CN105272012A - 高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土 - Google Patents

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陈国庆
刘辉
唐鹏
李天斌
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Abstract

本发明属于地下工程材料技术领域，具体涉及高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，1m3所含原料质量分别为：水泥350～400kg、粗骨料850～1000kg、砂子450～550kg、水200～220kg、Ⅱ级粉煤灰50～100kg、玄武岩纤维20～40kg、可再分散乳胶粉10～15kg、仿钢纤维6～8kg、聚羧酸高性能减水剂2～3kg、速凝剂10～15kg。该混凝土既具有耐热性能，又具有防岩爆等脆性破坏的功能，能治理岩爆、地热害综合性问题，该混凝土易于拌合，施工性能好，喷射到围岩上能迅速地与围岩粘结，在速凝剂的作用下，混凝土在较短时间内硬化。混凝土硬化后，其耐热性能好、抗压强度高、抗拉抗弯折强度高、韧性好、抗裂性好。

Description

高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土
技术领域
本发明属于地下工程材料技术领域，具体涉及高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土。
背景技术
目前，随着我国在西部开展公路、铁路和水电站等大型工程的建设，很多工程要穿越山区修建深埋长隧道工程，这些工程不可避免地通过高地应力高地温地段。在高地应力高地温地段，会遭遇岩爆、地热害综合性问题，给在该地段施工带人员来了巨大挑战。
在高温环境中，衬砌混凝土的内外表面存在温度差，产生温度附加应力，使得混凝土开裂，混凝土的耐久性大大降低。同时，高温环境给隧道的施工和运营带来很大的影响。
在高地应力场条件下，岩爆是地下工程中极易发生的地质灾害现象。岩体内开挖地下工程，岩体中积聚的变形能突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，轻微的岩爆仅有剥落岩片，无弹射现象，严重则岩块抛射，对施工人员和施工设备带来严重威胁。
在高地应力高地温地段，会遭遇岩爆、地热害综合性问题。在这种情况下，常规的混凝土难以满足施工要求。
发明内容
针对上面所述问题，本发明提供了一种用于高地应力高地温隧道开挖初期支护的混凝土，在高地应力高地温情况下，混凝土的强度不会降低，表面不会开裂，具有很好的耐热性能和韧性。具体的技术方案为：
高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，1m3所含原料质量分别为：水泥350～400kg、粗骨料850～1000kg、砂子450～550kg、水200～220kg、Ⅱ级粉煤灰50～100kg、玄武岩纤维20～40kg、可再分散乳胶粉10～15kg、仿钢纤维6～8kg、聚羧酸高性能减水剂2～3kg、速凝剂10～15kg。
所述的水泥为普通硅酸盐水泥，型号为P·O42.5。
所述的粗骨料为连续级配玄武岩碎石或人工碎石，粒径为5～10mm，具体采用哪种粗骨料根据现场的原材料而定。
所述的粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰，可以替代部分普通硅酸盐水泥作胶凝材料，改善混凝土拌合物的和易性，减少混凝土的收缩和开裂，减少混凝土养护中的水化热，很好地补偿混凝土的后期强度。
所述玄武岩纤维是一种耐高温的纤维，添加玄武岩纤维后，使得混凝土能耐80℃左右的高温，也能提高混凝土的强度，所以通过对玄武岩纤维量的控制既可以提高混凝土的耐高温性能也能改善其强度。
所述的可再分散乳胶粉成分为丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉，掺加到混凝土中后，能提高混凝土的施工性能，使混凝土具有较强的粘附性，喷射混凝土时能很好地与围岩紧密结合。混凝土硬化后，其内聚力增加，密实度高，抗弯折抗拉强度高，同时，混凝土的具有很高的可塑性。
所述的仿钢纤维为增韧型聚丙烯合成粗纤维，是针对于钢纤维而研制的替代品，不仅具有钢纤维的强度高、抗拉强度高、抗裂性能好等特点，而且具有易分散、易施工、耐疲劳、高韧性等性能，由于仿钢纤维密度小，单位体积加入的质量轻，较钢纤维经济。考虑到喷射混凝土的搅拌和施工，搅拌机宜选用双轴卧式强制搅拌机，长度为20mm～30mm。
由于混凝土内加入可再分散乳胶粉和仿钢纤维，混凝土的密实度高，施工性能好，喷射厚度可达到15cm以上，克服了一般喷射混凝土的缺点。同时，大大提高了混凝土的可塑性和韧性，能较好地吸收岩爆产生的应变能，有效地防止岩爆。
所述铝酸盐速凝剂是最适合高温隧道环境的混凝土速凝剂，优选铝酸钠速凝剂。
高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，适用于围岩温度30℃～80℃、围岩强度比<7、围岩强度σc>90MPa的硬质围岩；施工的厚度为10～15cm，在此厚度范围内，可满足高应力围岩的弹性极限。
