CN112500093B - 一种适用于tbm压注式施工的混凝土及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种适用于TBM压注式施工的混凝土及其制备方法，该混凝土按照质量分数由以下组分组成：硅酸水泥8.0％～16.0％，硫铝酸盐水泥4.0％～12.0％，超细微粉3.2％～4.8％，砂31.2％～33.6％，碎石32.0％～34.0％，减水剂0.24％～0.48％，缓凝剂0.04％～0.08％，早强剂0.12％～0.24％，不离析剂0.12％～0.36％，钢纤维2.4％～4.8％，水7.2％～8.4％，先将粉料制得干混料，再加水、外加剂和钢纤维一起搅拌2～3min，得到混凝土拌合物。本发明所述混凝土具有工作性能佳、坍落度保持好、早期强度高、水陆强度比高和综合性能优等特点，其扩展度640～680mm，4h坍落度损失＜10％，1d抗压强度＞15MPa，28d抗压强度＞50MPa，7d和28d水陆强度比均＞90％，从而确保TBM压注式混凝土工法的施工安全和进度，具有广阔的应用前景。

Description

一种适用于TBM压注式施工的混凝土及制备方法

技术领域

本发明涉及土木工程材料技术领域，具体涉及一种适用于TBM压注式施工的混凝土及其制备方法。

背景技术

初期支护是隧道稳定的主要承载结构，它是密贴于围岩的柔性结构与控制围岩变形松弛的主要支护手段。隧道工程中初期支护一般采用锚喷网结构形式；然而，锚喷支护通常会出现初喷工序缺失，初期支护与围岩不密贴或存在空洞，喷射混凝土后期强度倒缩和厚度不足、表面平整度差，复喷不及时，锚杆(管)制作、安装不规范，钢筋网安装不规范等问题。

申请号为201910832222.2的发明专利中记载的应用于隧道挖掘中的一种 TBM压注式混凝土支护方法，即在已挖掘的隧道内设置模板，使模板和隧道的内壁之间形成间隙，向间隙内压注混凝土形成支护结构。该工法可解决锚喷支护产生的问题、并且避免盾构机卡机、危害人员及设备安全等，确保施工安全与进度。

考虑到不同地层、模板的周转、混凝土施工和岩石变形等情况，压注式混凝土支护方法要求混凝土材料具有特殊的技术要求，如1d强度要大于 15MPa，混凝土流动大且4h坍落度损失小于10％，28d抗折强度大于7MPa， 7和28d水陆强度比大于90％等；随着技术的日益发展，相关混凝土技术要求的逐渐有所改善，但均是单一方面的。如中国专利103467040B《一种超早强混凝土及其制备方法》，利用三乙醇胺和氢氧化钠的特性来加速水泥水化，提高早期强度，但其技术并未能有效改善混凝土坍落度保持和抗水洗等问题。中国专利107098645B《水下不分散混凝土及其制备方法》利用絮凝剂和早强剂的特性改善混凝土抗分散能力，抗冻性和早期强度性能，但其技术未涉及混凝土流动性和抗折强度提升等方面。

从查阅的资料来看，目前还没有相关技术均涉及到配制适用于TBM压注式施工的混凝土及其制备方法。本发明通过胶凝材料与不同外加剂协同作用，制备出早期强度高、工作性能好、坍落度保持时间长、抗水分散性能优和抗折强度高的TBM压注式施工的混凝土，该混凝土的实施确保了TBM压注式混凝土支护方法的可行，势必能进一步推动我国隧道工程建设的发展。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种适用于TBM压注式施工的混凝土及其制备方法。该混凝土是通过硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和超细微粉的胶凝材料复合设计提高混凝土早期和后期强度，通过减水剂、缓凝剂、早强剂和不离析剂复合技术保证了混凝土的流动性保持能力与水陆强度比，通过掺入钢纤维提高了混凝土抗折强度，所制备的混凝土具有工作性能佳，坍落度保持好，早期强度高，水陆强度比高，综合性能优等的特点，适用于TBM压注式混凝土工法的施工。

