地铁盾构管片混凝土用高性能聚羧酸减水剂的合

0 引言

盾构法有施工工艺先进、施工效率高和安全环保性高等优点，已经成为我国地下工程和隧道施工的主要方法。地铁管片是盾构隧道最主要和最关键的结构部件，其性能的优劣决定了工程质量和隧道服役寿命。因此，随着我国城市的现代化、地下轨道交通的高速发展，地铁管片质量的把控显得越来越重要。

地铁管片堪称混凝土预制构件中的“工艺品”，对其抗渗性、强度、几何尺寸、表观质量等要求都非常苛刻。而作为混凝土中不可缺的重要组分，减水剂的性能更是对其品质有着重要的影响。聚羧酸减水剂在提升地铁盾构管片强度、缩短其凝结时间、改善管片表观质量、提高劳动生产率、降低劳动强度等方面具有很好的优势，因此得到了大量的应用。

为了提高地铁盾构管片厂的生产效率，需要管片混凝土具有较短的初凝时间，并在短时间内从模具中脱模，这就要求管片混凝土具有较高的早期强度。为了便于现场工人施工，管片混凝土必须具有良好的触变性。此外，根据地铁盾构管片成品外观质量要求，成品表面不允许出现裂缝、内外表面露筋、空洞、麻面、粘皮、蜂窝等。目前，管片混凝土遇到的主要问题是冬季低温环境，混凝土的初凝时间偏长、早期强度偏低。因此，急需研制低温下促凝、早期强度发展快、满足管片生产和施工要求的高性能聚羧酸减水剂。

1 试验

1.1 主要原材料

丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DAC），工业级；异丁烯醇聚氧乙烯醚 HPEG（Mn 分别为 1200、2400、3000 和 4000），工业级；丙烯酸（AA），工业级；双氧水（H2O2），工业级；自制含 N 还原剂（P1）；巯基乙酸（TGA），工业级；30%氢氧化钠溶液（NaOH），工业级。

水泥（C）：闽福 P·O52.5；砂（S）：河砂，细度模数为 2.6～2.9；矿粉（SL）：S95，福建省三钢（集团）有限责任公司；粉煤灰（FA）：F类I级，厦门市嵩能粉煤灰开发有限公司；反击破石子（G）：5～20 mm连续级配；普通聚羧酸减水剂（PCE）：阴离子型，科之杰新材料集团有限公司生产。

1.2 试验方法

1.2.1 高性能聚羧酸减水剂的合成

将H2O2和HPEG混合溶液加入到四口烧瓶中；分别滴加DAC和AA的混合溶液、P1和TGA的混合溶液，在40℃下反应3 h，停止加热，加入NaOH溶液使反应溶液的pH值在6.0～7.0范围内，即得到含固量为40%的高性能聚羧酸减水剂PCE1。

1.2.2 性能测试与表征

（1）性能测试方法

试验从粘聚性、触变性等方面保证混凝土的匀质性，坍落度控制在50～80 mm。混凝土配合比见表1。地铁盾构管片混凝土性能按照GB/T —2008《预制混凝土衬砌管片》的要求进行测试，厦门某管片企业标准要求12 h蒸养强度达15 MPa以上。

表1 混凝土配合比?

管片混凝土的蒸养强度试验采用将成型好的试块收面后在蒸养池中蒸养12 h，取出的试块在空气中放置使之冷却，然后参照GB —2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试；混凝土凝结时间及其它性能按照GB 8076—2008《混凝土外加剂》进行测试。

（2）红外光谱分析

采用美国PE公司生产的Spectrum100型红外光谱仪进行红外光谱分析，实验方法为薄膜法。

（3）水化热测试

采用武汉博泰斯科技有限公司生产的PTS-12S型水泥水化热测量仪，测试掺不同聚羧酸减水剂的水泥浆体在水化过程中的放热性能，水灰比为0.33，减水剂折固掺量为0.13%。

（4）SEM 分析

水泥浆体试块水化3 d后，敲碎试块，选取形貌保存较好的片状碎片，用乙醇终止其水化，真空干燥12 h，采用韩国COXEM公生产的CPXEM-20型扫描电镜测试其形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 合成影响因素讨论

2.1.1 大单体分子质量对合成减水剂性能的影响

将不同分子质量HPEG与其它单体进行共聚，得到不同长度侧链的聚羧酸减水剂，并进行混凝土对比试验，结果见表2。

表2 大单体分子质量对掺减水剂混凝土性能的影响?

从表2可以看出，随着HPEG分子质量的增大，掺减水剂混凝土的初凝时间缩短，1 d、3 d抗压强度提高。这是因为，HPEG的分子质量越高，合成聚羧酸减水剂的侧链越长。不同侧链长度的减水剂对不同矿物相的分散状态不同，分散状态不同又导致了生成钙矾石的晶体形态和结构不同，添加长侧链减水剂的混凝土水泥浆水化生成的钙矾石晶体小且不稳定[1]，从而缩短混凝土初凝时间，促进混凝土早期强度的发展。

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