類速凝劑含堿量高，雖然早期強度發(fā)展快，但后期強度降低較大，但加入無水石膏后可以降低一些堿度和提高些后期強度。

（二）    鋁氧熟料—明礬石系 

主要成分為鋁礬土、芒硝（Na2SO4·10H2O），經(jīng)過煅燒成為硫鋁酸鹽熟料后，再與一定比例的生石灰、氧化鋅共同研磨而成。產(chǎn)品的主要成分為：偏鋁酸鈉、硅酸三鈣、硅酸二鈣、氧化鈣和氧化鋅。如陽泉一號即為此類速凝劑。這類速凝劑含堿量低一些，且由于加入氧化鋅而提高了后期強度，但早期強度的發(fā)展卻慢了一點。

 （三）    水玻璃系

 以水玻璃（硅酸鈉）為主要成分，為降低黏度需要加入重鉻酸鉀，或者加入亞硝酸鈉、三乙醇胺等。其生產(chǎn)方法是將水玻璃調整到波美度30，再適當加入其他輔料。

屬于此類速凝劑的產(chǎn)品有NS水玻璃速凝劑。國外產(chǎn)品有奧地利的西卡-1，瑞士的西古尼特-W。 這類速凝劑凝結、硬化很快，早期強度高、抗?jié)B性好，可以在低溫下施工，缺點是收縮大。

 前三類速凝劑都是以鋁酸鹽和碳酸鹽或者硅酸鈉為主要成分，再與其他無機鹽類復合而成，一般的速凝劑都是用粉煤灰復配而成。

（四）    其他類型

如成分為可溶性樹脂的聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、羥基胺等制成的低堿有機類速凝劑，這些速凝劑凝結快、強度高。

還有液態(tài)速凝劑，它是對粉狀速凝劑的改良。與粉狀速凝劑相比，液態(tài)速凝劑更容易均勻地分散于混凝土拌合物中，從而可避免硬化混凝土質量波動。

速凝劑可使水泥在數(shù)分鐘內(nèi)凝結，其作用機理復雜，主要是由于速凝劑各組分之間以及這些組分與水泥中的石膏、礦物成分之間發(fā)生一系列的化學反應所致。

（1）       鋁氧熟料-碳酸鹽系作用機理

主要反應如下：

Na2CO3+CaO+H2O→CaCO3+2NaOH

NaAlO2+2H2O→Al(OH)3+NaOH

2NaAlO2+3CaO+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH

2NaOH+CaSO4(石膏)→Na2SO4+Ca(OH)2

碳酸鈉、鋁酸鈉與水作用生成氫氧化鈉，氫氧化鈉與水泥中的石膏反應生成過渡性的產(chǎn)物硫酸鈉，使水泥漿中起緩凝作用的可溶性的濃度明顯降低，此時水泥礦物組分C3A就迅速溶解進入溶液中，水化生成六角板狀的C3AH6,將加速水泥漿體的凝固。上述反應所產(chǎn)生的大量水化熱也會促進反應進程和強度發(fā)展。此外在水化初期，溶液中生成氫氧化鈣、硫酸根、三氧化二鋁等組分，結合而生成高硫型水化硫鋁酸鈣，不僅對早期強度發(fā)展產(chǎn)生有利影響，也會使水泥漿體中的氫氧化鈣濃度降低，從而促進C3S的水化，生成水化硅酸鈣凝膠相互交織搭接形成網(wǎng)絡結構的晶體而促進凝結。

（2）       鋁氧熟料-明礬石系作用機理

主要化學反應如下：

Na2SO4+CaO+H2O→CaSO4+2NaOH

CaSO4+2NaOH→Ca(OH)2+NaSO4

NaAlO2+2H2O→Al(OH)3+NaOH

2NaAlO2+3CaO+7H2O→3CaO ·Al2O3·6H2O+2NaOH

大量生成的氫氧化鈉，消耗了水泥漿體中的硫酸根，促進了C3A的水化反應。水化熱的發(fā)生促進了反應進程和強度的發(fā)展。氫氧化鋁、硫酸鈉具有促進水化作用，使C3A迅速水化生成鈣礬石而加速凝結硬化。鈣礬石的生成進一步的降低了液相中氫氧化鈣濃度，又促進了C3S水化，生成水化硅酸鈣凝膠，由此而產(chǎn)生了強度。由于早期大量生成的鈣礬石，后期會向單硫型水化硫鋁酸鈣轉化，致使水泥石內(nèi)部空隙增加，因此，這類早期生成鈣礬石產(chǎn)物的速凝劑均會使后期強度下降。

