減水劑在高性能預(yù)制構(gòu)件中的應(yīng)用

1高性能預(yù)制構(gòu)件的基本特點(diǎn)

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，各種高性能預(yù)制構(gòu)件層出不窮，比如：在地鐵隧道、引水輸水隧洞、西氣東輸過江隧道等工程中廣泛使用的高精度鋼筋混凝土盾構(gòu)管片；在城市橋梁施工中發(fā)展預(yù)制拼裝節(jié)段梁；在高速鐵路施工中推廣無渣軌道和預(yù)制箱梁；在大型體育場看臺開發(fā)了高性能先張預(yù)應(yīng)力板；在一些重點(diǎn)工程中使用了預(yù)制清水混凝土飾面板等等。這些高性能預(yù)制構(gòu)件具有如下共同特點(diǎn)：使用設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級大于C50的高性能混凝土，而且有較高的早期強(qiáng)度要求，在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下滿足12h一次模具周轉(zhuǎn)。構(gòu)件幾何尺寸偏差要求高，生產(chǎn)構(gòu)件用的模具必須進(jìn)行機(jī)加工或采購國外進(jìn)口產(chǎn)品。比如盾構(gòu)管片的幾何尺寸偏差要求要求小于1mm，生產(chǎn)模具幾何尺寸偏差要求小于0.5mm。構(gòu)件外觀質(zhì)量要求高，要求棱角完整無磕碰、外觀光亮顏色均勻一致、表面致密氣泡少。體積穩(wěn)定性好，裂縫少。耐久性要求高，如混凝土抗?jié)B性要求高，有的還有耐腐蝕要求，必須滿足低堿骨料反應(yīng)性等。

2預(yù)制構(gòu)件高性能混凝土的特點(diǎn)

高性能預(yù)制構(gòu)件要求使用高性能混凝土。高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，它以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。針對不同用途要求，高性能混凝土應(yīng)對耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等性能有重點(diǎn)的予以保證。高性能混凝土在配合比設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)材料，并除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效減水劑。大多數(shù)情況下，預(yù)制構(gòu)件用高性能混凝土和一般意義上的高性能混凝土相比，在工作性要求上有較大差別。也就是說，大多數(shù)構(gòu)件由于生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)決定了必須使用低坍落度混凝土，坍落度一般為 0～80mm。一般高性能混凝土則要求使用大流動度、不離析的高工作性混凝土。由于預(yù)制構(gòu)件采用的振搗工藝往往更為強(qiáng)烈，即使用低坍落度混凝土，也容易出現(xiàn)分層、離析和泌水等勻質(zhì)性差的缺點(diǎn)。

3預(yù)制構(gòu)件用高效減水劑應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

根據(jù)化學(xué)組成，國外用于預(yù)制構(gòu)件的高效減水劑主要有：甲醛縮聚物、聚羧酸鹽(PCE)和小分子三種類型。甲醛縮合物主要使用β–萘磺酸鹽甲醛縮聚物(BNS)和磺化三聚氰胺兩種。近年來，聚羧酸鹽(PCE)使用量迅速增加。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)高強(qiáng)預(yù)制構(gòu)件主要使用β–萘磺酸鹽甲醛縮聚物(BNS)，磺化三聚氰胺使用較少，近年來氨基磺酸鹽高效減水劑也有少量使用。

目前，聚羧酸鹽高效減水劑(PCE) 在日本的市場占有率已經(jīng)達(dá)到70%，在美國達(dá)到45%，在歐洲也已經(jīng)達(dá)到20%，而在我國的應(yīng)用處于剛剛起步階段。