为实现上述目的，本发明所提供的一种适用于TBM压注式施工的混凝土，该混凝土按照质量分数由以下组分组成：硅酸水泥8.0％～16.0％，硫铝酸盐水泥4.0％～12.0％，超细微粉3.2％～4.8％kg，砂31.2％～33.6％，碎石 32.0％～34.0％，减水剂0.24％～0.48％；缓凝剂0.04％～0.08％；早强剂 0.12％～0.24％；不离析剂0.12％～0.36％；钢纤维2.4％～4.8％kg；水7.2％～8.4％。

作为最佳方案地，该低收缩低水化热超高性能混凝土按质量百分数计由如下组分组成：硅酸盐水泥12.0％、硫铝酸盐水泥8.0％、超细微粉4.0％、砂 31.8％、碎石32.6％、减水剂0.40％、缓凝剂0.06％、早强剂0.18％、不离析剂0.24％、钢纤维3.0％、水7.72％。

进一步地，所述的水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥或P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥，水泥28d胶砂抗压强度大于48MPa。

进一步地，硫铝酸盐水泥为快硬硫铝酸盐水泥，水泥1d胶砂抗压强度大于30MPa，28d胶砂抗压强度大于45MPa。

进一步地，所述的超细微粉为钢渣、水淬矿渣和花岗岩尾矿共磨的超细复合矿粉，比表面积大于700m²/kg。

进一步地，所述的砂为天然河砂或机制砂，砂的细度模数为2.6～2.9，机制砂的MB值小于1.0％。

进一步地，所述的碎石为5～15mm连续级配反击破碎石，针片状含量不大于5％，含泥量不大于0.5％，其中母岩为碎石为石灰石、花岗岩或玄武岩中的其中一种，母岩抗压强度不小于100MPa。

进一步地，所述的减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水剂含固量不低于 20％，减水率不低于25％。

进一步地，所述的缓凝剂为柠檬酸钠、硼酸或葡萄糖酸钠中的其中一种或混合。

进一步地，所述的早强剂为硫酸钠、碳酸锂或硫氰酸钠中的其中一种或混合。

进一步地，所述的不离析剂为聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或混合。

进一步地，所述的钢纤维为镀铜钢纤维，直径为0.18～0.23mm，长度为 12～14mm，抗拉强度不低于2850MPa。

本发明还提供了上述适用于TBM压注式施工的混凝土制备方法，包括如下步骤：

(1)该混凝土按照质量分数由以下组分组成：硅酸水泥8.0％～16.0％，硫铝酸盐水泥4.0％～12.0％，超细微粉3.2％～4.8％，砂31.2％～33.6％，碎石 32.0％～34.0％，减水剂0.24％～0.48％；缓凝剂0.04％～0.08％；早强剂0.12％～0.24％；不离析剂0.12％～0.36％；钢纤维2.4％～4.8％kg；水7.2％～8.4％，备用；

(2)将步骤(1)称取的硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、缓凝剂、早强剂和不离析剂加入到干混机中干拌5min，即可制得适用于TBM压注式混凝土施工的材料预混料；

(3)将步骤(2)所制得的材料装入带内膜包装袋，封口存放备用。

(4)将步骤(1)称取的砂和碎石加入混凝土搅拌机搅拌30s后，将步骤 (1)称取的钢纤维和等比例的适用于TBM压注式施工的混凝土预混料加入搅拌机搅拌30s，再加入1/2步骤(1)称取的水搅拌30s～1min；

(5)将步骤(1)称取的减水剂加入搅拌机搅拌30s～1min，再加入剩余的1/2用水搅拌30s～1min，即可制得适用于TBM压注式施工的混凝土。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和超细微粉的胶凝材料复合设计提高混凝土早期和后期强度，通过减水剂、缓凝剂、早强剂和不离析剂复合技术既保证了混凝土的流动性和早期强度，又能提高混凝土坍落度保持能力和水陆强度比，通过掺入钢纤维提高了混凝土抗折强度。

其一，本发明利用硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和超细微粉的复合胶凝材料体系设计，具体用量分别是8.0％～16.0％、4.0％～12.0％、3.2％～4.8％，各胶凝材料组分协同作用，同时利用紧密堆积原理，合理调配组分中比例，使整个体系达到最紧密堆积状态，显著提高了混凝土早期和后期强度。

