CN109626912B - 一种用于盾构施工的地下工程混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于盾构施工的地下工程混凝土及其制备方法和应用，所述地下工程混凝土包括活性减水剂和复合干体；所述活性减水剂包括水玻璃溶液、纯强碱和水，所述水玻璃溶液占活性减水剂总质量的40%~60%，所述纯强碱与水玻璃溶液的质量比为20%~40%；所述复合干体包括砂26%~28%，石50%~52%，余量为凝胶材料；所述凝胶材料包括矿粉60%~80%，粉煤灰0%~15%，硅酸盐水泥5%~20%，硅灰8%~10%，沸石粉0%~10%；所述活性减水剂与凝胶材料的质量比为0.4~0.6。本发明提供的地下工程混凝土，具有突出的力学性能，流动性高，早强高强，收缩小，抗渗性高，抗酸碱腐蚀性高，完全适合盾构施工中对管片下空隙的加固填充要求，且成本低，绿色环保。

Description

一种用于盾构施工的地下工程混凝土及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，更具体地，涉及一种用于盾构施工的地下工程混凝土及其制备方法和应用。

背景技术

我国进入21世纪以来地下空间发展迅速，特别是最近两年的城市地下综合管廊、城市轨道交通、长江经济带、珠三角经济区等战略规划，为我国隧道及地下工程领域技术发展带来了前所未有的契机。截至2015年底，全国在建铁路隧道总长8692km；规划隧道总长9345km；运营隧道总长13038km。2015年新增开通运营铁路隧道总长2160km，包括10km以上隧道18座，总长245km。相比2013年，新增铁路运营隧道总长4099km。公路隧道已建成3079km，地铁隧道方面全国总里程3000多千米。截止2017年全国已有43个城市获批修建地铁，规划总里程达12000km。平均每年就至少规划修建6千多公里，随着越来越多的城市在进行地铁或其他地下工程项目的申报，地下空间的开发将逐渐成为整个城市前进的动力。而隧道施工最主流的施工技术是盾构暗挖法。

对于盾构法施工，每凿进一段距离，为了给周围土层足够的支护，就要进行及时的管片安装。但是地下土性随着土层的含水率，土颗粒的颗粒直径等因素变化而变化。工程中常常会发现有渗水，土体流动，管片加固效果不佳等现象，这直接会导致工程质量的下降。所以子管片安装之前需要对周围的土体进行加固，基本加固步骤是钻头向前钻进一段距离，盾构机钻头后的混凝土管道利用高压向后方土体进行混凝土，这种混凝土要求能够改善裸露土体的工程性质，防止渗水，土体流动等问题，所以要求混凝土具备早强，抗渗等功能。在盾构工程中常用的混凝土制备有以硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥为基底添加外加剂达到早强目的。例如，发明专利CN105622006B《一种低温早强高强型水下灌浆料》公开了一种主要利用聚羧酸早强性活性减水剂，复合早强剂和抗分散化合物配制成的早强混凝土，其中聚羧酸早强活性减水剂在其中主要起分散助磨作用，此活性减水剂对硅酸盐水泥的效果尚佳，复合早强剂主要是利用调整反应体系生成物的浓度促使水化硅酸钙胶体的生成，而抗分散剂则有利于其在浸润环境中混凝土的凝聚性。发明专利CN105198330B《一种环保超早强支座抢修灌浆材料及制备方法》以硫铝酸盐水泥为基底，通过掺入草木灰、聚乙烯、电石渣、盐酸苯丙醇可以促进水泥早期的强化速度，利用引气剂和活性减水剂提高其流动性。但现在专利所存在的不足之处在于成本高，未能兼顾抗冲击，抗酸碱腐蚀，抗渗等性能。因此，寻求一种更高性能，更经济的混凝土材料迫在眉睫。经检索，目前未见以碱激发胶凝材料为基础的，满足盾构施工混凝土要求的相关文献公开。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种用于盾构施工的地下工程混凝土，提供的地下工程混凝土，具有突出的力学性能，流动性高，早强高强，收缩小，抗渗性高，抗酸碱腐蚀性高，完全适合盾构施工中对管片下空隙的加固填充要求，且成本低，绿色环保。

