CN109678434A - 一种高柔性混凝土支护加固材料及其制备方法 - Google Patents

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陈新明
韩晓龙
焦华喆
李国栋
付玉军
张明建
靳翔飞
史玉良
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    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
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Abstract

本发明涉及一种高柔性混凝土支护加固材料，所述的高柔性混凝土支护加固材料由下列重量比物质构成：普通硅酸盐水泥：水：细骨料：粗骨料：外加剂：玄武岩纤维=440：260：880：880：17.6：3，其中聚合物掺量为普通硅酸盐水泥用量的20％～25％，六偏磷酸钠和消泡剂的掺量为聚合物用量的0.1％～0.3％。其制备方法包括原料预处理及混料等两个步骤。本发明施工方便、成本低廉、耐化学腐蚀等优点，且可以有效地降低裂缝尖端的应力集中程度，抑制裂缝的进一步发展，同时具有优良粘聚力、柔韧性和成膜性，并可对水泥水化物与骨料及水泥水化物与纤维之间空隙进行有效填补，进一步减少了水泥水化硬化产生的微裂纹，同时提升了复合材料的柔韧性。

Description

一种高柔性混凝土支护加固材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及采矿工程领域以及隧道、地铁等地下工程领域，具体涉及一种高柔性喷射混凝土支护加固材料。
背景技术
在采矿工程或其他地下工程中，对具有松软，膨胀，流变，高应力等特点的复杂岩层或其他动压巷道的支护体系的维护是经常遇到的难题。近年来普遍采用的喷射混凝土，是利用喷射方法施工的混凝土。喷射在巷道表面的混凝土必须很快失去流动性，否则就会因流动而脱落，所以必须向喷射混凝土中添加“速凝剂”。故而现在国内喷射混凝土的基本配方都是水泥，砂，石子和速凝剂。但由于速凝剂具有强碱性，在起到速凝作用的同时，严重影响了喷射混凝土的后期抗压强度和抗折强度，导致其柔性很小，通常呈脆性破坏。因而在很小的拉伸或压缩变形条件下就发生开裂，以致在巷道围岩变形稍大的情况下支护3～5天后喷层就发生开裂，掉块，从而失去封闭围岩、支护体系的作用。并且在施工操作时，普通喷射混凝土的喷射回弹率高，喷射反弹惯性大，不仅造成施工过程中混凝土材料的浪费，而且容易对施工人员造成伤害。因此一种高强、高性能、良好耐久性及韧性的加固材料成为当今主要发展趋势。
发明内容
本发明目的就在于克服上述不足，提供一种高柔性混凝土支护加固材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高柔性混凝土支护加固材料，由下列重量比物质构成：普通硅酸盐水泥：水：细骨料：粗骨料：外加剂：玄武岩纤维=440：260：880：880：17.6：3，其中聚合物掺量为普通硅酸盐水泥用量的20％～25％，六偏磷酸钠和消泡剂的掺量为聚合物用量的0.1％～0.3％。
进一步的，所述普通硅酸盐水泥强度等级为42.5级以上，其勃氏比表面积>350m2/kg。
进一步的，所述粗骨料为钙质碎石，其最大粒径5—20mm；细骨料机制砂，其细度模数3.0，粒径0.01～3mm。
进一步的，所述外加剂为甲酸钙，其溶于水，水溶液呈中性。
进一步的，所述聚合物乳液为丙烯酸酯乳液、乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液、氯丁胶乳和聚乙烯醇乳液中的至少一种；所述消泡剂为乳化硅油消泡剂。
进一步的，所述玄武岩纤维同属于硅酸盐类材料，密度2650kg/m3，弹性模量10000～11000kg/m2，拉伸强度4150～4800/MPa。
进一步的，所述玄武岩纤维长度为18mm。
一种高柔性混凝土支护加固材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，原料预处理，一方面将玄武岩纤维浸泡在聚合物乳液中30分钟后备用；另一方面将普通硅酸盐水泥、钙质碎石、机制砂、甲酸钙和六偏磷酸钠搅拌均匀后备用；
第二步，混料，将第一步得到的两类混合物一同添加到水中并搅拌均匀，且搅拌时间不低于5分钟，然后将消泡剂添加到混合物中，并以30—100转/分钟的转速匀速搅拌至少1分钟，即可得到成品高柔性混凝土支护加固材料。
进一步的，所述第一步和第二步中进行物料搅拌时，均采用机械搅拌和超声波振荡搅拌同步进行。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）玄武岩纤维具有施工方便 、成本低廉、耐化学腐蚀等优点，将其作为增强材料掺入水泥砂浆中，可以有效地降低裂缝尖端的应力集中程度，抑制裂缝的进一步发展。玄武岩纤维在喷射混凝土中起到了增韧阻裂的作用；
