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SM型三聚氰胺系减水剂如何应用?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-07-10

本品为水溶性改性三聚氰胺甲醛树脂系高效减水剂,具有非引气、低碱、高减水、有效控制混凝土泌水及增强性能,特别是具有减少混凝土收缩等特点。与萘系减水剂相比,三聚氰胺高效减水剂的优点是:减水率高、无缓凝、增强作用显著、硫酸钠含量低、不含氯离子,对胶凝材料品种适应性强,和其他外加剂的相容性好,可以完全取代萘系减水剂或与其他外加剂复合使用。

一、适用范围

(1)用于铝酸盐水泥制作耐火混凝土,110℃烘干及高温(1000~2000℃) 下的抗压强度提高60%~170%。对纯铝酸钙水泥有极佳的适应性。常用掺量为胶结材的0.5%~1.5%,可以应用于制作定形、不定形耐火砖及耐火浇筑料等。尤其适宜配制低水泥量耐火浇筑料。掺加SM后,可以明显提高耐火材料的抗压、抗折强度,降低耐火材料的显气孔率,提高密度,延长使用寿命。

(2)制备浇筑设备基础的灌浆料,制备自流平地坪材料。在非金属耐磨地坪材料(干粉砂浆)、自流平砂浆及自流平彩色砂浆等中得到广泛应用。它可以提高地坪表面的硬度及光洁度,不产生龟裂,色泽和顺鲜艳。

(3)可以应用于α,β半水石膏及硬石膏粉中,减水率大,增强效果非常明显。掺量为石膏粉质量的0.5%~1.2%。改善石膏浆体的塑性黏度,同时可提高石膏制品的表观光洁度、耐久性、抗磨性等。配制高强石膏、石膏制品的流动性、抗压强度、抗折强度、抗渗性、表面光洁度和弹性均有改善,使石膏模具周转率增加4~5倍。

(4)适于配制商品混凝土、泵送混凝土、流态混凝土、高强高性能混凝土、免振捣自密实混凝土、蒸养混凝土,高强砂浆。

(5)适于配制耐火混凝土、蒸养混凝土、清水混凝土、装饰混凝土、彩色混凝土。

(6)可以作为防水材料的主要组分,提高混凝土或砂浆的抗渗能力。也可以与UEA等材料作为混凝土的组分配制结构自防水混凝土。

(7)作为油井水泥的高效分散剂应用于油井固井工程中。本产品已在大庆油田得到广泛应用。

(8)制品塑面光亮、光滑、坚硬耐磨、花纹清晰,红、黄、绿等各种色彩都鲜亮、持久如新。

(9)三聚氰胺高效减水剂的颜色为白色,不引气,因此适合于清水混凝土。

(10)三聚氰胺在低温下也无沉淀产生,有利于冬季施工。

(11)三聚氰胺在提高早期强度以及无加气性使其在预制混凝土方面应用比较理想,适用于蒸养制品。

(12)三聚氰胺高效减水剂收缩较小,控制泌水较好,大量用于地砖制造的光亮剂。

二、主要性能

(1)本品为无色或淡黄色透明液体,无毒、无腐蚀、不燃。

(2)减水率15%~30%。混凝土1d强度提高40%~100%,7d强度提高30%~70%,28d强度提高30%~60%。

(3)本品纯度高,故冬季使用无结晶现象。

三、匀质性指标

(1)外观:白色粉末(粉剂);透明液体(液剂),有相当黏性(用手触摸可辨认)。

(2)NaSO含量:3.0% ~4.0%。

(3)表面张力(1%浓度液体):(71±1)×10-5N/cm。

(4)氯离子含量:0.3% ~0.4%。

(5)pH值:7~9。

(6)安全性:无毒、无污染。

(7)有效含固量约为40%,比重约1.2(用比重计可检测)。

(8)关键性能:分散能力,是对光亮塑面、增强、耐磨,特别对色彩持久性起关键作用的性能。简单检测方法:将少量水泥面料与水拌成团状(水灰比为0.3,或更低),然后加入面料量2%的光亮剂,充分搅拌均匀,这时团状物应变成稀浆,放在玻璃板或塑料膜上,能完全流平,多次堆起,能再流平,关键是要能持续相当的时间,如30min以上。

