CN101003428A - 一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能盾构隧道衬砌管片材料及其制备方法。一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，其特征在于它主要由水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥360－400kg/m3、粉煤灰80－120kg/m3、细集料690－720kg/m3、粗集料1100－1180kg/m3、湿度补偿介质50－150kg/m3、纤维0.8－2kg/m3、膨胀剂20－30kg/m3，水的掺量按水胶比0.29－0.32，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为1.3－1.6％。本发明具有耐久性能、体积稳定性能、抗火性能好的特点。

Description

一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高性能盾构隧道衬砌管片材料及其制备方法。
背景技术
随着中国城镇化进程的不断发展，城市人口必然越来越多，而城市土地却越用越少。为缓解城市发展的迫切需要，对城市地下空间的大规模开发已成必然趋势。未来的数十年，我国的基础设施建设将更多的关注于地下设施的建设，越江跨海隧道和城市轨道交通将成为建设的重点，而隧道建设的面前最普遍的一种方法就是盾构工法。在盾构法中，由若干预制管片或砌块拼装而成隧道衬砌结构体，管片必须满足工程结构的强度和刚度要求，满足工程所提出的安全质量指标要求，这使得隧道衬砌结构的设计相当复杂，从而衬砌材料的选择就显得非常重要。在盾构隧道中，管片是盾构隧道的永久衬砌结构，管片性能的优劣将直接关系到整个隧道工程建设的质量和隧道的服役寿命。因此提高盾构隧道衬砌管片的使用寿命是很有必要的。
管片的使用寿命与管片混凝土材料的耐久性有关，而管片材料的耐久性则主要体现材料在防水、抗渗的性能上。隧道防水除了隧道管片自身的防水，还包括管片与管片之间接缝防水，现在管片装配时都通过在接缝处安装有遇水膨胀橡胶制备的弹性密封垫达到防水的目的，同时还应该注意混凝土管片自身的收缩性质，因此如何长期保证混凝土的体积稳定性，即保证混凝土管片的尺寸精度也是一个比较重要的因素。抗渗则体现在混凝土的抗水渗透、抗氯离子渗透的性能上，目前国内外管片的抗渗指标在P12左右，抗氯离子扩散系数在2-4×10-12m2/s，通过估算这种管片的寿命在50年左右，管片混凝土的使用寿命较短，影响隧道整体的使用寿命，需要提高管片混凝土的抗氯离子渗透性能。隧道管片材料的防火性能对于整个隧道的运营寿命也有很大的影响，作为盾构隧道内主体建筑的盾构衬砌管片虽然是不燃性材料，但在火灾发生的短时间内，隧道内着火现场的局部温度会迅速升至1000℃，随温度升高，钢筋混凝土构件力学性能急剧降低，直接影响构件的承载能力和建筑物的稳定性，严重时会出现爆裂、衬内钢筋破坏失去支撑力而导致隧道垮塌，造成严重的后果。
因此，在制备混凝土管片材料的过程中，提高混凝土的长期耐久性能、长期体积稳定性能、抗火性能就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐久性能、体积稳定性能、抗火性能好的低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是采用下述两种之一：
1、一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，其特征在于它主要由水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥360-400kg/m3、粉煤灰80-120kg/m3、细集料690-720kg/m3、粗集料1100-1180kg/m3、湿度补偿介质50-150kg/m3、纤维0.8-2kg/m3、膨胀剂20-30kg/m3，水的掺量按水胶比0.29-0.32，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为1.3-1.6％；
其中湿度补偿介质是采用硅铝质材料和发泡成分焦炭粉末经过1150～1200℃高温焙烧20～30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17～0.25；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上。
上述一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质的制备：采用硅铝质材料和发泡成分焦炭粉末经过1150～1200℃高温焙烧20～30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17～0.25；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按各原料重量配比为：水泥360-400kg/m3、粉煤灰80-120kg/m3、细集料690-720kg/m3、粗集料1100-1180kg/m3、湿度补偿介质50-150kg/m3、纤维0.8-2kg/m3、膨胀剂20-30kg/m3选取水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂，按水胶比0.29-0.32选取水，外掺的高效萘系减水剂按掺入质量为1.3-1.6％选取；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
2、一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，其特征在于它主要由水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥330-360kg/m3、矿粉100-130kg/m3、细集料690-720kg/m3、粗集料1100-1180kg/m3、湿度补偿介质50-150kg/m3、纤维0.8-2kg/m3、膨胀剂20-30kg/m3，水的掺量按水胶比0.29-0.32，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为1.4-1.6％；
