CN112159171A - 一种用于盾构管片的早强密实混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于盾构管片的早强密实混凝土及其制备方法，其特征在于，按重量份计，包括如下原料：普通硅酸盐水泥100～130份，复合浆状矿物掺合料60～80份，砂220～250份，碎石340～380份，减水剂0.5～1.5份，水48～63份，消泡剂0.5～1份；匀化剂0.24～0.64份。制成该盾构管片的混凝土的流动性好，密实度高，抗渗性能优异等特点。管片的早期强度显著提高，抗渗抗裂能力强，缩短了蒸养时间，改善混凝土的外观情况，保证了盾构管片的工作性能。

Description

一种用于盾构管片的早强密实混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于高性能混凝土领域，具体涉及一种用于盾构管片的早强密实混凝土及其制备方法。
背景技术
随着城市化进程和规模的不断发展与壮大。我国的各大城市相继开始发展完善地铁和地下空间以及改造城市水利系统。其中盾构法施工技术以其机械化程度高，施工速度快，对环境影响小及技术成熟等优势已经广泛运用于地下隧道建设。预制盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道最外层的永久衬砌结构，承担着抵抗土层压力，地下水压力以及一些特殊荷载的作用。
预制盾构管片作为隧道结构的主体，直接关系到隧道的整体质量，影响隧道的承载力，防水性能和耐久性。预制盾构管片主要分为钢管片和钢筋混凝土管片，其中钢筋混凝土管片应用最广泛。但它也有一些显著的缺点不足：盾构管片中配筋率高，混凝土的坍落度和扩展度不够或短时间损失较大。导致流动性偏低，在钢筋密集的模板内无法均匀密实；盾构管片混凝土的凝结时间长，强度提高较慢，为提高模具周转速度需要蒸汽养护，加速水化反应提高早期强度，耗时耗力；混凝土用量大，管片自重大。振捣条件差。无法达到自密实状态；钢筋混凝土管片多采用C50以上的高强度混凝土，混凝土脆性大，韧性差，管片运输安装过程中边缘，接缝处容易破损，影响其耐久性；管片生产采用蒸养技术，若发生缓凝现象，管片表面就会起鼓，酥松和起泡现象，严重影响管片质量和外观。
公开号为CN 108529988A的专利申请公开了一种盾构管片用抗渗混凝土及其制备方法，以普通硅酸盐水泥400～420份、矿物掺合料100～120份、砂540～580份、5～25mm碎石770～790份、外加剂3～4.8份、碳纤维110～120份、减水剂8～9.2份、水140～150份。利用该种混凝土制成的盾构管片的抗渗性强，保证了隧道的防水性能及承载性能。但它无法达到很好的早强的效果，且钢纤维价值高，导致构件的造价偏高。
公开号为CN 109250975A的专利申请公开了一种盾构管片混凝土配方及配制工艺，以质量分数为15％～25％的高强水泥，细度模数为2.5～2.8的粗砂，质量分数为17％～25％。细砂的质量分数为2.55％～7.5％。石子质量分数为40％～48％，水的质量分数为5％～10％。聚羧酸减水剂质量分数为0.5％～2％，消泡剂质量分数0.5％～1％。通过砂子，水泥，水及添加剂、石子、不锈钢纤维的添加顺序，使得混凝土配料之间相互填充，在粒径配比上减少了气泡产生的可能；利用该种混凝土制成的盾构管片成型后气泡少，密实，抗渗性强，强度大。但其流动性差，无法满足正常施工的要求且早期强度低。
公开号为CN 106830737A的专利申请公开了一种减水型免蒸养盾构管片混凝土专用掺合料，以粉煤灰微珠50～100份，硅灰5～30份，早强剂1～10份，消泡剂0.1～2份。利用该种掺合料制成的混凝土盾构管片有一定的减水作用，能够显著提高盾构管片混凝土正常养护条件下早期强度，减少脱模时间，降低盾构管片混凝土粘度，改善管片表面气泡情况。化学早强剂价格偏高，且无法预知是否有不利效果。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种用于盾构管片的早强密实混凝土，利用该种混凝土制成的盾构管片的流动性好，密实度高，早期强度大，抗渗抗裂能力强等优点，缩短了蒸养时间改善混凝土的外观情况，保证了盾构管片的工作性能。