(9)产品稳定性可达八年:即使反复经历冷冻、结冰、溶解,也不影响产品稳定性及使用性能。

四、推荐掺量

液体掺量为胶凝总量的1.5% ~4.0%。

五、使用方法

(1)直接掺入混凝土中。

(2)可使用本品配制其他混凝土外加剂,须经试验确定。

六、注意事项

贮存本品的容器应洁净、密封,使用时须搅拌均匀。

 

【应用实例】

SM 减水剂在预制管片混凝土中的应用

南水北调中线穿黄工程Ⅱ-A标,中隧葛洲坝集团联合体项目部使用慕湖牌外加剂预制盾构管片混凝土。目前地铁施工中大量采用预制盾构管片作为衬砌,管片混凝土必须使用高性能混凝土才能满足各种设计和施工要求。这些基本要求是:①抗压强度设计等级为C50,要求早强,即在蒸汽养护条件下满足12h一次模具周转。②水胶比不大于035,混凝土坍落度小于70mm,易于浇筑和振捣。③构件几何尺寸偏差要求高,几何尺寸偏差要求小于1mm。④构件外观质量要求高,基本上要求达到清水混凝土的标准,即要求棱角完整无磕碰、外观光亮、颜色均匀一致、表面致密气泡少。⑤由于采用振捣工艺,混凝土必须有良好的触变性,分层、离析和泌水小。⑥体积稳定性好,裂缝少。⑦耐久性要求高,在耐久性指标上明确提出了100年耐久性的设计要求。对混凝土抗渗性要求也很高,有的还有耐腐蚀要求。⑧低碱集料反应性等。

一、原材料优选

(一)水泥

混凝土裂缝是影响结构耐久性的重要因素。当混凝土发生破坏时,常常归因于养护、集料、掺合料或者质量控制,却很少考虑水泥的影响。这可能是因为同一类型的水泥一旦通过了标准试验就认为它们是一样的。然而事实上,不同厂家生产的同一类型的水泥,在抵抗混凝土开裂的能力方面有很大的差异。因此,高性能混凝土必须重视对水泥的选择。配制不易开裂的管片混凝土应重点考察以下几个方面:

(1)水泥早期强度好,并适合蒸汽养护,要求在低温蒸养条件下(60℃以下)盾构管片10h脱模强度大于或等于20MPa。根据经验,应选择强度等级不低于42.5MPa的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

(2)为避免发生碱-集料反应,水泥的碱含量应严格控制在0.6%以下。

(3)从经济性和耐久性两方面考虑,应选择与高效减水剂适应性好的水泥。

选择常用的三种普通硅酸盐水泥,强度等级为42.5(甲、乙、丙)进行对比试验。其中混凝土脱模强度采用和实际生产一致的混凝土配合比(相同胶凝材料、相同水胶比、相同砂率) 进行,混凝土脱模强度试验结果见表1。与外加剂的适应性试验采用聚羧酸系减水剂,试验结果见表1。

通过表1和表2试验结果可以看出:

(1)三种水泥均属低碱含量水泥,以丙的碱含量最低。

(2)混凝土脱模强度:丙最高,乙中等,甲最低。

(3)与外加剂适应性:在水泥净浆流动度基本相同的情况下考察外加剂掺量:甲>乙>丙,说明丙与高效减水剂的适应性最好。

综合以上试验结果,丙最适合配制管片高性能混凝土。

(二)掺合料

掺合料是高性能混凝土不可缺少的组分之一,常用的掺合料有磨细矿渣、粉煤灰、硅灰等。众多试验研究结果表明,磨细矿渣可以改善混凝土的和易性、提高混凝土的耐久性,尤其是耐腐蚀性可得到较大幅度的提高。但是,近年来的研究结果也显示,掺加磨细矿渣配制混凝土的体积稳定性越来越引起工程界的重视,磨细矿渣细度越大,混凝土工程早期开裂得越多。如某管片厂采用大掺量磨细矿渣掺合料生产管片,在存放6个月以后,和不掺加磨细矿渣掺和料的管片相比,外弧面裂缝更宽和更深。大量研究高性能混凝土文献资料表明,单独使用优质粉煤灰或者把磨细矿渣和粉煤灰复合使用可减少混凝土收缩,提高体积稳定性。本文根据经验使用Ⅰ级粉煤灰作掺合料取得较好效果。

