CN111320408B - 一种纳米高强喷射混凝土增强剂及其应用 - Google Patents

一种纳米高强喷射混凝土增强剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米高强喷射混凝土增强剂，包含以下原料：减水剂、纤维素纳米纤维、钢纤维和特殊制备的助凝剂。通过优化组分、用量，该产品可有效解决传统混凝土存在的裂缝或孔隙而导致渗漏水的现象，极大地改善混凝土耐腐蚀性差、早期强度低、回弹率大、后期强度增长慢和水化反应不充分等问题，从而显著提高混凝土抗压、抗折、抗冲击及抗渗等各项性能。

Description

一种纳米高强喷射混凝土增强剂及其应用
技术领域
本发明涉及一种纳米高强喷射混凝土增强剂及其应用，属于混凝土外加剂技术领域。
背景技术
喷射混凝土指的是在高压作用下将混凝土或拌合物经管道传输到喷射机的喷嘴处，与水混合后以高速喷射到指定位置并迅速凝结硬化以形成具有支护形式的一种混凝土施工技术。由于其具有施工简易、适应性强、结构密实度高等特点在土建、隧道、桥梁等领域受到广泛应用。
然而在实际应用工程中，喷射混凝土常面临速凝剂腐蚀性强、后期强度降低、易产生收缩裂缝、回弹率大、耐腐蚀性差等问题，这些问题将直接影响到利用该方法施工带来的安全性、经济性等问题。因此，亟需开发一种高效的喷射混凝土增强剂以改善这些缺点。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种纳米高强喷射混凝土增强剂及其应用。该增强剂可有效解决现有技术中的早期强度低、后期强度增长慢、回弹率大、水化反应不充分等问题。
本发明是通过以下技术方案加以实现的：
一种纳米高强喷射混凝土增强剂，包括以下重量份的组分：减水剂50-100份、纤维素纳米纤维100-500份、钢纤维100-400份和助凝剂3-6份，所述助凝剂包含氟硅酸镁、甲酸钙和三异丙醇胺，其重量比为5-20:10-40:10-30。
优选地，纤维素纳米纤维的长度为1-3μm，直径为0.03-0.05μm；钢纤维的长度为20-40mm，直径为0.4-0.6mm。
进一步地，所述纳米高强喷射混凝土增强剂中氟硅酸镁的制备方法如下：
1)首先通过卤水石灰乳法制备氢氧化镁，即向80℃、1mol/L氯化镁溶液中滴加等物质的量的石灰乳，搅拌12h后加入除钙剂进行除钙，然后将制得的乳液过滤、洗涤、干燥得到氢氧化镁粉体；再将氢氧化镁粉末于500-700℃下加热分解得到氧化镁。
2)将钠长石、萤石、98％的硫酸按照1:2:4的质量比混合，并于100-200℃下反应得到含有硫酸钙、硫酸钠和硫酸铝的固体残渣和含有氟化硅的气体生成物；将气体生成物进行水解，得到含有氟硅酸溶液的水解液；然后将该水解液置于反应釜中，向其中加入步骤1)中制得的氧化镁，使氧化镁与氟硅酸溶液反应30-60min，过滤得到氟硅酸镁溶液，浓缩结晶、离心分离并干燥得到六氟硅酸镁晶体。
进一步地，所述纳米高强喷射混凝土增强剂优选包括以下重量份的组分：减水剂60份、纤维素纳米纤维400份、钢纤维300份和助凝剂5份。
进一步地，所述助凝剂中优选氟硅酸镁、甲酸钙和三异丙醇胺的重量比为10:30:20。
进一步地，优选所述纤维素纳米纤维的长度为2μm，直径为0.04μm，长径比为50；钢纤维的长度为30mm，直径为0.5mm，长径比为60。
本发明提供的纳米高强喷射混凝土增强剂，具有以下有益效果：
1)强度大大提高，纤维素纳米纤维和钢纤维具有协同提高混凝土力学强度的作用。在增强剂掺量为5％的条件下，纤维素纳米纤维和钢纤维混合掺杂后的混凝土在28天时强度可达到78.6MPa,远高于掺杂前的喷射混凝土强度。
2)回弹率显著降低，添加增强剂后回弹率可降低到2％以下，粉尘浓度降低43％，节约施工成本。
3)耐腐蚀性增强，在混凝土增强剂中纤维素纳米纤维和钢纤维具有协同增强的抗硫酸盐腐蚀作用，经纤维素纳米纤维和钢纤维混合掺杂后的混凝土耐硫酸盐腐蚀系数为77.6％，抗渗等级为24级。
