（材料学专业论文）地铁免蒸养盾构隧道管片混凝土的设计与制备及其工程应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 管片是盾构隧道的关键构件材料。我国大多数管片生产企业采用蒸汽养护 来提高混凝土早期脱模强度，蒸汽养护会给管片混凝土的体积稳定性和耐久性 能带来不良影响，而且蒸汽养护时耗能巨大。今后2 0 年内地铁隧道工程对管片 的需求将持续增长，从我国节能环保的长期战略角度，以及管片混凝土耐久性 改善等问题来看，有必要开发免蒸汽养护管片高性能混凝土来替代原有的蒸汽 养护管片混凝土。 本文依托武汉市科技攻关项目和武汉地铁隧道工程，针对蒸养条件对混凝 土性能造成的不良影响，深入分析影响混凝土早期强度的各关键因素，提出了 免蒸养管片混凝土优化设计方法：采用本文开发的超早强型聚羧酸减水剂，提 高管片混凝土1 2 h 脱模强度；掺加活性矿物掺合料，提高管片混凝土的体积稳 定性和耐久性能。运用该设计方法制备的高性能、高耐久管片混凝土1 2 h 脱模 强度达2 3 5 m p a ，氯离子扩散系数分别为5 1 l f f b m 2 s 、2 8 d 干缩值1 8 1 0 0 ， 9 0 d 干缩值2 2x1 酽，相对于蒸养管片混凝土，其体积稳定性和耐久性均有所提 高，解决了蒸养管片混凝土体积稳定性和耐久性劣化以及生产能耗高的难题。 系统研究了不同分子结构的聚羧酸和早强组分对水泥浆体流动度，凝结时 间差影响，确定了超早强聚羧酸减水剂的复配方案，并配制出了适用于免蒸养 条件的超早强型聚羧酸减水剂，其减水率达3 1 6 ，初凝时间差为7 5 m i n ，终凝 时间差为1 1 5r a i n ，其分散性能良好，具有良好的早强促凝效果。 通过水化热、x r d 、s e m 和孔结构等微观测试手段研究了免蒸养超早强聚 羧酸对胶凝材料水化历程的影响，探明了超早强聚羧酸提高混凝土早期强度的 机理；研究免蒸养管片高性能混凝土组成、结构及耐久性的关系，为免蒸养隧 道管片混凝土的设计提供参考。 本研究成果已成功应用于武汉市地铁隧道管片生产制备，生产处的管片尺 寸误差小，表观外观圆滑平整，气泡少，无缺棱掉角现象，经现场拼装质量完 全达到设计要求。本成果取得了显著的经济效益和社会效益。 关键字：管片混凝土隧道免蒸养超早强聚羧酸 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u c tp i e c ei st h ei m p o r t a n tp a r to fs h i e l dt u n n e l i no r d e rt oi m p r o v ep r o d u c i n g e f f i c i e n c ya tm o s tf a c t o r i e so f0 1 1 1 c o u n t r y , s t e a m c u r i n gm e t h o di sa d o p t e dt o e n h a n c ed e m o l d i n gs t r e n g t ha tt h ee a r l ys t a g e h o w e v e r , d u r i n ge n h a n c i n gc o n c r e t e s e a r l ys t r e n g t ht h es t e a mc u r i n ga l s og i v et h es h i e l ds e g m e n tc o n c r e t e st h ev o l u m e s t a b i l i t ya n dt h el a s t i n gq u a l i t yt h ea d v e r s ee f f e c t ，w h i l es t e a mc u r i n gc o n s u m e d e n e r g yg r e a t l y i n2 0y e a r st h es u b w a yt u n n e lk e e p st h es u s t a i n e dg r o w t h , a n di t s s h i e l ds e g m e n t sf o r m e r l yd e m a n dw i l lb eb i g g e rt h a nb e f o r e f r o mt h ev i e wo ft h e l o n g - t e r ms t r a t e g i ca n g l eo fc o n s e r v i n ge n e r g ya n dt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o no u r c o u n t r y , a sw e l l a st h eq u e s t i o n so ft h es h i e l ds e g m e n tc o n c r e t e s d u r a b i l i t y i m p r o v e m e n ta n ds oo n , i ti sn e