CN112441760A - 喷射混凝土用复合掺和料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷射混凝土用复合掺和料及其制备方法与应用，属于建筑用材料技术领域。该复合掺和料包括如下质量百分比的各原料组分：粉煤灰：50～70％，超细硅灰：15～25％，偏高岭土：5～15％，熟石膏：0～5％；α‑Al2O3：0～5％；表面活性剂；0～10％；其中，粉煤灰为II级低钙粉煤灰，超细硅灰的平均粒径小于10μm，SiO2含量≥95.0％；偏高岭土的平均粒径小于5μm，α‑Al2O3纳米粉的平均粒径小于50nm。将该复合掺和料作为胶凝材料之一制备喷射混凝土，所制备的喷射混凝土回弹率≤7％、凝结时间≤4min、抗硫酸侵蚀等级＞KS150。相较于现有技术中混凝土较高的回弹率，本发明设计的混凝土回弹率大幅下降。

Description

喷射混凝土用复合掺和料及其制备方法与应用
本发明涉及一种混凝土用掺和料，属于建筑用材料技术领域，具体地涉及一种喷射混凝土用复合掺和料及其制备方法与应用。
背景技术
喷射混凝土是将一定配合比的粗、细骨料，水泥，掺合料和速凝剂等，由喷射机通过风送或泵送，喷射至受喷面的一种混凝土，无须人工振捣，能速凝快硬，广泛应用于隧道工程、矿山工程、地铁工程等洞室围岩开挖的初期支护中。喷射混凝土按施工工艺分为湿喷法和干喷法。相对来说，干喷法混凝土强度低、回弹大、粉尘大，但操作灵活、成本低；湿喷法混凝土回弹量小、粉尘小、强度易控制，但操作工艺复杂、易堵管、清洗不便、成本高。虽然湿喷法工作环境有了大幅改善，强度回弹率较低，但现场湿喷混凝强度回弹率仍高于15％，且喷射混凝土受硫酸盐侵蚀严重。
为了改善喷射混凝土强度回弹率较高、抗硫酸盐侵蚀能力不足的问题，国内外学者从众多方面改善混凝土性能，力求降低喷射混凝土回弹率，提高喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。中国专利申请(申请公布号：CN102826774A，申请公布日：)公开了一种纳米矿物掺和料，可将喷射混凝土强度回弹率降低至8％以下，但该申请配制掺和料成本较高，用于喷射混凝土制备时产生的成本远大于混凝土掉落所消耗的成本，且可操作性不强。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种喷射混凝土用复合掺和料及其制备方法与应用。该复合掺和料可以有效降低喷射混凝土的回弹率，同时还能提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种喷射混凝土用复合掺和料，它包括如下质量百分比的各原料组分：粉煤灰：40～70％，超细硅灰：15～25％，偏高岭土：5～15％，工业副产石膏：0～5％，α-Al2O3纳米粉，0～5％，表面活性剂；0～10％；
其中，所述粉煤灰为II级粉煤灰，所述超细硅灰的平均粒径小于10μm，SiO2含量≥95.0％；所述偏高岭土的平均粒径小于5μm，所述α-Al2O3纳米粉的平均粒径小于50nm。
进一步地，所述II级粉煤灰为低钙粉煤灰，其密度为1～5g/cm3，烧失量为2～6％，平均粒径为10～15μm；所述超细硅灰的平均粒径小于6.7μm，所述偏高岭土的平均粒径小于等于3.4μm，所述α-Al2O3纳米粉的平均粒径小于等于30nm。
进一步地，所述工业副产石膏的密度为2～7g/cm3，平均粒度为120～200μm。
进一步地，所述复合掺和料包括如下质量百分比的各原料组分：粉煤灰55～70％，超细硅灰：18～22％，偏高岭土：7～12％，熟石膏：0.5～3％；a-Al2O3纳米粉，1.5～5％，表面活性剂；1.0～8％。
进一步地，所述表面活性剂为聚羧酸类、萘系、脂肪族类、氨基磺酸盐类中的任意一种。
为更好的实现本发明技术目的，本发明还公开了上述喷射混凝土用复合掺和料的制备方法，它包括将对应配比的各原料组分混匀即制得复合掺和料，所述复合掺和料的粒度为纳米级别。
