CN114524649A - 一种用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土及其制备方法及应用 - Google Patents

一种用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土及其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土及其制备方法及应用，原料为:普通硅酸盐水泥35‑50份，超细矿粉3.0‑5.0份，硅灰0.5‑1.5份，粉煤灰4.0‑8.0份，膨胀剂0.5‑1.0份，砂40‑60份，炭黑0.005‑0.01份，石墨烯0.002‑0.005份，减水剂0.1‑0.4份，早强剂0.5‑1.0份，改性聚氧乙烯聚合物0.5‑1.0份，渗透结晶防水剂1.0‑3.0份，磷酸三丁酯0.1‑0.2份，高强度微细钢纤维1.5‑3.0份，高性能聚酰亚胺纤维0.2‑1.0份，微生物胶囊1.0‑2.0份，能够用于新建隧道建设及既有线病害隧道维修加固，性能优异。

Description

一种用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土及其制 备方法及应用
技术领域
本发明属于建筑工程技术领域，具体为一种用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土及其制备方法及应用，应用于隧道维修加固中。
背景技术
近年来，我国基础建设快速发展，公路、铁路建设的隧道也越来越多，随着服役时间延长，受围岩条件、地质结构、环境气候等因素影响，很多隧道出现了衬砌开裂、变形、掉块、漏水等各种病害，这些病害严重降低了隧道结构的安全性和稳定性，威胁着隧道行车安全，必须对其进行整治。
现有技术一般根据隧道地质条件、使用环境、病害情况选择整治方案，对于病害程度较轻的隧道，一般采用有注浆封堵，表面封堵，局部修复等方式进行整治，成本较低，施工简便，但是由于技术缺陷，维修效果并不理想，病害容易反复出现；采用波纹板加注砂浆的整治方式对病害隧道结构进行整体加固，较其它方式有了较大改善，效果明显提高，但该施工方法存在波纹板背后注浆不密实，脱空，灌注的硫铝酸盐水泥基灌浆料与原衬砌粘结性不强，成本极高等问题，尤其是在沿海地区，由于空气潮湿度大，含盐量高，波纹板及其螺栓等金属配件极易出现锈蚀，导致其它病害出现。
另外，隧道病害主要集中于二次衬砌，二次衬砌通常采用C35或C40的普通混凝土，其承载力、耐久性、抗渗性均较差，因此受围岩压力，地下水侵蚀等因素影响易发生多种病害，影响行车安全，而且因其抗压强度较低，只能通过增加厚度以达到需要的承载能力，其厚度达30cm-40cm，这使得隧道开挖断面更大，成本增高，尤其是对于围岩条件较差的隧道，造成极大的施工困难，因此需要一种高强、耐久性好及其它优异性能的材料代替C35/C40混凝土作为隧道二次衬砌，降低二衬厚度，减少建造以及后期维修成本。
活性粉末混凝土是一种组成材料颗粒达到最优级配的水泥基复合材料，具有良好的韧性、强度和耐久性，是一种性能优异的土木工程材料，但常用的活性粉末混凝土存在混合料粘度高，粘底，纤维沉降堆积，施工困难等问题，尤其是流动度差，不适用灌注工艺，限制了活性粉末混凝土的应用范围，导致其不能应用于隧道建设及维修加固领域。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土及其制备方法，其组成材料粒径达到最优级配，同时掺加各种功能助剂，使其不仅具有高强度，高抗渗性，高防腐性等优异性能，经增韧改性后韧性、抗冲击性、抗震性和抗裂性更加优异，有效改善了传统的水泥基材料高强但质脆的缺点；流动性好，可采用常规灌注工艺施工，应用于新建隧道以及病害隧道的维修加固中，与隧道原衬砌粘结性好，防水性好，可应用于各种恶劣环境，具有自愈合能力，减少了后期维修成本。
本发明还有一个目的在于提供一种用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土的应用，用于隧道建设及维修加固。
本发明具体技术方案如下：
一种用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土，包括以下质量份原料:
普通硅酸盐水泥35-50份，超细矿粉3.0-5.0份，硅灰0.5-1.5份，粉煤灰4.0-8.0份，膨胀剂0.5-1.0份，砂40-60份，炭黑0.005-0.01份，石墨烯0.002-0.005份，减水剂0.1-0.4份，早强剂0.5-1.0份，改性聚氧乙烯聚合物0.5-1.0份，渗透结晶防水剂1.0-3.0份，磷酸三丁酯0.1-0.2份，高强度微细钢纤维1.5-3.0份，高性能聚酰亚胺纤维0.2-1.0份，微生物胶囊1.0-2.0份。
所述普通硅酸盐水泥平均粒径15-30μm；所述普通硅酸盐水泥为P.O42.5、P.O42.5R、P.O52.5或P.O52.5R中的一种；
所述超细矿粉为S105或S140矿粉中的一种，平均粒径5-10μm；
所述硅灰平均粒径0.1-0.3μm；所述硅灰为SiO2含量≥90％；
所述粉煤灰平均粒径10-20μm，所述粉煤灰为F类I级粉煤灰；
所述膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂，氧化镁含量≤3.0％，碱含量≤0.5％，限制膨胀率水中7d≥0.035％；
所述砂为30目-100目连续级配的石英砂，粒径为0.15-0.55㎜；
所述炭黑粒径≤0.1μm；
所述石墨烯为多层石墨烯纳米粉，粒径≤50nm；
所述减水剂为聚羧酸型减水剂，减水率≥30％。
所述早强剂的制备方法如下：
1)将30-40质量份的硬石膏，40-50质量份的铝矾土，20-30质量份的石灰混合均匀，然后进行煅烧，煅烧至1800-1900℃下完全熔融后，采用压缩空气以5-15℃/s的速度快速粉碎和冷却，冷却至室温后采用球磨机磨细至1000目以上,即得早强剂A；压缩空气冷却快速目的是为了得到非晶铝酸钙，快速冷却可使分子快速停止运动而形成非晶结构，如果缓慢降温分子会形成更稳定的结晶状态，而生成晶体铝酸钙，晶体铝酸钙反应活性低，早强作用弱。
2)将3.0-4.0质量份的聚羧酸减水剂、0.1-0.2质量份的聚醚环氧共改性硅油、0.01-0.05质量份的助表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，7.0-8.0质量份的水投入搅拌速率为500-700转/分钟的快速混合搅拌釜中，搅拌均匀，作为底料；将7-8质量份的甲酸钙，1.0-2.0质量份的聚羧酸减水剂，45-50质量份的水搅拌均匀并充分溶解得滴加液A1；将7.5-9.0质量份的零水偏硅酸钠，15.0-18.0质量份的水搅拌均匀并充分溶解得滴加液B1，将滴加液A1和滴加液B1在10-20℃温度下匀速滴加至底料中，滴加时间2-3h，滴加完成后保持搅拌3h，得早强剂B悬浊液；
3)早强剂B悬浊液喷雾干燥获得早强剂B，与早强剂A混合，即得。
步骤2)中滴加液A1和滴加液B1同时滴加到底料中，或滴加液A1滴加五分钟后滴加液B1再开始滴加。
步骤3)中所述早强剂A和早强剂B重量比为1:1。
步骤3)具体为：先用喷雾干燥方法制备早强剂B后，再将早强剂A和早强剂B混合均匀，即得；喷雾干燥温度为300-350℃。
早强剂制备所用的聚羧酸减水剂优选为C6型聚羧酸减水剂。
所述改性聚氧乙烯聚合物为上海赋远商贸有限公司销售的型号为M-PEO QX5596的产品；
所述渗透结晶防水剂为市售水泥基渗透结晶防水剂，优选上海赋远商贸有限公司销售的型号为Activated-Crystal的产品；
所述高强度微细钢纤维长度为1.3-1.5cm，直径为0.2-0.22mm，抗拉强度≥2100MPa。
所述高性能聚酰亚胺纤维为1.0-1.5cm的短切纤维丝，属于低成本异构型联苯四酸二酐(i-BPDA/s-BPDA)共聚型高性能聚酰亚胺纤维。
所述高性能聚酰亚胺纤维的制备方法如下：
A、在室温下合成聚酰胺酸预聚体溶液：在干燥洁净的锥形瓶中加入4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)与溶剂N,N’-二甲基乙酰胺(DMAc)，然后分5-10次加入2,2’,3,3’-联苯四酸二酐(i-BPDA)，每两次间隔15-30min，在室温下搅拌4小时后，再加入i-BPDA的同分异构体3,3’,4,4’-联苯四酸二酐(s-BPDA)，室温下搅拌6小时，最后加入苯乙炔苯酐(PEPA)，搅拌3个小时，密封后在0℃的冰箱中放置24h进行均化反应，得到无规共聚型聚酰胺酸预聚体溶液；