(三)集料

针对北京及周边地区砂子细度模数普遍在2.5以下的特点,本文将改善混凝土集料级配的重点放在粗集料上。目前北京市出售石子存在的最大问题是级配不合格,其中有生产不稳定的因素,也有生产和存储过程中大小石子分离的问题。本文提出了“组合级配” 方法,适当提高粗集料中细料含量,较好解决了细集料细度模数较低和粗集料级配较差的问题。表3为从某山碎石厂购买的5~20mm石子的实际筛分结果。

从表3可以看出,该5~20mm石子中10mm以下粒径偏少,已经明显低于规范的范围。本文采用“组合级配”方法,既简单易行,又不提高成本,取得了较好效果。所谓“组合级配” 就是碎石厂根据混凝土企业提供的集料粒径生产两种以上间断级配的石子,由混凝土企业自己混合成满足级配要求的连续级配石子。如盾构管片需要最大集料粒径为20mm石灰岩碎石,我们通过和碎石厂协商,由其提供5~10mm,10~20mm两种级配的石子,在搅拌配料时按照25% 的5~10mm碎石和75%的10~20mm碎石的比例混合,满足生产要求,检测结果见表4。

通过应用,结果表明,采用组合级配方法有如下优点:

(1)克服了北京市场5~20mm石子级配差的缺点,保证了级配稳定。

(2)大大减少了针片状含量,提高了石子质量。

(3)可以根据砂子级配及时调整两种石子的比率,解决了盾构管片浇筑后浮浆过厚的难题。

(四)外加剂的优选

混凝土减水剂要满足低水胶比下流动性及其保持能力,减水率一定要大(一般在20%以上),且坍落度的经时损失要较小,这就要选用高性能高效减水剂。目前北京常用的高效减水剂有三类:第一类是萘系减水剂,第二类是新型改性三聚氰胺系高效减水剂,第三类是聚羧酸系减水剂。使用这三类高效减水剂配制的管片混凝土,在新拌混凝土工作性、强度稳定性、管片外观质量以及耐久性方面有较大区别。典型外加剂产品性能见表5。

 

与水泥适应性好坏是选择外加剂的一个重要标准。本文采用水泥净浆流动度的方法检测外加剂与水泥的适应性。水泥采用与外加剂适应性较好的丙种水泥。水泥用量300g,固定用水量87g。试验结果见表6。

 

根据以上水泥净浆试验结果,比较三种减水剂减水率:聚羧酸盐系>三聚氰胺系>萘系。一般地,萘系减水剂用量为0.7%~1.0% (折固),三聚氰胺系减水剂掺量为0.45%~0.55% (折固),聚羧酸系减水剂掺量为0.10%~0.15%(折固)。

聚羧酸系减水剂的减水性能明显好于其他两种类型产品,但价格也明显高于其他两类产品。综合考虑减水剂品质、与水泥适应性试验结果以及单方外加剂价格,初步确定使用三聚氰胺高效减水剂和聚羧酸系减水剂进行混凝土试配和管片制作,通过混凝土工作性、强度、管片外观等效果进行进一步优选。

二、配合比试验和管片性能

(一)配合比设计基本要求

盾构管片高性能混凝土配合比设计的难点在于:较小坍落度的混凝土在浇筑时有良好的触变性;振动成型过程中石子基本不下沉,分层离析小;混凝土浇筑后能够尽快失去流动度形成初始结构,易于抹面;早期强度高,满足24h周转两次的要求等。根据经验,配合比主要设计参数应满足如下几条:

(1)水胶比控制在0.31~0.33之间。

(2)胶凝材料总量不少于400kg/m

(3)磨细矿渣和粉煤灰总掺量不超过胶凝材料总量的50%,其中磨细矿渣不超过30%。

(4)砂率一般控制在36% ~40%。

(二)试验室混凝土性能

根据混凝土配合比设计原则,经试验最终确定的混凝土配合比及性能试验结果见表7和表8。

 

