聚羧酸减水剂在PHC管桩混凝土中的应用研究.pdf

2 0 1 6年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C 0NC RE T E AND C E MENT P RODUC I 1S 2O1 6 No 2 F e b r u a r y 聚羧酸减水剂在 P H C管桩混凝土中的 应用研究 余 韬 ， 王 毅 ， 李 楠 ， 王幸福 ， 石 宇 ( 江苏 中铁奥莱特新材料有限公司， 南京 2 1 1 5 0 5 ) 摘 要 ： 从 聚羧 酸减水剂合成设计的角度 ， 研 究 了 A MP S和 HE A不 同摩 尔比对聚羧酸减水剂性 能的影响。 同时 对比 了聚羧酸减 水剂和萘 系减水剂在 混凝土强度 、 收缩率、 抗硫 酸盐侵蚀 方面的性能差异 。结果表 明： A MP S随着摩 尔比的增加 ， 可以有 效提 升减水剂的分散 性 ， 并 能降低 浆体黏度 ， 表现为余浆含 固量的降低 ， 此外， 还能 缩短 混凝 土的 凝结时间 ： H E A可以提 升减水剂的保持能力 ，但会增加混凝土的含 气量 。聚羧酸减水剂与萘 系减水剂 的对 比试验表 明 聚羧酸减水剂相 比于萘 系减水 剂有更 高的减 水率以及 更好 的耐久性 能。 关键词 ： 聚羧 酸减水剂 ； 管桩 混凝 土； 抗压强度 ； 耐久性 Ab s t r a c t ：F r o m t h e p e r s p e c t i v e o f P C E s y n t h e s i s d e s i g n ，t h e e ff e c t o f d i f f e r e n t mo l e r a t i o o f AMP S a n d HEA o n t h e p e r f o r ma n c e o f P C E a s we l l a s t h e d i ff e r e n c e p e r f o rm a n c e o f c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ，s h r i n k a g e r a t e a n d s u l f a t e r e s i s t a n c e b e twe e n P C E a n d F DS a r e s t u d i e d ，I 1 1 e r e s u l t s s h o w t h a t w i t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e mo l a r r a t i o o f AMP S 。t h e d i s p e rsi o n o f t l l e P CE i s i mp r o v e d ，a n d i t c a n d e c r e a s e t h e v i s c o s i t y o f t h e s l u r r y ， wh i c h i s r e fl e c t e d i n the r e d u c t i o n o f t l l e a mo u n t of r e s i d u a l p u l p ， a n d s h o r t e n t h e s e t t i n g t i me o f the c o n c r e t e ；HE A c a n i mp r o v e t h e c a p a c i t y of t h e P C E， b u t i t wi l l b e i n c r e a s e t I l e a i r c o n t e n t of c o n c r e t e Co mp a r e d w i t h F DS t h e r e s u l t s h o w t h a t P C E h a s a h i g h e r wa t e r r e d u c i n g r a t e a n d b e t t e r d u r a b i l i t y Ke y wo r d s ： P C E； P i l e c o n c r e t e ； C o mp r e s s i v e s t r e n g t h ；D u r a b i l i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 6 ) 0 2 3 1 0 4 0前言 随着我国基础建设投资力度 的不断加大 。 管桩 行业近几年得到了快速的发展 。现全 国管桩企业约 有 4 0 0多家 1 。 截 至 2 0 1 3年全 国管桩生产量超过 6 亿 m，我国已经成为全世界最大的管桩产 品消费 国 家 。 