聚羧酸减水剂在地铁盾构管片混凝土中的应用_傅乐峰

·50·1 概述随着地下铁路等工程越来越多的采用盾构法施工，混凝土管片的需求量也越来越大，进一步优化地铁盾构管片生产工艺，提高管片生产效率成为现有预制管片生产厂家的重要任务。

混凝土管片作为盾构法隧道中的关键组成部分，它的质量直接影响整个隧道的质量。

目前影响管片质量的主要问题有两个[1]：一是气泡问题，大气泡影响构件的外观，甚至降低混凝土管片的抗渗性能；二是裂缝，裂缝宽度超过0.2mm 就会影响混凝土的结构和防水[2]。

目前钢筋混凝土管片生产的新工艺为流水线传输法 （图1） [3]，限制管片生产效率的阶段主要有两个：一是混凝土静停预蒸养时间——为混凝土收光抹面时间；二是蒸养时间——为混凝土强度达到脱模强度的时间。

混凝土 搅拌楼缆车 运输浇筑 振捣成型预蒸养 收光 抹面蒸养强度 达到 18～20 MPa脱模钢筋入模合模图1 流水线传输法生产管片工艺流程图本文通过对掺VIVID 早强型聚羧酸减水剂的管片混凝土聚羧酸减水剂在地铁盾构管片混凝土中的应用傅乐峰1, 2 ， 邓最亮1 ， 冯中军1 ，于建国2林珩2 ， 杨振乾1 ， 郑柏存1（1.上海三瑞化学有限公司，上海 200237；2.华东理工大学，上海 200237）[摘要]本研究的目的在于保证管片质量的前提下进一步优化地铁盾构管片生产工艺，提高管片生产效率。

为此研究了掺VIVID早强型聚羧酸减水剂的管片混凝土的水灰比、坍落度、含气量及蒸养时间对管片生产的影响，结果表明：水灰比降低至0.28～0.31，坍落度控制在30～70mm，可以缩短混凝土静停预蒸养时间至1h 左右；含气量增加会降低混凝土强度，并影响管片外观质量；管片蒸养时间可由4.5h 缩短至3.5h。

[关键词]早强；聚羧酸；减水剂；管片的应用研究，考察影响管片混凝土质量的因素，并将其应用到管片混凝土生产中，可以提高管片的生产效率，加快模具周转，降低蒸养能耗，并进一步提高混凝土管片的质量。

2 试验部分2.1 试验原材料1）水泥：采用华新P ·O42.5水泥，具体技术性能指标见表1。

2）骨料： 5～25mm 的连续级配碎石，其中60%以上为16mm 以下的颗粒，含泥量0.4%；砂含泥量1.2%，细度模数为2.4。

3）减水剂：采用上海三瑞高分子材料有限公司研发并生产的VIVD 早强型聚羧酸系高效减水剂，及目前管片生产所用的聚羧酸高效减水剂PC-LH，萘系高效减水剂NSF-HW ，减水剂的匀质性指标见表2。

2.2 试验方法1）减水剂基本性能测试：按照GB 8076—1997，测试减水剂的减水率、含气量及凝结时间等基本性能。

依照表3配合比，在标准养护条件下测试各减水剂对管片强度的影响。

2）管片养护方式[4-5]蒸汽养护：浇筑成型后先在35～40℃预蒸养，在预蒸养期间进行三次抹面收光，随后进入恒温蒸养箱中，在50℃左右蒸养若干小时，降温脱模，要求脱模强度达到18MPa 以上。

表1 水泥的化学组成材料W （%）比表面积 （m 2/kg）需水量比（%）SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3TiO CaO MgO SO 3Loss 水泥20.475.94.8—59.643.742.082.44350—表2 减水剂的匀质性外加剂种类密度（g/cm 3）表面张力（mN/m ）pH 值Cl -（%）Na 2SO 4（%）固含量（%）VIVID 聚羧酸 1.06530.2 6.70.0130.320.0PC-LH 聚羧酸 1.07135.77.20.02 2.122.1NSF-HW萘系1.08076.26.50.564.3438.2·51·3 试验结果分析与讨论3.1 各减水剂基本性能比较各减水剂的基本性能测试结果见表4。

