功能型聚羧酸外加剂在混凝土预制构件中的应用.pdf

2 0 1 3年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRE I E AND CEMENT PR0DUCTS 2 0 1 3 No 6 J u n e 功能型聚羧酸外加剂在混凝土预制 构件 中的应用 周栋梁 1 ,2 , 3 ， 张建纲 1 , 2 ,3 ， 杨 勇 一 ， 冉千平 一 ， 刘加平 - 。 ( 1 江 苏省建 筑科 学研 究 院有 限公 司 ， 南京 2 1 0 0 0 8 ； 2 江 苏博 特新 材料有 限公 司 ， 南京 2 1 0 0 0 8 ； 3 南京博特新材料有限公司， 2 1 0 0 0 8 ) 摘 要 ： 从 降低 生产能耗 、 自动 化生产等方面入手 ， 提 出了预制构件 生产急需解决的 问题 ， 并详细介绍 了功 能型聚 羧 酸外加剂在混凝 土预制构件 中的应 用及其在混凝土预制构件行业发展 中的作 用。 关键词 ： 预制构件 ； 功能型聚羧 酸： 低能耗 ； 自动化 生产 Abs t r a c t ：rr l e pr o bl e ms o f pr e c a s t c o mp o ne n t s whi c h ne e d t o be s o l v e d ur g e nt l y i n p r o d uc t i o n a y e p ut f o r wa r d f r o m t he a s p e c t s o f r e d u c i n g e n e r g y c o n s u mp t i o n a n d a u t o ma t i c p r o d u c t i o n 1 1h e a p p l i c a t i o n s o f f u n c t i o n a l p o l y c a r b o x y l a t e s u p e r p l a s t i c i z e r i n c o n c r e t e p r e c a s t c o mp o n e n t s a n d t h e f u n c t i o n i n p r o mo t i n g t h e d e v e l o p me n t o f c o n c r e t e p r e c a s t c o mp o n e n t s a y e i n t rod u c e d i n d e t a i l Ke y wor d s：Pr ec a s t c o mpo n e nt s ；F un c t i o n al p o l y c a r bo x y l a t e s u pe r pl as t i c i z e r ；Lo w e ne r gy c o ns ump t i o n；Au t o ma t i c p rod uc t i o n 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 6 2 9 0 4 0前 言 混凝土预制构件具有标准化生产 、绿 色化施 工 、 建筑质量超前控制等优点 ， 是实现建筑工业化 的重要途径f 1 1 。近年来 。 随着我 国经济持续、 快速发 展 。 混 凝 土 预制 构 件 产 量 飞 速 增长 。2 0 1 1年 ， 我 国 P H C管桩产量达到 3 5亿 m，混凝土排水管产量达 到 4 0 0 0万 I n ， 混 凝 土 电杆 8 0 0万 根 ， 地 铁 管 片产 量 2 0 0万 m 以上闭 。 预制构件所使用的混凝 土已经 占 据 了预拌混凝土总产量 的 1 0 左右 但我 国混凝土 预 制 构件 行 业仍 然 存在 能 耗 高 、 生 产过 程 自动化 程 度低等问题 。究其原因主要 由相关高性能材料的开 发 、 节能环保工艺的研究等方面的不足而造成的。 众所 周 知 ， 化 学 外 加 剂 、 矿 物 外 加 剂 是 混 凝 土 材料实现革命性变化的关键材料 其对混凝土性能 的 提 升 以及 对 于 建 筑业 可 持 续 发展 的促 进 作 用 已 经得 到 了人 们 的广泛 认 可 。在 我 国 ， 混凝 土 化 学 外 加剂在混预制构件领域研究及应用起步较晚 。 一些 技 术 指标 要 求 较 高 的 预制 构 件 多采 用 国外 的 化 学 外加剂产品： 一部分是直接借鉴预拌混凝土 的外加 剂技术 。此外 ， 仍有大量 的预制构件的生产不使用 化学外加剂 这也是造成我 国混凝土预制构件行业 技术落后 的主要原因之一。 聚羧 酸 外 加 剂 作 为 一 种 新 型 的高 性 能 化 学 外 加剂 ， 已经在 国内大量工程 中得到应用 ， 并取得 了 很好 的效果 。由于其分子结构可设计性强 ， 通过不 同功能结构单元的优化组合 ， 可以制备得 到具有特 殊 功 能 的 聚羧 酸外 加 剂 。 