其中湿度补偿介质是采用硅铝质材料和发泡成分焦炭粉末经过1150～1200℃高温焙烧20～30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17～0.25；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上。
上述一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质的制备：采用硅铝质材料和发泡成分焦炭粉末经过1150～1200℃高温焙烧20～30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17～0.25；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按各原料重量配比为：水泥330-360kg/m3、矿粉100-130kg/m3、细集料690-720kg/m3、粗集料1100-1180kg/m3、湿度补偿介质50-150kg/m3、纤维0.8-2kg/m3、膨胀剂20-30kg/m3选取水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂，按水胶比0.29-0.32选取水，外掺的高效萘系减水剂按掺入质量为1.4-1.6％选取；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
所述的水泥为42.5R普通硅酸盐水泥。
所述的粉煤灰为I级粉煤灰，密度为2.7g/cm3。
所述的矿粉为比表面积大于500m2/kg，密度2.8g/cm3。
所述的细集料为河砂，细度模数为2.5-2.8。
所述的粗集料为5-25连续级配碎石，压碎值＜10％。
所述的纤维为多孔聚丙烯腈纤维，比重0.91，抗拉强度620-785MPa，弹性模量大于3500MPa，断裂伸长率8％。
所述的膨胀剂为UEA型低碱高效混凝土膨胀剂，相对密度为2.85，比表面积300～350m2/kg。
所述的硅铝质材料为淤泥、铝含量为30％以上的II级粉煤灰中的任意一种或二种的混合，淤泥和铝含量为30％以上的II级粉煤灰混合时，铝含量为30％以上的II级粉煤灰占淤泥和铝含量为30％以上的II级粉煤灰质量的20-30％；或者淤泥与高岭土的混合，高岭土占淤泥和高岭土质量的20-30％。
所述的湿度补偿介质具体用量通过公式来确定，然后等体积取代粗集料，具体公式如下：
m = C f · CS · α max S
Cf-单方混凝土水泥用量，单位kg/m3；
CS-单位质量水泥水化所需额外水量，一般取0.06kg/kg水泥；
αmax-混凝土最大可能水化度(水胶比/0.36)；
S-湿度补偿材料的吸水率，单位％；
m-湿度补偿材料的掺量，单位kg/m3。
本发明通过在常用混凝土管片材料中引入湿度补偿介质，这是一种采用硅铝质材料经过高温焙烧、发泡制备的一种多孔材料，表面有一层强度较高的硅铝釉化层，能够与水泥水化产物很好结合，在集料和水泥水化产物之间产生良好的过渡层，通过改善集料和浆体的界面薄弱区。引入湿度补偿介质，能够在混凝土产生自干燥现象并有自收缩倾向的时候，在湿度补偿介质和混凝土毛细孔的内部孔隙之间产生了压力差，水分在压力差作用下由湿度补偿介质内部流向水泥石，抑制自收缩的产生。在后期可以利用湿度补偿介质材料中储存的水与本发明掺入的膨胀剂发生反应，使混凝土产生微膨胀，降低混凝土由于干缩造成的体积变形，保证混凝土材料的长期体积稳定性和管片的精度。隧道遭受火灾袭击时，由于高性能混凝土的水灰比都比较小，结构比较密实，产生的水蒸气无处迁移和释放，在混凝土内部造成一定压力，易造成混凝土的破坏，利用这种湿度补偿介质的多孔特征，可以让这些体积膨胀的水蒸气得以释放和迁移，降低内部压力，缓解对混凝土结构的破坏，抗火性能好。而且当混凝土内部发生碱集料反应而使集料体积发生膨胀时，可以利用利用这种湿度补偿介质材料的多孔特征，缓解由于集料体积膨胀对混凝土造成的破坏，提高混凝土的耐久性。本发明在混凝土还掺入了一定量的聚丙烯腈多孔纤维，利用这些均匀分散的纤维在混凝土中起到的微细配筋作用，提高混凝土的抗裂、抗渗性能，当隧道遭遇火灾时，这些纤维在高温蒸发以后留下一些互相联通的通道，与本发明采用的湿度补偿介质一起释放因高温产生的水蒸气，缓解内部气体压力，降低材料爆裂的可能性，提高抗火性能。本发明的一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料应用于盾构衬砌管片生产后，能够大大提高管片的长期耐久性能、长期体积稳定性能以及防火性能。
本发明在混凝土管片材料中使用大掺量的矿物掺合料，能够降低混凝土内部水化温升，减少温度应力引起的裂缝；减少混凝土内部界面过渡区的Ca(OH)2含量，改善界面过渡区，提高混凝土的抗渗耐蚀性能。
本发明采用的湿度补偿介质材料是采用硅铝质材料经过高温焙烧、发泡制备的一种多孔结构材料，具有强度、孔结构、吸水率可设计性的特点，并且原材料来源广、成本低，是一类较为理想的湿度补偿介质材料，采用此种湿度补偿介质材料对混凝土主要有两方面作用，一是作为一种湿度补偿介质，二是有利于混凝土管片的防火性能的提高，湿度补偿介质材料的引入还可以使混凝土的整体性能得到优化，三是湿度补偿介质材料给混凝土因其水份受冻结冰产生的或因碱集料反应造成的局部膨胀提供了能量释放空间，从而可以提高混凝土的耐久性。
作为湿度补偿介质具体机理如下：湿度补偿介质在混凝土内部湿度降低过程中释放出水分起到湿度补偿作用。湿度补偿介质在混凝土中释水的动力有两个，一是水泥石与湿度补偿介质内部毛细管压力差。由于混凝土自干燥现象的产生，在混凝土毛细孔和湿度补偿介质的内部孔隙之间产生了压力差，水分在压力差作用下由湿度补偿介质内部流向水泥石；二是湿度补偿介质与水泥石毛细孔内部的湿度差。根据菲克第一定律，湿度补偿介质的内部水分在湿度差驱动下向水泥石扩散的流量大小与两者之间的湿度梯度成正比。湿度梯度越大，扩散流量越大，湿度补偿介质的湿度补偿作用效果越显著。
