一種超早強聚羧酸減水劑在管片中的應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于混凝土應用領域，涉及超早強聚羧酸減水劑在管片中的應用，尤其涉 及一種管片及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 管片是盾構隧道的永久襯砌結構，有鋼筋混凝土管片(RC管片）、復合管片和鑄鐵 管片，管片屬技術含量高、工藝和質量要求都特別高的鋼筋混凝土構件，被成為混凝土預制 構件中的"工藝品"，其強度、滲透性、幾何尺寸、表觀質量等方面的要求都非常嚴格，其設計 與普通混凝土預制件有很大差異，對材料和成型方法敏感性大。
[0003] 管片設計的成功與否直接關系到盾構隧道的質量和壽命，管片襯砌的質量最終決 定了盾構隧道的施工質量。盾構隧道的斷面形狀多為圓形，單層鋼筋混凝土管片是目前使 用最多的盾構隧道的襯砌結構形式之一。
[0004] 在管片車間，要控制混凝土澆搗、蒸汽養護、脫模起吊、管片翻身、磨具合攏、收面 等工序。
[0005] 管片蒸汽養護:采用常壓蒸汽養護，以提高混凝土脫模強度，縮短養護時間。
[0006]混凝土澆筑完成后，靜置約2小時，加蓋養護罩，引入飽和蒸汽進行養護，升溫時間 控制在2-3小時。為防止溫度升高過快造成混凝土膨脹，損害內部結構，在自然溫度下，每小 時升溫10-15°(：，不得超過20°(：，恒溫階段一般在1.5~2小時左右。蒸養溫度為50-60°(：，最 高不超過60°C。降溫時間必須控制在1.5小時以上。管片脫模后要加強水養護，已提高混凝 土后期強度。混凝土脫模后試塊強度達到設計強度的40%或20PMa以上時，可以開始脫模。
[0007] 普通鋼筋混凝土管片主要原材料為:水泥、集料、摻合料、外加劑、水、鋼筋。
[0008] 外加劑是制備高強混凝土不可缺少的。化學外加劑主要增加工作性，減小水膠比 及減少水泥用量，對于振動成型的管片混凝土，阻止產生水泥砂漿與石子的離析現象，但必 須通過實驗來確定外加劑與水泥的適應性。
[0009] 根據實際生產需要，隧道管片制作多采用蒸養工藝，這是廠家提高生產效率，提高 鋼模周轉率通常采用的方法，因此外加劑必須滿足蒸養要求，蒸養混凝土與自然養護混凝 土有所不同，必須根據蒸養工藝特點，選擇減水劑的品種，對那些引氣量較大或有一定緩凝 作用的減水劑，在蒸養過程中適應性差，如引氣量大的外加劑，由于空氣受熱膨脹為固體的 1〇〇倍，使混凝土易發生膨脹、疏松現象，因此，蒸養構件中應選擇外加劑品種的一般原則 是:提高混凝土初期結構強度的外加劑(具備促進水泥水化、含氣量低、減水率大等特點）， 外加劑必須具備早強作用。
[0010] 管片混凝土強度等級為一般C50、C55,抗滲級別為P10-P12.
