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速凝剂因可以使水泥浆体快速凝结硬化而被应用于喷射混凝土技术中。随着我国西部大开发战略的持续进行,出现了大量的隧道工程以应对西部复杂的地形,喷射混凝土因施工简单方便、早期强度高等优势而被广泛应用于边坡支护和围岩加固等项目中。粉状碱性速凝剂碱含量较高对人体伤害较大,在使用时会出现粉尘较大,出料的水灰比不稳定等问题。因此粉状碱性速凝剂已经逐渐退出市场,并被无碱液体速凝剂所取代。然而,无碱速凝剂虽不再使用含碱的原材料进行生产,但为了提高速凝剂稳定性,提高速凝剂的效果,某些配方又引入了对人体和环境有损害的氟元素,针对这些问题,本文进行系列实验,研发出了一款无氟无碱的液体速凝剂（命名为AF-F）,并通过实验验证了其性能。以硫酸铝、硫酸铁、硝酸铝和三乙醇胺为主要促凝早强成分,通过每种成分单独掺入的方式分别探究它们对水泥基材料的性能影响。结果表明,硫酸铝能显著降低净浆的凝结时间,提高早期强度,但掺量较高会出现后期强度的降低,硫酸铝的合理掺量选为3%-4%;硫酸铁在低掺量时能缩短凝结时间提高抗压强度,但掺量较大时凝结时间降低效果以及抗压强度的提升幅度均不显著,合理掺量为0%-1%;硝酸铝与硫酸铁对凝结时间和抗压强度有相似变化趋势,合理掺量为0%-1%;三乙醇胺在较低掺量时能显著缩短水泥净浆的凝结时间,掺量为0.3%-0.4%时凝结时间差异不大,因此最佳掺量为0.1%-0.3%。初步确定各组分掺量范围后,对掺量进行细化,并设计正交实验以探究各组分和其他组分共同作用下,整体配方对水泥基材料的初凝时间、终凝时间、1d抗压强度和28d抗压强度影响的程度。结果表明硫酸铝对1d抗压强度和28d抗压强度的影响最大,三乙醇胺对初凝时间和终凝时间的影响最为显著。综合各项性能确定了速凝剂母液的配合比,使用不同掺量的磷酸、草酸、乙二胺四乙酸调节速凝剂的p H值,最后选择掺入0.5%的磷酸。最终速凝剂的配方为硫酸铝50g,硫酸铁1g,硝酸铝1.5g,三乙醇胺3.5g,水44g,合成母液后再加入0.5%的磷酸,该配方的速凝剂为淡橘黄色,略粘稠状液体。当AF-F掺量为8%时,初凝时间为3.7min,终凝时间为8.7min,1d抗压强度为11.2MPa,28d抗压强度为43.7MPa,较0掺量的对照组提高了6.4%,满足《喷射混凝土用速凝剂》GB/T 359159-2017的相关要求。探究了不同掺量的AF-F对水泥基材料凝结时间和强度的影响,得到速凝剂最佳掺量为水泥质量的8%。为探究AF-F的适应性,通过添加不同掺量的粉煤灰和硅灰、不同掺量的减水剂、使用不同地区的水泥,研究它们对速凝剂的影响作用。为探究环境等因素对AF-F产生的影响,测试在不同的环境温度、不同水灰比的情况下的各项性能,最后和现在市面上已有的速凝剂产品进行横向对比。结果表明,粉煤灰起到缓凝作用,降低早期和后期强度;硅灰可以起到促凝早强的作用;减水剂会降低凝结速度,但掺量小时降幅不大,低温环境对AF-F的性能影响较大。AF-F总体适应性较好,与市面上已有速凝剂相比,各项性能较为均衡。借助于XRD和SEM,分析了AF-F促进水泥净浆快速凝结、提高1d强度和28d抗压强度的机理。结果表明,AF-F加入水泥后,AF-F中的Al3+和SO42-快速与水泥中的Ca2+及石膏发生反应并生成钙钒石。这些钙钒石晶体,以不定向的方式填充在水泥浆体的充水孔隙中并且相互交错搭接形成了网状结构。同时生成钙钒石时消耗了大量的水和Ca2+,净浆中水的含量减少造成水泥净浆的流动性减弱,加速了凝结;这可能是水泥净浆能快速凝结和产生强度的原因。当水化持续进行时,因Ca2+多用于生成钙钒石,导致CH浓度较低无法形成CH晶核,这时在水泥中生成的C-S-H凝胶便包裹在已经形成的钙钒石网格上,填充了水泥颗粒之间的空隙,提高了后期强度。图[62]表[29]参[79]