c e s s a r y t od e v e l o pt h eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e so f s t e a mc u r i n gs h i e l ds e g m e n tt os u b s t i t u t et h eo r i g i n a ls t e a mc u r i n gs h i e l ds e g m e n t c o n c r e t e s ，t h ei m p r o v e m e n tc o n c r e t e sd u r a b i l i t ya sw e l la st h ee n e r g yc o n s u m p t i o n q u e s t i o no fs h i e l ds e g m e n tp r o d u c t i o n d e p e n d i n go nt h ew u h a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o j e c ta n dt h e w u h a ns u b w a yt u n n e l i n g , s u p e r b h a r d e n i n ga c c e l e r a t i n ga n dw a t e rr e d u c i n g a d m i x t u r ew a sd e v e l o p e da n dw a ss u i t a b l et ob ei nt h ef r e es t e a mc u r i n gc o n d i t i o n s t h r o u g ho p t i m i z a t i o no fm i xd e s i g n , t h eb e s tm i xd e s i g no fh i g h - p e r f o r m a n c e c o n c r e t eo fd u c tp i e c ew a sf i x e d t h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n ts t r u c t u r eo fp o l y c a r b o x y l a t ea n dt h ee a r l y - s t r e n g t h c o m p o n e n t so nt h ec e m e n th y d r o m a s sm o b i l i t y , t h ec o n g e a l m e n tt i m ed i f f e r e n c e ，a n d t h er u b b e rg r a n u l a t e ds u b s t a n c ee a r l ys t r e n g t hw e r ei n v e s t i g a t e d u l t r as t r e n g t ho f p o l y c a r b o x y l a t es u p e r p l a s t i c i z e rc o m p o u n do p t i o n s w e r ei d e n t i f i e d ，s y s t e m a t i c r e s e a r c ha b o u ti n f l u e n c eo f e a c hk e yf a c t o ro nd i m e n s i o n a ls t a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yo f c o n c r e t ei n c l u d i n g s h r i n k a g ea n dc r e e pw h o s em e c h a n i s mw a sa l s os t u d i e d d e m o u d i n gs t r e n g t hw a s2 3 5 m p aa ta g eo f12 h , d i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fc h l o r i d e i o nw a s5 1 1 0 。