本发明提供的高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土既具有耐热性能，又具有防岩爆等脆性破坏的功能，能治理岩爆、地热害综合性问题。该混凝土易于拌合，施工性能好，喷射到围岩上能迅速地与围岩粘结，在速凝剂的作用下，混凝土在较短时间内硬化。混凝土硬化后，其耐热性能好、抗压强度高、抗拉抗弯折强度高、韧性好、抗裂性好。该混凝土在高地应力高地温条件下，混凝土的强度不会发生太大变化，能减少岩爆的发生，保障了施工人员的人身安全，减少了设备的损耗，营造了良好的运营环境。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例，对本发明的具体实施方式进行阐明。
实施例1
高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，喷层厚度为15cm，1m3所含原料质量分别为：水泥400kg、粗骨料910kg、砂子480kg、水200kg、Ⅱ级粉煤灰50kg、玄武岩纤维40kg、可再分散乳胶粉10kg、仿钢纤维6kg、聚羧酸高性能减水剂3kg、铝酸盐速凝剂15kg。
将混凝土的各原料在双轴卧式强制搅拌机里搅拌制得所需要的混凝土，经过试验，其结果显示：该混凝土能耐80℃的高温，且在高温下混凝土的强度不会改变，也不会出现裂缝；在铁锤的重力冲击下，混凝土的虽有变形，但没有出现裂缝，强度下降不多，能继续支护围岩。所以，本发明制得的混凝土耐热，防治岩爆，能达到特殊条件下的施工要求。
实施例2
高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，喷层厚度为10cm，1m3所含原料质量分别为：水泥350kg、粗骨料1000kg、砂子450kg、水220kg、Ⅱ级粉煤灰100kg、玄武岩纤维30kg、可再分散乳胶粉12kg、仿钢纤维7kg、聚羧酸高性能减水剂2kg、速凝剂10kg。
实施例3
高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，喷层厚度为15cm，水泥380kg、粗骨料850kg、砂子550kg、水210kg、Ⅱ级粉煤灰80kg、玄武岩纤维20kg、可再分散乳胶粉15kg、仿钢纤维8kg、聚羧酸高性能减水剂2kg、速凝剂12kg。
对比例1
混凝土，喷层厚度为15cm，1m3所含原料质量分别为：水泥400kg、粗骨料937kg、砂子485kg、水200kg、Ⅱ级粉煤灰50kg、可再分散乳胶粉10kg、仿钢纤维6kg、聚羧酸高性能减水剂3kg、铝酸盐速凝剂15kg。
该对比例与实施例比较，没有掺加玄武岩纤维，经过试验，其结果显示：在混凝土一侧加热，另一侧混凝土的温度明显升高，高于室内温度。显然，无玄武岩纤维时，混凝土无隔热效果。
对比例2
混凝土，喷层厚度为15cm，1m3所含原料质量分别为：水泥400kg、粗骨料945kg、砂子498kg、水200kg、Ⅱ级粉煤灰50kg、玄武岩纤维40kg、仿钢纤维6kg、聚羧酸高性能减水剂3kg、铝酸盐速凝剂15kg。
该对比例与实施例比较，没有掺加可再分散乳胶粉，经过试验，其结果显示：混凝土喷射到围岩上的粘结力较低，容易掉落，混凝土的密实度减小。
对比例3
混凝土，喷层厚度为15cm，1m3所含原料质量分别为：水泥400kg、粗骨料921kg、砂子486kg、水200kg、Ⅱ级粉煤灰50kg、玄武岩纤维40kg、可再分散乳胶粉10kg、聚羧酸高性能减水剂3kg、铝酸盐速凝剂15kg。
该对比例与实施例比较，没有掺加仿钢纤维，经过试验，其结果显示：在铁锤的重力冲击下，混凝土表面碎裂，出现大量裂缝，强度大大下降。
与对比例相比，实施例所制得的隔热混凝土，耐热性能好、抗压强度高、抗拉抗弯折强度高、韧性好、抗裂性好，能治理高地应力高地温条件下的岩爆、地热害综合性问题。

Claims (5)

1.高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，其特征在于，1m3所含原料质量分别为：水泥350～400kg、粗骨料850～1000kg、砂子450～550kg、水200～220kg、Ⅱ级粉煤灰50～100kg、玄武岩纤维20～40kg、可再分散乳胶粉10～15kg、仿钢纤维6～8kg、聚羧酸高性能减水剂2～3kg、速凝剂10～15kg。
2.根据权利要求1所述的高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，其特征在于，所述的粗骨料为连续级配玄武岩碎石或人工碎石，粒径为5～10mm。
3.根据权利要求1所述的高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，其特征在于，所述的可再分散乳胶粉成分为丙烯酸酯与苯乙烯共聚胶粉。
4.根据权利要求1所述的高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，其特征在于，所述的仿钢纤维为增韧型聚丙烯合成粗纤维，长度为20mm～30mm。
5.根据权利要求1所述的高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土，其特征在于，所述的速凝剂为铝酸盐速凝剂。
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