[0011] 蒸養是利用外部熱源加熱混凝土，加速水泥水化反應和內部結構形成的一種加速 混凝土硬化的方法，目的是縮短模具周轉期，提高產量。地鐵管片一般采用的養護方法為常 壓蒸養，養護制度基本上分為預養、升溫、恒溫、降溫四個階段。
[0012] -、預養期:一般指地鐵管片澆筑成型后加熱升溫前這一段靜置放置時間。預養階 段的作用在于提高水泥在熱養護開始前的水化程度，使混凝土具有必要的初始結構強度， 已增強混凝土對升溫期結構破壞的抵御力。混凝土制品養護的時間越長，混凝土的初始結 構強度就越大，混凝土蒸養后，制品內部損傷越小。但是養護期不能過長，否則會影響生產 周期，這里就存在一個最佳預養期問題，最佳預養期為混凝土強度達到0.39-0.49MPa時所 需的時間。
[0013] 二、升溫期：
[0014] 養護設備中介質的溫度，由初始溫度升到恒溫溫度的時間稱為恒溫期。混凝土的 結構破壞主要發生在升溫階段。該階段主要表現為粗孔體積增大，氣、液相數量增多。升溫 速度越快，對混凝土的破壞作用就越大。地鐵管片養護溫度不宜超過25°C/h，最高溫度不超 過 55°C。
[0015] 三、恒溫期：
[0016] 恒溫期是混凝土主要增長期。混凝土在恒溫時，硬化速度取決于水泥品種、水膠比 和恒溫溫度等。
[0017]四、降溫期：
[0018] 介質溫度由恒溫溫度降到允許制品起吊溫度這一段時間稱為降溫期。降溫期，地 鐵管片內部水分蒸發，同時產生收縮和拉應力。若降溫速度過快，地鐵管片會產生過大的收 縮應力，導致地鐵管片表面出現龜裂及酥松等結構損傷現象，甚至造成質量事故。恒溫期的 結構損傷與降溫速度、混凝土強度、制品的表面模數、以及鋼筋情況有關。強度低、表面模數 小、配筋少的制品易慢速降溫。
[0019] 目前地鐵管片在蒸養工藝方面存在的主要問題有:養護期間，罩內的空氣在加熱 時熱交換強度不夠，對于一些大型管片，容易造成同一管片的不同部位加熱不均勻現象。蒸 汽能量利用率較低，能耗較高。
【發明內容】
[0020] 本發明的目的在于克服現有技術存在的不足之處而提供了一種管片的制備方法， 本發明的管片制備方法可實現管片的免蒸養養護，還可提高管片的強度，同時具有操作簡 單，生產安全、成本低廉、節能環保的優點。
[0021] 本發明采用的技術方案為:一種管片的制備方法，包括:將混凝土澆筑完成后形成 的管片初體自然養護至脫模強度后脫模，繼續進行增加管片初體強度的養護，即得到所述 管片；
[0022] 其中，所述混凝土的原料包括水泥、集料、水和超早強聚羧酸減水劑，所述超早強 聚羧酸減水劑為式(1)或式(2)所示的化合物；
[0023] 所述式(1)所示的化合物的結構式如下：
[0024]
[0025] 所述式(2)所示的化合物的結構式如下：
[0026]
[0027] 其中a均為1~80的整數，b均為1~80的整數，c均為1~50的整數；1均為1~50的整 數；
獨自為C1-3烷基;X_均為(：1_、8廠或1_;!11均為5~200的整數，11均為0~50的整數，2均為1~ 150的整數。
[0032] 在上述技術方案中，本發明的管片制備方法，用自然養護工序替代了原管片生產 工藝中的常壓蒸養工序，不需要用蒸汽，完全依靠自然條件進行養護，降低了生產成本，提 高了生產效率和生產安全性。自然養護是指在自然氣溫條件下(高于5°C)，對混凝土采取覆 蓋、澆水潤濕、擋風、保溫等養護措施。
[0033] 在上述技術方案中，本發明中自然養護的實現主要是由于使用了超早強聚羧酸減 水劑。本發明的超早強聚羧酸減水劑既保持了普規早強聚羧酸減水劑的結構設計理念，即 采用的是長側鏈，短主鏈，分子結構被設計成倒T型，呈現梳型結構，這樣的分子結構可以利 用強空間位阻效應保證分散作用，同時短主鏈降低減水劑在水泥顆粒的覆蓋面積，保證水 泥正常水化反應;更為重要的是，本發明的超早強聚羧酸減水劑利用特殊催化劑實現高分 子中高度規整和采用促水化基團大單體，利用疊加效應，實現超早強效果。
