CN109456006B

CN109456006B - 一种利用弃渣制备的自密实混凝土及其应用

Info

Publication number: CN109456006B
Application number: CN201811560610.1A
Authority: CN
Inventors: 曾晓辉; 谢友均; 龙广成; 马昆林; 马聪; 朱华胜; 刘海川; 凌晨博
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: CN109456006A

Abstract

一种隧道二衬用弃渣自密实混凝土，该自密实混凝土由水泥、粉煤灰、矿粉、弃渣石粉、弃渣石屑、弃渣石子、减水剂、缓凝剂、流变助剂、消泡剂、水混合搅拌而成。各成分所占重量份为：水泥：100份，粉煤灰：20～40份，矿粉：10～20份，弃渣石粉5～10份，弃渣石屑200～300份，弃渣石子：250～350，膨胀剂：10～25份，减水剂：1.0～3.5份，缓凝剂：0.1～1份，流变助剂：0.01～0.05份，消泡剂：0.001份，水：60～80份。该自密实混凝土利用隧道开挖产生的弃渣制备石粉、石屑及粗骨料，配制自密实混凝土，并用于隧道二衬、底板、仰拱等浇注，可有效利用资源、节约成本、保护环境，并可降低施工难度、提高施工速度。

Description

一种利用弃渣制备的自密实混凝土及其应用

技术领域

本发明涉及一种利用弃渣制备的自密实混凝土及其应用，属于建筑材料技术领域。

背景技术

隧道工程施工会产生大量的弃渣，工程上通常做法都是在工点周边根据地形设置弃渣场。弃渣场的设置极大程度上破坏了原有地形地貌，会造成很多的危害隐患：其一，弃渣场会占用大量的土地，严重影响土地的性状与实用功能，同时对原有植被生态环境造成破坏，使得土壤砂砾化，甚至导致土地沙漠化；其二、弃渣场通常位于坑凹地带，如果没有采用有效的防护工程极有可能诱发一些小型地质灾害，如滑坡、泻流和水土流失等；其三，一旦发生弃渣下泄，将会对下游地区产生严重危害；其四，含有放射性元素、重金属元素的弃渣将会对区域内人与其他物种生活造成严重危害。

现阶段隧道弃渣环保资源化综合利用在公路和铁路工程中开始有应用，强度较高、粒径适合的硬质岩用作混凝土骨料，其余材料通过试验确定是否能够用于边坡防护、路基填充。其中不适用的土料、软岩材料可以通过水泥或石灰改良使其满足路基填充等。包括宝天高速、川渝铁路在内的一些公路、铁路工程项目在隧道弃渣资源化再利用上做出了尝试。但总体来讲，隧道弃渣的利用率不高，没法实现深层次利用，尤其是其中的石屑，混杂有石粉、细砂等，基本做废料处置，并没有得到有效利用。

而在目前的隧道施工中，一般在开挖完后，即采用喷射混凝土进行初支，并采用注浆或锚杆加固，随后进行防水层施工，随之支好台车模板，并进行二衬的混凝土浇注。在二衬混凝土浇注过程中，由于钢筋较密，混凝土结构巨大，为保证二衬混凝土浇注饱满，混凝土流动性往往较大，且需进行人工振捣或平板振捣，以使混凝土流过钢筋，充分充填，整个施工环节多，工艺复杂，工人劳动强度大。

在隧道二衬的施工中，由于施工工艺操作不当，混凝土质量差等原因，易导致衬砌开裂，蜂窝麻面较多，拱顶产生大量浮泡层，给隧道日后运营带来极大的安全隐患。在某高速铁路的明挖隧道二衬施工中，二衬混凝土在模板台车移走约 24小时后，均在每板二衬中间下部位置出现对称的两道2m长的肉眼可见裂缝，且衬砌麻面严重，隧道拱顶出现厚度高达50cm的气泡层。