P H C管桩作为一种高强混凝土在生产工艺和品 质上都有特殊要求 。目前 。 管桩生产 中使用 的减水 剂 以第二代减水剂如萘 系、 脂肪族等为主。而聚羧 酸减水剂减水率高 、 掺量低 、 工作状态保持性 好等 特点 ， 近年来 被广泛应用于各个工程领域 ， 特 别是 高强混凝土中。但聚羧酸减水剂含气量高、 对原材 料敏感 低水胶 比条件下拌合 出的混凝土黏度大等 问题 制约了其在 P HC管桩生产中的应用。 近年来 虽在 P HC管桩生产工艺以及耐久性方 面 的研究报告已有不少 ， 但是聚羧酸减水剂分子结 构对 P H C管桩混凝土离心效果 以及早期强度方面 的应用研究报告很少 。本文从聚羧酸分子结构 的角 度 。 研究 了聚羧酸减水剂分子结构在管桩离心成型 中对余浆产生的影响 ， 并分析 了聚羧酸分子结构对 水泥水化 的影响。 1 聚羧酸减水剂分子结构设计 1 1原材 料 聚醚： 乙烯醇聚氧丙烯一 聚氧乙烯醚( A P E G ) ； 丙 烯酸 ( A A) ：工业级 ； 2 一 丙烯酰胺基一 2 一 甲基丙磺酸 ( AMP S ) ： 工业级 ； 丙烯酸羟乙酯 ( H E A) ： 工业级。 1 2 分子结构设计 近年来 ，一些学者针对管桩生产的实际需要， 利用 聚羧酸减水剂分子的可设计性 ， 研发了多种结 构的聚羧酸减水剂。张建纲等圆 在 聚羧酸分子结构 中引入亲油亲水的双亲基团 增加水泥颗粒表层的 水 膜厚度 ，从 而达到降低混凝 土拌合 物黏度 的效 果。温庆如等3 1 使用烯丙基 聚氧乙烯聚丙烯醚降低 了分子 的亲水亲油平衡值 ( H L B) ， 适 当的降低聚羧 酸减水剂的引气性 ， 同时增加 了水泥与水的接触面 积 ， 提高了水泥水化的速率 。 本文结合前人 的研究成果 ， 在聚醚主链 中引入 一 定量的 2 一 丙烯酰胺基一 2 一 甲基丙磺酸。适当比例 的磺 酸根离子 ， 可以改善共 聚物 的吸附行为 ， 增加 共聚物在水泥颗粒表面的吸附量 ， 进而提高分散能 力 ， 加速水泥水化 ， 达到早强的效果 ， 且还有降低 黏 一 3】一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 2期 混凝土与水泥制 品 总第 2 3 8期 度的效果。在分子链上引入 HE A， 可以提高减水剂 的分散保持能力 ， 改善工作性能 。聚合物设计数据 见表 1 。 表 1 聚合物设 计及水泥净浆数据 聚合物 A P E G ： A A ： A MP S ： H E A 聚合物A P E G ： A A ： A MP S ： H E A 2 试 验 工作 2 1 原材料及配合 比 水泥 ： P 1 1 5 2 5级普通硅酸盐水泥 ，其主要性 能指标见表 2 ； 细骨料 ： 河砂 ， 二区连续级配 ， 细度模 数 2 5 ， 含泥量 0 4 ； 粗骨料 ： 5 - 2 0 ram连续级配 的 碎石 ，二级配 ，大小石比例为 8 ： 2 。针片状含量 3 6 ， 含泥量 0 2 ， 压碎值 7 6 ； 矿物掺合料 ： 马钢 嘉华的 $ 9 5级矿粉 ， 比表面积 4 4 1 m k g ： 江苏某公司 研发的矿物掺和料 A r i t A c 比表面积 5 4 2 mZ k g ： 水 ： 自来水 ； 减水剂 ： 根据分子结构设计 ， 按不 同摩尔 比 合成 的聚羧酸减水剂 P C! 一 P C 8 ， 含 固量 2 0 ： 萘系 减水剂 P N S ， 含 固量 3 3 。 表 2 水 泥主要 性能指标 2 2 试 验 方法 及装 置 混凝土蒸养强度试 验按 照 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 8 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 以及 G B T 1 3 4 7 6 -2 0 0 9 4 先张法预应力混凝土管桩 的有关要 求进行混凝土蒸养强度及凝结时间试验。混凝土坍 落度控制 在 3 0 7 0 m m。管桩 混凝土采 用 1 5 0 mmx 1 5 0 mmx l 5 0 m m 的试模成型。蒸养试验 的养护条件 为 ： 混凝 土成 型后在 ( 2 0 5 ) o C 下静停养护 3 h ， 随后 连同试模放入水泥快速养护箱 内。 并以 2 0 h的升 温速率均匀地将温度升至 9 0 ， 恒温养护 6 h ， 经过 2 h降温至室温 ，至 1 d龄期时检测混凝土试件抗压 强度。混凝土配合 比见表 3 。 考虑到试验的可操作性以及与实际生产的相 表 3 试验配合 比 k g m 。 一 3 2一 符性 。 自行设计 了一套离心成型装置 。