CN102976692A

CN102976692A - 适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土及制备方法

Info

Publication number: CN102976692A
Application number: CN2012105134287A
Authority: CN
Inventors: 赵晓; 何真; 高志华; 荣耀久; 蔡新华
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Hydropower Three Gorges Engineering Headquarters of Chinese Armed Police Force; Wuhan University WHU
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明公开了一种适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土及制备方法。本发明喷射混凝土包括水泥、矿粉、粉煤灰、砂、石、水、高效减水剂、无碱速凝剂和减缩剂，各组成用量为：水泥267~370kg/m³，矿粉44~159kg/m³，粉煤灰0~140kg/m³，石627~722kg/m³，砂855~962kg/m³，水185~200kg，高效减水剂4.44~5.29kg/m³，无碱速凝剂26.7~31.7kg/m³，减缩剂0~15.86kg/m³。本发明喷射混凝土成本较低，具有较低的收缩值、较高的抗渗性能以及与岩石良好的粘结性能，可以保证喷射混凝土作为永久结构层的耐久性。

Description

适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土及制备方法

技术领域

本发明涉及一种永久结构所用的高性能喷射混凝土，尤其涉及一种适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土及制备方法。

背景技术

由于战争、能源分布不均、地缘政治等因素，能源危机一直是各国政府需要考虑的重大议题，近20~30年来战略石油储备在世界各国得到越来越高的重视。而地下水封油库又是石油储备中大家最乐于采用的一种形式，基于地下水封油库安全、储存容量大、占地少、投资小、损耗小、污染小、运行管理费用低、装卸速度快等众多优点，开始广泛应用于国家石油战略储备和各种商业储存。截至1988年，在斯堪迪那维亚半岛已有200多座地下原油、石油产品及重燃料油库在使用。在韩国、日本、中东等地也建有很多地下水封岩洞油库，韩国建有四个地下洞库，总库容1830万m³，日本建有3座地下洞库，总库容500万m³。基于国家石油储备的安全性考虑，我国于2003年正式启动建立石油储备体系。

根据地下水封油库的选址原则，地下水封油库一般建在稳定地下水位以下的岩体中，岩体特性为坚硬、完整性好的块状岩体区，并具有弱透水性，最好是结晶状、未风化或微风化花岗岩，岩体级别Ⅰ或Ⅱ级。基于这些基本条件，决定了地下水封石油洞库在建设过程中无需大量复杂的支护措施。在《地下水封石洞油库设计规范》(GB50455-2008)中规定，地下水封油库支护设计按照围岩性质采取不同的支护措施。如：直接采用喷射混凝土、采用锚杆加固、采用喷锚、挂网或钢架等联合支护。一般地下水封油库选址时考虑的岩石地址条件都较好，所以绝大部分位置采用喷射混凝土即可；但在开挖过程中也会遇到不同的岩石地质条件，有些需要采用不同的支护方式。

其中，除了支护的要求，地下水封油库对渗透性也有较特别的要求，洞库形成后不要求严格的不透水性，允许其有一定的渗透量，宏观上可以表述为“渗而不漏”；其次，地下水封油库的地下水封安全高度一般为20~25m，储油洞室内最大工作压力一般不超过0.1MPa，因此，对于喷射混凝土层而言，除了必要的强度与粘结性能以外，一定的抗渗性能也是工程所必需的。

综上，在地下水封油库的施工中，可以根据施工中岩石状态的不同，判断围岩状况和渗漏水情况决定喷射混凝土材料以及相应的施工方式。传统喷射混凝土配合比一般依据《水电水利工程锚喷支护施工规范》(DL/T 5181-2003)以及《地下水封石洞油库设计规范》(GB50455-2008)等相关规范中的规定进行实施。但这些规范中关于喷射混凝土方面的规定仍然停留在较早期的技术水平，对目前新技术、新材料的考虑较少，因此并不完全适应现有的新技术，例如，传统喷射混凝土配合比并不适用于地下水封油库。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明考虑了地下水封油库对喷射混凝土的技术要求，在传统喷射混凝土基础上对喷射混凝土的抗渗性、与岩石层的粘结强度和收缩率进行改进，并提出了一种适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土，包括水、水泥、矿物掺合料、骨料和外加剂，所述的矿物掺合料包括矿粉，所述的骨料包括细骨料和粗骨料，细骨料为砂，粗骨料为石，所述的外加剂为高效减水剂和无碱速凝剂。