经现场调研，该二衬混凝土设计的坍落度为200mm，为大流态混凝土，但同时施工又要求振捣，在如此大的流动性下，振捣极易过振从而导致气泡层的出现；另外取样发现现场地材较差，石子级配不连续，砂子0.3mm以下颗粒物太少，粉煤灰质量特别差，碳颗粒物含量较高，拌制的混凝土较易离析、泌水、浮浆，且坍落度损失大，工人在现场常私自加水以施工。这些因素最终导致了二衬开裂与气泡层的出现，后面的修补与重新浇注造价高昂，忽视混凝土的施工与质量控制代价十分高昂。

隧道二衬采用自密实混凝土，将会有如下优点：

①、提高了施工速度，由于自密实混凝土在施工过程中流动性好，无需振捣，因此施工时只需将混凝土泵送入模板内，混凝土即均匀充满模板，充填密实，因此施工效率大幅度提高。

②、降低了工人劳动强度，采用自密实混凝土后，混凝土被泵送入模板内，无需振捣，无需担心混凝土能否透过钢筋，因此工人劳动强度大为降低。

③、灌注缺陷大大降低，普通混凝土欠振捣将导致充填层不饱满，导致脱模后二衬出现“蜂窝”，甚至“狗洞”；但过振将导致混凝土分层、离析、泌水、漏浆，在拱顶出现气泡层，表面易出现漏浆导致的麻面，并使二衬混凝土结构性能不均一而易出现裂缝。

④、灌注质量大大提高，采用自密实混凝土后，无过振漏浆导致的麻面、花斑，无离析泌水导致的色差与起砂，脱模后的混凝土表面均匀、密实，不易开裂。

⑤、由于模板振动导致的跑模、翘曲、错台以及冷缝大大降低，混凝土漏浆现象也大为减少。

⑥、拱顶施工质量大大提高，自密实混凝土对于拱顶混凝土浇注尤为有利，当拱顶浇注普通混凝时，一般采用加大泵送压力(一般为5MPa～6MPa)的方式保证拱顶混凝土密实性，但高压下易导致模板变形，导致错台、跑模，同时混凝土在泄压后拱顶易出现空隙，需二次补压；自密实混凝土由于流动性好，不分层，因此无需高压泵送，无需强振捣，且饱满度大大提高。

⑦、减少了人工与机械的成本支出，采用自密实混凝土由于减少了工人振捣作业，因此使人力成本减少，同时由于不用振捣器，也减少了设备支出。

但是相应的来说，现有技术中的自密实混凝土材料成本相对于普通混凝土来说较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种利用弃渣制备的自密实混凝土，利用隧道工程施工过程中产生的弃渣加工成石粉石屑及粗骨料配制成自密实混凝土，变废为宝，不仅保护了环境，还节约了成本。

本发明的第二个目的在于上述所述利用弃渣制备的自密实混凝土应用于隧道的混凝土浇注，可降低施工难度、提高施工速度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种利用弃渣制备的自密实混凝土，按重量份数计，包括如下组份：

水泥：80～120份，粉煤灰：20～40份，矿粉：10～20份，弃渣石粉5～20份，弃渣石屑200～300份，弃渣石子：250～350，膨胀剂：10～25份，减水剂：1.0～3.5 份，缓凝剂：0.1～1份，流变助剂：0.01～0.05份，消泡剂：0.001～0.003份，水： 50～80份。

优选的方案，所述自密实混凝土，按重量份数计，包括如下组份：

水泥：95～105份，粉煤灰：20～35份，矿粉：15～20份，弃渣石粉：10～20 份，弃渣石屑：240～280份，弃渣石子：260～300份，膨胀剂：10～20份，减水剂：2～3份，缓凝剂：0.1～0.3份，流变助剂：0.01～0.03份，消泡剂：0.001～0.002 份，水52～60份。

作为进一步的优选，所述自密实混凝土，按重量份数计，包括如下组份：

水泥：100份，粉煤灰：20～30份，矿粉：15～20份，弃渣石粉：12～20份，弃渣石屑：260～265份，弃渣石子：275～280份，膨胀剂：10份，减水剂：2.8～2.9 份，缓凝剂：0.1份，流变助剂：0.02份，消泡剂：0.001份，水：54～57份。