在湿度补偿介质释水初期，随着水泥石内部湿度的下降，水泥石内部湿度与湿度补偿介质之间的湿度差是湿度补偿介质释水的主要动力。在释水后期，随着水泥水化硬化的进行，水泥石内部毛细孔尺寸因水泥水化产物的填充而逐渐变小，毛细孔尺寸的减小又会增大毛细管拉应力，在此过程中毛细管拉应力逐渐成为湿度补偿介质释水的主要动力。
高性能混凝土采用的水胶比一般都比较小，密闭条件下水泥浆体内部相对湿度随龄期的增长下降很快，经预湿处理过的多孔集料含有一定数量的水分，随着水泥浆体内部相对湿度的降低，多孔集料内的水分就会释出予以补充，起到减小和延迟自干燥的作用。引入水量越高，多孔集料提供水分的持续时间越长，减小自干燥的作用越明显，减少混凝土自收缩的效果就越明显，有利于混凝土的长期体积稳定性。
采用此种湿度补偿介质材料也有利于隧道管片材料的防火性能的提高，现在的混凝土管片大都采用高性能混凝土材料，本身具有较高的密实度，在受火等高温情形下，混凝土内部的毛细孔内部的残余水分受热蒸发，体积膨胀，但由于混凝土内部比较密实，使体积膨胀的气体无处迁移和释放，对混凝土内部造成一定内压，当这种压力积累到一定程度后，会造成混凝土材料的爆裂，使混凝土结构遭到破坏。采用这种湿度补偿介质材料后，在火灾发生，温度升高时，产生的水蒸气能够从湿度补偿材料中的微孔得到迁移和释放，从而降低混凝土内部的压力，减少混凝土爆裂的可能性，提高混凝土的抗火性能。
本发明中掺加了一种具有多孔特征的聚丙烯腈纤维，有利于混凝土的抗裂性能、抗渗性能和防火性能的提高，在混凝土中掺入纤维后，水泥浆体作为砂、石等骨料的胶凝材料，同时握裹了大量的微细纤维，这些均匀分散的纤维相互搭联，成为无定向分布的网状系统，起承托骨料的作用，从而有效地减少骨料的离析，减少泌水，提高了混凝土的粘聚性及保水性，减少了沉降收缩。在混凝土凝结硬化过程中，纤维起着微细配筋的作用，避免贯穿连通毛细孔的形成，有效地抑制了混凝土开裂，同时在一定程度上提高了混凝土的抗拉强度。凝结后的微裂缝即使在内部或外部应力作用下，它的扩展也必然受到纤维在基体内部已构成的致密网状系统的阻挡，难以扩展成裂缝，从而有效地达到了抗裂防渗的目的。同时在遭遇火灾时，当温度升高后，纤维熔化后形成互相联通的通道，与湿度补偿介质材料的孔洞一起使温度升高产生的水蒸汽得以迁移和释放，降低混凝土内部压力，提高了混凝土的防火性能。
混凝土掺加一定量的UEA膨胀剂，当其与水泥和水拌合时，由于水化反应产生钙矾石C4A3S·32H2O，反应中体积相增加，使混凝土产生微膨胀，从而对混凝土的收缩起到一定的补充作用，有利于混凝土的长期体积稳定和提高混凝土的抗渗性能。
为了对比，根据本发明的一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料制备了高性能管片G1，与国内外常用管片(G2)的各种性能作了一个对比。养护制度为蒸养之后水养护7d，自然养护至28d。蒸养制度为：静停2h，升温2h，升温速率＜15℃/h，恒温3h，恒温温度50℃，降温2h，降温速率＜15℃/h。性能测试包括管片蒸养9小时后的强度测试及28d强度测试；单块管片的抗渗试验；管片岩芯取样后样品的CL-离子扩散系数和耐火极限测试。
表8管片各项测试指标
管片G1G2   抗压强度(MPa) 28d收缩值(×10-4)1.953.2 耐火极限(h)5.02.0 抗渗标号P28P14   CL-离子扩散系数(10-13m2/s)633
  9h2725  28d6860
由表可以看出，两种管片的9h强度和28d强度相差不大，均能满足混凝土强度设计要求，G1混凝土的28d收缩值相比G2要小，且G1的耐火极限和抗渗等级远大于G2，G1的CL-扩散系数远小于G2。总体来说，管片的长期耐久性能、体积稳定性、抗火性能有了很大的提高。
本发明的这些材料的复合作用下能够大大提高混凝土管片的体积稳定性，28d干缩值为1.95×10-4，保证管片尺寸精度，提高管片整体防水抗渗性能，达到P16以上，并提高其长期耐久性能和防火性能。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
一、材料选择：
1、水泥为42.5R普通硅酸盐水泥。
2、粉煤灰为I级粉煤灰，密度为2.7g/cm3。
3、矿粉为比表面积大于500m2/kg，密度2.8g/cm3。
4、细集料为河砂，细度模数为2.5-2.8。
5、粗集料为5-25连续级配碎石，压碎值＜10％。
6、纤维为多孔聚丙烯腈纤维，比重0.91，抗拉强度620-785MPa，弹性模量大于3500MPa，断裂伸长率8％。
7、膨胀剂为UEA型低碱高效混凝土膨胀剂，相对密度为2.85，比表面积300～350m2/kg。它的特点是掺量少，效能高，含碱量低。
8、高效萘系减水剂。
9、水。
10、湿度补偿介质：采用硅铝质材料(所述的硅铝质材料为淤泥、铝含量为30％以上的II级粉煤灰中的任意一种或二种的混合，淤泥和铝含量为30％以上的II级粉煤灰混合时，铝含量为30％以上的II级粉煤灰占淤泥和铝含量为30％以上的II级粉煤灰质量的20-30％；或者淤泥与高岭土的混合，淤泥占淤泥和高岭土质量的20-30％。)和发泡成分焦炭粉末经过1150～1200℃高温焙烧20～30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17～0.25；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上。孔分布情况见表1。
表1湿度补偿介质材料的孔分布
试样 ＜50 50-100 100-1000 1000-10000 ＞10000
湿度补偿材料 3.04   4.19  42.46  34.18  16.23
表2湿度补偿材料的主要性能
材料 堆积密度/kg·m-3 颗粒密度/kg·m-3 筒压强度/MPa 1h吸水率/％ 粒径/mm