从试验结果可以看出，VIVID 早强型聚羧酸减水剂较目前管片所用的两种减水剂减水率更高，含气量更低，混凝土早期强度更高。

因此，接下来采用该种减水剂，研究减水剂对管片质量及生产工艺的影响。

3.2 混凝土状态对管片生产的影响混凝土配合比同表3，但是通过改变减水剂掺量和用水量，考察混凝土坍落度大小对管片生产的影响，结果见表5。

由表5可以看出，同等水灰比条件下时，坍落度小的混凝土抹面收光时间短；而相同坍落度时，水灰比小的混凝土抹面时间短。

由于管片在生产过程中，在混凝土浇筑成型完毕后，需要静停一段时间，在混凝土达到一定硬度之后，对管片表面进行收光抹面。

如果静停的时间不够长，在硬度未达到收光时，管片就进入蒸养室，就会导致成品管片表面起鼓、酥松和气泡的现象发生，严重影响管片的质量和外观[6]。

因此为了保证管片质量，并加快生产速度，可以降低水灰比、减小坍落度，缩短抹面时间。

但由于管片混凝土为振动成型，且管片模具为弧状，表3 混凝土配合比材料水泥砂石子水C50（kg/m 3）4306631178129表4 各减水剂的基本性能外加剂掺量（%）减水率（%）含气量（%）凝结时间差（min ）标养强度（MPa ）初凝终凝1d 7d VIVID 1.032.0 2.0+60+3038.865.1PC-LH 1.030.0 3.5+120+10028.957.4NSF-HW1.223.32.3+60+8036.862.3表5 VIVID 早强型聚羧酸减水剂不同掺量条件下对混凝土的影响掺量（%）水灰比坍落度（mm ）收光时间（min ）蒸养时间（h ）脱模强度（MPa ）0.70.322570 4.525.10.80.327090 4.527.50.80.313570 4.531.00.90.32100110 4.529.80.90.304070 4.532.31.00.3010080 4.530.51.00.297060 4.533.21.00.2840504.534.2表6 含气量变化对管片混凝土的强度影响减水剂引气剂掺量（×10-4）水灰比混凝土含气量（%）静停时间（h ）蒸养时间（h ）脱模强度（MPa ）标养1d 强度（MPa ）VIVID0.30 2.01 4.532.639.80.050.30 3.11 4.525.638.20.100.30 3.81 4.522.437.20.150.304.514.521.335.6若混凝土坍落度过小或不具有流动性，成型时混凝土很难填充到模具边角部位，将会造成施工困难甚至管片缺角的现象发生。

因此，根据实验结果，确定混凝土的坍落度控制范围应该在30～70mm，水灰比≤0.31，在该条件下，管片混凝土静停时间可以缩短至50～70min。

3.3 混凝土含气量对管片生产的影响通过调整引气剂的掺量来控制管片混凝土含气量，得到的试验结果如表6、图2所示。

由表6可知，随着混凝土含气量的增加，混凝土强度降低，尤其经过蒸养的混凝土强度降低更加显著。

这是由于水泥水化后，由于含有未水化熟料及矿物掺合料颗粒，还有粗大的晶态水化产物，对于W/C =0.3～0.5的普通水泥硬化浆体，其总孔隙率在15%～30%，其中可再分为两级：(1)纳米尺度(10-9m)的水化硅酸钙凝胶孔；(2)由存在于水化产物之间的气泡、裂缝所组成的毛细孔，其尺寸范围则在100 nm 和几个毫米之间[7]。

