CN113045276B - 一种用于热害隧道的混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种用于热害隧道的混凝土，包括以下按重量配置的原料：抗裂自修复水泥：250~340kg/m3；矿粉：30~120 kg/m3；硅灰20~50kg/m3；粉煤灰漂珠：10~45kg/m3；轻质陶粒：35~140kg/m3；保水剂：2~5kg/m3；减水剂：3.1~3.4kg/m3；其中，所述抗裂自修复水泥包括90~95%抗裂自修复水泥熟料和5~10%二水石膏；所述抗裂自修复水泥熟料中包括4~8%的方镁石和1~5%的γ‑C2S，所述方镁石的尺寸在3~5μm有0.4~1.2%。通过本混凝土，能有效解决衬砌混凝土早期出现结构损伤的问题，能缩小后期裂缝宽度，同时具有保温隔热功能，能一定程度降低运营环境温度。

Description

一种用于热害隧道的混凝土
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种用于热害隧道的混凝土。
背景技术
我国新世纪四大工程之一——青藏铁路，是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路，沿线高地温隧道初步统计有10座，地温范围在30～89℃范围内。受地质构造作用、施工等因素综合影响，隧道显示出明显的高地温特征，隧道初期支护和二次衬砌热害严重。热害不仅使衬砌混凝土结构开裂，极限承载能力下降，而且还会恶化运营环境，提高运营成本。
一般的，高地温(超过50℃)隧道施工通常采用隔热衬砌，即在二次衬砌之前加隔热层和防水层，控制衬砌结构内外温差不大于15℃，解决内外温差问题。但是，隧道内温度仍有可能超过50℃，运营环境恶劣。此外，由于环境温度高，新浇筑混凝土会出现热膨胀、化学减缩、微管压力热质传输等不良现象，导致结构损伤，混凝土后期强度偏低；另外，在隧道高温度、低湿度条件下，硬化混凝土会出现干缩，导致微裂纹，影响结构耐久性；此外，隧道内空气中CO2浓度比隧道外空气大一个数量级，混凝土碳化速度大大加快，引起的碳化收缩大。
从混凝土本身出发解决解决隧道热害问题已有大量研究。有工程参建单位将P.O42.5R水泥、粉煤灰、抗裂剂混合，利用水化速率与膨胀历程协同调控技术制备低收缩抗裂混凝土并应用于实体结构，但这项技术只是抑制了早期收缩开裂风险。国内利用石蜡、水玻璃、树脂等材料作为养护剂喷洒或涂刷于混凝土表面，可以有效防止混凝土内自由水的蒸发。据一些工程使用证明，石蜡不耐磨；树脂类养护剂易被水冲刷掉；水玻璃养护剂抗碳化能力较差；另外养护剂的喷洒时间必须在混凝土表面刚停止泌水时开始喷洒，过早或过迟喷洒，有可能造成混凝土表面结构疏松或龟裂。
针对隧道衬砌施工解决热害问题，国家知识产权局于2020年11月20号授权的公布号为CN211974986U，名称为“一种高温隧道衬砌施工系统”，在高温衬砌结构周边设置水喷雾装置，不同温度条件下使用不同降温方法。但该发明不利于项目经理部现场施工组织和管理。
因此，热害隧道的衬砌混凝土存在早期结构损伤，后期裂缝宽和耐久性差的问题，且施工工艺复杂。另外，热害隧道运营温度高的问题需要解决。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于热害隧道的混凝土，具有自修复功能，能有效解决衬砌混凝土早期出现结构损伤的问题，能缩小后期裂缝宽度，同时具有保温隔热功能，能一定程度降低运营环境温度。
本发明是通过采用下述技术方案实现的：
一种用于热害隧道的混凝土，其特征在于：包括以下按重量配置的原料：
抗裂自修复水泥：250～340kg/m3；
矿粉：30～120kg/m3；
硅灰20～50kg/m3；
粉煤灰漂珠：10～45kg/m3；
轻质陶粒：35～140kg/m3；
保水剂：2～5kg/m3；
减水剂：3.1～3.4kg/m3；
其中，所述抗裂自修复水泥包括90～95％抗裂自修复水泥熟料和5～10％二水石膏；所述抗裂自修复水泥熟料中包括4～8％的方镁石和1～5％的γ-C2S，所述方镁石的尺寸在3～5μm有0.4～1.2％。
所述抗裂自修复水泥中，尺寸大于65μm的水泥颗粒占15～30％。
所述抗裂自修复水泥熟料包括20～30％C3S、35～55％C2S、1～3％C3A、17～26％铁相固溶体和5～8％MgO；其中，硅率值SM范围1.4～2.4，铝率值IM范围0.7～0.84，石灰饱和系数KH范围0.74～0.80。
所述抗裂自修复水泥熟料中铁相固溶体为C6A2F。
所述粉煤灰漂珠的容重250～450kg/m3，粒径1～250μm，静压强度80～140MPa，导热系数常温0.1～0.5W/(m·K)。
所述轻质陶粒的堆积密度300～500kg/m3，粒径5～10mm，筒压强度≥1.0MPa，1h吸水率≤25％。
所述矿粉的比表面积≥400m2/kg，7d活性指数≥70％，28d活性指数≥95％，流动度比≥95％。