获 得 除分 散 能力 以外 的更 多性能 ， 如保坍 、 早强 、 消泡 、 减缩、 降粘等。由于这 些功能型聚羧酸外加剂性能的优越性 ， 已逐步开始 应 用 于混 凝 土 预制 构 件这 一 特殊 领 域 。 推 动 了预制 构件低能耗 、 自动化生产。本文介绍了功能型聚羧 酸外加剂 的设计 、 制备 以及在混凝土预制构件行业 技 术发 展 中的作 用 。 1 预制构 件 的低 能耗 生产 为了缩短生产周期 。 加速模板周转， 在混凝土预 制 构件 生产 过程 中普遍 采用 蒸 汽养 护工艺 。常压 蒸 汽养护主要用于预制管片 、 输水 管道 、 电杆等预制 构件 ： 高压蒸汽养护主要用于强度要求较高 的预制 构件 ， 如 P H C管 桩 。 与现 浇混 凝土 相 比 ， 预制 构件 在 养护过程需要消耗大量的燃煤 ， 据文献报道 ， 每生 产 1 m 的 P HC管 桩 能耗 达 到 4 k g 标 准 煤 同时 带来 大量的温室气体3 1 。可见 实现低能耗生产是预制构 件可 持续 发展 必须解 决 的 问题 之一 。 1 1 预制管片免蒸养生产 隧道预制管片是地下轨道交通 的关键结 构材 料 ， 对力学性能 、 外观质量 以及耐久性 能的要求非 一 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 周栋 梁 ， 张建 纲 ， 杨勇 ， 等 功 能 型聚羧 酸外 加剂在 混凝 土预 制构 件 中 的应 用 通过分子结构设计 ， 制备专用保坍降粘型聚羧 酸外加剂 ， 较好地解决了这一问题 。保坍降粘型聚 羧酸外 加剂 分子 结构 式如 图 3所示 。在保 证 高减水 性 能 的前 提 下 ， 通过 在 聚 羧酸 分 子结 构 中引人 快 速 水解型聚醚大单体 ，使其在混凝土碱性条件下 ， 快 速水解释放大量吸附基 团， 增强聚羧酸外加剂 的吸 附驱动力 ， 持续补偿 吸附 ， 提 高了保坍能力【9 _ l - 】 ； 同 时 ，在聚羧酸分子侧链 中引入双亲性功能单元 其 吸 附 到水 泥 颗 粒 表 面后 ，压 缩 了表 面水 膜 层 的 厚 度 ， 释 放 出更 多 的 自由水 ， 有 效 提 高水 泥 颗粒 间 的 润滑性 ， 降低了低水胶 比混凝土 的粘度 。保坍降粘 型聚羧酸外加剂具有较高 的减水率 ， 实现 了更低水 胶 比 ( 0 2 5 0 3 0 ) 管 桩混 凝 土 的制 备 且 满足 了 P H C 管桩混凝 土生产过程 中对 于低坍落度保持性能 的 要求 ，避免了初始减水太大造成混凝 土粘度大 、 易 板结现象的出现 。 表 4为保 坍 降粘 型 聚羧 酸 减水 剂分 子 的主要 性 能指标 。试验中采用的免压蒸养护工艺为静置 3 h ， 升温 2 5 h ， 恒温 5 h ， 自然冷却到室温。 水 解 型 侧链 图 3 保坍降粘型聚羧酸分子结构示 意图 表 4 P C A V ( D ) 主要技术性能指标 由表 4可以看出 ， 保坍降粘型聚羧酸减水剂的 主要技术特点是在初始坍落度较低时 ， 仍 然具有优 良的工作性能 ， 同时具有较 高的减水能力 ， 能够满 足免压蒸工艺中大幅降低水胶比的要求。 表 5为掺人保坍降粘型聚羧酸减水剂时 P HC 管桩 免压 蒸试 验结 果 。 表 5 P HC管桩 免压 蒸 试 验结 果 免压蒸试验结果表明， 通过使用保坍 降粘型聚 羧酸外 加剂 。 新拌混凝土实现 了低水胶 比、 低粘度 生产 ， 同时保证 了低坍落度混凝土的工作性能。管 桩仅通过常压蒸养 即可以达到 C 8 0以上强度等级 。 实现了免压蒸工艺制备高强 P H C管桩 ， 缩短了生产 周期 ， 降低了能耗。此外 ， 管桩生产过程中余浆的排 放量较低 ， 一方面 由于混凝 土的用水量大幅度 降低 使得混凝土离心过程中 自由水减少 ；另一方面 ， 聚 羧 酸 减 水 剂 特 殊 的分 子 结 构 改 善 了混 凝 土 的流 变 性能 ， 有效地抑制了混凝土在离心力作用下产生大 小颗粒分层 、 余浆 向内壁聚集的趋势【 。 表 6为免压蒸 、压蒸混凝土耐久性 比较情况 。 由该表可知 。 与经过 高压蒸养 的混凝土相 比 ， 掺入 聚 羧 酸 t- J J n 剂 的免 压 蒸 混 凝 土 的 抗 氯 离 子 渗 透 性 能 得 到 了极 大 提 升 ， 抗 冻融 能 力 由不 足 1 0 0次 提 高 表 6混凝土耐久性能 比较 到了 2 0 0次。混凝土经过常压蒸汽养护后已经具有 相 当好 的力 学性 能 此 时 水泥 石 的基 本 结 构 已经 形 成 ， 有效避免了常规压蒸升 降温工艺对混凝土内部 结构的损伤 。可见 ， 免压蒸工艺在此类减水剂作用 下 能 够 大 幅度 提高 管桩 混 凝 土 的耐久 性 能 。 有 利 于 管桩生产的节能减排及建筑行业 的可持续发展 。 