湿度补偿材料 741  1180 6.5  14.1   5-16
表3湿度补偿材料的吸水率特性
材料湿度补偿材料  吸水率/％ 真空饱水率/％23 连通率/％84
 5min10.0  30min12.2     60min14.1  24h19.4  3d23.1
湿度补偿介质具体用量通过公式来确定，然后等体积取代粗集料，具体公式如下：
m = C f · CS · α max S
Cf-单方混凝土水泥用量，kg/m3；
CS-单位质量水泥水化所需额外水量，一般取0.06kg/kg水泥；
αmax-混凝土最大可能水化度(水胶比/0.36)；
S-湿度补偿材料的吸水率，％；
m-湿度补偿材料的掺量，kg/m3。
二、实施例：
实施例1：
一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，它主要由水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、高效萘系减水剂和水原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥360kg/m3、粉煤灰120kg/m3、细集料690kg/m3、粗集料1100kg/m3、湿度补偿介质50kg/m3、纤维0.8kg/m3、膨胀剂20kg/m3，水的掺量按水胶比0.29，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为水泥、粉煤灰、膨胀剂总胶凝材料质量的1.3％。
上述一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质的制备：采用硅铝质材料——淤泥和发泡成分焦炭粉末经过1150℃高温焙烧20min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按上述各原料重量配比选取水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将上述各原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
实施例2：
一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，它主要由水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥380kg/m3、粉煤灰100kg/m3、细集料700kg/m3、粗集料1140kg/m3、湿度补偿介质100kg/m3、纤维1.5kg/m3、膨胀剂25kg/m3，水的掺量按水胶比0.30，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为水泥、粉煤灰、膨胀剂总胶凝材料质量的1.5％。
上述一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质的制备：采用硅铝质材料——淤泥和发泡成分焦炭粉末经过1200℃高温焙烧30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.20；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按上述各原料重量配比选取水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将上述各原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
实施例3：
一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，它主要由水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥400kg/m3、粉煤灰80kg/m3、细集料720kg/m3、粗集料1180kg/m3、湿度补偿介质150kg/m3、纤维2kg/m3、膨胀剂30kg/m3，水的掺量按水胶比0.32，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为水泥、粉煤灰、膨胀剂总胶凝材料质量的1.6％。
上述一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质的制备：采用硅铝质材料——铝含量为31％的II级粉煤灰和发泡成分焦炭粉末经过1200℃高温焙烧30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.25；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按上述各原料重量配比选取水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将上述各原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
实施例4：
一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，它主要由水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥380kg/m3、粉煤灰100kg/m3、细集料700kg/m3、粗集料1140kg/m3、湿度补偿介质100kg/m3、纤维1.5kg/m3、膨胀剂25kg/m3，水的掺量按水胶比0.30，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为水泥、粉煤灰、膨胀剂总胶凝材料质量的1.5％。