本发明首创的利用了隧道弃渣加工成石粉、石子，石屑应用于自密实混凝土的配取，同时通过优化这些组份的配比，不仅能降低成本，同时还可以增强自密实混凝土的性能。

本发明掺入一定量的弃渣石粉，石粉粘度小，需水量低，可在浆体中起到润滑的效果，减小混凝土流动时的摩擦阻力；同时石粉密度较小，可托住石子防止石子下沉；此外石粉在粉碎、磨制的过程中，产生大量的晶格缺陷与变形，起到了活化的效果，具有一定的水化反应活性，可提高混凝土的早期强度；另外用弃渣做石粉可使大量粒形、岩性等不合符骨料要求的弃渣石料得以利用，提高弃渣的利用率。

本发明掺入一定量的弃渣石屑，石屑是石料生产粗骨料(石子)与细骨料(砂子)过程中不符合二者要求的边角料，一般作为废弃物处理，石屑通常含有大量的石粉、细砂与片状石子，由于弃渣品位低，导致其制备砂石时的石屑产出率高。同时由于石屑与石粉、石子本身母料相同，因此三者级配有很好的匹配性，作为混凝土时可实现孔隙率的最小化，石屑制备自密实混凝土实现了弃渣利用的最大化。

本发明掺入一定量的弃渣石子，石子作为弃渣最有价值的附加物，其利用以及创造的产值是弃渣综合处置的关键，利用弃渣石子作为自密实混凝土的粗骨料，并利用其与石粉、石屑的匹配性，可有效降低混凝土的孔隙率，颗粒间达到最大密实堆积，提高了混凝土的体积稳定性。

优选的方案，所述弃渣石粉的粒径≤0.15mm，其中含泥量(亚甲基兰法)≤5％，氯含量≤0.6％，碱含量≤0.6％。

本发明中的弃渣石粉是由隧道施工过程中挖出的碳酸质、硅铝质等石头经分选、破碎、整形、筛分后的粒径≤0.15mm粉体。

优选的方案，所述弃渣石屑的粒径为0.16～10.00mm，其中含泥量(亚甲基兰法)≤5％，泥块含量≤2％，氯离子含量≤0.6％，碱含量≤0.6％，且无碱骨料反应活性。

本发明中的弃渣石屑为隧道开挖时，挖出的碳酸质、硅铝质等石头经分选、破碎、整形、筛分等工艺处理，分选出石粉、机制砂、石子后的尺寸不均一的残余物，现场一般用作路基填埋物。

优选的方案，所述弃渣石子的粒径为5～20mm，其中10mm以上≥75％，其含泥量(亚甲基兰法)≤5％，泥块含量≤2％，氯离子含量≤0.6％，碱含量≤0.6％，且无碱骨料反应活性。

本发明中的弃渣石子为隧道开挖时，挖出的碳酸质、硅铝质等石头经分选、破碎、整形、筛分等制得的石子。

优选的方案，所述水泥选自28d强度＞42.5MPa的硅酸盐系水泥，且所述硅酸盐系水泥的碱含量＜0.6％，氯离子含量＜0.06％。

本发明中所选择的水泥为市售强度等级42.5及以上的硅酸盐系列水泥，作为混凝土最主要的胶结材料，水泥可有效提供混凝土强度与耐久性，并保证混凝土的可浇注、可硬化性能。

优选的方案，所述粉煤灰品质等级为Ⅱ级及以上，7d活性指数≥72％，需水量比≤100％。

本发明掺入一定量的Ⅱ级及以上的粉煤灰，粉煤灰主要成分为高温瞬冷的玻璃化微珠，具有滚轴、润滑作用，可有效减少混凝土用水量，进而降低混凝土的干燥收缩；且由于其密度比水泥小、比表面积比水泥大，因此具有更好的悬浮能力，能有效抑制混凝土的泌水；同时其火山灰效应、密实填充效应可降低混凝土渗透系数，改善混凝土耐久性，抑制碱骨料反应等的产生。