1 3 m 2 s s h r i n k a g ev a l u ew a s1 8 1 0 4a tt h ea g eo f 2 8 da n d 值2 2 x 10 珥a tt h e a g e o f9 0 d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y f r e es t e a md u c tp i e c e h i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t ew a s b e t t e rt h a ns t e a md u c tp i e c ec o n c r e t e t h e h y d r a t i o n o ft h e d i f f e r e n tm i x t u r e so f p o l y - c a r b o x y l a t e a n d i i 武汉理工大学硕士学位论文 u l t r a - e a r l y s t r e n g t hp o l y - c a r b o x y l a t ew e r ei n v e s t i g a t e db yh y d r a t i o nh e a t ，x r d ，s e m ， 1 1 0 l es t r u c t u r ea n do t h e rm i c r o s c o p i ct e s tm e t h o d s t h ee a r l ys t r e n g t hm a c h a n i s mo f c o n c r e t ei m p r o v e db yt h eu l t r a - e a r l y - s t r e n g t hp o l y - c a r b o x y l i ca c i dw a sp r o v e d t h e i n f l u e n c er u l eo fv a r i o u sk e ya s p e c tt ot h ec e m e n th y d r a t i o no ft h ef r e es t e a mc u r i n g s e g m e n tp e r f o r m a n c ec o n c r e t ew a sp r o v e dt h r o u g ht h ea n a l y s i s t h em i c r o s c o p i c s t r u c t u r eo ft h ee x e m p t ss t e a m sr a i s e ss h i e l ds e g m e n th i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e s f o r m i n gp r o c e s sa n dt h eh o l es 仃u d u r ed i s t r i b u t i o nr u l e t h i sp l a na p p l i e si nt h es e g m e n tp r o d u c t i o no fw u h a ns u b w a yt u n n e la n dt h e p r e p a r a t i o no fs e g m e n th a sb e e na p p l i e di nt h ew u h a ns u b w a y t u n n e l t h ed i m e n s i o n e r r o ro fs e g m e n ti ss m a l l ，t h ea p p e a r a n c eo fo u t w a r di ss m o o t h , t h ea i rb u b b l ea r ef e w a n dn om i s s i n ge d g eo f fa n g l ep h e n o m e n o n , w h i c hs a t i s f i e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s c o m p l e t e l ya f t e rt h es c e n ea s s e m b l i n gq u a l i t y k e yw o r d s ：c o n c r e t e o fs h i e l ds e g m e n t ，t u n n l ，a u t o c l a v i n g - f r e e ，s u p e r - e a r l y , p o l y c a r b o x y l a t e i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：醴日期：翌! ! ：尘： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：降扎导师( 签名j 增期跏，多 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 前言 第1 章绪论 随着我国机动车数量的增长，地面交通已难以满足人们的出行要求，城市 交通必然向地铁建设发展。我国地铁工程建设起步晚，未来几十年将是地铁发 展的高峰期。地铁旌工重点是盾构隧道的施工，管片作为盾构隧道的主体结构 之一，它具有承载土体压力，地下水压力和其他载荷的作用。盾构管片的质量 直接关系到整个地铁工程的整体质量和安全，影响隧道的防水及耐久性能。管 片作为大型预制构件，同样存在加快模具周转，提高生产效率的问题。目前国 内大部分混凝土管片都采用蒸汽养护，利用蒸汽加速混凝土的硬化过程，提高 混凝土早期强度，使管片混凝土迅速达到起吊脱模强度，加快模具周转，提高 管片生产效率【l 】。