其二，本发明采用减水剂、缓凝剂、早强剂和不离析剂复合技术，利用减水剂的减水特性，能够使混凝土达到大流动状态；利用缓凝剂与早强剂的特性，合理搭配用量，即能保证混凝土坍落度长时间保持，又可保证混凝土早期强度；利用不离析剂在水泥颗粒之间形成架桥结构的特性，能够使掺不离析剂的混凝土水下不分散，达到较高的水陆强度比；利用镀铜微细钢纤维纤维均匀分散和抗弯强度高的特性，能够将混凝土中的应力重新分配，抑制了裂缝的构成和分散，并能提高混凝土抗折强度。

其三，本发明利用以上技术所制备的适用于TBM压注式施工的混凝土，具有较高的早期和后期强度、流动性好且坍落度保持时间长、抗折强度大、水陆强度比高等特点，其1d强度要大于15MPa，混凝土流动度640～680mm、 4h坍落度损失小于10％，28d抗折强度大于7MPa，7d和28d水陆强度比大于90％等，能够用于TBM压注式混凝土工法的施工。

其四，本发明制备工艺简单，先采用干混机将胶凝材料、早强剂、缓凝剂和不离析剂等粉料按要求混合均匀制成预混料，再将预混料与砂、碎石、外加剂和水搅拌，确保了混凝土质量的稳定。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例中所提供的适用于TBM压注式施工的混凝土及制备方法如下：

(1)原材料的配比：按质量百分数计称取硅酸水泥12.0％，硫铝酸盐水泥8％、超细微粉4.0％、河砂31.8％、石灰石碎石32.6％、减水剂0.40％、硼酸 0.06％、硫氰酸钠0.18％、聚丙烯酰胺和羟丙基甲基纤维素0.24％、钢纤维3.0％、水7.72％，精确称取上述组分。

(2)将步骤(1)称取的硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、缓凝剂、早强剂和不离析剂加入到干混机中干拌5min，即可制得适用于TBM压注式混凝土施工的材料预混料；

(3)将步骤(2)所制得的材料装入带内膜包装袋，封口存放备用。

(4)将步骤(1)称取的砂和碎石加入混凝土搅拌机搅拌30s后，将步骤 (1)称取的钢纤维和等比例的适用于TBM压注式施工的混凝土预混料加入搅拌机搅拌30s，再加入1/2步骤(1)称取的水搅拌30s；

(5)将步骤(1)称取的减水剂加入搅拌机搅拌1min，再加入剩余的1/2 用水搅拌1min，即可制得适用于TBM压注式施工的混凝土。

实施例2

本实施例中所提供的适用于TBM压注式施工的混凝土及制备方法如下：

(1)原材料的配比：按质量百分数计称取硅酸水泥8.2％，硫铝酸盐水泥 11.5％、超细微粉4.4％、河砂31.8％、玄武岩碎石32.0％、减水剂0.40％、柠檬酸0.08％、碳酸锂0.12％、羟丙基甲基纤维素0.20％、钢纤维4.0％、水7.30％，精确称取上述组分。

(2)将步骤(1)称取的硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、缓凝剂、早强剂和不离析剂加入到干混机中干拌5min，即可制得适用于TBM压注式混凝土施工的材料预混料；

(3)将步骤(2)所制得的材料装入带内膜包装袋，封口存放备用。

(4)将步骤(1)称取的砂和碎石加入混凝土搅拌机搅拌30s后，将步骤 (1)称取的钢纤维和等比例的适用于TBM压注式施工的混凝土预混料加入搅拌机搅拌30s，再加入1/2步骤(1)称取的水搅拌1min；