4)粘结强度增大，可达到2.7MPa，一次喷射厚度可达到0.36m以上。
具体实施方式
本发明旨在提供一种纳米高强喷射混凝土增强剂，包括以下重量份的组分：减水剂50-100份、纤维素纳米纤维100-500份、钢纤维100-400份和助凝剂3-6份。
这里减水剂可以为混凝土领域常用的减水剂，但优选为包砂性好的六碳聚合物超强减水剂。
前述纤维素纳米纤维和钢纤维可以采用本领域常用的各种纤维，优选纤维素纳米纤维的长度为1-3μm，直径为0.03-0.05μm；钢纤维的长度为20-40mm，直径为0.4-0.6mm。
钢纤维与纤维素纳米纤维作为混杂纤维掺入喷射混凝土中既可以提高混凝土的强度、又可以增加韧性；既可以提高抗裂防渗性又具有抗腐蚀性，从而提高喷射混凝土的耐久性。
本发明的助凝剂包含氟硅酸镁、甲酸钙和三异丙醇胺，其重量比为5-20:10-40:10-30。这里氟硅酸镁可通过如下制备方法获得：
1)首先通过卤水石灰乳法制备氢氧化镁，即向80℃、1mol/L氯化镁溶液中滴加等物质的量的石灰乳，搅拌12h后加入除钙剂进行除钙，然后将制得的乳液过滤、洗涤、干燥得到氢氧化镁粉体；再将氢氧化镁粉末于500-700℃下加热分解得到氧化镁。
2)将钠长石、萤石、98％的硫酸按照1:2:4的质量比混合，并于100-200℃下反应得到含有硫酸钙、硫酸钠和硫酸铝的固体残渣和含有氟化硅的气体生成物；将气体生成物进行水解，得到含有氟硅酸溶液的水解液；然后将该水解液置于反应釜中，向其中加入步骤1)中制得的氧化镁，使氧化镁与氟硅酸溶液反应30-60min，过滤得到氟硅酸镁溶液，浓缩结晶、离心分离并干燥得到六氟硅酸镁晶体。
下面结合具体实施例更详细地说明本发明的纳米高强喷射混凝土增强剂。
实施例1
一种纳米高强喷射混凝土增强剂，包括以下重量份的组分：60份聚羧酸减水剂、300份纤维素纳米纤维、400份钢纤维和4份特殊制备的助凝剂。其中减水剂为包砂性好的六碳聚合物超强减水剂，其质量分数为40-42％，为液体。所述纤维素纳米纤维的长度为2μm，直径为0.04μm，长径比为50；钢纤维的长度为30mm，直径为0.5mm，长径比为60。特殊制备的助凝剂包括氟硅酸镁、甲酸钙和三异丙醇胺，其重量比为10:30:20。而氟硅酸镁的制备过程为：1)首先通过卤水石灰乳法制备氢氧化镁，即向80℃、1mol/L氯化镁溶液中滴加等物质的量的石灰乳，搅拌12h后加入除钙剂进行除钙，然后将制得的乳液过滤、洗涤、干燥得到氢氧化镁粉体；再将氢氧化镁粉末于600℃下加热分解得到氧化镁。2)将钠长石、萤石、98％的硫酸按照1:2:4的质量比混合，并于150℃下反应得到含有硫酸钙、硫酸钠和硫酸铝的固体残渣和含有氟化硅的气体生成物；将气体生成物进行水解，得到含有氟硅酸溶液的水解液；然后将该水解液置于反应釜中，向其中加入1)中制得的氧化镁，使氧化镁与氟硅酸溶液反应40min，过滤得到氟硅酸镁溶液，浓缩结晶、离心分离并干燥得到六氟硅酸镁晶体。
纳米高强喷射混凝土增强剂的使用方法如下：将各组分按比例混合，充分混匀后，将其用于喷射混凝土的实施过程，其含量占混凝土用总胶凝材料(胶凝材料指水泥)重量的5％。由此得到的喷射混凝土凝结迅速(初终凝时间分别为2.9min和5.5min)，在24h和28d时抗压强度分别为21MPa和72MPa，且回弹率可低至1.5％。
实施例2