但是蒸汽养护在提高了混凝土早期硬化速度的前提下，会对混 凝土产生一定的负面影响【2 。7 】，而且蒸汽养护的能耗较大。采用蒸养工艺可以促 使水泥石结构的快速形成，但由于湿热膨胀易导致混凝土内部产生破坏，所以 生产过程中应兼顾强度与耐久性之间的矛盾【引。目前，混凝土加速硬化工艺除了 蒸养法还有化学促凝法。高效减水剂是配制高性能混凝土必不可少的组分，采 用早强型高效减水剂制备高性能免蒸养管片替代传统蒸养工艺可从根本上解决 强度与耐久性之间的矛盾。 国内外对免蒸养管片实验研究较少，本文通过研究早强高效减水剂对于高 强混凝土性能的影响，总结出一套适合高强混凝土生产的免蒸养管片的生产制 度，为生产过程提供了必要的技术保障。将本文研究成果应用于盾构隧道高强 混凝土管片材料的设计和生产，可以大幅提高我国重大交通隧道工程服役寿命， 增加投资效益，对我国国民经济的可持续发展产生积极的影响，而且对于丰富 混凝土材料研究内容，促进预制构件行业的发展具有重大意义。 1 1 2 预制混凝土 预制混凝土可通过提高机械化自动化生产水平，大幅度提高生产效率，节 省人力，减少施工工地人海战术的建筑模式，减少管理环节，降低人员技术水 平对工程质量的影响，降低工人的劳动强度，促进社会的发展，因此发展预制 武汉理工大学硕士学位论文 混凝土技术是促进建筑行业进步的有效途径【9 1 。 预制混凝土生产过程中提高模具的利用率是提升生产效率的关键，而模具 的周转受到混凝土早期强度发展的影响。预制混凝土生产单位为了提高工作效 率，加快模具的周转速度通常采用蒸汽养护来提高混凝土的早期强度，以提早 混凝土的脱模时间。一般要求混凝土能在1 2 h 内到达脱模强度。但是使用蒸汽 养护需要使用燃煤或者燃气，为了达到6 0 以上的蒸汽养护温度，能源消耗一 般占到每立方米混凝土成本的5 0 1 0 0 元左右。而且由于保温问题，蒸汽损耗也 大大浪费了能源。所以采用一种适应常温或者低温养护的超早强混凝土，来制 作钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土是十分必要的【l 们。 采用蒸汽养护来提高模具的周转速度的同时，还会对预制混凝土制品带来 一些负面影响【l l 】。研究表明【1 2 j 4 】：在蒸养条件下会降低混凝土对氯离子渗透的 抵抗力，蒸养会使混凝土内部孔洞增大；降低水灰比并不能有效地改善蒸养混 凝土的耐久性能，而采用矿物掺合料可有效解决这一问题。 采用不正确的蒸养制度也会对混凝土的抗压强度产生不利影响，混凝土浇 筑成型后延长混凝土的静养时间有利于混凝土早期强度的提高，静养时间过短 会引起蒸养混凝土的表面产生水平裂缝【1 5 1 7 】。 m i r o n o v t l 8 】认为确定静置时间的前提条件是蒸养的工序不能使混凝土构件 产生体积膨胀，并且认为应将混凝土构件的抗压强度达到0 6 5 - 0 7 5 m p a 时所需 要的时间作为蒸养前的静置时间。a l e x a n d e r s o n 【1 9 】的研究表明当静养时间为4 7 h 时，可忽略由于蒸养引起的体积膨胀，并且后期强度发展没有损失。根据 a 1 e x a n d e r s o n 【1 9 】的观点，短的静置时间引起混凝土试件质量下降是因为混凝土内 部孔压力产生的拉应力引起构件开裂和孔隙率增大。因此，他认为混凝土构件 在进行蒸养工序前应达到临界抗拉强度，在混凝土强度发展的后期进行蒸养对 混凝土的性能是不利的。h e i n z 和l u d w i g 2 0 】研究了后继钙矾石形成( d e l a y e d e t t r i n g i t ef o r m a t i o i l ，简称d e f ) 对高温( 7 5 ) 蒸养混凝土预制件后期强度 衰退的不利影响。通过常温雾养后，在强度发展后期用蒸汽养护，混凝土中有 后继钙矾石的膨胀发生。这是由于亚稳态的单硫型水化硫酸盐向钙矾石转化的 结果【2 1 1 。在这种条件下，混凝土可能表现出不正常的膨胀和产生相连的微裂缝， 长期作用下去，可能导致构件破坏【2 2 】。 1 1 3 超早强聚羧酸减水剂 聚羧酸减水剂作为第三代减水剂在我国的工程中使用越来越广泛。掺入聚 2 武汉理工大学硕十学位论文 羧酸减水剂后，可使混凝土拥有良好的工作性能以及力学性能，其在高速铁路 等结构耐久性要求高的工程中优势尤为突出。其优良的性能来源于其特殊的梳 形分子结构，主链吸附于水泥颗粒表面，形成牢固的吸附层，由聚氧乙烯侧连 呈绒毛状伸展在水溶液中，形成强烈的空间位阻作用，使水泥颗粒得到显著的 分散作用。相对磺酸盐类的减水剂( 萘系、氨基磺酸盐和三聚氰胺等) 来说，其分 散作用效果好，保持时间长，可使混凝土具有良好的工作性能【2 3 】。 聚羧酸系减水剂具有优良分散性能的同时，还具有延缓水泥水化的作用。 在低温环境下，会混凝土早期强度发展缓慢，故限制了聚羧酸系减水剂在冬季 施工和寒冷环境下的使用。在预制构件中应用时，缓凝作用会生产周期加长， 延长蒸养时间【2 3 1 。聚羧酸系减水剂梳形分子结构上的不同对水泥分散作用的机 理也有所差别。