此外，本发明还公开了一种喷射混凝土，它包括将上述复合掺和料用作反应原料之一制备喷射混凝土，其它反应原料还包括河砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂和水；其中，所述河砂的细度模数为2.3～3.3；所述石子为粒度在5～15mm之间的连续级配碎石。
进一步地，所述复合掺和料的质量为水泥的10～20％。
本发明还公开了上述喷射混凝土的制备方法，其特征在于，它包括将河砂、石子、复合掺和料及一定量的水混匀搅拌一段时间，再加入水泥、减水剂及余下的水，继续搅拌后在喷射机中与速凝剂喷射制得。。
本发明还公开了一种喷射混凝土在隧道衬砌中的应用，其特征在于，所述混凝土的回弹率≤7％、凝结时间≤4min、抗硫酸侵蚀等级＞KS150。
本发明有益效果主要表现在：本发明充分利用各种掺和料的优良特性，整体提升了喷射混凝土的密实性和耐久性，有效保证喷射混凝土的使用寿命长效性和安全性。该制备方法生产成本低、工艺简单、能耗低等特点，具有很高的经济效益和社会效益。
具体实施方式
本发明公开了一种喷射混凝土用复合掺和料，它包括如下质量百分比的各原料组分：粉煤灰：40～70％，超细硅灰：15～25％，偏高岭土：5～15％，工业副产石膏：0～5％，α-Al2O3纳米粉，0～5％，表面活性剂；0～10％；且各原料组分的含量不为零。
其中，所述粉煤灰为II级粉煤灰，所述超细硅灰的平均粒径小于10μm，SiO2含量≥95.0％；所述偏高岭土的平均粒径小于5μm，所述α-Al2O3纳米粉的平均粒径小于50nm。
进一步地，所述II级粉煤灰为低钙粉煤灰，其密度为1～5g/cm3，烧失量为2～6％，平均粒径为10～15μm；所述超细硅灰的平均粒径小于6.7μm，所述偏高岭土的平均粒径小于等于3.4μm，所述α-Al2O3纳米粉的平均粒径小于等于30nm。
优选的，所述II级粉煤灰为低钙粉煤灰，其密度为2～4g/cm3，烧失量为3～5％，平均粒径为12～14μm。
优选的，所述II级粉煤灰为低钙粉煤灰，其密度为2.2g/cm3，烧失量为3.2％，平均粒径为12.8μm。
优选的，所述超细硅灰的平均粒径为0～5μm，不包含零。
优选的，所述偏高岭土的平均粒径为0～3.5μm，不包含零。
优选的，所述偏高岭土的平均粒径为3.4μm。
优选的，所述α-Al2O3纳米粉的平均粒径为5～30nm。
优选的，所述α-Al2O3纳米粉的平均粒径为30nm。
进一步地，所述工业副产石膏的密度为2～7g/cm3，平均粒度为120～200μm。
优选的，所述工业副产石膏的密度为2.98g/cm3，粒度为150μm。
本发明复合掺合料中选用的粉煤灰、硅灰、偏高岭土及石膏四种掺合料应用于胶凝体系中，考虑到掺入粉煤灰会提高浆体的流动性，增长浆体的凝结时间，降低混凝土的早期强度。硅灰和偏高岭土的掺入能够显著提高新拌混凝土的粘聚性、减少泌水和防止混凝土离析。粉煤灰、硅灰、偏高岭土都是活性掺合料，掺入水泥中能与水泥的水化产物发生二次水化反应，生成C-S-H凝胶，粉煤灰效应从化学角度能够稳定，从物理角度可细化毛细孔，减少硫酸盐介质的渗透。三种掺合料能起到性能互补作用，硅灰本身颗粒极小，可以填充于粉煤灰颗粒间的孔隙，使得混凝土的微观结构变得更致密，能有效阻止硫酸根离子的进入，并最终提高抗硫酸盐侵蚀性能。熟石膏的水化速度很快，在胶凝体系与水拌和后，熟石膏能迅速生成二水石膏并形成钙矾石，可提高硬化水泥浆体的早期强度，缩短凝结时间。其次，熟石膏与相反应过程中消耗了Ca(OH)2相，降低了混凝土体系中易受硫酸盐侵蚀Ca(OH)2的含量，并且适量熟石膏可以生成稳定的石膏晶体，对硫酸盐侵蚀后期的膨胀性石膏晶体生产起到抑制作用，同时，熟石膏可以在混凝土孔隙中提供一定量的硫酸根离子，能抑制外部硫酸盐向混凝土内部迁移。
进一步地，所述复合掺和料包括如下质量百分比的各原料组分：粉煤灰55～70％，超细硅灰：18～22％，偏高岭土：7～12％，熟石膏：0.5～3％；α-Al2O3纳米粉，1.5～5％，表面活性剂；1.0～8％。
进一步地，所述表面活性剂为聚羧酸类、萘系、脂肪族类、氨基磺酸盐类中的任意一种。