本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种用于盾构管片的早强密实混凝土，其特征在于，按重量份计，包括如下原料：普通硅酸盐水泥100～130份，复合浆状矿物掺合料60～80份，砂220～250份，碎石340～380份，减水剂0.5～1.5份，水48～63份，消泡剂0.5～1份；匀化剂0.24～0.64份。
所述复合浆状矿物掺合料的制备过程如下：首先将粉煤灰粉、高炉矿渣粉、水按质量比1：2：17混合搅拌配制浆料A，将浆料A泵入立式搅拌球磨机中研磨得到中值粒径在0.3～0.5μm的浆料B；然后取粉煤灰粉、浆料B和匀化剂，按质量比11:20：(0.08～0.16)混合搅拌，配制成复合浆状矿物掺合料。
所述粉煤灰粉的中值粒径为10～20μm之间，其中球状颗粒百分数在90％以上，且通过45μm筛筛余不大于12％；
所述匀化剂为乙二胺基乙磺酸钠或N,N一二(2-羟乙基)-2-氨基乙磺酸钠中的一种或两种。
所述砂由河砂和机制砂按质量比1:1组成，其中机制砂的级配如下：颗粒>4.75mm的最大粒径的质量分数为3.8％，粒径为1.18mm～4.75mm的质量分数为21.2％，粒径为0.15mm～1.18mm的质量分数62.5％，粒径<0.15mm的质量分数12.5％，河砂的平均粒径为2.3mm。
所述碎石的级配如下：颗粒的粒径>25mm的质量分数为1.3％，粒径为16mm～25mm的质量分数为38.7％，粒径为4.75mm～16mm的质量分数为52.5％，粒径<4.75mm的质量分数7.5％。
所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，HSB脂肪族高效减水剂或萘系高效减水剂其中的一种。
所述消泡剂为苯基硅油，它可以破坏物料在搅拌过程中产生的气泡，并减少表面张力抑制气泡的产生。
一种用于盾构管片的早强密实混凝土的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、取普通硅酸盐水泥100～130份，复合浆状矿物掺合料60～80份，水48～63份，减水剂0.5～1.5份，置于搅拌装置中，以低速62r/min的转速充分搅拌30s后呈均匀的浆体状，即得到混凝土胶凝材料；
步骤2、在混凝土胶凝材料中依次加入砂220～250份和碎石340～380份和消泡剂0.5～1份在搅拌装置中，以低速62r/min的转速继续充分搅拌90s后，再以高速125r/min的转速搅拌2min后，即得到一种用于盾构管片的早强密实混凝土。
本发明的机理如下：
(1)针对混凝土须具备高流态的特性，本发明采用多尺度填充，纳微米粒子+粉煤灰的滚珠效应来增加其流动度。
(2)针对混凝土须具备早强的特性，采用机械活化和化学激发对矿渣和粉煤灰两种胶凝材料进行处理，所述的机械活化是指湿磨过程中的磨细作用，使粒子的粒径更小(比表面积增大)，粒径分布更加均匀，所述的化学激发是指在机械力作用下和液相环境中粉煤灰颗粒释放出的OH-促进粉煤灰和矿粉颗粒表面缺陷增多、非晶化程度增加；此外，矿渣和粉煤灰粉协同湿磨将生成大量的CSH(水化硅酸钙)凝胶(粉煤灰中硅酸三钙和硅酸二钙在湿磨过程中水化生成CSH(水化硅酸钙)凝胶和CH(氢氧化钙)，游离氧化钙水化生成CH，而CH又能和矿粉生成CSH凝胶)，因此在湿磨过程中实现粉煤灰和矿粉的预水化，而水化硅酸钙凝胶对水泥水化的诱导能力最强，故而能实现混凝土的早强。
本发明具有如下优点：