对水泥水化的作用产生的差异，可以通过调整分子结构形式和 官能团的密度和种类来改变聚羧酸系减水剂对水泥的水化影响，降低对水泥水 化缓凝的作用【2 3 1 。 陈国军【2 4 】等人采用聚羧酸盐减水剂为主体，充分利用聚羧酸盐减水剂的减 水率高和收缩小的特点。复合以各种优质早强组分以及其他辅助材料，成功研 制了特别适用于冬季施工的液体低温超早强减水剂。但使用其配制的混凝土1 d 强度仅为1 5 5 m p a ，仍然难于满足在非蒸养条件下，混凝土1 2 h 到达脱模强度。 毛永琳【2 5 】等人增加侧链长度可以减少超塑化剂对混凝土凝结时间的影响，并合 成出一种早强型混凝土超塑化剂其掺量为0 2 。可以使标准养护条件下混凝 土1 d 抗压强度提高6 5 ，蒸汽养护条件下混凝土1 2h 抗压强度提高2 5 。 在超早强型聚羧酸中需要复配早强剂，而早强剂种类很多，各种性能不一， 应根据不同的混凝土性能要求选用合适的混凝土早强剂，若早强剂选用不当， 不但不能到达预期效果，而且甚至有可能引起工程事故。 我国混凝土早强剂的品种概括起来大致有3 大类：氯盐类、硫酸盐类、有 机胺类。氯盐类混凝土早强剂会对混凝土钢筋产生锈蚀，因此在国家标准中对 此类混凝土早强剂有严格的限制。硫酸盐类早强剂在国内使用比较普遍。 1 1 4 我国混凝土管片生产现状 我国从1 9 6 5 年开始修建地下铁道，至今已在北京、天津、上海、广州、深 圳、南京六个城市建成部分地铁。目前，除上述城市在继续修建地铁外，西安、 沈阳、成都、杭州、苏州、重庆、武汉等城市也正在进行地铁建设工作，大连、 长春、青岛、宁波、郑州、哈尔滨、贵阳、昆明等城市也即将或将要修建地铁， 3 武汉理工大学硕士学位论文 我国的地铁建设已步入快速发展阶斟2 6 】。 为加快模具周转，绝大部分企业采用蒸汽养护。管片养护方式基本采用蒸 汽养护加浸水养护、喷淋养护或喷涂养护剂的方式。在南方地区，以蒸汽养护 加水养护居多。北方地区由于冬季施工时，无法进行水养护，大部分企业采用 蒸汽养护加喷涂养护剂。从调研到的企业实际情况看，1 0 0 的企业均采用蒸汽 养护【2 6 】。 从环境保护和能源短缺方面来看，在未来2 0 年内，地铁隧道的施工仍然会 加大力度进行，对于管片的需求量将持续增长，因此，对于免蒸养管片的研究 就显得更加的紧迫。 1 2 本文研究的内容 ( 1 ) 优选适合免蒸养混凝土的早强聚羧酸母液，通过对比不同早强组分的 复配早期强度，确定适用于免蒸养的超早强聚羧酸管片混凝土减水剂。通过水 泥水化热以及x r d 等现代测试技术，研究不同结构聚羧酸母液和早强组分对水 泥水化的早期影响。 ( 2 ) 研究影响混凝土早期强度的各个因素，通过正交实验确定免蒸养管片 高性能混凝土的基准配合比，调整矿物掺合料的掺量制备具有高早强、高耐久 的免蒸养管片混凝土。 ( 3 ) 研究矿物掺合料的掺量对免蒸养管片高性能混凝土耐久性各个方面的 影响规律，通过水泥水化热、x r d 以及s e m 等现代测试技术，研究其对水化进 程的影响规律。 ( 4 ) 研究生产工艺控制参数对盾构隧道混凝土管片的性能影响，形成生产 与质量控制成套技术。 1 3 本课题的研究目的与意义 武汉长江隧道工程是我国江河流域隧道主流建设模式的典型代表，由于其 面临条件复杂、高压富水的世界性难题，对管片的防水、抗渗等性能要求极高 ( 强度达到c 5 0 、抗渗等级达到s 1 2 、使用寿命达1 0 0 年以上) ，且施工技术难 度大。武汉长江隧道工程对管片性能要求之高在国内外同类隧道工程中均位居 前列。 4 武汉理工大学硕士学位论文 本项目依托武汉科技攻关项目和武汉地铁隧道工程，针对蒸汽养护对混凝 土性能的不利影响，开发出能够满足免蒸养施工的超早强聚羧酸减水剂，并制 备出免蒸养管片高性能混凝土，研究探讨其耐久性能，为武汉地铁隧道工程提 供关键材料与技术支撑，具有重要的理论价值和实践意义，并为以后的实际生 产提供了理论依据，对于我国的节能环保和资源合理利用产生重要的影响。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章免蒸养超早强型聚羧酸减水剂复合配制研究 聚羧酸类高效减水剂的高减水性和良好的工作性保持能力使其广泛应用到 高性能混凝土的生产中。然而，常用聚羧酸类高效减水剂由于其侧链长度较短， 导致混凝土凝结时间延长，早期抗压强度不能满足地铁隧道盾构管片对免蒸养 管片混凝土的生产要求。本文针对武汉地铁管片的性能要求，采用早强型聚羧 酸减水剂为主体，充分利用聚羧酸减水剂的高减水率和良好的工作性能的特点， 复合以各种优质早强组分以及其他辅助材料，试配出满足免地铁隧道蒸养盾构 混凝土管片生产的早强聚羧酸外加剂。 2 1 试验材料 1 、水泥( c ) 华新p 0 4 2 5 普通硅酸盐水泥，其化学成份和物理性能指标见表2 1 ，表2 - 2 。 表2 - i 水泥的化学成份 望竺二亟 二巫巫二玉丕= 蓬兰互正二巫互二重 互 水泥2 1 4 75 8 0 4 0 4 5 9 6 4 3 2 4 2 0 8 2 4 4 2 、粉煤灰( f ) 武汉阳逻电厂i 级粉煤灰，其化学成份和主要性能指标见表2 - 3 ，表2 _ 4 。 