该试验装置 外径 为 0 2 0 0 m m， 内径为 0 1 0 0 m m， 长 3 0 0 m m， 采用 并排摆放 的方式 ， 由主动轮带动模具转 动 ， 利用线 速度相 同原 理 ，再 由模具将动能传递给下一个跑 轮 ， 由此带动三个管桩模具同时转动。用该设计方 法可 以大大提高试验效率节约试验时间 也能更好 在同样离心条件下得到残余浆体的数据结果 。离心 装置示意图见图 1 。 8 I 控 制 柜 l 2 0 0 0 一 图 1 离 心装 置示 意图( 单位 ： m m) 试验按照所做模具体积预先称量好一定质量 的混凝土装入试模 当中， 依照设计好的离心工艺进 行离心试验 ， 收集离心后产生 的残余 浆体 ， 计算单 位质量混凝 土产生的余浆百分 比，随后将余浆烘 干 ， 计算其含固量 。试验离心工艺分为五个转速区 间 ： 低速 、 低中速、 中速、 中高速及高速。不同速度对 应 的转动时间如表 4所示 。 表 4 离心参数 3试验 结果 分析 3 1 离 心效果 不同摩尔 比合成 的减水剂 P C 1 P C 8水泥净 浆流动性试验结果见表 5 。 从净浆数据 中可 以看 出。 随着 A MP S摩尔 比的上升 ， 水泥净浆初始流动度增 大 ， 聚合物的分散性能呈 上升趋势 。 减水剂减水率 升高 ，但保 持性 能随着 A MP S摩 尔 比的升高而下 降。而在分子结构 中引人 H E A， 可以明显改善减水 剂的分散保持能力。 掺加不 同摩尔 比合成 的聚羧 酸减水 剂 P C 1 8 与萘系减水剂 P N S的混凝 土拌合物离心数据对 比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余韬 ， 王毅， 李楠 ， 等 聚羧酸减水剂在 P H C管桩混凝土中的应用研究 表 5 水 泥净浆流动性试验数据 见 表 6 。 从表 6可 以看出 随着 A MP S摩尔 比的提高 ， 离心后收集到的残余浆体百分 比上升 ， 而浆体 的含 固量下降。在相 同掺量的条件下 ， 通过 P C l 与 P C 一 7的结果可以看 出 A MP S的引入有助于提升减水剂 的分 散性 能 ， 增加混凝土浆体的流动性 ， 体现在混 凝土坍落度增加。离心过程中， 混凝土拌合物坍落 度越大。 离心后残余的浆体越 多。 A MP S中磺酸根可 以提高减水剂分子与水 泥颗粒表面 的吸附能力 ， 增 加水泥颗粒之间的水膜层厚度 ， 从而降低水泥颗粒 之 间的摩擦阻力 ， 进而在一定程度上可以降低混凝 土浆体 的表观黏度。浆体稠度的降低使得离心过程 中， 水泥颗粒 以及泥粉等随水分一起被甩 出的几率 降低 。 因而随着 A MP S摩尔 比的提高 ， 残余浆体 的 含 固量呈下降趋势。 表 6 掺加不 同减水剂的混凝土拌合物离心数据 从 P C 一 8的结果可以看出 ， 由于未引人 HE A， 减 水剂的分散保持能力较差 。 相同掺量情况水泥净浆 流动度损失较快 ， 在混凝土 中反应 出初始坍落度偏 小。 P C 1 P C 6数据显示 ， HE A摩尔比的提高 ， 对残 余浆体和浆体的含固量没有太大的影响。 H E A的引 入应 当根据生产过程 中对混凝土状态保持的实 际 需要进行试验设计 。 从表 6的数据中可 以看出 ， 聚羧酸减水剂和萘 系减水剂相 比， 在减水率上有很 大的优势 ， 而通过 引入 A MP S基 团， 在相同坍 落度条件下 ， 残余 浆体 质量和含固量与萘系减水剂相当。 3 2 混凝 土强 度 混凝土凝结时间及蒸养强度数据见表 7 。 表 7 管桩混凝土拌合物性 能数据 从表 7可以看 出， 随着 A MP S摩尔 比的升高混 凝土含气量随之降低 ， H E A的引入亦会提高混凝土 的含气量。 未加入 A MP S的 P C 一 7初凝时间最长 ， 蒸 养强度最低 可见 P C 一 7不具备促进水泥水化 的作 用 。而通过 P C 一 1 一 P C 一 6可以看出， 随着 A MP S摩尔 比的提高 ， 混凝土初凝时间缩短 。 A MP S的加入提高 了水泥颗粒的分散性 ， 增大了水泥颗粒与水 的接触 面积 从而促进了水泥水化 。而 H E A的加入提升了 减水剂的分散保持能力 ，但是却增加了缓凝时间。 管桩混凝土在成型后会在 ( 2 0 + 5 ) 条件下静置 3 h ， 随后放人养护箱 中进行升温 ， 在升温过程 中 ， 混凝 土 自身结 构的稳定性决定 了混凝 土抵抗温度上升 而造成的体积应变损伤 。混凝土中水分和气体的热 膨胀系数远远大于其他材料4 - 5 ， 故在蒸养过程 中 ， 如果在水分和气体发生膨胀时 ， 混凝 土 自身的结构 稳定性不足 以抵抗 内部的体积膨胀 ， 那么混凝土试 件就会造成不可逆转的体积损伤 。因此 ， 在相同的 养 护制度下 ， 混凝土 的初凝时间越短 ， 蒸养过程 中 的热损伤就越小 ， 最后的蒸养强度越高 ， 例如 P C 一 3 和 P C 一 6 。 