CN114085055B - 一种适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土及其制备方法，包括胶凝材料组份、改性组份和砂石组分，其中胶凝材料组份包括水泥和粉煤灰，改性组份包括羟丙基甲基纤维素醚、聚丙烯酸钠高吸水树脂、可再分散乳胶粉、引气剂和高性能聚羧酸型减水剂，砂石组分包括砂和碎石。本发明通过调整与优化材料组成及参数改善混凝土性能，细化孔隙结构，使得内部结构更加密实，并采用覆膜养护制度，可有效减少高温低湿环境下混凝土内前期水分的快速蒸发，有利于水化反应的进一步进行，提高力学强度与耐久性能，降低高地温带来的不利影响，保证隧道衬砌结构安全稳定，延长使用寿命。

Description

一种适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土及其 制备方法
技术领域
本发明属于混凝土制备技术领域，具体涉及一种适用于高地温隧道高温低湿环境用二次衬砌混凝土及其制备方法，以减少强度的大幅度降低且能保证耐久性。
技术背景
建造更多、更长、更深的隧道已成为一种发展趋势，而高埋深隧道极易遇到高地温问题。一般隧道温度在28℃以上，便可视为高地温隧道。高地温有两种形式，一种为高温高湿的湿热环境，一种为高温低湿的干热环境，高地温环境对隧道混凝土结构带来众多不利影响。高温低湿环境下，浇筑后的混凝土温度将快速升高而水分将迅速蒸发，这会导致水泥基材料不能充分水化而出现孔结构粗化，性能的劣化，再加上其物理化学的共同作用，混凝土性能会受到较大影响，具体表现在强度大幅度降低。因此，高温低湿环境下修建隧道也成为了工程界面临的难题，改善高地温条件下隧道混凝土性能对于提高隧道结构的稳定性及使用寿命具有重要意义。
我国目前正在修建的川藏铁路的对于提高沿线经济发展和人民的生活水平具有重要的意义。但复杂的地形条件也使工程面临着高地温、地热水等诸多地热灾害问题。在建的川藏铁路中高地温隧道的数量就已经超过了十座，地温分布在28.7℃-86.0℃。高地温施工环境不仅威胁到了施工人员的健康和安全，还增加了施工难度和混凝土结构的安全隐患。
目前的研究主要从高地温隧道隔热、材料的劣化和施工工艺等方面来解决高地温带来的不利影响[1,2]。针对材料的劣化，通常通过掺入一些矿物掺合料来改善混凝土的性能，虽然能一定程度提高混凝土的强度，但没有解决混凝土前期在高温低湿环境下水分快速蒸发的问题，水化程度较低。对于如何改善高温低湿环境条件下混凝土的性能仍需要进行深入研究。因此，研究出一种能够有效减少前期水分的蒸发，而且能够细化孔隙，使得内部结构更加密实，适合于高温低湿环境下混凝土及其性能改善的方法，对于我国高地温隧道工程的建设具有重要意义。
[1]吴根强，王志杰.高地温铁路隧道隔热层方案研究[J].铁道科学与工程学报,2017,14(8):1715-1726.
[2]张岩，李宁.高地温隧洞砂浆强度特性试验研究[J].新型建筑材料,2019,46(06):37-40.