表2 - 3 粉煤灰的化学成份 竺竺 s 巫i 0 2 二互a 1 2 0 3 f e 2 0 3 t i o 业l c a o m g o s 0 3 l o s s 粉煤灰 4 5 3 8 3 3 5 3 5 2 94 7 13 1 62 8 10 4 33 6 3 、集料 细集料( s ) ：湖北巴河河砂，细度模数为2 7 ，含泥量o 2 ： 6 武汉理工大学硕士学位论文 粗集料( g ) ：玄武岩碎石，粒径为5 , - , 2 5 m m 的连续级配；压碎值6 4 ，针 片状含量4 5 。 4 、减水剂 本文中选择了3 种聚羧酸系减水剂作为实验母液进行选择，分别为丙烯酸 系聚羧酸( p c e a ) 、烯丙基聚醚类高效减水剂( p c e b ) 、丙烯酸类高效减水剂 ( p c e c ) ，各聚羧酸系减水剂的合成工艺及主要物理性能指标简介如下： ( 1 ) 丙烯酸系( p c e a ) ：主要由中高分子量甲氧基聚乙二醇与丙烯酸等物酯 化、聚合等一系列反应合成，其分子结构中含羟基、羧基、酯基以及聚氧烯基 等基团，固含量为4 0 o ，呈红褐色，p h 值6 0 8 0 。其分子式为： 斗f 卜c h 埘c h 2 一宁h o = cc = o i i 6 n a o - 卜一 c h 2 c l h 2 o 6 h 导 ( 2 ) 烯丙基聚醚系( p c e b ) ：主要由烯丙基聚氧乙烯醚单体、丙烯酸、丙烯 酰胺等物质经无机过氧化物引发一步聚合得到，其分子结构中包含羧基、端羟 基的聚氧乙烯基团、以及少量酰胺基等基团，固含量4 0 ，呈浅黄色，p h 值 6 0 8 0 。其分子式为： g i l a - + f 肛占h 甘c h 2 一甲hb o = c o i上 o n a 毒h 2 9 h 2 o 6 h 芋 ( 3 ) 丙烯酸系( p c e c ) ：主要由中等分子量甲氧基聚乙二醇与丙烯酸等物 酯化、聚合等一系列反应合成，其分子结构中含羟基、羧基、酯基以及聚氧烯 基等基团，固含量为4 0 0 ，呈红褐色，p h 值6 0 8 0 。其分子式为： 7 武汉理工大学硕士学位论文 _ + 竿卜罕h 廿c h 2 一千h o = cc = oc = o i ii o in ao o 。 十十 c h 2c h 2 c i h 2 c i h 2 6 o c ih j 6 h 3 q 冀 v ” 5 、早强组分 ( 1 ) 早强组分e p s a 1 ：无色单斜晶体或白色结晶状粉末。溶于水，2 5 。c 时 的水溶解度为2 5 7 w t ，分子量1 2 7 9 6 ，熔点8 6 0 。 ( 2 ) 早强组分e p s a 2 - 主要由中高分子量甲氧基聚乙二醇、甲氧基聚乙二 醇聚丙二醇与甲基丙烯酸等物酯化、聚合等一系列反应合成，其分子结构中含 羟基、羧基、酯基以及聚氧烯基等基团，固含量为3 5 0 ，呈红褐色，p h 值6 0 - 8 0 。 ( 3 ) 早强组分e p s a 3 ：无色粘稠透明液体，溶于水和醇，微溶于醚；极具 吸湿性、强碱性，能吸收空气中的二氧化碳，微有氨味。沸点2 4 3 7 ( 0 0 9 8 m p a ) ， 相对密度1 0 3 4 ( 2 0 2 0 ) ；无悬浮物，含量9 9 。 6 、消泡剂 聚有机硅氧烷( 简称聚硅氧烷) ，是一类以重复的s i o 键为主链，硅原子上 直接连接有机基团的聚合物，无色粘稠透明液体，溶于水和醇。 2 2 免蒸养超早强型聚羧酸减水剂复合配制原则及功能要求 超早强型聚羧酸减水剂必须满足以下复合配制原则： ( 1 ) 组成超早强型聚羧酸减水剂的各组分之间都不能与水泥水化后发生破坏 硬化水泥结构的化学反应。 ( 2 ) 组成超早强型聚羧酸减水剂的所有组分物理相容和化学相容，不应出现 各种不同形式的分解、沉淀、结团、分层。 ( 3 ) 超早强型聚羧酸减水剂必需是水溶性的或易溶于水的。 本文主要考虑到免蒸养管片的生产工艺特点，要求这种# l - 力n 剂具有以下几 种功能： ( 1 ) 早期强度发展快，重点考察1 2 h 、l d 、2 8 d 的力学性能。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 后期强度不会倒缩，仍有增长。 ( 3 ) 有较高的减水效率，采用其配制的免蒸养管片混凝土在低水灰比时有较 好的可塑性，以利于成型。 ( 4 ) 碱含量要低，以最大程度地避免由减水剂引入碱而导致碱集料反应的发 生；尽可能避免c l 。的引入导致钢筋锈蚀从而降低地铁管片耐久性。具体指标应 完全符合混凝土外加剂应用技术规范g b 5 0 1 1 9 - 2 0 0 3 的规定：c l 掺量限值 0 6 ，碱含量掺量限值 减水剂掺量 水泥用量 砂率。水灰比对于混凝土坍落度的影响最大，愈大愈好，减水剂的掺量也是愈 大愈好，水泥用量则反之，砂率则存在一个最合适的值，伴随着砂率的增大， 2 9 武汉理工大学硕士学位论文 混凝土坍落度先增大后减小。 3 3 2 收光抹面时间 预制管片在混凝土浇注后，待混凝土视凝前，需要要木抹对混凝土表面进 行搓压处理，一般分两次进行：初次收光和第二次收光，混凝土收光是将混凝 土表面压实、收光，清除表面气泡、砂眼等缺陷，防止混凝土在凝结过程中的 收缩裂纹，收光工序能将塑性收缩裂纹闭合，并且对混凝土表面有美观作用。 