所述硅灰的比表面积≥15m2/g，7d活性指数(7d快速法)≥105％，SiO2含量≥85％，需水量比≤125％。
所述保水剂为羧甲基纤维素醚、羟乙基/丙基纤维素或磷酸酯淀粉中的一种。
所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量20％，减水率≥25％。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
1、本发明中，采用轻质陶粒代替10～30％的碎石骨料，粉煤灰漂珠代替5～15％的砂子细骨料制备轻质混凝土，可起到一定的保温隔热作用，令隧道环境温度降低，减少混凝土热应力开裂。陶粒和漂珠属于多孔吸水材料，将饱和吸水的陶粒和漂珠作为骨料加入混凝土内部，形成微养护环境，陶粒和漂珠可为水泥后期水化反应、修复微裂纹持续提供反应用水。
在抗裂自修复水泥中，包含3～5μm大小的方镁石和有1～5％的γ-C2S。由于陶粒和漂珠提供了反应用水，在混凝土结构出现裂缝后，3～5μm大小的方镁石可缓慢吸水，生成Mg(OH)2，体积膨胀，填补裂缝；难水化的γ-C2S在该反应用水存在的条件下，会与CO2发生反应，其碳化活性高于C3S和β-C2S，生成的CaCO3和SiO2凝胶可以填充微裂缝。另外，由γ-C2S生成的CaCO3，具有微晶粒和活化效应，可促进粗大水泥颗粒水化为C-S-H凝胶，填补缝隙。
2、本发明中，包括15～30％的尺寸大于65μm的水泥粗颗粒，因其水化程度低且粒径较大，易应力集中，裂缝最先出现在粗颗粒周围，然后贯穿粗颗粒。此时，粗颗粒未水化部分露出，裂缝中的水蒸汽与水泥矿物发生水化反应，产生C-S-H凝胶、Ca(OH)2、AFt、Mg(OH)2等产物，修补裂缝，实现自修复功能。
3、本发明中，相对现有技术，耐化学侵蚀性差的C3A和C3S含量低，铝率值IM降低了，铁相固溶体的含量提高了，能有效保证抗裂自修复水泥的早期强度。
4、在铁相固溶体中，由于C6A2F水化速度比C4AF快，并且为使熟料中铁相以较多C6A2F存在，引入一定量MgO可以降低液相粘度，实现各配方之间的相互配合。
5、三元胶凝体系中硅灰、矿粉中的活性SiO2、Al2O3可以和抗裂自修复水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次水化反应(火山灰反应)生成C-S-H凝胶，修复微裂纹并填充水泥石的孔隙和水泥石与骨料之间的界面过渡区，提高混凝土耐久性能。
6、保水剂属于亲水性高分子聚合物，通过改进混凝土塑化性能，降低泌水离析，可以减少混凝土浇筑后失水，减少塑性收缩。保水剂的保水性能使混凝土在在浇筑后不会因干得太快而开裂，增强硬化后强度。
具体实施方式
下面用实施例进一步描述本发明，但所述实施例仅用于说明本发明而不是限制本发明。
其中，各实施例熟料矿物组成参见下表(质量百分数)：
编号 C<sub>3</sub>S C<sub>2</sub>S C<sub>3</sub>A C<sub>6</sub>A<sub>2</sub>F MgO SM IM KH
实施例1 25 45 2 22 6 1.8 0.74 0.77
实施例2 23 49 1 20 7 2.1 0.70 0.75
实施例3 30 35 1 26 8 1.4 0.70 0.80
实施例4 20 55 3 17 5 2.4 0.84 0.74
其中，各实施例中抗裂自修复水泥配料参见下表(质量百分数)：
编号 抗裂自修复水泥熟料 二水石膏
实施例1 90 10
实施例2 92 8
实施例3 95 5
实施例4 94 6
其中，各实施例中热害隧道的混凝土配料参见下表(kg/m3)：
Figure BDA0003013816210000041
本发明各实施例测得热害隧道混凝土性能参见下表：
Figure BDA0003013816210000051
将混凝土成型，试件养护采用高温养护(60℃，相对湿度80％)。每个龄期观察试件表面是否有裂缝。力学性能按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019进行。
结果表明，用于热害隧道的混凝土在各龄期均未出现裂缝，且有明显的自修复效果。
各实施例具体说明如下：
实施例1
本实施例中抗裂自修复水泥熟料中包括4％的方镁石，且3～5μm方镁石含量0.4％，γ-C2S含量为5％；抗裂自修复水泥中，大于65μm的水泥颗粒占15％。
粉煤灰漂珠容重250kg/m3，粒径1～200μm，静压强度80MPa，导热系数常温0.1W/(m·K)。轻质陶粒堆积密度300kg/m3，粒径5～10mm，筒压强度1MPa，1h吸水率25％。
矿粉比表面积425m2/kg，7d活性指数80％，28d活性指数98％，流动度比101％。硅灰比表面积18m2/g，7d活性指数(7d快速法)110％，SiO2含量95％，需水量比118％。保水剂为羧甲基纤维素醚。减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量20％，减水率26％。