（2）聚合物乳液的掺入改善了玄武岩纤维与基体之间的界面粘结, 增强了掺纤维砂浆的长期力学性能；
（3）聚合物具有优良粘聚力、柔韧性和成膜性。聚合物乳液均匀分散于水泥砂浆体系中，随着水泥水化过程的不断进行及水分的不断蒸发，体系中的水分不断减少，乳液颗粒形成絮凝，并逐渐在毛细孔表面和浆体-集料界面的局部形成聚合物薄膜，这些“薄膜”的相对强度和抗拉韧性较高，分布于水泥水化物与骨料及水泥水化物与纤维之间，填补了结构的微孔隙，减少了水泥水化硬化产生的微裂纹，同时提升了复合材料的柔韧性；
（4）较传统的加固材料另具有良好的抗腐蚀、抗冲击能力，同时在确保结构强度和物理机化学性能稳定的同时，有效的降低了密度，减轻了材料自重，极大提高了施工和转运的便捷性、灵活性，并有助于降低施工劳动强度及成本。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图；
图2为本发明生产流程结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1和2所示，一种高柔性混凝土支护加固材料，由下列重量比物质构成：普通硅酸盐水泥：水：细骨料：粗骨料：外加剂：玄武岩纤维=440：260：880：880：17.6：3，其中聚合物掺量88，六偏磷酸钠和消泡剂的掺量为0.088。
本实施例中，所述普通硅酸盐水泥强度等级为42.5级以上，其勃氏比表面积>350m2/kg。
本实施例中，所述粗骨料为钙质碎石，其最大粒径5—10mm；细骨料为机制砂，其细度模数3.0，粒径0.01～3mm。
本实施例中，所述外加剂为甲酸钙，其溶于水，水溶液呈中性。
本实施例中，所述聚合物乳液为丙烯酸酯乳液、乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液、氯丁胶乳中和聚乙烯醇乳液的至少一种；所述消泡剂为乳化硅油消泡剂。
本实施例中，所述玄武岩纤维同属于硅酸盐类材料，密度2650kg/m3，弹性模量10000～11000kg/m2，拉伸强度3300～4500/MPa。
本实施例中，所述玄武岩纤维长度为18mm。
本实施例中，所述的高柔性混凝土支护加固材料的制备方法包括以下步骤：
第一步，原料预处理，一方面将玄武岩纤维浸泡在聚合物乳液中30分钟后备用；另一方面将普通硅酸盐水泥、钙质碎石、机制砂、甲酸钙和六偏磷酸钠搅拌均匀后备用；
第二步，混料，将第一步得到的两类混合物一同添加到水中并搅拌均匀，且搅拌时间不低于5分钟，然后将消泡剂添加到混合物中，并以30—100转/分钟的转速匀速搅拌至少1分钟，即可得到成品高柔性混凝土支护加固材料。
本实施例中，所述第一步和第二步中进行物料搅拌时，均采用机械搅拌和超声波振荡搅拌同步进行。
实施例2
如图1和2所示，一种高柔性混凝土支护加固材料，由下列重量比物质构成：普通硅酸盐水泥：水：细骨料：粗骨料：外加剂：玄武岩纤维=440：260：880：880：17.6：3，其中聚合物掺量110，六偏磷酸钠和消泡剂的掺量为0.11。
本实施例中，所述普通硅酸盐水泥强度等级为42.5级以上，其勃氏比表面积>350m2/kg。
本实施例中，所述粗骨料为钙质碎石，其最大粒径5—10mm；细骨料为机制砂，其细度模数3.0，粒径0.01～3mm。
本实施例中，所述外加剂为甲酸钙，其溶于水，水溶液呈中性。
本实施例中，所述聚合物乳液为丙烯酸酯乳液、乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液、氯丁胶乳中和聚乙烯醇乳液的至少一种；所述消泡剂为乳化硅油消泡剂。
本实施例中，所述玄武岩纤维同属于硅酸盐类材料，密度2650kg/m3，弹性模量10000～11000kg/m2，拉伸强度3300～4500/MPa。
本实施例中，所述玄武岩纤维长度为18mm。
本实施例中，所述的高柔性混凝土支护加固材料的制备方法包括以下步骤：
第一步，原料预处理，一方面将玄武岩纤维浸泡在聚合物乳液中30分钟后备用；另一方面将普通硅酸盐水泥、钙质碎石、机制砂、甲酸钙和六偏磷酸钠搅拌均匀后备用；
第二步，混料，将第一步得到的两类混合物一同添加到水中并搅拌均匀，且搅拌时间不低于5分钟，然后将消泡剂添加到混合物中，并以30—100转/分钟的转速匀速搅拌至少1分钟，即可得到成品高柔性混凝土支护加固材料。
本实施例中，所述第一步和第二步中进行物料搅拌时，均采用机械搅拌和超声波振荡搅拌同步进行。