上述一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质的制备：采用硅铝质材料(硅铝质材料为淤泥和铝含量为30％以上的II级粉煤灰)和发泡成分焦炭粉末经过1200℃高温焙烧30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.20，其中30％以上的II级粉煤灰占淤泥和铝含量为30％以上的II级粉煤灰质量的25％；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按上述各原料重量配比选取水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将上述各原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
实施例5：
一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，它主要由水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥330kg/m3、矿粉130kg/m3、细集料690kg/m3、粗集料1100kg/m3、湿度补偿介质50kg/m3、纤维0.8kg/m3、膨胀剂20kg/m3，水的掺量按水胶比0.29，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为水泥、矿粉、膨胀剂总胶凝材料质量的1.4％。
上述一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质：采用硅铝质材料——铝含量为30％以上的II级粉煤灰和发泡成分焦炭粉末经过1150℃高温焙烧20min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按上述各原料重量配比选取水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、高效萘系减水剂和水原料；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将上述各原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
实施例6：
一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，它主要由水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、高效萘系减水剂和水原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥360kg/m3、矿粉100kg/m3、细集料720kg/m3、粗集料1180kg/m3、湿度补偿介质150kg/m3、纤维2kg/m3、膨胀剂30kg/m3，水的掺量按水胶比0.32，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为水泥、矿粉、膨胀剂总胶凝材料质量的1.6％。
上述一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质：采用硅铝质材料(硅铝质材料为淤泥和铝含量为30％以上的II级粉煤灰)和发泡成分焦炭粉末经过1200℃高温焙烧30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.25，其中铝含量为30％以上的II级粉煤灰占淤泥和铝含量为30％以上的II级粉煤灰质量的30％；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按上述各原料重量配比选取水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、高效萘系减水剂和水原料；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将上述各原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
实施例7：
一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，它主要由水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、高效萘系减水剂和水原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥345kg/m3、矿粉115kg/m3、细集料700kg/m3、粗集料1140kg/m3、湿度补偿介质100kg/m3、纤维1.5kg/m3、膨胀剂25kg/m3，水的掺量按水胶比0.30，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为水泥、矿粉、膨胀剂总胶凝材料质量的1.5％。
上述一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质：采用硅铝质材料——淤泥和发泡成分焦炭粉末经过1150℃高温焙烧20min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按上述各原料重量配比选取水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、高效萘系减水剂和水原料；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将上述各原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
实施例8：
一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，它主要由水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、高效萘系减水剂和水原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥345kg/m3、矿粉115kg/m3、细集料700kg/m3、粗集料1140kg/m3、湿度补偿介质100kg/m3、纤维1.5kg/m3、膨胀剂25kg/m3，水的掺量按水胶比0.30，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为水泥、矿粉、膨胀剂总胶凝材料质量的1.5％。