收光抹面时间是配制免蒸养管片高性能混凝土的重要技术指标。 表3 8 正交试验收光抹面时间结果的极差分析 从表3 8 的极差分析可知，四种因素对混凝土收光抹面时间的影响顺序依次 为：水泥用量 水灰比 减水剂掺量 砂率。在表3 - 6 中，1 、4 、8 、9 配合比的 收光抹面时间比较有利于配制免蒸养管片高性能混凝土，7 配合比的收光抹面时 间较短，不利于预制管片的成型。 3 3 31 2 h 强度 预制管片脱模是采用真空脱模机，脱模时混凝土强度要求大于1 0 m p a ，管 片的生产要求模具1 2 h 完成一次周转，免蒸养管片混凝土1 2 h 强度应大于 1 0 m p a 。 表3 9 正交试验1 2 h 强度结果的极差分析 从表3 - 9 的试验结果极差所示，四种因素对混凝土的1 2 h 强度的影响顺序为： 7 姚h y j 水灰比 减水剂掺量 砂率，其规律与收光抹面时间规律一致，水泥 量高，水灰比低则混凝土有较高的1 2 h 脱模强度，配制免蒸养管片高性能混凝 土应选择较高的水泥用量和较低的水灰比，表3 - 6 中，4 、7 、8 配合比混凝土1 2 h 强度能满足管片生产的脱模要求。 3 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 32 8 d 强度 表3 1 0 正交试验2 8 d 强度结果的极差分析 从表3 1 0 的极差分析可以看出，对混凝土的2 8 d 影响最大的水灰比，水灰 比，水泥用量次之，两者共同决定混凝土的2 8 d 强度，减水剂的掺量的提高对 混凝土的2 8 d 强度较为有利，砂率则在设定的3 4 0 o , - , 3 8 之间影响不大。 综合以上的研究结果，得到的免蒸养管片高性能混凝土的最佳配合比如表 3 1 1 所示。 表3 1 1 正交实验设计得到的免蒸养管片高性能混凝土最佳配合比( k g m 3 ) 由于混凝土中采用纯水泥体系，水泥用量和水灰比较低，对混凝土水化热 和混凝土的自收缩以及混凝土的耐久性不利，应在必须对混凝土配合比做优化 设计。 3 4 免蒸养管片混凝土配合比优化 国内外高性能混凝土的研究表明，纯水泥体系的混凝土不利于管片混凝土 的耐久性，为了提高免蒸养管片的使用寿命，需要在配制的免蒸养管片高性能 混凝土中掺入矿物掺合料，利用前面的研究结果，将上述最佳配合比作为基准 混凝土配合比，在混凝土中掺入矿物掺合料能最大限度地减少水泥用量，降低 水泥水化热，减少体积收缩保证混凝土的体积稳定性，使混凝土实现密实堆积， 提高混凝土的抗渗性能以及混凝土的耐久性能。本文中选择了武汉阳逻电厂i 级粉煤灰作为免蒸养管片混凝土的矿物掺合料。 3 4 1 粉煤灰掺量对混凝土力学性能的影响 试验在基准配合比的基础上，粉煤灰分别掺入5 0 k g m 3 、l o o k g m 3 、1 5 0 k g m 3 ，试验配合比及结果见表3 1 2 所示： 3 l 武汉理工大学硕士学位论文 耋i ：! 兰塑堡盔鳖量堕鱼蓥菱鎏堑圭垄兰垡丝箜墅堕! 垦也： cmsgw s p 繁尝斋1 攀2 警 图3 - 5 混凝土坍落度图3 - 6 混凝土收光时间 图3 7 混凝土1 2 h 脱模强度图3 8 混凝土2 8 d 强度 由表3 1 2 及图3 5 图3 8 所示，增大粉煤灰掺量可以改善混凝土的工作性 能，粉煤灰掺量在1 0 0 k g m 3 时，混凝土坍落度最大( t = 6 0 m m ) ，粉煤灰掺量再加 大，混凝土坍落度反而降低。这是因为粉煤灰颗粒细小且多由球状颗粒的玻璃 体组成，表面光滑致密，可充分发挥其物理密实填充作用，有效地分散水泥颗粒， 置换出更多的颗粒间填充水来润滑浆体，但当粉煤灰的比表面积较大时，随着粉 煤灰掺量的增加，需要更多的水来润湿其表面，此时物理填充作用不再是主导因 素，比表面积的增加导致吸附水量的增加，因而，浆体流动度随粉煤灰掺量的 进一步增加而开始降低【3 。 增大粉煤灰掺量会延长混凝土的收光抹面时间，收光抹面时间与混凝土的 凝结时间有关，这说明粉煤灰的掺入可延缓水泥的水化，增大掺量混凝土的收 3 2 武汉理工大学硕士学位论文 光时间更长。粉煤灰取代部分水泥，从而延缓浆体凝结时间的机理主要有两个 方面，一方面是因为粉煤灰的颗粒相对细小，填充于水泥颗粒的空隙中，减少 了水泥颗粒与水之间及水泥颗粒相互之间的接触，稀释了水泥的浓度，且粉煤 灰掺量越高，水泥的量越少，生成的水化产物也越少，从而延缓了水泥的水化； 另一方面是粉煤灰能够阻止c 3 a 的水化，粉煤灰中可溶性钙离子吸附在富铝层 的表面，降低了水泥水化的活性，另外，硫酸根离子的吸附作用也阻碍了了c 3 a 的水化，其阻碍作用远远大于等量外掺石膏的作用【3 引。 掺入粉煤灰会降低混凝土的早期强度和2 8 d 强度，粉煤灰掺量大于1 0 0 k g m 3 后，混凝土1 2 h 强度低于2 0 m p a ，不能满足管片的脱模强度要求。由于掺 入粉煤灰混凝土的早期强度低，这是因为在粉煤灰与水泥浆体之间、粉煤灰颗 粒之间和粉煤灰与集料之间缺乏有效的连接，拌合水吸附在粉煤灰和砂子表面 会使局部水灰比增大粉煤灰掺量增多，这种效应越显著，从而早期强度越低。 在后期则可通过颗粒间连接的强化和消耗氢氧化钙来提高混凝土的强度【3 9 1 。