优选的方案，所述矿粉品质等级为S75级以上，其活性氧化物含量≥30％，流动度比≤95％。

矿粉为冶炼厂水淬高炉矿渣经干燥、粉磨等工艺处理而成，本发明采用优质矿粉，可有效提高混凝土的抗压强度，降低混凝土的成本，同时对抑制碱骨料反应，降低水化热，减少混凝土结构早期温度裂缝，提高混凝土密实度，并利用其二次水化，有效降低混凝土Ca(OH)₂含量，提高抗渗和抗侵蚀能力。

优选的方案，所述膨胀剂为由鳞片状铝粉与硫铝酸钙、氧化钙、氧化镁中的至少一种组成的混合物，按重量份数计，其中1份膨胀剂中，含有鳞片状铝粉 0.0001～0.0005份；所述鳞片状铝粉的细度≥250目。

本发明中，通过合理控制膨胀剂中铝粉的细度与含量，可有效提高混凝土的饱满程度，并达到补偿收缩目的。

优选的方案，所述减水剂，为聚羧酸减水剂或奈系减水剂，其中减水率≥25％。

本发明所用的减水剂为市售的酯类聚羧酸减水剂，其具有一定的引气能力，该减水剂通过掺入特殊的无机盐，通过干扰水泥水化物的形成，以达到减少收缩、防止开裂和提高抗渗性的目的。

优选的方案，所述流变助剂选自羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素醚、羧乙基纤维素、水性聚氨酯乳液、水性聚酰胺乳液、聚乙烯醇中的至少一种。

本发明采用先进流变助剂技术，通过调整羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素醚、水性聚氨酯乳液的相对含量，可对浆体的屈服剪切力、粘度、假塑时间等进行调节，进而实现了混凝土在大流态下兼具有良好的抗离析性能，有效防止了新拌自密实混凝土的浮浆、分层等问题。

优选的方案，所述缓凝剂为缓释型缓凝剂，所述缓释型缓凝剂选自乳化葡萄糖酸钠、葡萄糖酸钙、木质素磺酸钙中的至少一种。

本发明采用缓释型缓凝剂技术，该缓凝剂采用乳化技术，在传统减水剂表面包裹有慢溶性钙盐，在后期通过钙盐缓慢溶解，不断将缓凝剂补充至混凝土中，从而实现新拌自密实混凝土坍落度不损失，保证混凝土的施工时间。

优选的方案，所述消泡剂选自有机硅类消泡剂，所述有机硅类消泡剂的主要成分为聚醚-硅氧烷共聚物。

本发明采用有机硅消泡剂技术，该消泡剂可在强碱性环境下仍具有较高消泡能力，可有效降低新拌自密实混凝土表面的浮泡，并可自密实混凝土搅拌、泵送过程中所引入气泡的含量。

本发明一种利用弃渣制备的自密实混凝土，所述利用弃渣制备的自密实混凝土的制备方法为由水泥、粉煤灰、矿粉、弃渣石粉、弃渣石屑、弃渣石子、减水剂、缓凝剂、流变助剂、消泡剂、水混合搅拌而成。

本发明一种利用弃渣制备的自密实混凝土的应用，将所述的利用弃渣制备的自密实混凝土应用于隧道的混凝土浇注。如隧道中二衬、底板、仰拱等混凝土浇注。

本发明的原理和优势：

本发明巧妙的利用了隧道施工过程中产生弃渣，将其加工成石粉石屑及粗骨料配制成自密实混凝土，变废为宝，不仅保护了环境，还节约了成本。同时通过优化这些组份的配比还可以增强自密实混凝土的性能。

如在本发明中用到的石粉密度较小，可托住石子防止石子下沉，具有一定的水化反应活性，可提高混凝土的早期强度，另外通过石粉、石屑、石子的协同匹配，可有效降低混凝土的孔隙率，颗粒间达到最大密实堆积，提高了混凝土的体积稳定性。

