Γιατί χρησιμοποιούνται επιταχυντές στην κατασκευή εκτοξευόμενου σκυροδέματος; Λίγες γνώσεις για τις προσμείξεις

Γιατί χρησιμοποιούνται επιταχυντές στην κατασκευή εκτοξευόμενου σκυροδέματος; Λίγες γνώσεις για τις προσμείξεις

Με την ταχεία ανάπτυξη της κατασκευής υπόγειων μηχανικών και υποδομών μεταφορών, η εφαρμογή της τεχνολογίας εκτοξευόμενου σκυροδέματος για επισκευή πρανών, στήριξη πετρωμάτων και φραγή διαρροών στην κατασκευή ανατινάξεων σήραγγας και ταχεία συντήρηση γίνεται όλο και πιο διαδεδομένη. Το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα είναι ένας τύπος σκυροδέματος που σχηματίζεται με ψεκασμό υψηλής ταχύτητας ενός μείγματος τσιμεντοειδών υλικών και αδρανών σε μια καθορισμένη επιφάνεια χρησιμοποιώντας πεπιεσμένο αέρα ή άλλες πηγές ενέργειας.

Η κατασκευή εκτοξευόμενου σκυροδέματος χωρίζεται σε δύο βασικούς τύπους: τις μεθόδους ξηρής και υγρής ανάμιξης. Η μέθοδος ξηρής ανάμειξης χρησιμοποιεί επιταχυντές σε σκόνη, ενώ η μέθοδος υγρού μίγματος χρησιμοποιεί επιταχυντές υγρών. Στην Κίνα, η πλειονότητα των κατασκευών εκτοξευόμενου σκυροδέματος εξακολουθεί να χρησιμοποιεί τη μέθοδο ξηρής ανάμιξης, με την κατασκευή υγρής ανάμειξης να αντιπροσωπεύει μόνο το 10% περίπου των εφαρμογών εκτοξευόμενου σκυροδέματος. Ωστόσο, καθώς οι απαιτήσεις ποιότητας για το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα στην υπόγεια μηχανική αυξάνονται και η περιβαλλοντική ευαισθητοποίηση αυξάνεται, η μέθοδος υγρής ανάμειξης θεωρείται ως η αναπόφευκτη τάση για τη μελλοντική ανάπτυξη της τεχνολογίας εκτοξευόμενου σκυροδέματος.

Οι επιταχυντές είναι τα βασικά πρόσθετα στο εκτοξευόμενο σκυρόδεμα, παίζοντας καθοριστικό ρόλο στην ταχύτητα πήξης και την αντοχή του σκυροδέματος. Η δοσολογία τους είναι μόνο 2%-3% της ποσότητας τσιμέντου στο σκυρόδεμα, ωστόσο μπορούν να επιτύχουν αρχική πήξη εντός 5 λεπτών και τελική πήξη εντός 10 λεπτών, ικανοποιώντας τις απαιτήσεις για γρήγορη πήξη σε ειδικές κατασκευές και εξασφαλίζοντας γρήγορη στερεοποίηση σε σήραγγες ή άξονες. Επομένως, η έρευνα και η εφαρμογή επιταχυντών είναι βασικοί παράγοντες που καθορίζουν το επίπεδο της τεχνολογίας εκτοξευόμενου σκυροδέματος.

Οι επιταχυντές διατίθενται σε διάφορους τύπους, ταξινομημένοι ανά μορφή προϊόντος είτε ως επιταχυντές σε σκόνη (στερεά) είτε ως υγροί επιταχυντές. Με βάση την περιεκτικότητα σε αλκάλια, μπορούν να είναι αλκαλικοί ή μη αλκαλικοί επιταχυντές, με επιταχυντές με περιεκτικότητα σε Na2O<1% considered non-alkaline. The development of accelerators has gone through stages such as high-alkali powder, low-alkali powder, high-alkali liquid, and low (non)-alkali liquid since the Swiss company Sika first developed Sigunite powdered accelerator in the 1930s.

Οι μη αλκαλικοί επιταχυντές αντιμετωπίζουν το ζήτημα της υψηλής περιεκτικότητας σε αλκάλια στους παραδοσιακούς επιταχυντές. Το σκυρόδεμα με μη αλκαλικούς επιταχυντές μπορεί να επιτύχει περισσότερο από το 90% της 28-ημερήσιας αντοχής του σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς επιταχυντές. Επιπλέον, οι μη αλκαλικοί επιταχυντές είναι μη διαβρωτικοί, φιλικοί προς το περιβάλλον και ενέχουν ελάχιστους κινδύνους για την υγεία για το κατασκευαστικό προσωπικό. Η τάση μετατοπίζεται προς τη χρήση μη αλκαλικών υγρών επιταχυντών αντί των παραδοσιακών αλκαλικών και χαμηλών αλκαλικών επιταχυντών.