上述一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质：采用硅铝质材料(硅铝质材料为淤泥和高岭土)和发泡成分焦炭粉末经过1150℃高温焙烧20min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.20，其中高岭土占淤泥和高岭土质量的20％；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按上述各原料重量配比选取水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、高效萘系减水剂和水原料；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将上述各原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
三、下面是在普通混凝土中用湿度补偿介质材料等体积取代一部分粗集料之后，混凝土性能的对比值。
比较例1：粉煤灰管片混凝土的各原料重量配比见表4。
表4粉煤灰管片混凝土配合比
  编号   水泥(k/m3)     粉煤灰(kg/m3)     砂(kg/m3)   石(kg/m3)     湿度补偿介质(kg/m3)     水(kg/m3)     外加剂(％)
  F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11   360360360360380380380380400400400400     12012012012010010010010080808080     692692692692692692692692692692692692   11281015902.4789.611281015902.4789.611281015902.4789.6     050.2100.4150.6050.8101.6152.4050.8101.6152.4     150150150150150150150150150150150150     1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.5
表5粉煤灰管片混凝体性能对比
  编号  28d抗压强度/MPa 弹性模量/GPa  28d干缩值/×10-4 耐火极限/h    CL-离子扩散系数(10-13m2/s)
  F0F1F2F3F4F5F6F7F8     62.559.559.559.161.359.959.558.962.0     37.235.835.634.938.036.135.836.436.9     2.61.921.901.892.541.951.971.902.50     2.04.55.05.02.04.55.05.02.0     98.58.08.28.68.48.78.27.9
  F9F10F11     61.460.560.1     36.235.435.0     1.921.851.90     5.05.05.0     8.17.88.5
比较例2：矿粉管片混凝土的各原料重量配比见表6。
表6矿粉管片混凝土配合比
 编号 水泥(kg/m3) 矿粉(kg/m3) 砂(kg/m3) 石(kg/m3) 湿度补偿介质(kg/m3) 水(kg/m3) 外加剂(％)
 KOKlK2K3K4K5K6K7     330330330330360360360360     130130130130100100100100     699699699699699699699699   11411026.9912.8798.711411026.9912.8798.7     050.8101.6152.4050.8101.6152.4     150150150150150150150150     1.51.51.51.51.51.51.51.5
表7矿粉管片混凝体性能对比
编号 28d抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 28d干缩值/×10-4 耐火极限/h CL-离子扩散系数(10-13m2/s)
  K0K1K2K3K4K5K6K7     62.660.559.559.462.359.758.959.0     38.236.835.435.137.835.835.336.0     2.81.941.921.872.71.951.891.90     2.55.05.05.02.55.05.05.0     87.577.37.57.88.48.5
由表4～7可以看出：利用湿度补偿介质材料等体积量取代混凝土内部集料时，湿度补偿介质材料掺量在10-30％(50-160kg/m3)以内时，混凝土的抗压强度、弹性模量随湿度补偿介质材料掺量增加变化不明显，而混凝土的其他性能有了明显提高，28d干缩值明显降低，耐火极限提高。

Claims (9)

1.一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，其特征在于它主要由水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥360-400kg/m3、粉煤灰80-120kg/m3、细集料690-720kg/m3、粗集料1100-1180kg/m3、湿度补偿介质50-150kg/m3、纤维0.8-2kg/m3、膨胀剂20-30kg/m3，水的掺量按水胶比0.29-0.32，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为1.3-1.6％；