该混凝土中各组分用量为：水泥267~370kg/m³，矿粉44~159kg/m³，石627~722kg/m³，砂855~962kg/m³，水185~200kg/m³，高效减水剂4.44~5.29kg/m³，无碱速凝剂26.7~31.7kg/m³。在上述用量范围内调整可以得到不同强度等级、渗透性能、粘结强度、收缩率的一系列喷射混凝土，以满足地下水封油库对喷射混凝土的不同技术要求。

上述矿物掺合料还包括粉煤灰，其用量不大于140kg/m³。

上述外加剂还包括减缩剂，其用量不大于15.86kg/m³。

作为优选，所述的减缩剂为在公开日2009年2月18日、公开号CN101367633A的中国专利《一种混凝土用智能缩减剂及其制备方法和用途》中所公开的缩减剂，该缩减剂是一种对水具有特殊吸附作用的高分子功能材料，主要由重量百分比为10~20%的聚丙烯酰胺、2~7%的聚醚高分子表面活性剂、22~33%的膨润土、42~50%的累托石和5~12%的聚丙烯构成。

上述高效减水剂为聚羧酸型高效减水剂，聚羧酸型高效减水剂是一种液态减水剂，固含量为20%，减水率为25%。

上述无水速凝剂的掺加量优选为胶凝材料质量的6%，胶凝材料为水泥和矿物掺合料的总称。

上述粗骨料石的粒径范围是5~15mm。

上述细骨料砂的细度模数为2.5~3.0。

上述适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土的制备方法，包括步骤：

步骤1，按比例将水泥、骨料和矿物掺合料混合搅拌得到混合物，根据上述配方，矿物掺合料为矿粉和粉煤灰、或仅为矿粉；

步骤2，向步骤1所得混合物中按比例加入水和除缩减剂外的外加剂，搅拌混合得到喷射混合物，根据上述配方，除缩减剂外的外加剂为高效减水剂和减缩剂、或仅为高效减水剂；

步骤3，在喷射设备喷嘴处混入无碱速凝剂，采用喷射设备对步骤2所得喷射混合物进行喷射施工，

步骤4，喷射施工完成后进行喷雾养护。

本发明组分中的矿粉为粒化高炉矿粉，是在高炉冶炼生铁时，所得的以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒而得。使用粒化高炉矿粉可得到绿色、低碳的建筑材料，例如，在水泥中等量掺入粒化高炉矿粉可减少95%的二氧化碳排放。使用矿粉替代普通水泥已是国际公认为的一种节能减排、绿色、低碳途径。对本发明而言，在喷射混凝土中掺入矿粉不仅可以大幅降低成本，还能有效提高喷射混凝土工作性、改善孔结构，从而达到提高喷射性混凝土抗渗性、抗冻性等耐久性能的目的。

本发明喷射混凝土的优选方案中还掺入了减缩剂，该减缩剂是一种对水具有特殊吸附作用的高分子功能材料，其内部带有强烈的亲水基团，可以吸收自身重量成百上千倍的水，同时膨胀成一种与水牢固结合的水凝胶，即使受到相当大的压力，这种凝胶中的水也很少被挤出。因此，掺入该减缩剂后可以有效抑制喷射混凝土自收缩的产生，防止喷射混凝土硬化后开裂，从而提高喷射混凝土的抗渗性及长期耐久性。

和现有技术相比，本发明喷射混凝土具有如下特点和有益效果：

1、本发明在传统喷射混凝土基础上，采用外加矿物掺合料和外加剂，并通过合理配伍得到符合地下水封油库工程技术需求的一系列喷射混凝土材料。本发明高性能混凝土具有较低的成本、良好的工作性、较高的粘结强度、较高的收缩性以及一定的抗渗性，可以保证喷射混凝土作为永久结构层的耐久性，满足地下水封油库对喷射混凝土的要求。