Η σημερινή κατάσταση των επιταχυντών σε σκόνη ξεκίνησε τη δεκαετία του 1930 με το Sigunite, που αναπτύχθηκε από την ελβετική εταιρεία Sika. Οι πρώιμοι επιταχυντές αλκαλικής σκόνης, κατασκευασμένοι από ανόργανα υλικά άλατος όπως ασβέστη, αργιλικό νάτριο και πυριτικά και ανθρακικά άλατα, πληρούσαν την απαίτηση για ταχεία σκλήρυνση, αλλά υπέστησαν σημαντική απώλεια αντοχής αργότερα, που κυμαίνεται από 20% έως 50%.

Στην Κίνα, λόγω της σχετικά καθυστερημένης εισαγωγής της τεχνολογίας εκτοξευόμενου σκυροδέματος, η έρευνα για τους επιταχυντές ξεκίνησε αργότερα. Οι επιταχυντές αλκαλικής σκόνης έχουν πλεονεκτήματα όπως καλή προσαρμοστικότητα, αποτελεσματική απόδοση με διάφορες μάρκες τσιμέντου, καλά εφέ πήξης, χαμηλό κόστος και ώριμες διαδικασίες προετοιμασίας. Ωστόσο, έχουν αρκετά ελαττώματα, όπως σημαντική απώλεια αντοχής στα μεταγενέστερα στάδια, μειωμένη ανθεκτικότητα του σκυροδέματος λόγω της εισαγωγής αλκαλίων, υψηλή ανάκαμψη κατά τον ψεκασμό σκυροδέματος και ισχυρή διαβρωτικότητα κατά την προετοιμασία, θέτοντας κινδύνους για τους εργαζόμενους.

Καθώς η μέθοδος υγρής ανάμειξης γίνεται σταδιακά πιο διαδεδομένη, η έρευνα σε επιταχυντές σε σκόνη έχει μειωθεί σημαντικά, μετατοπίζοντας την εστίαση στη μελέτη υγρών επιταχυντών χαμηλής περιεκτικότητας σε αλκάλια και μη αλκαλίου. Ωστόσο, λόγω της απλότητας, της προσαρμοστικότητας και του χαμηλού κόστους της μεθόδου ξηρής ανάμειξης, ένα σημαντικό μέρος των έργων εκτοξευόμενου σκυροδέματος στην Κίνα εξακολουθεί να χρησιμοποιεί επιταχυντές σε σκόνη.

Η ιστορία των υγρών επιταχυντών χρονολογείται από τη δεκαετία του 1970 με την ανάπτυξη των αλκαλικών υγρών επιταχυντών Sika στην Ελβετία. Ωστόσο, αυτοί οι πρώιμοι υγροί επιταχυντές είχαν υψηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια, με αποτέλεσμα την κακή αντοχή και ανθεκτικότητα του σκυροδέματος μεταγενέστερου σταδίου. Σε μια προσπάθεια να βελτιώσουν την απόδοση σε μεταγενέστερο στάδιο και να εξαλείψουν τις βλάβες στην ανθρώπινη υγεία, ερευνητές στις ανεπτυγμένες χώρες άρχισαν να αναπτύσσουν επιταχυντές υγρών χαμηλής περιεκτικότητας σε αλκάλια τη δεκαετία του 1970. Χρησιμοποιούσαν άλατα αλουμινίου ως κύριο επιταχυντικό πήξης, μειώνοντας την περιεκτικότητα σε αλκάλια σε 10-20%, με αποτέλεσμα τη μείωση της απώλειας αντοχής σε μεταγενέστερο στάδιο στο 20%-30%.

Στην Κίνα, λόγω της καθυστερημένης εισαγωγής της μεθόδου wet-mix, η έρευνα για τους επιταχυντές υγρών υστερούσε σε σχέση με τις ανεπτυγμένες χώρες. Οι πρώιμοι επιταχυντές υγρών, ενώ πληρούσαν τις τυπικές απαιτήσεις, εμφάνισαν χαμηλότερη αντοχή του σκυροδέματος στα αρχικά στάδια. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, οι ερευνητές εστίασαν στη μείωση της περιεκτικότητας σε αλκάλια για να μετριάσουν την απώλεια αντοχής σε μεταγενέστερο στάδιο και να βελτιώσουν την ανθεκτικότητα. Σήμερα, οι επιταχυντές υγρών χαμηλής περιεκτικότητας σε αλκάλια χρησιμοποιούνται ευρέως στην αγορά, προσφέροντας οφέλη όπως χαμηλή δόση και σύντομους χρόνους πήξης. Ωστόσο, αυτά εξακολουθούν να εισάγουν κάποια περιεκτικότητα σε αλκάλια και μπορεί να οδηγήσουν σε αντιδράσεις αλκαλικών αδρανών, επηρεάζοντας αρνητικά την ανθεκτικότητα του εκτοξευόμενου σκυροδέματος. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές έχουν στρέψει την προσοχή τους σε μη αλκαλικούς επιταχυντές υγρών.

