一、引言

速凝剂是喷射混凝土中一种非常重要的外加剂，早在20世纪40年代速凝剂研制之前，主要喷射砂浆等，且无法达到一定的厚度。速凝剂的研制使用，大大增加了一次喷厚，减少回弹，提高混凝土早期强度，与围岩表面密贴，使得喷射混凝土技术广泛应用于各种地下工程与建筑物修复中。

速凝剂主要有两种形式，粉状速凝剂和液态速 凝剂。粉状速凝剂主要用于干喷混凝土中，随水泥、砂、石一起投 入喷射机中，通过高压风运送至喷头处。液态速凝剂主要用于湿喷混凝土中，在喷头处通过风压或泵压，与混凝土拌合料混合后，喷射至受喷面。速凝剂按主要成分分类，主要有铝氧熟料加碳酸盐系、硫铝酸盐系、水玻璃系。

最早的速凝剂是奥地利生产的西卡速凝剂，主要成分是硅酸钠，是一种具有强烈腐蚀性的液体速凝剂。20世纪70年代，相继出现了一批以碱金属为成分的高碱速凝剂。近年来，为了更加适应现场的需要，速凝剂朝着低碱、复合、高效、液态发展。

目前，我国隧道内喷射混凝土主要使用粉状速 凝剂，施 工中粉尘量很大，回弹也很大。主要因为：一是粉状速凝剂与拌合料混合不均匀；二是粉状速凝剂的计量不精确；三是粉状速凝剂喷射时扬尘多。我国液态速凝剂发展很不成熟，市场销售的速凝剂大多掺量过大、适应性差、稳定性低、混凝土后期强度损失严重。因此，针对以上情形，研制出一种新型的复合高效型液态速凝剂。它由无机和有机材料复合而成，能增加混凝土的黏聚性，降低回弹量和粉尘量，减少凝结时间，初凝时间在1min左右，终凝时间在4min以内，掺量仅为水泥质量的2%，且PH不大于12，能保障喷射混凝土后期强度。

二、室内试验研究

2.1原材料

（１）水泥

采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，使用前要与速凝剂做相容性试验，选择相匹配的水泥，或者根据水泥成分调整速凝剂的掺量与质量配比。

（２）试剂

该液态速凝剂为一种铝酸盐类速凝剂，主要为铝酸钾，并加入一些其它组分复配而成。主要有聚丙烯酰胺、三乙醇胺、减水剂、稳定剂、防结晶剂等。

（３）骨料

细骨料：试验中所用细骨料为细度模数为2.7，质地坚硬的中粗砂。砂子中粒径小于0.075mm的颗粒不超过20%。

粗骨料：试验用粗骨料为5～10ｍmm的碎石。

2.2试验方法

水泥净浆凝结时间试验参照喷射混凝土用速凝剂（JC477—2005）进行，其中液态速凝剂的掺量按照水泥质量的百分比计算。液态速凝剂水泥净浆试验，所用水 灰比为0.4，该液态速凝剂的掺量定为1.5％～3％，液态速凝剂的固含量为60％。试验步骤如下：

（１）取400ｇ普通硅酸盐水泥，与计算量用水（160mL水减去液态速凝剂中的水量）混合搅拌均匀。

（２）按试验用液态速凝剂掺量加入水泥浆中，迅速搅拌25s～30s，立即装入圆模，人工振捣数次，削去多余水泥浆，并用洁净的刀具修平表面。从加入液态速凝剂到表面平整不超过50s。

（３）将装满水泥浆的试模放在水泥净浆标准稠度与凝结时间测定仪下，使针尖与水泥浆表面接触。迅速放松测定仪杆上的固定螺丝，针即自由插入水泥净浆中，观察指针读数，每隔10s测定一次，直到终凝为止。

水泥砂浆试验步骤为，称取基准水泥900g，标准砂1350g，计算液态速凝剂中的含水量，从总水量中扣除，加入水将胶砂搅拌至均匀，再加入液态速凝剂人工迅速搅拌40s～50s。

然后装入40mm×40mm×160mm的试模中，立即在胶砂振动台上振动30s，刮去多余部分，抹平。在标准养护室中养护，测得1d和28s的抗压强度，得出强度比。

2.3试验结果及分析

（１）不同掺量对水泥初终凝时间的影响

速凝剂的掺量对水泥的初终凝时间影响很大，在一定范围内，速凝剂随着掺量的增加，速凝效果越好。超过这个范围，速凝效果会下降。表１为不同掺量的速凝剂水泥初终凝时间测定结果。

表1水泥初终凝试验测定结果

速凝剂掺量	水灰比	初凝时间	终凝时间
1.5%	0.4	2min20s	4min30s
2.0%	0.4	2min25s	3min50s
2.5%	0.4	2min10s	3min20s
3.0%	0.4	2min30s	4min10s