2、和传统喷射混凝土相比，本发明喷射混凝土硬化后喷射混凝土收缩小，硬化混凝土更加密实，提高了抗渗性、耐久性和整体性能，将其作为永久建筑结构层可延长使用寿命。

3、本发明高性能喷射混凝土的出机坍落度为200~220mm，坍落度经时(1小时)损失为30~50mm(即1小时后混凝土坍落度为150~190mm)；3天抗压强度为17.8~36.3MPa，28天抗压强度为27.8~54.3MPa；3天劈拉强度为1.4~3.2MPa，28天劈拉强度为2.8~5.5MPa；喷射混凝土与岩石粘结强度为0.86~1.89MPa；喷射混凝土90天龄期干缩率为464×10^-6~587×10^-6；抗渗等级为W8~W40，氯离子渗透系数为1.42×10^-12m²/s~8.24×10^-12m²/s。

附图说明

图1为本发明高性能喷射混凝土的配制及施工流程；

图2为实施例中所采用的粗骨料石的级配曲线图；

图3为实施例中所采用的细骨料砂的级配曲线图。

具体实施方式

为了满足地下水封油库工程对喷射混凝土渗透性、与岩石层的粘结强度和收缩性的技术要求，本发明在传统喷射混凝土基础上，通过掺加矿物掺加料和外加剂来提高喷射混凝土的抗渗性和粘结强度、降低收缩率，并提出了一种抗渗性和粘结强度较高、收缩率较低的、适合不同岩石结构渗透性要求和地下水封油库技术要求的一系列高性能喷射混凝土。本发明中掺加的矿物掺合料为矿粉和粉煤灰，掺加形式为单掺矿粉或复掺矿粉和粉煤灰。

下面通过具体实施例对本发明及其有益效果作进一步说明。

实施例

主要原材料为水泥、矿物掺合料、骨料、减水剂、减缩剂和速凝剂。水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥。矿物掺合料为S95级优质矿粉和I级粉煤灰，本实施例中所采用的S95级优质矿粉，其比表面积为450m²/kg，7天活性指数为85%，28天活性指数为108%，流动度比为103%；本实施例中所采用的I级粉煤灰的需水量比为98%。减水剂为聚羧酸型高效减水剂，理论减水率为25%；速凝剂为无碱液态速凝剂，其中固含量为38%，本实施例中速凝剂的掺量为胶凝材料质量的6%，胶凝材料为水泥和矿物掺合料。

减缩剂主要由重量百分比为20%的聚丙烯酰胺、2%的聚醚高分子表面活性剂、22%的膨润土、44%的雷托石和12%的聚丙烯组成，其制备方法参见公开日2009年2月18日、公开号CN101367633A的中国专利《一种混凝土用智能缩减剂及其制备方法和用途》中公开的缩减剂制备方法。

本实施例中所采用的缩减剂的具体制备方法如下：

按比例混合聚丙烯酰胺、膨润土、雷托石和聚丙烯，并按聚丙烯酰胺与氢氧化钠的摩尔比为1：（1~1.3）的比例加入氢氧化钠溶液，然后按比例加入聚醚高分子表面活性剂，用超声波分散溶解均匀，加入酚酞指示剂后，再通入盐酸，直至溶液不再显红色为止；然后将所得聚合物溶液在50~70℃下进行30~50min的聚合反应得到中间产物，将所得中间产物切割成0.5~2厘米大小的小块经烘干至恒重得到半成品；在半成品中加入阻锈剂、稳定剂和去离子水，其用来分别为半成品总量的0.02、0.03和8~10倍，搅拌后，超细粉碎，振荡溶胀后，过100目筛，即得到本实施例中所采用的缩减剂。

按表1所示配方配制本发明高性能喷射混凝土。表1中设计了6组不同配比的喷射混凝土，按照抗压强度等级可以分为C20，C25，C30，C35，C40和C45，其中1~5组矿物掺合料的掺加类型为粉煤灰和矿粉复掺，第6组为矿粉单掺，1~5组未掺加减缩剂，第6组掺加减缩剂。表1中所示混凝土原材料用量单位均为kg/m³。本实施例中粗骨料为粒径范围5~15mm的人工碎石，级配良好，见图2；细骨料细度模数为2.7的河砂，级配良好，见图3；骨料级配对于配制高性能喷射混凝土至关重要，在选取原材料时需要加以重视。

表1不同强度等级喷射混凝土配合比 (kg/m³混凝土)