另外本发明通过各组份协同作用下，可实现防止石子下沉、大密度组分悬浮，增加抗离析能力。

本发明首创的提供了一种利用隧道施工过程中产生的弃渣用于制备自密实混凝土，最终再应用于隧道工程中混凝土浇注，可实现资源的循环利用，具有环保意义与经济意义。

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容不仅仅限于以下实施例。

实施例1

本实施例的隧道二衬用弃渣自密实混凝土是由水泥、粉煤灰、矿粉、弃渣石粉、弃渣石屑、弃渣石子、减水剂、缓凝剂、流变助剂、消泡剂、水混合搅拌而成。各组分的重量份为：

水泥100份粉煤灰25份

矿粉20份弃渣石粉12份

弃渣石屑265份弃渣石子275份

膨胀剂10份减水剂2.8份

缓凝剂0.1份流变助剂0.02份

消泡剂0.001份水55份

所述弃渣石子中，其粒径在10mm以上的弃渣石子的质量分数为80％，所述膨胀剂为由鳞片状铝粉与硫铝酸钙组成的混合物，其中1份膨胀剂中，含鳞片状铝粉0.0002份，所述鳞片状铝粉的平均细度为300目。所述流变助剂为羧甲基纤维素钠，所述缓凝剂为乳化葡萄糖酸钠。

新拌混凝土性能指标为：坍落度筒扩展至500mm所需时间3.9s，扩展度为 670mm，“J”环高差为13mm，“L”仪时间为9s，“L”仪两侧高度比为0.90；硬化混凝土性能指标为：3d抗压强度15.0MPa，28d抗压强度44.0MPa，56d电通量 780库伦，抗冻融循环次数300次，56d干燥收缩值330×10^-6。

实施例2

水泥100份粉煤灰30份

矿粉15份弃渣石粉15份

弃渣石屑260份弃渣石子280份

膨胀剂10份减水剂2.9份

缓凝剂0.1份流变助剂0.02份

消泡剂0.001份水57份

所述弃渣石子中，其粒径在10mm以上的弃渣石子的质量分数为85％，所述膨胀剂为由鳞片状铝粉与硫铝酸钙组成的混合物，其中1份膨胀剂中，含鳞片状铝粉0.0003份，所述鳞片状铝粉的平均细度为350目。所述流变助剂为水性聚氨酯乳液，所述缓凝剂为葡萄糖酸钙。

新拌混凝土性能指标为：坍落度筒扩展至500mm所需时间4.1s，扩展度为 680mm，“J”环高差为10mm，“L”仪时间为8s，“L”仪两侧高度比为0.92；硬化混凝土性能指标为：3d抗压强度14.2MPa，28d抗压强度43.4MPa，56d电通量 870库伦，抗冻融循环次数300次，56d干燥收缩值350×10^-6。

实施例3：

水泥100份粉煤灰20份

矿粉25份弃渣石粉20份

弃渣石屑260份弃渣石子280份

膨胀剂10份减水剂2.8份

缓凝剂0.1份流变助剂0.02份

消泡剂0.001份水54份

所述弃渣石子中，其粒径在10mm以上的弃渣石子的质量分数为75％，所述膨胀剂为由鳞片状铝粉与硫铝酸钙组成的混合物，其中1份膨胀剂中，含鳞片状铝粉0.0004份，所述鳞片状铝粉的平均细度为400目。所述流变助剂为聚乙烯醇，所述缓凝剂为木质素磺酸钙。

新拌混凝土性能指标为：坍落度筒扩展至500mm所需时间3.5s，扩展度为 680mm，“J”环高差为9mm，“L”仪时间为9s，“L”仪两侧高度比为0.90；硬化混凝土性能指标为：3d抗压强度16.5MPa，28d抗压强度46.4MPa，56d电通量680 库伦，抗冻融循环次数300次，56d干燥收缩值320×10^-6。