(三)管片性能试验

在室内试验的基础上,用两种外加剂配合比进行了盾构管片生产试验,重点考察生产工艺上的区别和管片成品外观效果,结果如下:

(1)用三聚氰胺高效减水剂,混凝土粘聚性和保水性好,没有混凝土离析和泌水现象,尤其是构件外观色泽均匀一致,有光亮感,气泡小且少,满足清水混凝土标准要求。

(2)用聚羧酸盐系减水剂,混凝土粘聚性和保水性也很好,没有离析和泌水现象,构件外观也能做到色泽均匀一致,但是光亮感稍差,气泡较多。

(四)单方混凝土经济分析

由于两个配比中除减水剂外其他组分用量相同,因此经济分析只考虑单方外加剂成本。使用聚羧酸系减水剂的1号配比,单方外加剂费用为32.4元。使用三聚氰胺高效减水剂的2号配比,单方外加剂费用为27元。

综合考虑新拌混凝土和硬化混凝土性能以及成本等因素,使用改性三聚氰胺高效减水剂的2号配合比进行生产可以取得较好的技术经济效果。

三、工程应用

目前北京地铁隧道施工大量采用了盾构法施工技术,仅地铁4号线、5号线和10号线就需要直径6m的钢筋混凝土盾构管片总计约50km。管片混凝土设计强度等级为C50,抗渗设计等级为P10。北京某公司为北京地铁加工盾构管片,到目前为止,使用改性三聚氰胺高效减水剂生产管片约3000环,共计混凝土2万m,强度均达设计强度的115%以上,混凝土抗渗及管片成品检漏试验完全满足规范要求,管片尺寸完全满足设计要求,外观光亮、颜色均匀一致、表面致密气泡少、外观质量好,受到业主、施工单位、监理单位的一致好评。

四、结论

(1)配制管片高性能混凝土必须重视对水泥的选择。应重点考察:①早期强度和低温蒸养条件下(60℃以下)10h脱模强度。②水泥碱含量。③与外加剂的适应性。选择和高效减水剂适应性好的水泥可以取得良好的经济性和耐久性。

(2)通过对萘系、三聚氰胺系和聚羧酸系减水剂进行大量对比试验,证明使用三聚氰胺高效减水剂配制的混凝土粘聚性和保水性更好,离析和泌水现象少,早期强度增长快,脱模强度高,构件外观色泽均匀一致,有光亮感,气泡少,完全满足高性能混凝土要求。

(3)使用聚羧酸系减水剂,除表面气泡较多外,其他性能和使用三聚氰胺高效减水剂基本相同,但生产成本较高。

(4)萘系减水剂可以配制出力学性能满足要求的混凝土,但混凝土匀质性差,离析泌水,很难达到高性能混凝土的要求。

(5)为了减少混凝土收缩开裂,提高体积稳定性,掺和料宜采用Ⅰ级粉煤灰,掺量不宜超过胶凝材料总量的20%。

(6)针对市场石子级配较差的状况,采用“组合级配” 方法可以有效改善混凝土集料级配,提高新拌混凝土工作性,提高管片混凝土匀质性和耐久性。

五、管片生产存在的问题和对策

(一)外观质量

(1)侧面、端面气孔:混凝土中或多或少会存在空气,结构中必然存在一定量的气泡,自然构件表面不可避免会出现气孔。对管片来说多大气孔能否影响其使用功能有待商榷,据了解各地均有自己的要求。广州地铁一号线施工时,日本青木公司和法国索菲图监理公司对此要求均比现在要求低,他们更注重管片的内在质量,注重过程控制,对外观要求不太苛刻。

据了解,用来放置中、低放射性核废料的混凝土桶国标要求为混凝土内部不得有直径大于1cm的气泡,外表面不允许出现深度直径大于1cm的气孔、空洞,孔孔不得相连。核废料桶使用要求远高于管片,国标尚且如此规定,管片标准应该借鉴一下,应避免陷入单纯追求外观的形式,避免对混凝土结构本身可能造成的损害。

