聚羧酸高性能减水剂在地铁管片中的应用研究

刘家斌，张秀叶

（1. 日照百通混凝土有限公司，山东 日照 276800；2. 山东鲁碧建材有限公司，山东 日照 276800）

0 引言

随着城市现代化建设步伐的加快和地铁隧道工程的高速发展，盾构法因其先进的施工工艺、较高的施工效率和安全环保性，已成为了合肥地铁隧道工程施工的主要方法。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方面[1-2]：一是气泡问题，大气泡或大面积气泡问题影响管片构件的外观，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[3-4]。

当前，钢筋混凝土管片生产的新工艺主要是流水线法[5-7]，限制管片生产效率的阶段主要有两方面：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。

本文主要是针对聚羧酸高性能减水剂在地铁管片预制构件中的实际应用进行技术分析，包括预制构件管片的特殊性能（保坍 20min，凝结时间 3.5h 左右，早强，外观质量等）对聚羧酸高性能减水剂的更高要求进行研究。

1 试验原材料、试验方法

1.1 试验原材料

水泥：P·O52.5，合肥巢湖海螺水泥厂。

粉煤灰：Ⅰ级，合肥电厂。

砂：Ⅱ区中砂，采自当地砂场。

粗骨料：5～10mm、10～20mm 级配碎石，购于当地石料厂。

聚羧高性能酸减水剂：母液类型有高减水型母液GR1、GR2，保坍型母液 BR1，早强型母液 ZR1，均来自江苏博特；引气剂，消泡剂，早强剂 Z1（甲酸钙）、Z2（三乙醇胺）均来自化工市场。

1.2 试验方法

混凝土含气量、坍落度性能试验测试按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

混凝土试件制作与养护、抗压强度测试按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

2 聚羧酸高性能减水剂在地铁管片中应用的试验研究

合肥地铁管片混凝土性能指标要求：（1）混凝土强度等级为 C55；（2）早期强度高，蒸养 6h 后抗压强度达到 22MPa 以上；（3）混凝土坍落度要求60～80mm，且具有良好触变性，振动时易填充性能好；（4）混凝土拌合物保坍时间 20min，且混凝土表面在 1～2h 易收光抹面；（5）混凝土凝结时间短，终凝时间 3h 左右，便于混凝土模板周转；（6）管片外观质量要求高，气泡较少（如无大泡存在，大面积小泡覆盖率低等），蜂窝和麻面基本没有，等。

地铁管片混凝土采用 C55 混凝土，其配合比见表1。

表1 地铁管片混凝土配合比.g/m3

2.1 混凝土拌合物性能研究

试验方案：采用高减水型聚羧酸高性能减水剂母液GR1 或 GR2 和保坍型聚羧酸高性能减水剂母液 BR1 复配早强剂，与早强型聚羧酸高性能减水剂母液 ZR1 进行对比试验，其试验方案和试验结果见表2。

表2 试验方案和试验结果

2.1.1 减水剂类型对管片混凝土坍落度的影响

从表2 和图1 可以看出：从坍落度角度分析，两种高减水型聚羧酸高性能减水剂母液 GR1 或 GR2 和保坍型聚羧酸高性能减水剂母液 BR1 复配时，其管片混凝土拌合物保坍时间都能满足地铁管片混凝土的质量要求，但使用早强型聚羧酸高性能减水剂母液 ZR1 可在保证管片混凝土坍落度的前提下，当达到一定时候后（20min）能迅速使管片混凝土流动性降低，从而减少管片表面返浆过多、因过振泌水等现象。

图1 母液类型对管片混凝土坍落度的影响

2.1.2 减水剂类型对管片混凝土含气量的影响

从表2 和图2 可以看出：从混凝土拌合物含气量角度分析，两种高减水型聚羧酸高性能减水剂母液 GR1或 GR2 和保坍型聚羧酸高性能减水剂母液 BR1 复配时的管片混凝土含气量较早强型聚羧酸高性能减水剂母液ZR1 稍高，但都在管片混凝土含气量规定范围内。