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种适用于高地温隧道高温低湿环境用二次衬砌混凝土及其制备方法，通过调整与优化材料组成及参数来改善混凝土性能，细化孔隙结构，使得内部结构更加密实，并采用覆膜养护制度，可有效减少高温低湿环境下混凝土内前期水分的快速蒸发，有利于水化反应的进一步进行，提高力学强度与耐久性能，降低高地温带来的不利影响，保证隧道衬砌结构安全稳定，延长使用寿命。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土，包括胶凝材料组份、改性组份和砂石组分，其中胶凝材料组份包括水泥和粉煤灰，改性组份包括羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)、聚丙烯酸钠高吸水树脂(SAP)、可再分散乳胶粉、引气剂和高性能聚羧酸型减水剂，砂石组分包括砂和碎石。
优选的，所述胶凝材料组份、改性组份和砂石组分的质量比为1:(0.029～0.034)：(3.9～4.2)。
更优选的，按质量比计，所述水泥：粉煤灰：HPMC：SAP：可再分散乳胶粉：引气剂：高性能聚羧酸型减水剂：砂：碎石＝1：(0.25～0.43)：(0.00025～0.00043)：(0.001～0.0017)：(0.01～0.017)：(0.0002～0.00034)：(0.02～0.034)：(2.2～2.7)：(2.7～3.3)
优选的，所述水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为I级低钙灰。
优选的，所述羟丙基甲基纤维素醚的黏度1×105mPa·s；聚丙烯酸钠高吸水树脂的粒径为160um～250um，吸水倍率为450g/g；可再分散乳胶粉的固含量不小于98％，灰份(1000℃)为10±2％；引气剂为三萜皂苷引气剂。
优选的，所述砂由机制砂和再生黏土砖砂组成，再生黏土砖砂由砖混结构拆除固体废弃物中的黏土碎砖，破碎加工制成，颗粒粒径0.6mm～1.18mm，再生黏土砖砂占砂总质量的1.5～3.0％。
本发明还提供了上述适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)按设定比例，将砂石组分、胶凝材料组份、改性组份中的羟丙基甲基纤维素醚、聚丙烯酸钠高吸水树脂、可再分散乳胶粉依次投入搅拌机进行搅拌混合均匀，再掺入水、高性能聚羧酸型减水剂和引气剂，继续搅拌混合均匀得混合料；
(2)将混合料分层浇筑，先用保鲜膜覆盖养护2～3d，再标准养护至测试龄期，即可得到适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土。
优选的，步骤(1)中，水与胶凝材料组份的质量比为(0.28～0.35)：1。
优选的，步骤(1)中，混合料的坍落度为160～180mm，含气量为3.5～5.5％。
区别于传统的混凝土性能的改善方法，本发明从养护制度和材料组成两方面入手，养护制度采用前期覆膜2～3天的养护制度，材料组成采用胶凝材料组分+改性组分+砂石组分构成，改性组份具有增稠保湿和引气的作用，0.6mm～1.18mm粒径的再生黏土砖颗粒起到改善机制砂级配和保水作用，实验证明本发明的混凝土材料具有较好的力学性能和耐久性能。与传统的混凝土性能改善方法相比，本发明的方法能有效减少前期水分的快速蒸发，有利于水化反应进一步进行，能够细化孔隙结构，使内部结构更加密实，提高混凝土强度，确保耐久性。
发明的优势在于：
(1)本发明前期采用覆膜养护制度，有效地减少了前期水分的快速蒸发，可以使水化反应更大程度地进行。
(2)本发明采用胶凝材料组+改性组份+砂石组的混合体系。凝胶组分中含有粉煤灰，高温环境下可以激发粉煤灰活性，促进二次水化反应，生成物可以细化孔隙，内部结构更加密实，可以显著提高高温低湿环境下的力学性能与耐久性能。
(3)本发明中材料组成中的改性组分具有增稠保湿的作用，而且在干热缺水情况下能够释放部分所吸收的水分，起到内养护的作用。
(4)本发明中0.6mm～1.18mm粒径的再生黏土砖砂起到改善机制砂颗粒级配和保水作用，机制砂由于制备工艺等问题，常出现颗粒级配细颗粒多，粗颗粒多，而中间颗粒少的级配不佳，掺入0.6mm～1.18mm粒径的再生黏土砖砂可以在一定程度上，改善颗粒级配，同时再生黏土砖砂吸水量大，在拌制混凝土过程中可以吸入一定量的自由水，在混凝土硬化过程中水分缓慢释放，提供水化所需要的水分，从而有利于高温低湿环境下水泥水化的继续进行。
(5)本发明采用引气剂，引入封闭而稳定的微小气泡，起到隔绝热量的作用，削弱了高温低湿带来的不利影响。
(6)本发明的混凝土材料经过标准养护28d，其抗压强度≥40MPa、电通量≤1200C。
附图说明
图1为对比例1-5与实施例1的抗压强度；
图2为对比例1-5与实施例1的电通量测试值。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步的限定。
实施例1
高地温环境下隧道二次衬砌混凝土,1m3所含原料质量(kg)如下：
Figure BDA0003318349190000051
上述二次衬砌混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原材料，可以将改性组分中的纤维素醚、高吸水树脂、可再分散乳胶粉、按比例配置好后，拌制均匀，单独装袋。
