让喷射混凝土牢固上墙的秘密武器

  2020年12月4日,为共同推进我国喷射混凝土材料与工程技术的发展,由中国混凝土与水泥制品协会(CCPA)主办,中建材中岩科技有限公司、北京工业大学、北京硅酸盐学会、江苏奥莱特新材料股份有限公司、云南凯威特新材料股份有限公司协办的首届喷射混凝土产业技术发展与创新应用论坛暨中国混凝土与水泥制品协会喷射混凝土材料与工程技术分会成立大会在江苏南京召开。

  当前喷射混凝土广泛应用于隧道、桥梁、水利水电、坡坝及地下工程等诸多领域,喷射混凝土一方面节约钢材和木材,可降低施工成本,另一方面使得施工简单,有利于一次成型和加快掘进速度,具有比传统筑模成型的方式更广泛的发展前景,而将预先拌制好的水泥、砂石、水以喷射的手段将其牢牢固定在垂直角度的拱顶或竖直面上甚至可以喷射数层而不掉落,这离不开一个秘密武器——喷射混凝土用速凝剂。

  中建材中岩科技有限公司(以下简称中岩科技)成立于1992年,是中国建筑材料科学研究总院有限公司控股公司,经过20余年的发展,中岩科技已形成混凝土外加剂、助磨剂、特种工程材料三大业务板块,在喷射混凝土用速凝剂生产、研发及应用技术上具有丰富的经验,2019年,将无碱液体速凝剂生产线进行自动化、智能化升级,年产量达10万吨,产品发往山东、广东、广西、北京等地,应用量逐年上升。

  喷射混凝土自1907年美国动物标本学家卡尔·阿克利发明了“水泥枪”之后,大量应用于隧道、地下工程和煤矿等建筑工程,经历了干喷工艺和湿喷工艺的迭代更新,预计到2025年,湿喷混凝土市场将达到77亿美元以上,且会呈现健康稳定增长,是全球喷射混凝土增长的重要动力。新时代也产生了既有结构维护加固、新建结构复杂形状等新需求,喷射混凝土向着高性能方向发展,用湿喷混凝土代替传统的现浇成型混凝土建造钢筋混凝土墙已在美国西海岸成功应用了很久。

  干喷法是将拌合好的胶凝材料、骨料和粉状速凝剂通过喷嘴喷出,喷射过程中与水混合喷射到受喷面,湿喷法即为将拌合好具有一定工作性的预拌混凝土通过喷嘴喷出,在喷嘴处加入液体速凝剂,与液体速凝剂混合后喷射到受喷面的方法,因此,为顺应喷射混凝土的发展,速凝剂出现了粉剂到液体的更新,粉体速凝剂存在明显的缺点,比如使用过程中混合不均匀、粉尘大、易受潮等,而液体速凝剂则更容易均匀的分散于混凝土拌合物中,避免混凝土质量的波动。

  速凝剂的分类众多,按碱含量划分可分为碱性速凝剂和无碱速凝剂。一般的,速凝剂掺量占胶材的3%—9%,最早的有碱速凝剂碱含量可高达25%,再加上速凝剂的高掺量,最终给胶凝材料带入的高碱含量,易引起混凝土后期强度损失,使混凝土发生碱集料反应的风险提高导致混凝土膨胀破坏,给喷射混凝土的永久支护带来难度,且含碱速凝剂具有极强的腐蚀性,由此,低碱和无碱速凝剂成为发展新趋势。无碱液体速凝剂也经历了从起步到逐渐成熟的过程,研究称离子状态的铝可以显著缩短水泥凝结时间,硫酸铝、无定形铝、氟铝化合物等被引入,但这又给无碱液体速凝剂带来了新的问题,统计近几年的研究结果可知,无碱液体速凝剂普遍存在的问题包括:稳定性差、掺量高、大量使用有毒原材料、早期强度低等,极端环境下喷射混凝土会弹率比较高,且大量工程存在早期强度低力学性能差的现象,研究者也作了相当多的研究,为了提高离子状态铝的溶解性、更显著的降低喷射混凝土的回弹率,掺入价格昂贵的原材料,高成本一度成为制约无碱液体速凝剂市场占有率的重要因素。

  快凝快硬 无碱高强

  中岩科技无碱液体速凝剂从无到有,经历了研发团队众多心血,拥有自主研发知识产权,近500个小试配比的优化实验,逐步攻关了分层、凝结时间慢、强度低等问题,验证了中联、海螺、南方、山水、鲁碧、盾牌等大小集团的近20种水泥,筛选出适用于不同种类水泥的配比,采用硫酸铝为主要促凝组分,结合预分散增强组分、悬浮组分、络合组分等制备了无碱高强型、无碱快凝型、低碱快凝型一系列产品,针对不同地区水泥,科学调整速凝剂配比,拥有掺量低(6%—8%),凝结时间快,终凝时间在5min以内,1d强度10MPa左右,超过国标要求,28d抗压强度比≥90%,回弹少,优化施工环境,减少对施工人员的伤害等特点,可满足不同种类水泥及新拌混凝土喷射工程,在高铁隧道、地下工程中大放异彩,使用足迹遍布于华东、华南地区众多工程。

  以多变应万变 践行央企品质

  每个产品的迭代升级都会遇到技术瓶颈,无碱液体速凝剂应用初期的优势逐渐凸显,同时也带来了更多的问题。由于影响混凝土凝结时间的因素众多,比如水泥种类、混凝土用外加剂、混凝土拌合状态、喷射混凝土施工环境、喷射手操作方法等,导致喷射混凝土在应用过程中不断出现回弹量高、后期整块掉落等问题,往往为了满足喷射混凝土施工要求,速凝剂需要具有更快的凝结时间,更高的早期强度,优异的后期强度。

  喷射混凝土的速凝剂机理离不开水泥水化,水泥水化过程可简单分为硅相和铝相反应,硅相反应早期水化主要是C3S的水化,分为诱导前期、诱导期、加速期、减速期和稳定期,铝相反应早期水化主要为C3A的水化,C3A先水化生成 C4AH13,随后与石膏反应不断生成 AFt,生成的AFt随后覆盖在C3A阻止 C3A化,周而复始,直至石膏消耗完,烧制水泥熟料及混合材种类千差万别导致水泥种类不同,无碱液体速凝剂与水泥水化产物的无缝配合才能发挥速凝剂的最大优势。

  中岩科技无碱液体速凝剂在大多数隧道工程应用中,以多变应万变的策略,针对不断变换的水泥种类、应用环境,从速凝剂掺量及种类、水泥及骨料配合比、喷射风压和喷射距离的变化、一次喷射厚度的确定等方面为每个工程量身定制产品和技术服务,统筹分析经济性指标,充分满足每个项目对产品的需求,降低喷射混凝土项目综合成本,成为中岩科技速凝剂广泛使用的法宝。

  展望无碱液体速凝剂发展前景,对标国际速凝剂产品,无碱液体速凝剂向着低掺量、无氟、高适应性、高稳定性、环保性和经济性方向发展,但市售无碱液体速凝剂产品技术路线纷杂、产品质量参差不齐,身为央企的中岩科技一直秉持可持续发展战略,做了超前研发,在无氟、高适应性方面已有颇多理论成果及新产品,在优质产品开拓创新、工程建设持续服务等方面,中岩科技将持续引领行业健康发展,为喷射混凝土能持久牢固上墙保驾护航。

  (李晓宁)

  (数据来源:中建材中岩科技有限公司) 【编辑:李赫】

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