本发明的另一目的在于提供上述地下工程混凝土的制备方法。

本发明的还一目的在于提供上述地下工程混凝土在加固裸露土层中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于盾构施工的地下工程混凝土，包括活性减水剂和复合干体；所述活性减水剂包括水玻璃溶液、纯强碱和水，所述水玻璃溶液占活性减水剂总质量的40％～60％，所述纯强碱与水玻璃溶液的质量比为20％～40％；所述复合干体包括如下质量分数的组分：砂26％～28％，石50％～52％，余量为凝胶材料；所述凝胶材料包括如下质量分数的组分：矿粉60％～80％，粉煤灰0％～15％，硅酸盐水泥5％～20％，硅灰8％～10％，沸石粉0％～10％；所述活性减水剂与凝胶材料的质量比为0.4～0.6。

本发明提供以矿粉为基础胶凝材料，加入水泥，硅灰来调节材料里面铝硅钙的比例，再配制适当浓度的活性减水剂，促使他们在合适的反应体系中尽快生成高强，抗反复荷载，抗酸碱腐蚀，抗冲击的高聚物凝胶。其机理在于高活性胶凝材料在强碱的环境下活性材料会先发生解聚，在水介质中通过氢氧键重新聚合成高聚物而行程性能较高的凝胶体材料。

本发明主要利用矿粉，水泥和硅灰配制出高流动性，早强高强，收缩小，抗渗性高，抗酸碱腐蚀性高的高性能混凝土。完全适合盾构施工中对管片下空隙的加固填充要求，大大提高了盾构工程的管片安装的质量，提高施工安全指数，并且能用于路面修补工程和军事应急工程的应用，为各城市生命线的维护提供了一款全新的高性能产品。与目前主流的混凝土相比，本发明的早强性能是其10倍以上，且省去高温高压养护的条件，进一步节约了成本；与其他早强混凝土相比，本发明通过掺入少量的水泥或粉煤灰调节其收缩，大大减小了混凝土的收缩性，并且早期强度高于90％的目前普遍的早强混凝土；再者，本发明极大地控制了水泥的使用，减少了水泥生产的高能耗，重污染的情况，是一种新型低碳高性能混凝土。本发明的突出力学性能在于，最优配比的6h抗压强度>40MPa、抗折强度>7MPa，28d强度>80MPa，抗折强度>11MPa。此外，本发明还提供的UE混凝土及其制备方法具有广阔工程应用前景。

本发明中，UE混凝土是指地下工程混凝土。

优选地，所述水玻璃溶液的度数为1.0～2.0。

更优选地，所述水玻璃溶液的度数为1.2。

优选地，所述活性减水剂与凝胶材料的质量比为0.45～0.5。

优选地，所述凝胶材料包括矿粉60％，粉煤灰0％，硅酸盐水泥20％，硅灰10％，沸石粉10％。

所述矿粉可以为s95级矿粉。所述粉煤灰可以为C类II级粉煤灰。所述硅酸盐水泥可以为P.O 52.5水泥。

所述砂可以为细度度数2.7的中砂。所述石可以为直径5～10mm的细石。

优选地，所述活性减水剂的温度为60～80℃。

优选地，所述活性减水剂的温度为70℃。

本发明同时保护上述地下工程混凝土的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1.配制纯强碱水溶液，再与水玻璃溶液互溶，得到活性减水剂；

S2.将砂、石和凝胶材料混合均匀，得到复合干体；

S3.将活性减水剂与复合干体混合均匀，得到所述地下工程混凝土。

接着，将混凝土注入模具在常温条件下养护至脱模，得到混凝土试件；在常温下浇水养护。

本发明还保护上述地下工程混凝土在加固裸露土层中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的地下工程混凝土，具有突出的力学性能，流动性高，早强高强，收缩小，抗渗性高，抗酸碱腐蚀性高，完全适合盾构施工中对管片下空隙的加固填充要求，且成本低，绿色环保。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例中的原料均可通过市售得到；

除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

探究水玻璃溶液度数对UE混凝土力学性能的影响，通过计算后，将度数n为3.1-3.3的澄清水玻璃与纯强碱分别按一定比例混合，得到相应度数的水玻璃溶液(见表2),在不同的水玻璃度数下得到各龄期抗压强度值如表1所示。

表1不同的水玻璃度数下得到各龄期抗压强度值

由表1可看出，水玻璃的度数是影响UE混凝土力学性能的一个重要因素。度数在1.0～2.0之间的水玻璃制备的胶凝材料强度差别不大，表现出明显高于度数超过2.0的水玻璃制备的胶凝材料的强度，其中当水玻璃度数在n＝1.2时，混凝土试件的6h、12h和3d抗压强度可以达到44.7,60.6,72.1MPa，各龄期强度最高。