当然，在配制本发明混凝土时，水泥用量为267~370kg/m³，矿粉为44~159kg/m³，粉煤灰为0～140kg/m³，石子为627~722kg/m³，砂为855~962kg/m³，水为185~200kg/m³，高效减水剂为4.44~5.29kg/m³，无碱速凝剂为26.7~31.7kg/m³，减缩剂为0~15.86kg/m³之间，在实际配制时可根据原材料特性和所需性能在上述用量范围内加以调整。

高性能喷射混凝土的配制工艺见图1，其制备方法为：首先，按比例将水泥、骨料和矿物掺合料混合后干拌30s；然后根据配比加入水、减水剂和减缩剂，拌合3min；拌合完成后出料，通过搅拌车运送至施工现场，通过喷射设备进行喷射施工，喷射前在喷射设备喷嘴处混入无碱液态速凝剂。施工结束后，进行14天的喷雾养护。

表2不同强度等级喷射混凝土基本性能

根据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》、SL352-2006《水工混凝土试验规程》以及GB50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》测试上述第1~6组高性能喷射混凝土的塌落度、抗压强度、劈裂抗拉强度、与岩石的粘结强度、干缩率、抗渗等级和氯离子渗透系数等性能参数，相关测试结果见表2。

从表2的结果中可以看出，本发明高性能喷射混凝土具有良好的工作性，坍落度值为200~220mm，喷射混凝土28天抗压强度值为27.8~54.3MPa，28天劈裂抗拉强度值为2.8~5.5MPa，与岩石的粘结强度为0.86~1.89MPa，抗渗等级在W8~W40之间，氯离子渗透系数为1.42×10^-12~8.24×10^-12m²/s之间。可见，本发明高性能喷射混凝土具有优良的抗渗透性能，特别是第6组高性能喷射混凝土，其抗渗等级已高达W40，抗渗能力非常强。

将本发明高喷射混凝土用于地下水封油库等重要工程的永久结构，将具有更可靠、更具耐久性的优点，能保证工程在使用过程中的可靠性，降低后期运行和维修的费用。

此外，需要说明的是，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。

Claims

1.一种适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土，其特征在于：

每立方米喷射混凝土中各材料用量为：水泥267~370kg，矿粉44~159kg，石627~722kg，砂855~962kg，水185~200kg，高效减水剂4.44~5.29kg，无碱速凝剂26.7~31.7kg。

2.如权利要求1所述的适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土，其特征在于：

所述的喷射混凝土中还包括粉煤灰，每立方米喷射混凝土中粉煤灰的用量不大于140kg。

3.如权利要求1所述的适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土，其特征在于：

所述的喷射混凝土中还包括减缩剂，每立方米喷射混凝土中减缩剂的用量不大于15.86kg。

4.如权利要求3所述的适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土，其特征在于：

所述的减缩剂主要由重量百分比为10~20%的聚丙烯酰胺、2~7%的聚醚高分子表面活性剂、22~33%的膨润土、42~50%的累托石和5~12%的聚丙烯组成。

5.如权利要求1所述的适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土，其特征在于：

所述的石的粒径范围是5~15mm。

6.如权利要求1所述的适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土，其特征在于：

所述的砂的细度模数为2.5~3.0。

7.如权利要求1所述的适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土，其特征在于：

所述的矿粉为粒化高炉矿粉。

8.如权利要求1所述的适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土，其特征在于：

所述的高效减水剂为聚羧酸型高效减水剂。

9.如权利要求1所述的适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土，其特征在于：

所述的无碱速凝剂的质量为混凝土中胶凝材料质量的6%。

10.如权利要求1~9中任一项所述的适用地下水封油库的掺矿粉高性能喷射混凝土的制备方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，将水泥、骨料和矿物掺合料混合搅拌得到混合物，所述的骨料为砂和石，所述的矿物掺合料为矿粉和粉煤灰、或仅为矿粉；

步骤2，向步骤1所得混合物中加入水和除缩减剂外的外加剂，搅拌混合得到喷射混合物，所述的除缩减剂外的外加剂为高效减水剂和减缩剂、或仅为高效减水剂；

步骤3，在喷射设备喷嘴处混入无碱速凝剂，采用喷射设备对步骤2所得喷射混合物进行喷射施工；

步骤4，喷射施工完成后进行喷雾养护。