当含气量较高时，混凝土成型内部残余了大量的气泡，该部分气泡在温度升高时，会产生膨胀效应，对混凝土内部结构造成破坏，甚至形成蜂窝状结构，使得混凝土强度大幅度降低。

不同含气量的管片混凝土蒸养后外观状态如图2。

由图2可以看出，含气量低的管片混凝土表观气孔很少，且均为直径很小的小气孔，而在含气量高的混凝土表面，则分布了大量的直径3mm 以上的大气孔。

气孔的存在影响了管片的外观，增加了外观饰浆的过程；又会影响管片的内部结构，降低混凝土强度，严重的甚至会降低混凝土的抗渗性能。

但是气泡的存在可以提高混凝土的工作性能，当混凝土含气量过低时，会损失流动性，造成施工困难，故而不能一味地降低含气量，而应综合考虑生产工艺的便易性。

3.4 蒸养时间对管片混凝土的影响依据以上试验结果，外加剂采用VIVID早强型聚羧酸减水剂，掺量为1.0%，水灰比为0.29，管片混凝土预养（温度35℃）时间为1h，改变蒸养时间，得到混凝土的脱模强度见图3。

图3 管片蒸养时间对脱模强度的影响由图3可以看出，在蒸养时间4h以内，延长蒸养时间可以大幅增加混凝土强度；蒸养时间超过4h以后，延长蒸养时间混凝土强度增加很小；蒸养时间为3.5h时，混凝土强度达到22.5MPa，满足脱模要求。

4 结论1）VIVID早强型聚羧酸减水剂相对目前管片生产所用减水剂具有以下特点：减水率更高，含气量更低，强度增长更快，混凝土和易性更好。

2）降低管片混凝土生产的水灰比至0.28～0.31，控制坍落度在30～70mm，可缩短管片混凝土静停预养时间。

3）管片混凝土的含气量增加，会大幅度降低蒸养强度，并且影响管片外观质量。

4）使用VIVID早强型聚羧酸减水剂，可以有效缩短静停预蒸养时间和蒸养时间，从而提高管片生产速率，且制备的管片表观气孔含量少，外观光洁亮白。

参考文献啜志强,李大为.地铁盾构管片质量通病控制[J].科技创[1]新导报，2009(4): 47～48.杨秋玲，马可检.C50高强混凝土在盾构隧道管片中的应[2]用[J].铁道建筑，2008(4):44～46.谈永泉，杨鼎宜.我国预制混凝土衬砌管片技术现状及发[3]展趋势[J].生产混凝土与水泥制品，2008,8(4):25～29.杨雄利.地铁混凝土管片养护制度的研究[J].铁道建筑，[4]2008(3)：38～39.杨雄利.地铁隧道衬砌管片蒸汽养护预养期试验研究[J].[5]铁道建筑，2008(5):12～18.于良，于红梅.地铁盾构管片混凝土配合比的设计与应用[6][J].辽宁建材，2009(5):21～22.沈卫国，陈松生.水泥基复合材料纳米改性的研究[J].新[7]世纪水泥导报，2004(2):29-34.含气量=2.0% 含气量=4.5%图2 混凝土管片表观气孔分布三峡地下电站建设进展顺利三峡工程的后续建设项目之一——三峡地下电站2009年处于混凝土浇筑、机组埋件安装高峰期，工程全年进展顺利，超额完成计划量，施工质量进一步提高。

三峡地下电站位于三峡大坝右岸山体内，是三峡工程初步设计之外的新增项目。

地下电站设计安装6台70万千瓦机组，投产后将成为大坝左、右岸26台机组的有效补充。

届时，三峡电站总装机容量将达2250万千瓦，年最大发电能力约为1000亿千瓦时。

统计显示，2009年地下电站建设完成混凝土施工19.97万立方米，为年度计划的117.5％；完成金结机电埋件及安装2483吨，为计划的100.1％；完成机组埋件7549吨，为计划的119.8％；完成固结灌浆11210米，为计划的101.9％。