2.1.3 聚羧酸高性能减水剂类型对管片混凝土凝结时间的影响

从表2 和图3 可以看出：从混凝土凝结时间角度分析，两种高减水型聚羧酸高性能减水剂母液 GR1 或GR2 和保坍型聚羧酸高性能减水剂母液 BR1 复配时，虽然加了早强剂后，其管片混凝土凝结时间缩短了，但还是较长（都在 4h30min 以上），而加早强型聚羧酸高性能减水剂母液 ZR1 的管片混凝土凝结时间大大缩短（3h 左右），这样能保证管片混凝土在收光抹面后移动时产生的振动不会造成管片弧形表面出现下塌现象，从而不影响管片结构尺寸。

图2 母液类型对管片混凝土含气量的影响

图3 母液类型对管片混凝土凝结时间的影响

2.1.4 减水剂类型对管片混凝土抗压强度的影响

试验结果见表2 和图4。

图4 母液类型对管片混凝土抗压强度的影响

从表2 和图4 可以看出：从 6h 管片混凝土蒸养强度角度分析，与两种高减水型聚羧酸高性能减水剂母液GR1 或 GR2＋保坍型聚羧酸高性能减水剂母液 BR1＋早强剂复配方案相比，采用早强型聚羧酸高性能减水剂母液 ZR1 时，其管片混凝土 6h 蒸养强度增长更快，这样有利于预制构件厂模具的周转，且掺早强型聚羧酸高性能减水剂母液 ZR1 后，其 6h 管片混凝土蒸养强度提高约 37.7%（要求 22MPa）。

2.2 地铁管片混凝土外观质量研究

使用高减水型聚羧酸高性能减水剂母液 GR1 或GR2＋保坍型聚羧酸高性能减水剂母液 BR1＋早强剂的试样 2# 和 6#，以及早强型聚羧酸高性能减水剂母液ZR1 的试样 9# 进行管片预制构件厂现场对比，其现场实际图见图5～7 所示。

图5 2# 试样的管片外观图

图6 6# 试样的管片外观图

图7 9# 试样的管片外观图

从图5 和图6 可以看出：使用高减水型聚羧酸高性能减水剂母液 GR1 或 GR2＋保坍型聚羧酸高性能减水剂母液 BR1＋早强剂的管片外观质量较差，具体表现为：外观气泡较多，且各地方气泡分布不均匀，从而影响整个管片的质量；从图7 可以看出：当使用早强型聚羧酸高性能减水剂母液 ZR1 时，其管片外观质量较好，基本没有气泡，且外观比较光滑，能够满足地铁施工单位、业主、铁科院、监理等相关单位领导的认可和好评。

3 聚羧酸高性能减水剂在管片构件厂实际应用情况

从 2015 年 1 月份开始进行管片生产至 2017 年 12月截止，约成型 3 万个管片，前期（2015 年 6 月之前），管片外观质量太差（主要是气泡太多等），我方跟外加剂厂相关技术人员进行多次沟通和交流，且查询大量相关参考资料，通过调整外加剂复配方案或更换聚羧酸母液类型，并进行现场跟踪工作，管片外观质量问题得以解决，28d 强度达到设计强度的 130%，且后期外观质量、抗渗检测符合设计要求，完全满足合肥地铁管片的施工要求。其合肥地铁管片预制构件厂应用图见图8 所示。

图8 地铁管片厂效果图

4 结论

（使用高减水型聚羧酸高性能减水剂 GR1 或 GR2＋保坍型母液 BR1 与早强剂复配，与早强型聚羧酸高性能减水剂 ZR1 对比可知，早强型聚羧酸高性能减水剂 ZR1 可使管片混凝土强度增长更快，凝结时间更短，有效地提高生产效率，且制备的管片外观质量好，强度、抗渗等各项指标均符合设计要求。