通 过综合比较混凝土的1 2 h 脱模强度和2 8 d 强度，确定了配合比f 2 为最佳配合比。 基于以上粉煤灰对免蒸养管片高性能混凝土的影响研究，我们有必要加强 对粉煤灰材料的基础理论的研究，找出不同掺量粉煤灰对硅酸盐水泥水化硬化 过程的影响，建立粉煤灰本征特性与硬化水泥石微观结构和宏观性能间的关系。 3 4 2 免蒸养管片高性能混凝土水化进程 3 4 2 1 免蒸养管片高性能混凝土水化热 在混凝土中粉煤灰取代部分水泥能改善混凝土的工作性能和耐久性能，粉 煤灰需要在水泥水化产物的激发下进行二次水化反应，粉煤灰的掺入降低了水 泥的用量，因此混凝土早期强度明显降低。本文测试了表3 1 2 中f 1 、f 2 、f 3 浆体的早期水化热，并与纯水泥体系的水化热做对比，探讨粉煤灰的掺量对混 凝土早期水化热的影响规律。其试验结果见图3 - 9 。 从图3 - 9 可以看出粉煤灰延迟了水化放热峰，并且降低了水化放热量。随着 粉煤灰掺量的提高，其延迟水化放热峰的作用越明显，水泥相对量的减少降低 了水泥水化放热量。由此可见，粉煤灰的活性远低于纯水泥，对于纯水泥体系， 在没有粉煤灰存在的条件下，水化初期速率较高而后期水化速率下降，掺入适 量的粉煤灰后，水泥浓度稀释，水化速率随着粉煤灰掺量的提高而降低。因此， 掺入粉煤灰会使混凝土的早期强度降低。 3 3 武汉理工太学硕士学位论文 图3 - 9 粉煤灰掺量对混凝土早期水化热的影响 3 422 免蒸养管片高性能混凝土x 射线衍射结果分析 本文测试了表3 1 2 中纯水泥体系、f 1 、f 2 、f 3 浆体1 2 h 、2 8 d 的x 射线衍 射，其结果见图3 1 图3 1 3 ，及表3 。1 3 。 】j2 5虬i5 图3 1 0 纯水泥体系l d 、2 8 d x 射线衍射 武汉理t 大学硕十学位论文 圈3 1 1f 1 l d 、2 8 d x 射线衍射 1 5葛35日5 图3 1 2 f 2 1 d 、2 8 d x 射线衍射 0i = 】 5 5 图3 - 1 3f 3 l d 、2 8 d x 射线衍射 从图3 - 1 肛圈3 - 1 3 可咀看出，相对于纯水泥体系，随着粉煤扶的掺量的提高， 水泥石中c h 、a f t 对应的c p s 降低，且f 3 降低相对明显。由于有超早强减水 剂的作用，水泥水化速率提高，这也促进了粉煤荻的早期参与水化。 。“ 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章免蒸养管片混凝土体积稳定性及耐久性能研究 武汉市地区滨临长江，春季和夏季降雨量大，地表水系发达，湖泊众多， 武汉地铁隧道穿越的地质条件复杂，地层透水性强，水压高。地铁隧道管片是 永久性隧道衬砌，起着抵抗土层压力和地下水的渗透，管片所处的使用环境极 为恶劣，管片的耐久性能直接影响到隧道的使用寿命年限。混凝土结构主要包 括钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀、冻融破坏等劣化破坏形式。这些劣化破坏与c 1 。、s 0 4 2 。、 m 矿、h 2 0 等有害介质从混凝土外部环境向混凝土内部渗透有关。混凝土中由 体积变性引起的微裂缝为这些有害介质的侵入提供了快速通道，严重影响了混 凝土结构的耐久性。本文考虑到免蒸养管片的恶劣使用环境以及开裂敏感性， 必须对混凝土管片材料的体积稳定性问题进行深入系统的研究。另外管片所处 的工作环境有着众多的有害杂质，因此必须对混凝土的耐久性能进行研究。 4 1 免蒸养管片混凝土体积稳定性 4 1 1 原材料 试验原材料同2 1 。 4 1 2 实验方法 测试按普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法( g b j 8 2 8 5 ) 相关条文 进行测量：测定混凝土收缩时，试件为1 0 0 m m xl o o m m x5 1 5 r a m 的棱柱体标准 试件。试件端部预埋金属测头。试模经过改造，混凝土成型后无须脱模。试件 先用塑料薄膜进行包裹，再涂抹凡士林，使试块与周围大气环境相隔绝。试件 在温度为2 1 的养护室中进行养护。试模两端安装千分表，直接读取读数。混 凝土成型后即可开始测量。 4 1 3 粉煤灰对免蒸养管片混凝土收缩性能的影响 原材料同2 1 ，混凝土配比见下表4 1 ，考察了不同粉煤灰掺量对免蒸养高 性能管片混凝土的收缩变化规律。混凝土收缩试件的尺寸为1 0 0 x 1 0 0 x 5 1 5 m m ， 相对湿度控制在9 5 。试件在结束蒸养后脱模，按照国标g b j 8 2 8 5 规定进行养 武汉理工大学硕士学位论文 护。混凝土收缩测试方法如前所述，试验结果如表4 - 2 及图4 1 所示。 表4 1 混凝土配合比( k g m 3 ) n ocf asgws p f 0 4 8 006 5 01 1 5 61 4 45 3 f 14 3 05 06 5 01 1 5 61 4 45 3 f 23 8 01 0 06 5 01 1 5 61 4 45 3 f 3 3 3 0 1 5 06 5 01 1 5 61 4 45 3 表4 2 不同粉煤灰掺量混凝土收缩变化( 1 0 4 ) 图4 1 不同粉煤灰掺量混凝土收缩变化(