2 预 制构 件 的 自动化 生产 传 统 的预 制 构件 生 产属 于 劳 动密 集 型 ， 随 着劳 动 力成 本 的不 断 上 升 ，企业 的生产 成 本 持续 增 长 。 以机械布料代替人工操作 。 实现预制构件 的 自动化 生产是预制构件行业技术变革的方向之一。以混凝 土管桩为例 ， 传统的 P H C管桩生产过程 中， 人工劳 动主要集 中在混凝土的输送 、 布料 、 振动 、 抹面等工 序 ， 劳动量大 、 强度高。因此 ， 改善混凝土 的施工操 作性 能是 实现 预制 构件 生产 自动 化 的关 键环 节 。 基 于 P H C管桩生 产 的技术 和工 艺特 点 ， 满 足泵 送生产的混凝土具备以下技术特征 ： 胶凝材料用 量少 ， 砂率低 ； 混凝土初始坍落度达到 1 6 0 m m 以 上 ， 扩展度大于 4 0 0 ra m， 无离析泌水现象 ； 混凝土 工作性能能够保持 3 0 m i n以上； 混凝土的水胶比 小于 0 _ 3 5 ， 满足 C 8 0的强度要求。 一 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 6期 针对以上技术要求 和传 统外 加剂难 以同时满 枝 ， 稳定 了体系含气量 。预制泵送混凝土专用聚羧 足高早期强度 、大流动度和高坍落度保持 的问题 ， 酸外加剂应用于 P HC管桩泵送生产工艺结果如表 设计合成 了一类兼具超早强 、 高减水 、 高保坍与低 7所示 。 含气量 于 一体 的适 用于 预制 构件 泵送 混凝 土 的 聚 羧 酸 外 加 剂 ( 见 图 4 ) ， 实 现 了 超 早 强与高分散 、 高保坍的统一。 在分子结构 中 同时引入 超 长侧链 、 两性 离 子 、 分子 内交 联 和功能消泡单元 ， 不仅加速水泥早期水化 ， 提高早期强度 实现分子 内缓释水解逐步 吸附 。 提高保坍能力 。同时 ， 消泡单元的接 图4 管桩泵送混凝土专用聚羧酸分子结构 表 7 管桩泵送生产工艺结果 注： 常规工艺使 用萘 系减水剂 。 从 表 7可 以看 出 在不 增加 P H C管桩 原材 料 成 本 的条件下 ，通过使用泵送专用聚羧酸外加剂 ， 混 凝土初始坍落度达到 1 8 0 mm。扩展度达到 4 5 0 m m。 实现了管桩混凝土泵送施工要求 ： 同时新拌混凝土 生产操作时间内具有稳定的流动性性 ， 保证生产的 顺 利 进行 ； 较 低 的含 气 量 确保 了混 凝 土 经 过压 蒸 养 护后 强度达 到 C 8 0以上 。 专 用 聚羧酸 各功 能单 元 的 协调统一为 P H C管桩 自动化生产提供 了有力 的技 术保障 ， 实现 了管桩生产 的全 自动化 ， 提高了生产 效率， 大幅地降低了生产成本 。 3结论 随着聚羧酸外加剂的发展 ，尤其是超早强 、 保 坍 、降粘等功能型聚羧酸外加剂的开发及应用 改 进 了预制 构件 生产 工艺 ， 推 动 了预 制 构 件低 能 耗 和 自动化生产 ， 实现节能降耗 ， 并大幅度提高了构件 的耐久性 ， 促进了建筑行业 的可持续发展 。 参 考 文 献 ： 1 】 李学 志， 刘东 对预制混凝 土行业发展 的思考 J 混凝土 与 水泥制品 2 0 0 5 ( 2 ) ： 5 6 6 1 【 2 】中国混凝土与水泥制品协会 混凝土与水泥制品行业 在机 遇 中在机遇与挑战中发展壮大 【 E B O L 【2 0 1 1 9 2 3 】 h t t p ： www c o nc r e t e 3 65 t o m ne ws 2 1) 1 1 9 -23 H1 63 63 67 05 ht m 【 3 】 王启成， 谷坤鹏， 王春 明， 等 免 压蒸 P HC管桩 的研制 与工 程应用 混凝 土与水泥制 品 J 2 0 1 1 ( 4 ) ： 2 9 3 4 【 4 杨寒 冰， 田世文， 杨思忠 预制盾构 管片高性能混凝土 的研 究 和应用 J 混凝 土与水 泥制 品2 0 0 6 ( 4 ) ： 3 1 3 5 5 】 周 华新 ， 刘建忠， 毛永琳 ， 等 地铁 隧道管片混凝土免蒸养技 术研究及其发展 J 地下工程 与隧道 2 0 0 9 ( 4 ) ： 7 1 1 I 6 】 冉千平， 刘加 平， 缪 昌文， 等 两 性羧酸 类接枝 共聚物 混凝 一 3 2一 土超塑化剂 对水泥水 化 的影 响 J 建筑材料 学报， 2 0 0 7 ， 1 O ( 5 ) ： 5 7 3 一 -5 7 6 7 】 乔敏， 冉千平， 俞 寅辉， 等 超 长侧链型聚羧酸梳形共 聚物对 水泥早期水化的影响 J 功能材料， 2 0 1 2 ,4 3 ( 1 2 ) ： 1 5 6 1 1 5 6 3 F 8 】 R a n Q P ， L i u J P ， M i a o C W， e t a1 E f f e c t o f t h e s i d e c h a i n l e n g t h o f c o mb- l i k e c o