(5)将步骤(1)称取的减水剂加入搅拌机搅拌1min，再加入剩余的1/2 用水搅拌1min，即可制得适用于TBM压注式施工的混凝土。

实施例3

本实施例中所提供的适用于TBM压注式施工的混凝土及制备方法如下：

(1)原材料的配比：按质量百分数计称取硅酸水泥15.0％，硫铝酸盐水泥4.0％、超细微粉3.6％、河砂33.0％、石灰石碎石33.5％、减水剂0.42％、柠檬酸0.08％、硫氰酸钠0.24％、聚丙烯酰胺0.32％、钢纤维2.4％、水7.44％，精确称取上述组分

(2)将步骤(1)称取的硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、缓凝剂、早强剂和不离析剂加入到干混机中干拌5min，即可制得适用于TBM压注式混凝土施工的材料预混料；

(3)将步骤(2)所制得的材料装入带内膜包装袋，封口存放备用。

(4)将步骤(1)称取的砂和碎石加入混凝土搅拌机搅拌30s后，将步骤 (1)称取的钢纤维和等比例的适用于TBM压注式施工的混凝土预混料加入搅拌机搅拌30s，再加入1/2步骤(1)称取的水搅拌1min；

(5)将步骤(1)称取的减水剂加入搅拌机搅拌1min，再加入剩余的1/2 用水搅拌1min，即可制得适用于TBM压注式施工的混凝土。

实施例4

本实施例中所提供的适用于TBM压注式施工的混凝土及制备方法如下：

(1)原材料的配比：按质量百分数计称取硅酸水泥10.0％，硫铝酸盐水泥9.0％、超细微粉3.6％、河砂32.0％、石灰石碎石33.0％、减水剂0.38％、柠檬酸和硼酸0.06％、碳酸锂0.20％、聚丙烯酰胺和羟丙基甲基纤维素0.28％、钢纤维3.6％、水7.88％，精确称取上述组分

(2)将步骤(1)称取的硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、缓凝剂、早强剂和不离析剂加入到干混机中干拌5min，即可制得适用于TBM压注式混凝土施工的材料预混料；

(3)将步骤(2)所制得的材料装入带内膜包装袋，封口存放备用。

(4)将步骤(1)称取的砂和碎石加入混凝土搅拌机搅拌30s后，将步骤 (1)称取的钢纤维和等比例的适用于TBM压注式施工的混凝土预混料加入搅拌机搅拌30s，再加入1/2步骤(1)称取的水搅拌1min；

(5)将步骤(1)称取的减水剂加入搅拌机搅拌1min，再加入剩余的1/2 用水搅拌1min，即可制得适用于TBM压注式施工的混凝土。

实施例5

本实施例中所提供的适用于TBM压注式施工的混凝土及制备方法如下：

(1)原材料的配比：按质量百分数计称取硅酸水泥9.0％，硫铝酸盐水泥10.0％、超细微粉4.0％、河砂31.8％、石灰石碎石33.0％、减水剂0.40％、葡萄糖酸钠和硼酸0.06％、碳酸锂0.20％、羟丙基甲基纤维素0.28％、钢纤维3.6％、水7.66％，精确称取上述组分

(2)将步骤(1)称取的硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、缓凝剂、早强剂和不离析剂加入到干混机中干拌5min，即可制得适用于TBM压注式混凝土施工的材料预混料；

(3)将步骤(2)所制得的材料装入带内膜包装袋，封口存放备用。

(4)将步骤(1)称取的砂和碎石加入混凝土搅拌机搅拌30s后，将步骤 (1)称取的钢纤维和等比例的适用于TBM压注式施工的混凝土预混料加入搅拌机搅拌30s，再加入1/2步骤(1)称取的水搅拌1min；

(5)将步骤(1)称取的减水剂加入搅拌机搅拌1min，再加入剩余的1/2 用水搅拌1min，即可制得适用于TBM压注式施工的混凝土。

对实施例1～5所制备的适用于TBM压注式施工的混凝土进行了性能测试，试验配比和测试结果见表1。

表1低收缩低水化热超高性能混凝土用水量及性能测试

从表1试验结果可以看出，采用实施例1～5所述的适用于TBM压注式施工的混凝土具有良好的工作性能、力学性能和水陆强度比，其中硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和超细微粉的胶凝材料复合设计提高混凝土早期和后期强度，通过减水剂、缓凝剂、早强剂和不离析剂复合技术既保证了混凝土的流动性和早期强度，又能提高混凝土坍落度保持能力和水陆强度比，通过掺入钢纤维提高了混凝土抗折强度。