为更好的实现本发明技术目的，本发明还公开了上述喷射混凝土用复合掺和料的制备方法，它包括将对应配比的各原料组分混匀且研磨即制得复合掺和料，所述复合掺和料的粒度为纳米级别。
此外，本发明还公开了一种喷射混凝土，它包括将上述复合掺和料用作反应原料之一制备喷射混凝土，其它反应原料还包括河砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂和水；其中，所述河砂的细度模数为2.3～3.3；所述石子为粒度在5～15mm之间的连续级配碎石。
进一步地，所述复合掺和料的质量为水泥的10～20％。
本发明还公开了上述喷射混凝土的制备方法，其特征在于，它包括将河砂、石子、复合掺和料及一定量的水混匀搅拌一段时间，再加入水泥、减水剂及余下的水，继续搅拌后在喷射机中与速凝剂喷射制得。
本发明还公开了一种喷射混凝土在隧道衬砌中的应用，其特征在于，所述混凝土的回弹率≤7％、凝结时间≤4min、抗硫酸侵蚀等级＞KS150。为更好的解释本发明，以下结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
本实施例公开了一种喷射混凝土用复合掺和料的制备方法，它包括取如下质量百分比的各原料组分混匀后研磨，其中，粉煤灰：40％，所述粉煤灰为II级粉煤灰，所述II级粉煤灰为低钙粉煤灰，其密度为5g/cm3，烧失量为2％，平均粒径为15μm；
超细硅灰：25％；其中，所述超细硅灰的平均粒径为6μm；
偏高岭土：15％，其中，所述偏高岭土的平均粒径为4μm；
工业副产石膏：5％；其中，所述工业副产石膏的密度为6g/cm3，粒度为200μm；
α-Al2O3纳米粉，5％，其中，所述α-Al2O3纳米粉的平均粒径为50nm。表面活性剂；10％；制的复合掺和料的粒度为50～70nm。
实施例2
本实施例公开了一种喷射混凝土用复合掺和料的制备方法，其中各原料组分含量与上述实施例1保持相同，不同的是各组分的物化特性参数如下：所述粉煤灰为II级粉煤灰，所述II级粉煤灰为低钙粉煤灰，其密度为2.2g/cm3，烧失量为3.2％，平均粒径为12.8μm；所述超细硅灰的平均粒径为4μm；所述偏高岭土的平均粒径为3.4μm；所述工业副产石膏的密度为2.98g/cm3，粒度为150μm；所述α-Al2O3纳米粉的平均粒径为30nm。制的复合掺和料的粒度为20～50nm。
实施例3
本实施例公开了一种喷射混凝土用复合掺和料的制备方法，其与实施例2不同的是各原料组分含量不同，具体的，它包括取如下质量百分比的各原料组分混匀后研磨，其中，粉煤灰：70％，超细硅灰：15％，偏高岭土：5％，工业副产石膏：2％，α-Al2O3纳米粉，3％，表面活性剂；5％；制的复合掺和料的粒度为20～70nm。
实施例4
本实施例公开了一种喷射混凝土用复合掺和料的制备方法，其与实施例2不同的是各原料组分含量不同，具体的，它包括取如下质量百分比的各原料组分混匀后研磨，其中，粉煤灰：50％，超细硅灰：15％，偏高岭土：15％，工业副产石膏：5％，α-Al2O3纳米粉，5％，表面活性剂；10％；制的复合掺和料的粒度为20～70nm。
实施例5
本实施例公开了一种喷射混凝土用复合掺和料的制备方法，其与实施例2不同的是各原料组分含量不同，具体的，它包括取如下质量百分比的各原料组分混匀后研磨，其中，粉煤灰：60％，超细硅灰：20％，偏高岭土：10％，工业副产石膏：5％，α-Al2O3纳米粉，3％，表面活性剂；2％；制的复合掺和料的粒度为20～70nm。
此外，本发明还公开了将上述实施例制备的复合掺和料与其它反应原料掺杂在一起制备混凝土，具体如下实施例所示。
实施例6
本实施例公开了一种喷射混凝土的制备方法，它包括将河砂、碎石、复合掺和料及一半的水混匀搅拌一段时间，再加入水泥、减水剂余下一半的水，继续搅拌后在喷射机中与速凝剂喷射制得。其中，所述复合掺和料为上述实施例1制得，且所述复合掺和料的质量为水泥的10％。
其中，采用的水泥型号为华新P·O 42.5；河砂为天然河砂，细度模数为2.8；石子为粒度在5～15mm之间的连续级配碎石；减水剂为CP-J型聚羧酸高效减水剂，其减水率为18％；速凝剂为自制SN01无碱速凝剂。