对比例1

其他条件与实施例1相同，仅不加入石粉，且石粉用等重量水泥取代，新拌混凝土坍落度筒扩展至500mm所需时间将为7.2s，“L”仪时间为17s混凝土将较为粘稠，混凝土流动速度将减慢，混凝土灌注饱满度、自流平性能等均将变差。

对比例2

其他条件与实施例1相同，仅所加入弃渣石屑用等质量河沙取代，新拌混凝土扩展度仅为540mm，“J”环高差为23mm，均不满足自密实混凝土的基本性能要求，且混凝土离析、泌水严重，不能正常使用。

对比例3

其它条件与实施例2相同，仅不加入流变助剂。新拌混凝土扩展度仅为 620mm，“J”环高差为25mm，混凝土离析、泌水严重，不能正常使用。

Claims

1.一种利用弃渣制备的自密实混凝土，其特征在于：按重量份数计，由如下组份制备而成：

水泥：80~120份，粉煤灰：20~40份，矿粉：10~20份，弃渣石粉5~20份，弃渣石屑200~300份，弃渣石子：250~350，膨胀剂：10~25份，减水剂：1.0~3.5份，缓凝剂：0.1~1份，流变助剂：0.01~0.05份，消泡剂：0.001~0.003份，水：50~80份;

所述弃渣石粉的粒径≤0.15mm，其中含泥量≤5%，氯含量≤0.6%，碱含量≤0.6%；

所述弃渣石屑的粒径为0.16～10.00 mm，其中含泥量≤5%，泥块含量≤2%，氯离子含量≤0.6%，碱含量≤0.6%，且无碱骨料反应活性；

所述弃渣石子的粒径为5~20mm，其中10mm以上≥75%，其中含泥量≤5%，泥块含量≤2%，氯离子含量≤0.6%，碱含量≤0.6%，且无碱骨料反应活性；

所述膨胀剂为由鳞片状铝粉与硫铝酸钙、氧化钙、氧化镁中的至少一种组成的混合物，按重量份数计，其中1份膨胀剂中，含有鳞片状铝粉0.0004份；所述鳞片状铝粉的细度≥250目；

所述流变助剂为聚乙烯醇。

2.根据权利要求1所述的一种利用弃渣制备的自密实混凝土，其特征在于：按重量份数计，由如下组份制备而成：

水泥95~105份，粉煤灰20~35份，矿粉 15~20份，弃渣石粉10~20份，弃渣石屑240~280份，弃渣石子 260~300份，膨胀剂10~20份，减水剂2~3份，缓凝剂0.1~0.3份，流变助剂0.01~0.03份，消泡剂0.001~0.002份，水52~60份。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用弃渣制备的自密实混凝土，其特征在于：所述水泥选自28d强度＞42.5MPa的硅酸盐系水泥，且所述硅酸盐系水泥的碱含量＜0.6%，氯离子含量＜0.06%；

所述粉煤灰品质等级为Ⅱ级及以上，7d活性指数≥72%，需水量比≤100%；

所述矿粉品质等级为S75级以上，其活性氧化物含量≥30%，流动度比≤95%。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用弃渣制备的自密实混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸减水剂或奈系减水剂，其中减水率≥25%。

5.根据权利要求1或2所述的一种利用弃渣制备的自密实混凝土，其特征在于：所述缓凝剂为缓释型缓凝剂，所述缓释型缓凝剂选自乳化葡萄糖酸钠、葡萄糖酸钙、木质素磺酸钙中的至少一种。

6.根据权利要求1或2所述的一种利用弃渣制备的自密实混凝土，其特征在于：所述消泡剂选自有机硅类消泡剂，所述有机硅类消泡剂的主要成分为聚醚-硅氧烷共聚物。

7.根据权利要求1或2所述的一种利用弃渣制备的自密实混凝土的应用，其特征在于：将所述的利用弃渣制备的自密实混凝土应用于隧道的混凝土浇注。