实施例2
本实施例中抗裂自修复水泥熟料中包括5.5％的方镁石，且3～5μm方镁石含量0.7％，γ-C2S含量为3％；抗裂自修复水泥中，大于65μm的水泥颗粒占20％。
粉煤灰漂珠容重350kg/m3，粒径50～150μm，静压强度90MPa，导热系数常温0.21W/(m·K)。轻质陶粒堆积密度350kg/m3，粒径5～10mm，筒压强度1.4MPa，1h吸水率19％。
矿粉比表面积400m2/kg，7d活性指数70％，28d活性指数95％，流动度比95％。硅灰比表面积15m2/g，7d活性指数(7d快速法)105％，SiO2含量85％，需水量比125％。保水剂为磷酸酯淀粉。减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量20％，减水率28％。
实施例3
本实施例中抗裂自修复水泥熟料中包括6.8％的方镁石，且3～5μm方镁石含量0.9％，γ-C2S含量为2％；抗裂自修复水泥中，大于65μm的水泥颗粒占23％。
粉煤灰漂珠容重405kg/m3，粒径100～200μm，静压强度130MPa，导热系数常温0.35W/(m·K)。轻质陶粒堆积密度420kg/m3，粒径5～10mm，筒压强度1.8MPa，1h吸水率15％。
矿粉比表面积427m2/kg，7d活性指数75％，28d活性指数98％，流动度比101％。硅灰比表面积18m2/g，7d活性指数(7d快速法)110％，SiO2含量95％，需水量比121％。保水剂为羟丙基纤维素。减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量20％，减水率26％。
实施例4
本实施例中抗裂自修复水泥熟料中包括8％的方镁石，且3～5μm方镁石含量1.2％，γ-C2S含量为1％；抗裂自修复水泥中，大于65μm的水泥颗粒占30％。
粉煤灰漂珠容重450kg/m3，粒径150～250μm，静压强度140MPa，导热系数常温0.5W/(m·K)。轻质陶粒堆积密度500kg/m3，粒径5～10mm，筒压强度2MPa，1h吸水率12％。
矿粉比表面积459m2/kg，7d活性指数77％，28d活性指数96％，流动度比105％。硅灰比表面积21m2/g，7d活性指数(7d快速法)108％，SiO2含量89％，需水量比119％。保水剂为羟乙基纤维素。减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量20％，减水率29％。
综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (7)

1.一种用于热害隧道的混凝土，其特征在于：包括以下按重量配置的原料：
抗裂自修复水泥：250~340kg/m3；
矿粉：30~120 kg/m3；
硅灰：20~50kg/m3；
粉煤灰漂珠：10~45kg/m3；
轻质陶粒：35~140kg/m3；
保水剂：2~5kg/m3；
减水剂：3.1~3.4kg/m3；
其中，所述抗裂自修复水泥包括 90~95%抗裂自修复水泥熟料和5~10%二水石膏；所述抗裂自修复水泥熟料中包括4~8%的方镁石和1~5%的γ-C2S，所述方镁石的尺寸在3~5μm有0.4~1.2%；
所述抗裂自修复水泥中，尺寸大于65μm的水泥颗粒占15~30%；
所述抗裂自修复水泥熟料包括20~30% C3S、35~55% C2S、1~3% C3A、17~26% 铁相固溶体C6A2F和5~8% MgO；其中，硅率值SM范围1.4~2.4，铝率值IM范围0.7~0.84，石灰饱和系数KH范围0.74~0.80。
2.根据权利要求1所述的一种用于热害隧道的混凝土，其特征在于：所述粉煤灰漂珠的容重250~450kg/m3，粒径1~250μm，静压强度80~140MPa，导热系数常温0.1~0.5W/(m·K)。
3.根据权利要求1所述的一种用于热害隧道的混凝土，其特征在于：所述轻质陶粒的堆积密度300~500kg/m3，粒径5~10mm，筒压强度≥1.0MPa，1h吸水率≤25%。
4.根据权利要求1所述的一种用于热害隧道的混凝土，其特征在于：所述矿粉的比表面积≥400m2/kg，7d活性指数≥70%，28d活性指数≥95%，流动度比≥95%。
5.根据权利要求1所述的一种用于热害隧道的混凝土，其特征在于：所述硅灰的比表面积≥15m2/g，7d活性指数≥105%，SiO2含量≥85%，需水量比≤125%。
6.根据权利要求1所述的一种用于热害隧道的混凝土，其特征在于：所述保水剂为羧甲基纤维素醚、羟乙基/丙基纤维素或磷酸酯淀粉中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种用于热害隧道的混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量20%，减水率≥25%。
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