实施例7
本实施例与实施例6不同的是所述复合掺和料为上述实施例2制得。
实施例8
本实施例与实施例6不同的是所述复合掺和料为上述实施例3制得。
实施例9
本实施例与实施例6不同的是所述复合掺和料为上述实施例4制得。
实施例10
本实施例与实施例6不同的是所述复合掺和料为上述实施例2制得。
实施例11
本实施例与实施例6不同的是所述复合掺和料的质量为水泥的15％。
实施例12
本实施例与实施例6不同的是所述复合掺和料的质量为水泥的20％。
对比例1
本实施例选择实施例6的各原料组分，同时不添加本发明要求保护的复合掺和料。
对比例2
本实施例选择申请公布号为CN107986671A中实施例3制备的产品。
且上市实施例6～12及对比例1～2制备的喷射混凝土性能列表如表下表1所示；
表1产品性能列表
Figure BDA0002800101660000071
Figure BDA0002800101660000081
现有的喷射混凝土回弹率普遍在20％以上，而在添加本发明制备的喷射混凝土专用复合掺和料后，混凝土回弹率降低至7％以下，可以大幅降低喷射混凝土回弹率，节约成本。同时，所制备的喷射混凝土抗压强度大幅增强，强度范围在42～45MPa之间，抗蚀系数、氯离子扩散系数和抗硫酸盐侵蚀等级等耐久性指标均满足标准要求。故本发明设计的喷射混凝土在隧道衬砌中能具备较好应用。

Claims (10)

1.一种喷射混凝土用复合掺和料，其特征在于，它包括如下质量百分比的各原料组分：粉煤灰：40～70％，超细硅灰：15～25％，偏高岭土：5～15％，工业副产石膏：0～5％，α-Al2O3纳米粉，0～5％，表面活性剂；0～10％；
其中，所述粉煤灰为II级粉煤灰，所述超细硅灰的平均粒径小于10μm，SiO2含量≥95.0％；所述偏高岭土的平均粒径小于5μm，所述α-Al2O3纳米粉的平均粒径小于50nm。
2.根据权利要求1所述喷射混凝土用复合掺和料，其特征在于，所述II级粉煤灰为低钙粉煤灰，其密度为1～5g/cm3，烧失量为2～6％，平均粒径为10～15μm；所述超细硅灰的平均粒径小于10μm，所述偏高岭土的平均粒径小于5μm，所述α-Al2O3纳米粉的平均粒径小于等于30nm。
3.根据权利要求1或2所述喷射混凝土用复合掺和料，其特征在于，所述工业副产石膏的密度为2～7g/cm3，平均粒度为120～200μm。
4.根据权利要求3所述喷射混凝土用复合掺和料，其特征在于，所述复合掺和料包括如下质量百分比的各原料组分：粉煤灰55～70％，超细硅灰：18～22％，偏高岭土：7～12％，熟石膏：0.5～3％；α-Al2O3纳米粉，1.5～5％，表面活性剂；1.0～8％。
5.根据权利要求1或2或4所述喷射混凝土用复合掺和料，其特征在于，所述表面活性剂为聚羧酸类、萘系、脂肪族类、氨基磺酸盐类中的任意一种。
6.一种权利要求1所述喷射混凝土用复合掺和料的制备方法，其特征在于，它包括将对应配比的各原料组分混匀后研磨即制得复合掺和料，所述复合掺和料的粒度为纳米级别。
7.一种喷射混凝土，其特征在于，它包括将权1～5中任意一项所述复合掺和料用作胶凝材料之一制备喷射混凝土，其它反应原料还包括河砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂和水；其中，所述河砂的细度模数为2.3～3.3；所述石子为粒度在5～15mm之间的连续级配碎石。
8.根据权利要求7所述喷射混凝土，其特征在于，所述复合掺和料的质量为水泥的10～20％。
9.一种权利要求7所述喷射混凝土的制备方法，其特征在于，它包括将河砂、石子、复合掺和料及一定量的水混匀搅拌一段时间，再加入水泥、减水剂及余下的水，继续搅拌后在喷射机中与速凝剂喷射制得。
10.一种喷射混凝土在隧道衬砌中的应用，其特征在于，所述混凝土的回弹率≤7％、凝结时间≤4min、抗硫酸侵蚀等级＞KS150。
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