其中湿度补偿介质是采用硅铝质材料和发泡成分焦炭粉末经过1150～1200℃高温焙烧20～30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17～0.25；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上。
2.根据权利要求1所述的一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，其特征在于：所述的粉煤灰为I级粉煤灰，密度为2.7g/cm3。
3.一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，其特征在于它主要由水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料混合制备而成，各原料重量配比为：水泥330-360kg/m3、矿粉100-130kg/m3、细集料690-720kg/m3、粗集料1100-1180kg/m3、湿度补偿介质50-150kg/m3、纤维0.8-2kg/m3、膨胀剂20-30kg/m3，水的掺量按水胶比0.29-0.32，外掺高效萘系减水剂，高效萘系减水剂的掺入质量为1.4-1.6％；
其中湿度补偿介质是采用硅铝质材料和发泡成分焦炭粉末经过1150～1200℃高温焙烧20～30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17～0.25；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上。
4.根据权利要求3所述的一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，其特征在于：所述的矿粉为比表面积大于500m2/kg，密度2.8g/cm3。
5.根据权利要求1或3所述的一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，其特征在于：所述的水泥为42.5R普通硅酸盐水泥；所述的细集料为河砂，细度模数为2.5-2.8；所述的粗集料为5-25连续级配碎石，压碎值＜10％；所述的纤维为多孔聚丙烯腈纤维，比重0.91，抗拉强度620-785MPa，弹性模量大于3500MPa，断裂伸长率8％；所述的膨胀剂为UEA型低碱高效混凝土膨胀剂，相对密度为2.85，比表面积300～350m2/kg。
6.根据权利要求1或3所述的一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，其特征在于：所述的硅铝质材料为淤泥、铝含量为30％以上的II级粉煤灰中的任意一种或二种的混合，淤泥和铝含量为30％以上的II级粉煤灰混合时，铝含量为30％以上的II级粉煤灰占淤泥和铝含量为30％以上的II级粉煤灰质量的20-30％；或者淤泥与高岭土的混合，高岭土占淤泥和高岭土质量的20-30％。
7.根据权利要求1或3所述的一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料，其特征在于：
所述的湿度补偿介质具体用量通过公式来确定，公式如下：
m = C f · CS · α max S
Cf—单方混凝土水泥用量，单位kg/m3；
CS—单位质量水泥水化所需额外水量；
αmax—混凝土最大可能水化度；
S—湿度补偿材料的吸水率，单位％；
m—湿度补偿材料的掺量，单位kg/m3。
8.根据权利要求1所述的一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质的制备：采用硅铝质材料和发泡成分焦炭粉末经过1150～1200℃高温焙烧20～30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17～0.25；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按各原料重量配比为：水泥360-400kg/m3、粉煤灰80-120kg/m3、细集料690-720kg/m3、粗集料1100-1180kg/m3、湿度补偿介质50-150kg/m3、纤维0.8-2kg/m3、膨胀剂20-30kg/m3选取水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂，按水胶比0.29-0.32选取水，外掺的高效萘系减水剂按掺入质量为1.3-1.6％选取；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
9.根据权利要求3所述的一种低收缩防火高抗渗盾构隧道管片材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)、湿度补偿介质的制备：采用硅铝质材料和发泡成分焦炭粉末经过1150～1200℃高温焙烧20～30min，硅铝质材料与发泡成分焦炭粉末的质量为1∶0.17～0.25；冷却后，得到的一种多孔结构材料，该多孔结构材料具有以下特征：①孔隙率为50-60％；②吸水率为8-12％；③筒压强度为6.5Mpa以上；
2)、按各原料重量配比为：水泥330-360kg/m3、矿粉100-130kg/m3、细集料690-720kg/m3、粗集料1100-1180kg/m3、湿度补偿介质50-150kg/m3、纤维0.8-2kg/m3、膨胀剂20-30kg/m3选取水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂，按水胶比0.29-0.32选取水，外掺的高效萘系减水剂按掺入质量为1.4-1.6％选取；
3)、搅拌前将湿度补偿介质置于水中充分润湿；将水泥、矿粉、细集料、粗集料、湿度补偿介质、纤维、膨胀剂、水和高效萘系减水剂原料按照正常混凝土成型程序搅拌成型，浇筑在模具中，经过振捣、抹面、蒸养、拆模后即可得到。
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