1、复合矿物掺合料采用湿磨工艺，降低了颗粒粒径，超细颗粒均匀的分配到胶凝材料内部，使胶凝材料的分布更加的均匀，充分发挥掺合料的火山灰效应和微集料效应，另外通过优化砂石的连续颗粒级配，细矿物掺合料配合较宽分布的粉煤灰颗粒群实现胶料的紧密堆积，有效降低了混凝土内部孔隙率，改善混凝土的抗渗性能。
2、矿渣和粉煤灰粉协同湿磨将生成大量的水化硅酸钙凝胶(粉煤灰中玻璃体在湿磨过程中水化生成水化硅酸钙凝胶，游离氧化钙水化生成氢氧化钙，而氢氧化钙又能和矿粉中的二氧化硅生成水化硅酸钙凝胶)，而水化硅酸钙凝胶对水泥水化的诱导能力最强；复合浆状矿物掺合料能促进混凝土中水泥的水化反应，生成大量的水化产物，提高早期强度，减少蒸养时间或者降低蒸养温度，节约能源。
3、采用超细纳微米材料+粉煤灰制备得到复合矿物掺合料具有显著滚珠效应，提升混凝土的工作性能，使用于盾构管片的混凝土可以通过插入式局部振捣的方式振捣均匀，不需要耗时耗力的整体式机械振捣模式，极大地提高了管片的生产效率和振捣难度。
4、制成该种盾构管片的混凝土的流动性好，密实度高，抗渗性能优异等特点。管片的早期强度显著提高，抗渗抗裂能力强，缩短了蒸养时间，改善混凝土的外观情况，保证了盾构管片的工作性能。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1；
(1)将粉煤灰、高炉矿渣粉、水按质量比1:2:17混合搅拌配制浆料A，将浆料A泵入立式搅拌球磨机中研磨得到中值粒径在0.3～0.5μm的浆料B；
(2)取磁选后的球状粉煤灰、步骤(1)中浆料B和匀化剂，按质量比11:20：0.08混合搅拌，配制成复合浆状矿物掺合料C；
(3)取普通硅酸盐水泥100份，复合浆状矿物掺合料C60份，水48份，减水剂0.5份，充分搅拌得到混凝土胶凝材料；再依次加入砂220份和碎石340份和消泡剂0.5份充分搅拌即得到一种用于盾构管片的早强密实混凝土。
实施例2：
(1)将粉煤灰粉、高炉矿渣粉、水按质量比1:2:17混合搅拌配制浆料A，将浆料A泵入立式搅拌球磨机中研磨得到中值粒径在0.3～0.5μm的浆料B；
(2)取磁选后的球状粉煤灰、步骤(1)中浆料B和匀化剂，按质量比11:20：0.1混合搅拌，配制成复合浆状矿物掺合料C；
(3)取普通硅酸盐水泥130份，复合浆状矿物掺合料C80份，水63份，减水剂1.5份，充分搅拌得到混凝土胶凝材料；再依次加入砂250份和碎石380份和消泡剂1份充分搅拌即得到一种用于盾构管片的早强密实混凝土。
实施例3：
(1)将粉煤灰粉、高炉矿渣粉、水按质量比1:2:17混合搅拌配制浆料A，将浆料A泵入立式搅拌球磨机中研磨得到中值粒径在0.3～0.5μm的浆料B；
(2)取磁选后的球状粉煤灰、步骤(1)中浆料B和匀化剂，按质量比11:20：0.14混合搅拌，配制成复合浆状矿物掺合料C；
(3)取普通硅酸盐水泥120份，复合浆状矿物掺合料C65份，水55份，减水剂0.8份，充分搅拌得到混凝土胶凝材料；再依次加入砂230份和碎石350份和消泡剂0.7份充分搅拌即得到一种用于盾构管片的早强密实混凝土。
实施例4：
(1)将粉煤灰粉、高炉矿渣粉、水按质量比1:2:17混合搅拌配制浆料A，将浆料A泵入立式搅拌球磨机中研磨得到中值粒径在0.3～0.5μm的浆料B；
(2)取磁选后的球状粉煤灰、步骤(1)中浆料B和匀化剂，按质量比11:20：0.16混合搅拌，配制成复合浆状矿物掺合料C；
(3)取普通硅酸盐水泥125份，复合浆状矿物掺合料C70份，水63份，减水剂1.2份，充分搅拌得到混凝土胶凝材料；再依次加入砂240份和碎石365份和消泡剂0.8份充分搅拌即得到一种用于盾构管片的早强密实混凝土。
对比例1：
武汉市某预制构件厂生产的配合比为普通硅酸盐水泥125份、矿物掺合料25份、砂325份、5-25mm碎石520份、减水剂2.3份、水70份的配置混凝土。
以上各实施例与对比例的性能指标如表1所示。
表1各实施例与对比例1制备的高流态早强密实混凝土用作盾构管片的性能测试结果
Figure BDA0002691326770000051