实施例2

复合胶凝材料配合比对UE混凝土性能的影响。

在保证工作性能的基础上，固定液胶比，活性减水剂掺量，改变矿粉、粉煤灰、水泥、硅灰、钙沸石粉的比值，通过搅拌机搅拌2分钟后倒进100*100*100mm³的立方体模具中，振动棒振捣，在常温常压下养护，振动棒振捣，在常温常压下养护，常温养护至脱模后得到立方体试件，在相应的龄期对混凝土试件进行强度测试，结果如表2所示。

表2不同复合胶凝材料配合比对UE混凝土性能的影响

矿粉	粉煤灰	水泥	硅灰	钙沸石粉	6小时强度(MPa)
						0.6	0.1	0.1	0.1	0.1	45.2
0.6	0	0.2	0.1	0.1	50.3
						0.5	0	0.2	0.15	0.05	51.5

实施例3

碱掺量对UE混凝土性能的影响。

通过固定水玻璃度数，复合粉体比例，液胶比，改变活性减水剂中碱掺量对早期强度的影响，通过搅拌机搅拌2分钟后倒进100*100*100mm³的立方体模具中，在常温常压下养护，振动棒振捣，在常温常压下养护，常温养护至脱模后得到立方体试件，在相应的龄期对混凝土试件进行强度测试，结果如表3所示。

表3不同碱掺量对UE混凝土性能的影响

碱掺量	6小时强度(MPa)
		0.7	54.8
0.75	59.1
		0.8	34.6

实施例4

液胶比掺入量对UE混凝土性能的影响

固定水玻璃度数，复合粉体比例，活性减水剂掺量，改变液胶比的掺量，通过搅拌机搅拌2分钟后倒进100*100*100mm³的立方体模具中，振动棒振捣，在常温常压下养护，常温养护至脱模后得到立方体试件，在相应的龄期对混凝土试件进行强度测试，结果如表4所示。

表4不同液胶比对UE混凝土性能的影响

液胶比	6小时强度(MPa)
		0.45	57.5
0.5	59.1
		0.55	20.5

实施例5

活性减水剂温度对UE混凝土性能的影响。

固定水玻璃度数，复合粉体比例，活性减水剂掺量，液胶比的基础上，记录配制活性减水剂的加入温度随时间变化的曲线，通过搅拌机搅拌2分钟后倒进100*100*100mm³的立方体模具中，振动棒振捣，在常温常压下养护，常温养护6h至脱模后得到立方体试件，对混凝土试件进行强度测试，结果如表5所示。

表5不同活性减水剂温度对UE混凝土性能的影响

温度(摄氏度)	6小时强度(MPa)
		80	55.1
70	60.0
		60	53.2

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于盾构施工的地下工程混凝土，其特征在于，包括活性减水剂和复合干体；

所述活性减水剂包括水玻璃溶液、纯强碱和水，所述水玻璃溶液占活性减水剂总质量的40%~60%，所述纯强碱与水玻璃溶液的质量比为20%~40%；所述复合干体包括如下质量分数的组分：砂26%~28%，石50%~52%，余量为凝胶材料；

所述凝胶材料包括如下质量分数的组分：矿粉60%~80%，粉煤灰0%~15%，硅酸盐水泥5%~20%，硅灰8%~10%，沸石粉0%~10%；所述水玻璃溶液的度数为1.0~2.0；所述活性减水剂的温度为60~80℃；所述活性减水剂与凝胶材料的质量比为0.45~0.5；所述地下工程混凝土应用在加固裸露土层中。

2.根据权利要求1所述用于盾构施工的地下工程混凝土，其特征在于，所述水玻璃溶液的度数为1.2。

3.根据权利要求1所述用于盾构施工的地下工程混凝土，其特征在于，所述凝胶材料包括矿粉60%，粉煤灰0%，硅酸盐水泥20%，硅灰10%，沸石粉10%。

4.根据权利要求1所述用于盾构施工的地下工程混凝土，其特征在于，所述活性减水剂的温度为70℃。

5.权利要求1~4任一项所述用于盾构施工的地下工程混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.配制纯强碱水溶液，再与水玻璃溶液互溶，得到活性减水剂；

S2.将砂、石和凝胶材料混合均匀，得到复合干体；

S3.将活性减水剂与复合干体混合均匀，得到所述地下工程混凝土。

6.权利要求1~4任一项所述用于盾构施工的地下工程混凝土在加固裸露土层中的应用。