另外,据了解,国外特别是在欧洲国家钢筋混凝土管片制作大多采用整体气振成型,全自动化操作,振动时间自动控制,强调混凝土均匀、密实,不片面追求外观气孔大小和多少。目前国内过于要求外观质量,为了减少气孔不得不增加振动时间,结果很容易导致混凝土内部集料分层,使得混凝土结构更加不均匀,形成浮浆层,增加表面裂缝出现的几率,反而影响管片的性能。

(2)表面裂纹:混凝土本身是不均匀体,由于本身化学反应和各组分间性能差异,必然会产生裂纹,完全消除是不可能的。表面细小的干缩裂纹和龟裂纹属无害裂纹,对管片整体性能影响很小,不妨碍管片正常使用。管片设计中对裂纹的要求为其宽度不得大于0.2mm,应该理解为影响混凝土结构性的裂纹,而非表面较浅的无害干缩裂纹。无害裂纹产生不可避免,可通过技术措施尽量减少其产生。对影响结构性的温差裂纹和局部应力裂纹应坚决避免。

具体措施有:①适宜的混凝土施工配合比及良好的搅拌质量;②选择适合的成型工艺和振动时间,确保成型质量;③管片成型后合理的光面措施;④脱模前合理的养护,特别须注意蒸养温度控制,避免温差裂纹产生;⑤脱模后及时进行水养护,保证至少14d的润湿养护,避免表面失水干缩;⑥吊运过程注意成品保护,避免碰撞造成局部应力集中产生结构性裂纹。

(3)混凝土表面失水、泌水,露砂出现水痕:混凝土表面泌水主要是振动不当引起的,需从混凝土配合比设计和相应的成型振动时间上采取措施去避免。管片生产中必须注重施工配合比的调整,依据不同的原材料和现场条件合理调整施工配比,保证混凝土的坍落度、粘聚性、保水性等工作特性。

同时在掺用高效减水剂时必须考虑其引气性和对混凝土工作性的影响。成型施工时一定要根据具体的混凝土性能适当调整振动时间,不可采取完全相同的振动时间,避免振动不当泌水。

(二)成品试验检验

(1)三环水平拼装试验:目前我国的国标《地下铁道工程施工及验收规范》(GB50299— 1999)要求的试验频率为每套模具每生产200环进行1次三环水平拼装试验。广州建设地铁1号线时,日本青木公司当时三环水平拼装频率为1000环进行一次。据了解德国和法国的管片水平拼装只拼一环。目前管片规格很多,水平拼装可根据成环直径、宽度、大小分类进行。

在正常生产中加强成品管片的外观尺寸检查,严格控制影响拼装精度的管片宽度、弧长及扭曲度指标,定期对管模精度进行检查调整,即可满足管片拼装要求。拼装频率可依工程量大小在300~600环之间选择,确保水平拼装检验有效安全进行。

(2)单块管片整体抗渗试验:单体管片抗渗试验是模拟盾构隧道中成环管片所受外界地层水压渗透状态进行的。检验初衷和思路不错,但是试验方法和试验的必要性有待商榷。国标中对混凝土的抗渗性能以抗渗试件的检验为准,是否进行实体检验应以构件形态来定,不能一概而论。据了解在日本、欧美国家就没有类似的管片检验,建地铁3号线时,到广州的德国专家就不知道此检验。

另外,就广州地铁隧道的现状来看,隧道防水的薄弱环节不是管片本身,而是管片成环时片与片、环与环之间的缝隙。此外管片设计时也没考虑单体管片抗渗试验时的受力状态,在以往的试验中我们就曾经试过把管片从环向中间掰裂,产生环向裂纹。试验本身是否必要、应该怎样试验、达到什么标准要求、试验频次如何定等,都是目前需要慎重考虑的。

伴随着盾构技术的日渐成熟,目前钢筋混凝土管片是盾构使用的主力军。盾构应用的普及必将导致钢筋混凝土管片向标准化、规模化的方向发展。对我国的现状来说,管片生产制作仍处于不断摸索、不断完善的阶段。我们认为,当前迫切需要加快管片标准的资料收集与制定工作,尽快制定出符合盾构现状的规范标准,指导管片生产。要加强区域联合与沟通,实现技术共享,共同探讨管片的规模化发展。另外,在条件允许的情况下,可以探索新的管片形式,例如钢纤维混凝土管片等。

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