根据上述配料，玄武岩纤维掺入到混凝土中可以有效阻止混凝土塑性期裂缝的产生。玄武岩纤维掺加到混凝土后，均匀散布在体系中，呈乱向分布状态，可以起到支撑集料的作用，抑制了混凝土的离析现象。同时玄武岩纤维也降低了混凝土表面的析水现象，有效阻止了由于混凝土表面迅速失水造成的塑性期较大体积收缩，从而抑制塑性期混凝土表面出现大量裂缝。
根据上述配料，由于玄武岩纤维增强混凝土中纤维与水泥石界面粘结性能较差，导致纤维增强效果不能完全发挥。另外，纤维增强混凝土的孔隙率增大，导致其耐久性变差，为此，可采用一定掺量的聚合物乳液对水泥基材料改性，以发挥聚合物调节水泥浆体微观结构、减小应力集中程度、改善玄武岩纤维-水泥石界面层粘结性能的特点，同时采用玄武岩纤维对聚合物水泥基材料进行增强、增韧。
根据上述配料，聚合物所具有的官能团与水泥水化产物发生化学作用，通过离子键或配位键相结合，除此之外，聚合物部分原子和分子与无机化合物之间也可通过氢键、范德华键相互作用，从而增加有机物与无机物的界面结合力。随着水泥水化吸收水分，失水后的聚合物颗粒逐渐聚集形成三维空间连续的网状聚合物薄膜结构。这些“薄膜”的相对强度和抗拉韧性较高，分布于水泥水化物与骨料及水泥水化物与纤维之间，填补了结构的微孔隙，减少了水泥水化硬化产生的微裂纹，同时提升了复合材料的柔韧性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）玄武岩纤维具有施工方便 、成本低廉、耐化学腐蚀等优点，将其作为增强材料掺入水泥砂浆中，可以有效地降低裂缝尖端的应力集中程度，抑制裂缝的进一步发展。玄武岩纤维在喷射混凝土中起到了增韧阻裂的作用；
（2）聚合物乳液的掺入改善了玄武岩纤维与基体之间的界面粘结, 增强了掺纤维砂浆的长期力学性能；
（3）聚合物具有优良粘聚力、柔韧性和成膜性。聚合物乳液均匀分散于水泥砂浆体系中，随着水泥水化过程的不断进行及水分的不断蒸发，体系中的水分不断减少，乳液颗粒形成絮凝，并逐渐在毛细孔表面和浆体-集料界面的局部形成聚合物薄膜，这些“薄膜”的相对强度和抗拉韧性较高，分布于水泥水化物与骨料及水泥水化物与纤维之间，填补了结构的微空隙，减少了水泥水化硬化产生的微裂纹，同时提升了复合材料的柔韧性；
（4）较传统的加固材料另具有良好的抗腐蚀、抗冲击能力，同时在确保结构强度和物理机化学性能稳定的同时，有效的降低了密度，减轻了材料自重，极大提高了施工和转运的便捷性、灵活性，并有助于降低施工劳动强度及成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种高柔性混凝土支护加固材料，其特征在于：所述的高柔性混凝土支护加固材料由下列重量比物质构成：普通硅酸盐水泥：水：细骨料：粗骨料：外加剂：玄武岩纤维=440：260：880：880：17.6：3，其中聚合物掺量为普通硅酸盐水泥用量的20％～25％，六偏磷酸钠和消泡剂的掺量为聚合物用量的0.1％～0.3％。
2.根据权利要求1所述的一种高柔性混凝土支护加固材料，其特征在于：所述普通硅酸盐水泥强度等级为42.5级以上，其勃氏比表面积>350m2/kg。
3.根据权利要求1所述的一种高柔性混凝土支护加固材料，其特征在于：所述粗骨料为钙质碎石，其最大粒径5—10mm；细骨料为机制砂，其细度模数3.0，粒径0.01～3mm。
4.根据权利要求1所述的一种高柔性混凝土支护加固材料，其特征在于：所述外加剂为甲酸钙，其溶于水，水溶液呈中性。
5.根据权利要求1所述的一种高柔性混凝土支护加固材料，其特征在于：所述聚合物乳液为丙烯酸酯乳液、乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液、氯丁胶乳中和聚乙烯醇乳液的至少一种；所述消泡剂为乳化硅油消泡剂。
6.根据权利要求1所述的一种高柔性混凝土支护加固材料，其特征在于：所述玄武岩纤维同属于硅酸盐类材料，密度2650kg/m3，弹性模量10000～11000kg/m2，拉伸强度3300～4500/MPa。
7.根据权利要求1或5所述的一种高柔性混凝土支护加固材料，其特征在于：所述玄武岩纤维长度为18mm。
8.一种高柔性混凝土支护加固材料的制备方法，其特征在于：所述的高柔性混凝土支护加固材料的制备方法包括以下步骤：
第一步，原料预处理，一方面将玄武岩纤维浸泡在聚合物乳液中30分钟后备用；另一方面将普通硅酸盐水泥、钙质碎石、机制砂、甲酸钙和六偏磷酸钠搅拌均匀后备用；
第二步，混料，将第一步得到的两类混合物一同添加到水中并搅拌均匀，且搅拌时间不低于5分钟，然后将消泡剂添加到混合物中，并以30—100转/分钟的转速匀速搅拌至少1分钟，即可得到成品高柔性混凝土支护加固材料。
9.根据权利要求8所述的一种高柔性混凝土支护加固材料的制备方法，其特征在于：所述第一步和第二步中进行物料搅拌时，均采用机械搅拌和超声波振荡搅拌同步进行。
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