(2)采用混凝土搅拌机进行搅拌，搅拌时首先投入砂石组份，然后投入胶凝材料组份，再投入改性组份，分别搅拌均匀，最后掺入水和适量的减水剂、引气剂，搅拌时间90s左右。
(3)搅拌完成后，测试混凝土的坍落度及含气量。
(4)混凝土装模，前三天进行覆膜养护，并测试3、7、28d的抗压强度及28d电通量。
测得坍落度180mm，含气量4.8％，28d抗压强度和电通量如图1和图2所示。
对比例1
高地温环境下隧道二次衬砌混凝土，1m3所含原料质量(kg)如下：
Figure BDA0003318349190000061
前三天进行覆膜养护，并测试3、7、28d的抗压强度及28d电通量。
测得坍落度150mm，含气量4.0％。与实施例1对比，当全为机制砂，没有添加再生黏土砖砂进行改善时，坍落度及含气量下降，抗压强度值下降，电通量值增加，即耐久性降低。
对比例2
高地温环境下隧道二次衬砌混凝土，1m3所含原料质量(kg)如下：
Figure BDA0003318349190000062
前三天进行覆膜养护，并测试3、7、28d的抗压强度及28d电通量。
测得坍落度110mm，含气量2.4％。与实施例1对比，当无引气剂时，坍落度及含气量较低，抗压强度值下降，电通量值增加，即耐久性降低。
对比例3
高地温环境下隧道二次衬砌混凝土,1m3所含原料质量(kg)如下：
Figure BDA0003318349190000063
前三天进行覆膜养护，并测试3、7、28d的抗压强度及28d电通量。
测得坍落度200mm，含气量3.9％。与实施例1对比，当无HPMC时，坍落度较高，抗压强度值下降，电通量值增加，即耐久性降低。
对比例4
高地温环境下隧道二次衬砌混凝土，1m3所含原料质量(kg)如下：
Figure BDA0003318349190000071
前三天进行覆膜养护，并测试3、7、28d的抗压强度及28d电通量。
测得坍落度100mm，含气量4.0％。与实验例1和其它对比例相比，当用聚丙烯酰胺替代可再分散乳胶粉时，坍落度较低，抗压强度值明显下降，电通量值增加，耐久性最差。
对比例5
高地温环境下隧道二次衬砌混凝土,1m3所含原料质量(kg)如下：
Figure BDA0003318349190000072
前三天进行覆膜养护，并测试3、7、28d的抗压强度及28d电通量。
与实验例1和其它对比例相比，当用聚丙烯酰胺替代SAP时，测得坍落度150mm，含气量5.9％。坍落度较低，含气量较高，抗压强度值明显下降，电通量值增加，耐久性差。
与对比例1-5相比，实施例1抗压强度高，耐久性能好，坍落度与含气量均符合要求，可以广泛地应用到高地温隧道二次衬砌混凝土中。
表1实施例1与对比例1-5的工作性能
Figure BDA0003318349190000073

Claims (4)

1.一种适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土，其特征在于：包括胶凝材料组份、改性组份和砂石组分，其中胶凝材料组份包括水泥和粉煤灰，改性组份包括羟丙基甲基纤维素醚、聚丙烯酸钠高吸水树脂、可再分散乳胶粉、引气剂和高性能聚羧酸型减水剂，砂石组分包括砂和碎石；
按质量比计，所述水泥：粉煤灰：羟丙基甲基纤维素醚：聚丙烯酸钠高吸水树脂：可再分散乳胶粉：引气剂：高性能聚羧酸型减水剂：砂：碎石＝1：(0.25～0.43)：(0.00025～0.00043)：(0.001～0.0017)：(0.01～0.017)：(0.0002～0.00034)：(0.02～0.034)：(2.2～2.7)：(2.7～3.3)；
其中砂由机制砂和再生黏土砖砂组成，再生黏土砖砂由砖混结构拆除固体废弃物中的黏土碎砖，破碎加工制成，颗粒粒径0.6mm～1.18mm，再生黏土砖砂占砂总质量的1.5～3.0％。
2.根据权利要求1所述的适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土，其特征在于：所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为I级低钙灰。
3.根据权利要求1所述的适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土，其特征在于：所述羟丙基甲基纤维素醚的黏度1×105mPa·s；聚丙烯酸钠高吸水树脂的粒径为160um～250um，吸水倍率为450g/g；可再分散乳胶粉的固含量不小于98％，灰份为10±2％；引气剂为三萜皂苷引气剂。
4.权利要求1-3任一项所述适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按设定比例，将砂石组分、胶凝材料组份、改性组份中的羟丙基甲基纤维素醚、聚丙烯酸钠高吸水树脂、可再分散乳胶粉依次投入搅拌机进行搅拌混合均匀，再掺入水、高性能聚羧酸型减水剂和引气剂，继续搅拌混合均匀得混合料；
(2)将混合料分层浇筑，先用保鲜膜覆盖养护2～3d，再标准养护至测试龄期，即可得到适用于高地温隧道高温低湿环境下二次衬砌混凝土。
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