注：采用60℃蒸汽养护达到脱模强度后均采用标养
从上表可以看出，本发明制备的高流态早强密实混凝土用于盾构管片，利用该种混凝土制成的盾构管片的流动性好，密实度高，早期强度大，抗渗抗裂能力强，缩短了蒸养时间改善混凝土的外观情况。保证了盾构管片的工作性能。
其中对比例1中，蒸养后由于温度过高会影响钙矾石在早期的形成，后期钙矾石生成将导致结构的破坏，所以后期强度降低，渗透性增大，孔隙结构变粗。但实施例中对掺活性混合材的水泥，养护温度有利于粉煤灰的水化，更好的发挥活性效应。减少体系中的氢氧化钙的含量，改善混凝土的过渡区相，提高密实度，细化孔隙。蒸养不仅促进了早期强度发展，也提高了后期强度。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种用于盾构管片的早强密实混凝土，其特征在于，按重量份计，包括如下原料：普通硅酸盐水泥100～130份，复合浆状矿物掺合料60～80份，砂220～250份，碎石340～380份，减水剂0.5～1.5份，水48～63份，消泡剂0.5～1份；匀化剂0.24～0.64份。
2.如权利要求1所述的一种用于盾构管片的早强密实混凝土，其特征在于：所述复合浆状矿物掺合料的制备过程如下：首先将粉煤灰粉、高炉矿渣粉、水按质量比1：2：17混合搅拌配制浆料A，将浆料A泵入立式搅拌球磨机中研磨得到中值粒径在0.3～0.5μm的浆料B；然后取粉煤灰粉、浆料B和匀化剂，按质量比11:20：（0.08～0.16）混合搅拌，配制成复合浆状矿物掺合料。
3.如权利要求2所述的一种用于盾构管片的早强密实混凝土，其特征在于：所述粉煤灰粉的中值粒径为10～20μm之间，其中球状颗粒百分数在90%以上，且通过45μm筛筛余不大于12%。
4.如权利要求1所述的一种用于盾构管片的早强密实混凝土，其特征在于：所述匀化剂为乙二胺基乙磺酸钠或N,N一二（2-羟乙基）-2-氨基乙磺酸钠中的一种或两种。
5.如权利要求1所述的一种用于盾构管片的早强密实混凝土，其特征在于：所述砂由河砂和机制砂按质量比1:1组成，其中机制砂的级配如下：颗粒>4.75mm的最大粒径的质量分数为3.8%，粒径为1.18mm～4.75mm的质量分数为21.2%，粒径为0.15mm～1.18mm的质量分数62.5%，粒径<0.15 mm的质量分数12.5%，河砂的平均粒径为2.3mm。
6.如权利要求1所述的一种用于盾构管片的早强密实混凝土，其特征在于：所述碎石的级配如下：颗粒的粒径>25mm的质量分数为1.3%，粒径为16mm～25mm的质量分数为38.7%，粒径为4.75mm～16mm的质量分数为52.5%，粒径<4.75mm的质量分数7.5%。
7.如权利要求1所述的一种用于盾构管片的早强密实混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，HSB脂肪族高效减水剂或萘系高效减水剂其中的一种。
8.如权利要求1所述的一种用于盾构管片的早强密实混凝土，其特征在于：所述消泡剂为苯基硅油。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种用于盾构管片的早强密实混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、取普通硅酸盐水泥100～130份，复合浆状矿物掺合料60～80份，水48～63份，减水剂0.5～1.5份，置于搅拌装置中，以低速62r/min的转速充分搅拌30s后呈均匀的浆体状，即得到混凝土胶凝材料；
步骤2、在混凝土胶凝材料中依次加入砂220～250份和碎石340～380份和消泡剂0.5～1份在搅拌装置中，以低速62r/min的转速继续充分搅拌90s后，再以高速125r/min的转速搅拌2min后，即得到一种用于盾构管片的早强密实混凝土。
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