1962 年，德國的SKW和日本的Kao各自獨(dú)立地發(fā)明了甲醛縮聚物。SKW發(fā)明了一種三聚氰胺-甲醛-亞硫酸鹽的產(chǎn)品叫做聚磺化三聚氰胺。 Kao發(fā)明的高效減水劑是由β–萘磺酸鹽與甲醛的縮聚物所組成(BNS)。以使用量計(jì)算，BNS和PMS仍然是目前世界上使用最廣泛的高效減水劑。它們在應(yīng)用方面的主要差別是：BNS在延緩混凝土坍落度方面的稍強(qiáng)優(yōu)勢使其更多應(yīng)用在預(yù)拌混凝土方面。PMS可提高早期強(qiáng)度以及低引氣性使其在預(yù)制混凝土方面應(yīng)用比較理想。

為什么新一代聚羧酸鹽高效減水劑(PCE)在國外得到如此快的發(fā)展？究其主要原因是由于甲醛縮聚物高效減水劑在應(yīng)用方面存在一些明顯缺點(diǎn)：水灰比低于0.35時(shí)對水泥的分散性差，無法配制超高性能混凝土；預(yù)拌混凝土攪拌后1-2個(gè)小時(shí)內(nèi)坍落度保留性較差；對不同品種水泥適應(yīng)性較差；有限的化學(xué)組成無法滿足不同的應(yīng)用要求。

1981 年，日本的Nippon Shokubai 和Master Builders Technology(現(xiàn)在的 Degussa)開始研發(fā)PCE高效減水劑，并于1986年首先將產(chǎn)品打入市場。如今，市場上有近百種不同化學(xué)成分的PCE，分別是不同種類PCE或 PCE縮聚物的混合產(chǎn)品。按照德國Plank教授的觀點(diǎn)，所有這些產(chǎn)品按其化學(xué)組成可以劃分為四類。第一類PCE：甲基丙烯酸／烯酸甲酯共聚物。第二類 PCE：丙烯基醚共聚物。第三類PCE：酰胺/ 酰亞胺型PCE。第四類PCE：兩性型PCE。

第四類PCE因其特有的PCE 分子可使我們獲得較好的坍落度保留性和高早期強(qiáng)度性能。這種性能由日本Shokubai在1991年發(fā)現(xiàn)。配制坍落度損失小的理想預(yù)拌混凝土可以使用 MAA 和MPEG酯以摩爾比1.5:1組成的產(chǎn)品，支鏈約25個(gè)EO單位長，即使在低水灰比(如0.30～0.35)或高溫下，混凝土仍能在2個(gè)小時(shí)內(nèi)保持良好的工作性。配制高早強(qiáng)理想預(yù)制混凝土可以使用MAA 和MPEG酯以摩爾比3～5:1組成的產(chǎn)品，支鏈約50～130個(gè)EO單位長。這種性能上的差異是因?yàn)樵谒囝w粒上不同的吸附特性而產(chǎn)生的：坍落度保留分子的最初吸附量低，而預(yù)制混凝土高早強(qiáng)分子最初吸附量高。

特制的高早強(qiáng)聚羧酸鹽高效減水劑在預(yù)制廠中被廣泛接受，原因是水泥水化更迅速，可以加快模板周轉(zhuǎn)或者減少蒸汽養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，提高生產(chǎn)能力。在意大利和西班牙，此類PCE分子被大量使用，并被Degussa公司以 “Zero Energy System”的注冊商標(biāo)而市場化，該公司在中國也已經(jīng)開始推廣其“零能源系統(tǒng)”。

雖然和甲醛縮聚物相比PCE高效減水劑價(jià)格昂貴，但從上世紀(jì)九十年代中期開始，聚羧酸鹽高效減水劑(PCE)在國外的市場占有率卻迅速擴(kuò)大，主要原因是：PCE分子使預(yù)拌混凝土具有優(yōu)越的坍落度保留性；可以提高預(yù)制混凝土的早期強(qiáng)度；具有比甲醛縮聚物更低的摻量(有時(shí)小于0.1 %)，帶入混凝土的有害離子極低；化學(xué)多樣性能使產(chǎn)品適合不同的具體應(yīng)用條件；低水灰比(0.15～0.35) 下的有效性；不使用甲醛，更利于環(huán)保。

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