3 _ 3 收缩及抗硫酸盐侵蚀性能 萘系减水剂虽然初凝时 间与 P C 一 2及 P C 一 6差 不多 ， 但是最后的蒸养强度 比二者低 了 5 MP a ， 可能 是 由于聚羧酸减水 剂较萘系减水剂有着更小 的收 缩率和孔结构分布嘲 ， 经过高温养护后 ， 混凝土试 件 有着更好的体积稳定性。 收缩和抗硫酸盐侵蚀性能均 与成型混凝土， 砂浆 自身的密实程度和孔结构有关。 收缩 和抗硫 酸盐侵蚀试验按照 G B f r 5 o 0 8 2 一 一 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 8期 2 0 0 9 ( 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标 准的有关要求进行 ， P C - 2 、 P C 一 6以及萘系减水剂 混凝土收缩率见 图 2 。A MP S摩尔比增加 ， 混凝土拌 合物含气量 降低 ， 增大 了混凝土密实度 ， 减少 内部 孔隙率， 在干燥收缩过程 中， 由于孔 隙干湿产生的收 缩作用变小 。 从而降低了混凝土的收缩率 ， 所 以 P C 一 2 及 P C 一 6的收缩率较萘系减水剂要小 。 抗硫酸盐侵蚀试验采用砂浆进行试验 ， 砂浆水 胶 比为 0 3 胶砂 比为 1 ： 3 ， 在标 准养护条件下养护 2 8 d后分别进行硫酸盐的干湿循环试验。试验结果 如图 3所示。 由于水胶 比低 ，标样 2 8 d后仍 有未水化 的水 时间， d ( a ) 抗压抗蚀 系数 口 0 、 褂 好 豁 西 辖 时间， d 图 2 不同减水 剂混凝 土收缩 率对 比图 图 3 砂浆抗硫酸盐侵蚀抗压， 抗折 对比图 泥 ， 随着水化继续进行 试件逐渐致密 ， 因而砂浆抗 压 抗折强度一直增加 ： 从 图 3中可 以看 出 P C 一 2和 P C 一 6的砂浆在干湿循环 5 0次左右时，抗压强度达 到最高 ， 而萘系 3 0 4 0次就已经达到最 高。可知聚 羧 酸减水剂相 比于萘 系减水剂有着更均 匀的孔隙 分布 ， 内部的有害孑 L 相对较少。由于 P C 一 2和 P C 一 6 含气量更低 ， 试件更致密 ， 内部孔隙更少 ， 表现 出的 强度系数也更高。 4结论 ( 1 ) 聚羧酸减水剂通过分子设计 。 可 以通 过高 减水 、 早强 、 低气泡等特性在常压蒸养条件下 ， 使得 管桩混凝土 1 d强度达到 7 5 8 O MP a 。 ( 2 ) A MP S的引人对减水剂的分散性有很大的提 升作用 ， 并能通过对水泥颗粒 的吸附作用 ， 促进水 泥水化 ，降低表观黏度 ； HE A可 以提升减水剂 的分 散保持能力 ， 但会增加混凝 土的含气量 。 ( 3 ) 聚羧酸减水剂较萘系减水剂有着更高的减 水率 ， 拌合 出的混凝土拥有更小 的收缩率和更好的 抗硫酸盐侵蚀性能 ， 结构稳定性好。 一 3 4一 时间， d ( b ) 抗折抗蚀系数 参 考 文 献 ： 。 1 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 J 混凝土与水泥制品， 2 0 1 3 ( 6 ) ： 2 9 3 2 2 张建纲， 毛永琳， 乔敏 P H C管桩混凝土免压蒸技术研究 J 混凝土与水泥制品 2 0 1 2 ( 7 ) ： 3 1 - 3 3 3 】 温庆如， 方云辉， 蒋卓君， 等 预应力高 强混 凝土管桩用聚羧 酸高性 能减水 剂 的研 制与应 用 J 新 型建筑 材料， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 8 1 O 4 彭波 蒸养制度对高强混凝 土性 能的影n 6 1 D 武汉： 武汉理 工大学， 2 0 0 7 5 】 何智海， 刘运华， 刘江红 蒸养制度对粉煤灰混凝土强度的 影响 J 】 混凝土， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 4 - 6 【 6 曾俊杰 高性 能管 桩混凝 土材料设计 与节能制备技术研究 【 D 】 武汉： 武汉理工大学， 2 0 1 2 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 1 1 8 作者简 介： 余 韬( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 南 京六合 区中山科技园汇鑫路 2 2号江苏中铁 奥莱特新 材料有限公司 联 系电话 ： 1 5 9 5 0 5 2 5 3 3 8 E ma i l ： a r i t y t 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m