Η μελέτη των μη αλκαλικών υγρών επιταχυντών ξεκίνησε τη δεκαετία του 1990 στην Ευρώπη και τις Ηνωμένες Πολιτείες, λίγο αργότερα στην Κίνα. Η πρωτογενής ερευνητική προσέγγιση περιλαμβάνει την εύρεση νέων υλικών πήξης για την αντικατάσταση των αλάτων αλκαλικών μετάλλων σε υγρούς επιταχυντές. Μεταξύ αυτών, το θειικό αλουμίνιο, λόγω της έλλειψης περιεκτικότητάς του σε αλκαλικά μέταλλα, προάγει αποτελεσματικά την ενυδάτωση του τσιμέντου και βελτιώνει σημαντικά την αντοχή του κονιάματος σε αρχικό στάδιο. Θεωρείται σήμερα ιδανικό υλικό για την παρασκευή μη αλκαλικών υγρών επιταχυντών. Ερευνητές σε όλο τον κόσμο έχουν διεξαγάγει εκτεταμένες μελέτες σε υγρούς επιταχυντές που παρασκευάζονται κυρίως με θειικό αλουμίνιο. Προϊόντα υψηλής απόδοσης και σταθερότητας, όπως η σειρά MEYCOSA της BASF και η σειρά Sigunite®A της Sika, αντιπροσωπεύουν το τρέχον προηγμένο επίπεδο επιταχυντών μη αλκαλικών υγρών.

Οι μη αλκαλικοί επιταχυντές υγρών αποτελούν το επίκεντρο της τρέχουσας και μελλοντικής ανάπτυξης, μειώνοντας την πιθανότητα αντιδράσεων αλκαλικών αδρανών και βελτιώνοντας αποτελεσματικά την αντοχή σε μεταγενέστερο στάδιο του σκυροδέματος. Ωστόσο, η ανάπτυξη μη αλκαλικών επιταχυντών υγρών βρίσκεται στα αρχικά της στάδια και οι προκλήσεις περιλαμβάνουν σχετικά μεγάλη δόση (6%-12%), ανεπαρκή σταθερότητα αποθήκευσης και υψηλότερες τιμές και κόστος σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς επιταχυντές αλκαλικών υγρών και σκόνης .

4.2 Σύνθεση επιταχυντών

Τα άλατα αλουμινίου, τα πυριτικά άλατα, τα ανθρακικά άλατα και τα υδροξείδια είναι οι κύριοι τύποι αλκαλίων στους επιταχυντές. Το άλας αλουμινίου και το αλκάλιο αλουμινίου είναι τα πιο σημαντικά συστατικά σε μη αλκαλικούς επιταχυντές υγρών. Για το άλας αλουμινίου, το θειικό αλουμίνιο είναι μια ιδανική πρώτη ύλη, και η χρήση του θειικού αλουμινίου ως το κύριο συστατικό ρύθμισης σε μη αλκαλικούς επιταχυντές υγρών έχει κερδίσει ευρεία προσοχή και έρευνα.

4.4 Διαδικασία παραγωγής επιταχυντή

4.4.1 Επιταχυντές υγρών

Αλκαλικοί επιταχυντές: Υδροξείδιο του νατρίου και νερό αναμιγνύονται σε δοχείο αντίδρασης και μετά από ανάδευση προστίθεται υδροξείδιο του αργιλίου. Το μείγμα θερμαίνεται στους 110 βαθμούς και στη συνέχεια ψύχεται για να παραχθεί το τελικό προϊόν.

Μη αλκαλικοί επιταχυντές: Προστίθεται φθοροπυριτικό οξύ στο δοχείο αντίδρασης και αναδεύεται σε θερμοκρασία δωματίου και ατμοσφαιρική πίεση. Προστίθεται θειικό αργίλιο και αναδεύεται μέχρι να διαλυθεί πλήρως. Στη συνέχεια, το pH ρυθμίζεται στο 5, με αποτέλεσμα το τελικό προϊόν.

4.4.2 Επιταχυντές σε σκόνη

4.4.2.1 Ζύγιση και ανάμειξη

Πρώτες ύλες όπως τέφρα αλουμινίου (μέγεθος σωματιδίων {{0}}cm), ασβεστόλιθος (μέγεθος σωματιδίων 0.5-1.2 cm) και βιομηχανικά αλκάλια (ανθρακικό νάτριο) μεταφέρονται με σφραγισμένο μεταφορέα σε μια συσκευή ζύγισης. Θειικό αλουμίνιο