从表１中可以看出，该液态速凝剂掺量在2.5％ 时，速凝效果最好。一般液态速凝剂与水泥存在一种适应性，对于 不同种类的水泥，其最佳掺量不定。这主要跟水泥中的矿物成分 、石膏类型、掺合料等有关。

（２）不同掺量对水泥砂浆的强度影响

速凝剂的添加，能使混凝土的凝结时间大大缩短。但随着速凝剂掺量的增加，对混凝土后期强度影响很大。该液态 速凝剂采用比较活泼的金属元素，与水泥反应迅速，使混凝土用水较少，由于采用元素活泼，有很强的活性，因此需要的掺量很少。普通粉状速凝剂的掺量一般为4%～6%，液 态速凝剂 的掺量一般为4%～8%，该 液态速凝剂掺量一般为2%。同时，该液态速凝剂中复合有一些有机成分，如三乙醇胺、减水剂等，能有效提高混凝土各龄期的强度，减少喷射 施工中的回弹和粉尘。在合适的掺量范围内，能保 证混凝土28ｄ强度损失在10%以内。表2为水泥砂浆的强度比。

表2水泥砂浆强度比

速凝剂掺量	抗压强度1d	抗压强度28d	28d抗压强度比
0	7.8MPa	47.8MPa	100%
1.5%	13.6MPa	46.9MPa	96.50%
2.0%	13.9MPa	46.1MPa	94.30%
2.5%	14.5MPa	45MPa	93.20%
3.0%	15.1MPa	44.6MPa	90.60%

从表２中可以看出，在液态速凝剂适宜掺量范 围1.5％～3％内，28ｄ 强度损失不超过10％，这样就有利的保证喷射混凝土支护的效果。减水剂的加入，在和易性不变的情况下，能有效降低混凝土的用水量，一般能减少水量的 15％～35％。用水量的减少，能大大提高混凝土的强度 。

（３）速凝机理探讨

该液态速凝剂主要为一种铝酸盐类复合型速凝剂，铝酸盐类速凝剂的速凝机理是，它能与水泥中起缓凝作用的石膏发生反应，石膏被消耗掉，则会促进Ｃ3Ａ、Ｃ３Ｓ的水化从而使混凝土快速凝结硬化。主要反应方程式为：

２KA1O2+３Ca（OH）2+３CaSO４+30H２O→

３CaO·A12Ｏ3·3CaSO4·32H2O+2KOH

速凝剂中含有聚丙烯酰胺 、三乙醇胺、减水剂等 组分，聚丙烯酰胺为一种增稠剂，作用是为了增加喷射混凝土的粘性。三乙醇胺为一种早强剂，能提高 混凝土的初期强度。

三、工程应用试验

为了验证该液态速凝剂的使用效果，进行实际隧道喷射混凝土试验。在隧道围岩级别为 Ⅳ 级，喷射混凝土设计厚度为20cm，设计强度为C20，采用湿喷混凝土方式，湿喷混凝土的配合比为水泥400kg：砂子804kg：石子804ｋｇ：水168kg：液态速凝剂8kg，水灰比为0.42，速凝剂掺量为 水泥的2%。设计坍落度为80～120mm，实测坍落度为100mm；原材料各项指标 均符合规 范 要 求。 喷 射 用原 材料均为施工现场材 料，喷射前首先进行水泥的适应性试验 ，测定水泥净浆的初终凝时间，从 而选择最佳掺量，经 试验，选 用 液态速凝剂的掺量为2%。

经过一个小时连续喷射，使用该液态速凝剂的喷射混凝土具有良好的现场效果。喷射中，粉尘和回弹都很小，无落浆。经过试验得出回弹量为9.2%，由于喷射角度、喷射距离、风压、水压等对回弹量都有影响，如果操作正确，回弹量有望进一步降低。该液态速凝剂的使用，能充分与混凝土接触，且混合均匀，因此施工时粉尘量降低，为隧道施工提供了良好的环境。下图为现场喷射照片。

四、结论

（１）复合高效型液态速凝剂掺量一般在1.5%～3%之间，掺量很小，对喷射混凝土强度影响小。掺入后，水泥净浆的初凝时间在1min左右，终凝时间在4min以内。

（２）复配组分的加入，能有效提高液态速凝剂的作用效果。增加喷射混凝土的粘聚性，降低回弹，减少用水量，提高混凝土的强度，28d 强度损失能控制在10%以内。

（３）该液态速凝剂是一种均一稳定的液体，稳定性好，不产生结晶和沉淀，是一种较为理想的喷射混凝土用液态速凝剂，具有很好的推广应用价值 。