[0034] 在上述技術方案中，本發明的膠凝材料中可同原蒸養工藝一樣，使用水泥（優選 地，可加入粉煤灰），不需要摻加任何其它增強摻合材，通過使用本發明的超早強聚羧酸減 水劑，加速水泥水化作用，達到拆模及出廠強度。
[0035] 優選地，所述式(1)所示的超早強聚羧酸減水劑由以下方法制備而成：
[0036] (la)將烯丙醇、異丁烯醇、4-羥丁基乙烯基醚和異戊烯醇中的一種，環氧乙烷和環 氧乙烷與環氧丙烷的混合物中的一種，與環氧鹵丙烷混合，加入催化劑，在氮氣氣氛中、溫 度為80~150°C條件下反應2~10小時得到活性中間體;其中所述環氧鹵丙烷為環氧溴丙 烷、環氧碘丙烷和環氧氯丙烷中的一種;其反應方程式如下：
[0037]
[0038] (2a)將季銨鹽化合物與阻聚劑混合，緩慢加入步驟(la)合成的活性中間體在溫度 為10~80°C條件下反應1~10h，得所述活性大單體;其反應方程式如下：
[0039]
[UUW」 尸7Γ邊字牧益億甘徹刀mK2K3K4)，兵ΤΚ2、Κ3和K40r別觀目刀U-3阮港；
[0041] (3a)將步驟(2a)合成的活性大單體，甲基丙烯酸、丙烯酸、衣康酸和馬來酸酐中的 一種，APEG、HPEG、VPEG和TPEG中的一種，水和分子量調節劑混合，升溫至85~95°C，滴加引 發劑，滴加時間為1~l〇h，滴加完畢后保溫，保溫時間為1~12h，然后降溫至45~50°C，調節 pH至7.0-8.0，得到式(1)所示的超早強聚羧酸減水劑。
[0042] 優選地，所述步驟（la)中烯丙醇、異丁烯醇、4-羥丁基乙烯基醚和異戊烯醇中的一 種，環氧乙烷和環氧乙烷與環氧丙烷的混合物中的一種，與環氧鹵丙烷的摩爾比為烯丙醇、 異丁烯醇、4-羥丁基乙烯基醚和異戊烯醇中的一種：環氧乙烷和環氧乙烷與環氧丙烷的混 合物中的一種:環氧鹵丙烷= 1:5~250:1~150。
[0043] 所述步驟(2a)中季銨鹽化合物與活性中間體的摩爾比為0.2:1~2:1。
[0044]所述步驟(3a)中活性大單體，甲基丙烯酸、丙烯酸、衣康酸和馬來酸酐中的一種與 APEG、HPEG、VPEG和TPEG中的一種的摩爾比為陽離子季銨鹽ΡΕ0活性大單體：甲基丙烯酸、丙 烯酸、衣康酸和馬來酸酐中的一種 :APEG、HPEG、VPEG和TPEG中的一種 = 1.0~3.0:1~6.0: 1〇
[0045] 優選地，所述步驟（la)中催化劑為氫化鈉或鈉;所述步驟(2a)中阻聚劑為對苯二 酚或對甲醚苯酚，所述阻聚劑的用量為所述活性中間體摩爾數的0.002%~0.010%;所述 步驟(3a)中分子量調節劑為巰基化合物和異丙醇中的至少一種，所述分子量調節劑的用量 為所述活性大單體，甲基丙烯酸、丙烯酸、衣康酸和馬來酸酐中的一種與APEG、VPEG、HPEG和 TPEG中的一種的總摩爾數的0.005~5%;所述步驟(3a)中引發劑的滴加時間為1~10h;所 述步驟(3a)中保溫時間為1~12h;所述步驟(3a)中引發劑是過硫酸鉀、過硫酸銨、雙氧水和 過氧化苯甲酰中的一種，所述引發劑的用量為所述活性大單體，甲基丙烯酸、丙烯酸、衣康 酸和馬來酸酐中的一種與APEG、VPEG、HPEG和TPEG中的一種的總摩爾數的0.05 %~5 %。優 選地，所述步驟(3a)中分子量調節劑為3-巰基丙酸、巰基乙酸、巰基乙醇和吊白塊中的至少 一種。
[0046] 優選地，所述式(2)所示的超早強聚羧酸減水劑由以下方法制備而成：
[0047] (lb)將烯丙醇、異丁烯醇、4-羥丁基乙烯基醚和異戊烯醇中的一種，環氧乙烷和環 氧乙烷與環氧丙烷的混合物中的一種，與環氧鹵丙烷混合，加入催化劑，在氮氣氣氛中、溫 度為80~150Γ條件下反應2~10小時，得到活性中