上述实施案例只为说明本发明的技术方案及特点，其目的在于更好的让熟悉该技术的人士予以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，均在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于TBM压注式施工的混凝土，其特征在于，所述混凝土按照质量分数由以下组分组成：硅酸水泥8.0％～16.0％，硫铝酸盐水泥4.0％～12.0％，超细微粉3.2％～4.8％，砂31.2％～33.6％，碎石32.0％～34.0％，减水剂0.24％～0.48％；缓凝剂0.04％～0.08％；早强剂0.12％～0.24％；不离析剂0.12％～0.36％；钢纤维2.4％～4.8％；水7.2％～8.4％；

所述超细微粉为钢渣、水淬矿渣和花岗岩尾矿共磨的超细复合矿粉，比表面积大于700m²/kg；

所述钢纤维为镀铜钢纤维，直径为0.18～0.23mm，长度为12～14mm，抗拉强度不低于2850MPa。

2.根据权利要求1所述的适用于TBM压注式施工的混凝土，其特征在于，所述硅酸水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥或P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥，水泥28d胶砂抗压强度大于48MPa。

3.根据权利要求1所述的适用于TBM压注式施工的混凝土，其特征在于，所述的硫铝酸盐水泥为快硬硫铝酸盐水泥，水泥1d胶砂抗压强度大于30MPa，28d胶砂抗压强度大于45MPa。

4.根据权利要求1所述的适用于TBM压注式施工的混凝土，其特征在于，所述的砂为天然河砂或机制砂，砂的细度模数为2.6～2.9，机制砂的MB值小于1.0％。

5.根据权利要求1所述的适用于TBM压注式施工的混凝土，其特征在于，所述的碎石为5～15mm连续级配反击破碎石，针片状含量不大于5％，含泥量不大于0.5％，其中碎石的母岩为石灰石、花岗岩或玄武岩中的其中一种，母岩抗压强度不小于100MPa。

6.根据权利要求1所述的适用于TBM压注式施工的混凝土，其特征在于，所述的减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水剂含固量不低于20％，减水率不低于25％。

7.根据权利要求1所述的适用于TBM压注式施工的混凝土，其特征在于，所述的缓凝剂为柠檬酸钠、硼酸或葡萄糖酸钠中的其中一种或混合。

8.根据权利要求1所述的适用于TBM压注式施工的混凝土，其特征在于，所述的早强剂为硫酸钠、碳酸锂或硫氰酸钠中的其中一种或混合。

9.根据权利要求1所述的适用于TBM压注式施工的混凝土，其特征在于，所述的不离析剂为聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或混合。

10.一种如权利要求1所述的适用于TBM压注式施工的混凝土制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)该混凝土按照质量分数由以下组分组成：硅酸水泥8.0％～16.0％，硫铝酸盐水泥4.0％～12.0％，超细微粉3.2％～4.8％，砂31.2％～33.6％，碎石32.0％～34.0％，减水剂0.24％～0.48％；缓凝剂0.04％～0.08％；早强剂0.12％～0.24％；不离析剂0.12％～0.36％；钢纤维1.2％～4.8％；水7.2％～8.4％，备用；

(2)将步骤(1)称取的硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、超细微粉、缓凝剂、早强剂和不离析剂加入到干混机中干拌5min，即可制得适用于TBM压注式混凝土施工的材料预混料；

(3)将步骤(2)所制得的材料装入带内膜包装袋，封口存放备用；

(4)将步骤(1)称取的砂和碎石加入混凝土搅拌机搅拌30s后，将步骤(1)称取的钢纤维和等比例的适用于TBM压注式施工的混凝土预混料加入搅拌机搅拌30s，再加入1/2步骤(1)称取的水搅拌30s～1min；

(5)将步骤(1)称取的减水剂加入搅拌机搅拌30s～1min，再加入剩余的1/2用水搅拌30s～1min，即可制得适用于TBM压注式施工的混凝土。