p o l y me r s u p e r p l a s t i c i z e r o n e a r l y h y d r a t i on p r o p e r t i e s o f con c e n t r a t e d c e me n t s u s p e n s i o n s 【 J J C h i n , C e r a m S o c ，20 1 0 ， 3 8 ( 9 1 7 1 8 - 1 7 2 2 9 】 K Y a m a d a ， S Ha n e h a r a ， K H o n ma E ff e c t o f t h e c h e m i c a l s t r u c t u r e o n the p rop e r t i e s o f p o l y e r h o x y l a t e t y p e s u p e r p l a s t i c i z e r J 1 C e m C o n c r R e s 2 0 0 0 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 9 7 - 2 0 7 1 0 】 1 7 P u e r t a s ， H S a n t o s ， M P al a c i o s ， e t a 1 P o l y c a r b o x y l a t e s u p e r p l a s t i e i s e r a d mi x t u r e s ：e ff e c t o n h y d r a t i o n ,mi c r o s t r u e t u re a n d r h e o l o g i e a l b e h a v i o u r i n c e me n t p a s t e s J 1 A d v a n c e s i n C e m e n t R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 1 7 ( 2 ) ： 7 78 9 1 1 】 G A l h r e c t ， MNi e d e I n fl u e n c e o f S a m p l e P r e p a r e a t i on a n d s a l t c o n c e n t r a t i o n o n the s u p e r p l a s t i c i z e r a d s o r p t i o n q u a n t i fi c a t i o n i n c e me n t - b a s e d p o re s o l u t i o n b y t o t a l o r g a n i c c a r b o n( T O C ：l m e t h o d C 】 S u p e r p l a c t i e i z e r s and o t h e r C h e m i c a l Ad mi x tur e s i n Co n c r e t e P r o c e e d i n g s Ni n t h AC I I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e 2 0 o 9 US A： Ame r i c an C o n c ret e I n s t i t u t e S P 一 2 3 9 2 0 0 6 ： 1 1 4 1 2 】q X u an D X ， S h u i Z H T e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e of the r ma l i n d u c e d me s o c r a c k s a r o u n d l i me s t o n e a g g r e g a t e i n n o r ma l c o n c r e t e J F i r e a n d Ma t e r i a l s ， 2 0 1 0 ， 3 4 ( 3 ) ： 1 3 7 1 4 6 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 - 2 7 作者简介 ： 周栋梁 ( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 工程师。 通讯地址 ： 江苏省江宁 区万安西路 5 9号 联 系电话 ： 1 3 9 2 1 4 0 1 7 5 1 E - ma i l ： z h o u d o n g l ia n g c h u a n c n j s j k c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m