（3）   水玻璃系作用機理

以硅酸鈉為主要成分的水玻璃系速凝劑，主要是硅酸鈉與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應：

Na2O ·nSiO2+Ca(OH)2→(n-1)SiO2+CaSiO3+2NaOH

反應中生成大量氫氧化鈉，如前所述促進了水泥水化，從而迅速凝結硬化。

液體速凝劑一般都是燒堿和鋁礬土反應生成主要成分為偏鋁酸鈉的水溶液，從而起到速凝作用。

因此，在水泥—速凝劑—水的體系中，由于Al2(SO4)3等電解質的竭力，以及水泥粉磨過程中所加石膏的溶解，使水化初期溶液中的硫酸根離子濃度驟增并與溶液中的Al2O3,Ca(OH)2等組分急速反應，迅速聲稱微針柱狀的鈣礬石及中間次生成物石膏，這些新生晶體的生長、發(fā)展，在水泥顆粒間交叉連生成網(wǎng)絡狀結構而速凝。同時速凝劑中的鋁氧熟料及石灰，不但提供了有利的放熱反應，為整個水化體系提供40oC左右的反應溫度，促進了水化產(chǎn)物的形成和發(fā)展，從而達到速凝的效果。

速凝劑對新拌混凝土性能的影響主要表現(xiàn)在縮短初、終凝時間，一般都可以做到3～5min內(nèi)初凝，10min內(nèi)終凝。

凝結時間長短除與速凝劑本身成分、摻量及性能有關外，還取決于水泥品種和環(huán)境溫度。

水泥品種對速凝效果的影響次序為：硅酸鹽水泥〉普通硅酸鹽水泥>礦渣硅酸鹽水泥。這主要是由水泥中C3A、C3S相對含量的多少決定的。

使用時的環(huán)境溫度對速凝效果影響很大，例如紅星Ⅰ型：

摻量3%    20OC   初凝2min15s    終凝5min55s

10OC   初凝3min45s    終凝11min  

摻量4%    5 OC   初凝5min25s    終凝13min

凡是使用速凝劑的混凝土后期強度都要低一點，為了彌補后期強度的損失，除加強養(yǎng)護外，還可以復合減水劑一起使用，保持相同流動度情況下，由減水降低水灰比來彌補強度損失。且速凝劑對混凝土的收縮有增大的趨勢，這主要是由于水泥早期水化過快。

速凝劑是用量更大的混凝土外加劑，現(xiàn)在市場上的速凝劑都存在堿度過高的缺陷，或多或少的影響著混凝土的強度，因此在生產(chǎn)過程中一定要按照嚴格的物料配比來生產(chǎn)，使其堿度達到更低；有機類雖然不存在堿度的問題，但是其成本太高，很難在工程上大量使用。除有機速凝劑之外，快速凝結是隨著鈣礬石形成和增長而發(fā)生的。液體速凝劑優(yōu)于粉末狀速凝劑也已得到了驗證。生成物安全的無腐蝕性的速凝劑將會進入市場。速凝劑價格也是個十分敏感的問題。在市場經(jīng)濟條件下，合理的價格是任何一種速凝劑產(chǎn)品推廣應用的前提。目前國外生產(chǎn)的

速凝劑大多數(shù)雖然性能優(yōu)良，但價格偏高。如2001年在我國進行市場推廣的一種意大利速凝劑產(chǎn)品價格為11 000元/t，而我國目前市場上銷售的SI KA和MBT系列無堿液態(tài)速凝劑價格僅為5 000元//t左右。我國目前生產(chǎn)和銷售的速凝劑產(chǎn)品價格雖然低于進口產(chǎn)品，但與傳統(tǒng)速凝劑相比，價格仍偏高。速凝劑在未來有著很大的發(fā)展空間，同時也要求研發(fā)新型廉價的產(chǎn)品，從而滿足工程上的各種需求，尤其是我國的速凝劑水平還跟發(fā)達******存在著很大的差距，尤其是我國液態(tài)速凝劑的發(fā)展遠遠落后于國外，市售速凝劑大多數(shù)是粉狀速凝劑，施工中普遍存在粉狀速凝劑添加不均勻和粉塵較大的問題。液態(tài)速凝劑在使用性能上明顯優(yōu)于粉狀速凝劑，這已是業(yè)內(nèi)人士的共識。尤其是國際上盛行的質量穩(wěn)定、揚塵少、回彈損失低、噴射作業(yè)綜合經(jīng)濟效益高的濕噴施工方法的推廣應用，在很大程度上有賴于濕噴機械和液態(tài)速凝劑的提供。所以更加要改進我們的技術，加快我國的混凝土外加劑的進步步伐。