一种纳米高强喷射混凝土增强剂，包括以下重量份的组分：50份聚羧酸减水剂、400份纤维素纳米纤维、300份钢纤维和5份特殊制备的助凝剂。其中减水剂为包砂性好的六碳聚合物超强减水剂，其质量分数为40-42％，为液体。所述纤维素纳米纤维的长度为2μm，直径为0.04μm，长径比为50；钢纤维的长度为30mm，直径为0.5mm，长径比为60。特殊制备的助凝剂包括氟硅酸镁、甲酸钙和三异丙醇胺，其重量比为10:20:15。而氟硅酸镁的制备过程为：1)首先通过卤水石灰乳法制备氢氧化镁，即向80℃、1mol/L氯化镁溶液中滴加等物质的量的石灰乳，搅拌12h后加入除钙剂进行除钙，然后将制得的乳液过滤、洗涤、干燥得到氢氧化镁粉体；再将氢氧化镁粉末于500℃下加热分解得到氧化镁。2)将钠长石、萤石、98％的硫酸按照1:2:4的质量比混合，并于200℃下反应得到含有硫酸钙、硫酸钠和硫酸铝的固体残渣和含有氟化硅的气体生成物；将气体生成物进行水解，得到含有氟硅酸溶液的水解液；然后将该水解液置于反应釜中，向其中加入1)中制得的氧化镁，使氧化镁与氟硅酸溶液反应30-60min，过滤得到氟硅酸镁溶液，浓缩结晶、离心分离并干燥得到六氟硅酸镁晶体。
纳米高强喷射混凝土增强剂的使用方法如下：将各组分按比例混合，充分混匀后，将其用于喷射混凝土的实施过程，其含量占混凝土用总胶凝材料(胶凝材料指水泥)重量的6％。由此得到的喷射混凝土凝结迅速(初终凝时间分别为3.2min和5.8min)，在24h和28d时抗压强度分别为19MPa和76MPa，且回弹率可低至1.9％。
实施例3
一种纳米高强喷射混凝土增强剂，包括以下重量份的组分：60份聚羧酸减水剂、400份纤维素纳米纤维、300份钢纤维和4份特殊制备的助凝剂。其中减水剂为包砂性好的六碳聚合物超强减水剂，其质量分数为40-42％，为液体。所述纤维素纳米纤维的长度为2μm，直径为0.04μm，长径比为50；钢纤维的长度为30mm，直径为0.5mm，长径比为60。特殊制备的助凝剂包括氟硅酸镁、甲酸钙和三异丙醇胺，其重量比为15:20:10。而氟硅酸镁的制备为：1)首先通过卤水石灰乳法制备氢氧化镁，即向80℃、1mol/L氯化镁溶液中滴加等物质的量的石灰乳，搅拌12h后加入除钙剂进行除钙，然后将制得的乳液过滤、洗涤、干燥得到氢氧化镁粉体；再将氢氧化镁粉末于600℃下加热分解得到氧化镁。2)将钠长石、萤石、98％的硫酸按照1:2:4的质量比混合，并于150℃下反应得到含有硫酸钙、硫酸钠和硫酸铝的固体残渣和含有氟化硅的气体生成物；将气体生成物进行水解，得到含有氟硅酸溶液的水解液；然后将该水解液置于反应釜中，向其中加入1)中制得的氧化镁，使氧化镁与氟硅酸溶液反应60min，过滤得到氟硅酸镁溶液，浓缩结晶、离心分离并干燥得到六氟硅酸镁晶体。
纳米高强喷射混凝土增强剂的使用方法如下：将各组分按比例混合，充分混匀后，将其用于喷射混凝土的实施过程，其含量占混凝土用总胶凝材料(胶凝材料指水泥)重量的5％。
对添加有纳米高强超微喷射混凝土增强剂(实施例3)的喷射混凝土进行性能检测，检测内容、检测方法及检测结果如下：
1.速凝性能检测，参照《喷射混凝土用速凝剂》JC477-2005和《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424-2010，检测结果见表1。
表1速凝性能检测结果
Figure BDA0002397011000000061
2.减水性能检测，参照《混凝土外加剂》GB8076-2008、《混凝土外加剂匀质性试验方法》GB8077-2012和《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424-2010，检测结果见表2。
表2减水性能检测结果
Figure BDA0002397011000000062
Figure BDA0002397011000000071
3.耐久性检测，检测结果见表3。
表3耐久性检测结果
Figure BDA0002397011000000072
4.防腐性能检测
参照《混凝土抗硫酸盐类侵蚀防腐剂》JC/T 1011-2006，检测结果见表4。
表4防腐性检测结果
Figure BDA0002397011000000073
Figure BDA0002397011000000081
将纳米高强喷射混凝土增强剂用于喷射混凝土中，具体配比见表5。
表5喷射混凝土配方
Figure BDA0002397011000000082
对上述喷射混凝土进行现场试验与使用有以下明显的特点：
1)早期强度提高。上述喷射混凝土在4h时抗压强度可达2.1MPa以上，24h可高于20MPa，远高于原喷射混凝土的强度(4h和24h时抗压强度分别为1MPa和9MPa)。
2)凝结迅速。上述喷射混凝土其初凝和终凝时间分别为3.1min和5.7min。
3)回弹率降低。相比原喷射混凝土的回弹率(18％左右)，上述喷射混凝土回弹率可控制在2％左右。
4)粘结力增强。经过现场试验喷射混凝土，其粘结力可达2.5MPa以上，一次喷射厚度可达0.4m。原喷射混凝土的粘结力只有0.7MPa。
5)后期强度增长快。在28d时上述喷射混凝土其抗压强度可达到78MPa。
本发明的纳米高强喷射混凝土增强剂的具体使用方法如下：
1)按配方将水泥、砂、碎石、纳米高强喷射混凝土增强剂和水投入强制式拌合机中，搅拌均匀后使用砼罐车运输至工作面，然后放入喷射台车的料机斗中并压送到喷头处。
2)1)中的原料在喷头处与速凝剂均匀混合，然后以高速喷射到岩壁上并迅速凝结。其中，喷射过程采用“自下而上，由外至里”的喷射顺序进行。
3)进行数据采集、计算、分析。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种纳米高强喷射混凝土增强剂，其特征在于，包括以下重量份的组分：减水剂50-100份、纤维素纳米纤维100-500份、钢纤维100-400份和助凝剂3-6份；所述纤维素纳米纤维的长度为2μm，直径为0.04μm，长径比为50；钢纤维的长度为30mm，直径为0.5mm，长径比为60；所述助凝剂包含氟硅酸镁、甲酸钙和三异丙醇胺，其重量比为10:30:20。
2.根据权利要求1所述的纳米高强喷射混凝土增强剂，其特征在于，所述氟硅酸镁的制备方法如下：
1)首先通过卤水石灰乳法制备氢氧化镁，即向80℃、1mol/L氯化镁溶液中滴加等物质的量的石灰乳，搅拌12h后加入除钙剂进行除钙，然后将制得的乳液过滤、洗涤、干燥得到氢氧化镁粉体；再将氢氧化镁粉末于500-700℃下加热分解得到氧化镁；
2)将钠长石、萤石、98％的硫酸按照1:2:4的质量比混合，并于100-200℃下反应得到含有硫酸钙、硫酸钠和硫酸铝的固体残渣和含有氟化硅的气体生成物；将气体生成物进行水解，得到含有氟硅酸溶液的水解液；然后将该水解液置于反应釜中，向其中加入步骤1)中制得的氧化镁，使氧化镁与氟硅酸溶液反应30-60min，过滤得到氟硅酸镁溶液，浓缩结晶、离心分离并干燥得到六氟硅酸镁晶体。
3.根据权利要求1所述的纳米高强喷射混凝土增强剂，其特征在于，所述减水剂为包砂性好的六碳聚合物超强液态减水剂。
4.根据权利要求1所述的纳米高强喷射混凝土增强剂，其特征在于，包含以下重量份的组分：减水剂60份、纤维素纳米纤维400份、钢纤维300份和助凝剂5份。
5.一种纳米高强喷射混凝土增强剂的应用，将前述权利要求1-4任意一项所述的纳米高强喷射混凝土增强剂用于混凝土中，所述纳米高强喷射混凝土增强剂重量占混凝土用总胶凝材料重量的2-6％。
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Applicant after: Tianjin rumijiye New Material Co.,Ltd.

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Applicant before: Zhongke Rumi (Beijing) Ecological Agriculture Technology Development Co.,Ltd.

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