B、将步骤A的聚酰胺酸预聚体溶液采用湿法纺丝工艺制备成聚酰亚胺纤维；
C、将步骤B所得纤维切割成1.0-1.5cm的短切纤维；
D、将步骤C制备的短切聚酰亚胺纤维进行表面处理刻蚀。
步骤A中制备的所述聚酰胺酸预聚体聚合度为5，相对分子量为3000-3500，4,4’-ODA，i-BPDA，s-BPDA和PEPA的摩尔比为6:2.5:2.5:2，聚酰胺酸预聚体溶液固含量为30％-50％；
步骤B中，湿法纺丝工艺具体参数为:亚胺化温度为300-350℃，热拉伸温度为350-400℃，拉伸倍数为1.5-2.5，制备的聚酰亚胺纤维玻璃化转变温度≥300℃，在空气环境下5％热失重温度≥500℃，拉伸强度≥100MPa，拉伸模量≥2.0GPa：
上述聚合反应方程式如图1所示。
步骤D具体为：经辉光放电低温等离子仪进行表面刻蚀、粗糙化处理，将聚酰亚胺纤维置于低温离子系统中，设定仪器功率50-100W保持40-80秒，即得刻蚀处理的聚酰亚胺纤维。
所述微生物胶囊为好氧型微生物胶囊，选自嗜碱芽孢杆菌、枯草杆菌、固氮菌、硝化细菌和黄色短杆菌中的一种或多种。
本发明提供的用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土的制备方法为：
按照质量份，将普通硅酸盐水泥35-50份，超细矿粉3.0-5.0份，硅灰0.5-1.5份，粉煤灰4.0-8.0份，膨胀剂0.5-1.0份，砂40-60份，炭黑0.005-0.01份，石墨烯0.002-0.005份，减水剂0.1-0.4份，早强剂0.5-1.0份，改性聚氧乙烯聚合物0.5-1.0份，渗透结晶防水剂1.0-3.0份，高强度微细钢纤维1.5-3.0份，高性能聚酰亚胺纤维0.2-1.0份，置于干混料搅拌设备内，搅拌10-30min后，保持搅拌，磷酸三丁酯0.1-0.2份自加料口采用喷射器缓慢喷射于固体粉料表面，继续搅拌10-30min,加入微生物胶囊1.0-2.0份，搅拌5-10min，即得活性粉末混凝土干混料。
本发明制备的用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土的初始流动度≥260mm，8h抗压强度≥10MPa，1d抗压强度≥50Mpa，28d抗压强度≥100Mpa，8h抗折强度≥3MPa，1d抗折强度≥8Mpa，28d抗折强度≥16Mpa，收缩率≤0.02％，氯离子含量≤0.06％，弹性模量≥30GPa，抗冻性≥F300，抗渗性能≥P15，抗硫酸盐侵蚀性≥KS90；所述活性粉末混凝土与基面粘结性良好，拉伸粘结强度≥1.0MPa，点对点电阻:1.0×105-1.0×107Ω，早期抗裂试验单位面积总开裂面积≤0.5mm2/m2。
所述活性粉末混凝土中可铺设纤维网格布。
本发明提供的用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土的应用，用于新建隧道建设或既有线病害隧道维修加固；使用时，水和用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土重量比例为(0.12-0.14)：1。
具体应用方法，包括以下步骤:
S1、对待维修隧道二衬基面清理，并根据需要挂设1-2层纤维网，
S2、在待维修的隧道内安装钢拱架及模板；
S3、准确称量用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土干混料置于搅拌锅；
S4、按水：干混料重量比例为(0.12-0.14)：1准确称量水，边搅拌边缓慢加入干混料内，搅拌4-8min；
S5、将搅拌好的活性粉末混凝土注入灌注设备内，开启注浆泵进行注浆，从注浆口灌入，直至溢浆口流出为止；
S6、待活性粉末混凝土凝结硬化且抗压强度达到20MPa后即可进行拆模处理，完成隧道维修工序。
S5中，在灌注过程中应不断用振动装置振动模板，以保证活性粉末混凝土更密实。
与现有技术相比，本发明各组分共同作用得到性能良好的用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土，具体设计思路及达到的效果如下：
(1)基材方面，通过选用不同粒径的基材形成优良的颗粒级配体系，使其具有良好的强度、抗渗、抗腐蚀等性能，水泥平均粒径15-30μm，硅灰平均粒径0.1-0.3μm，粉煤灰平均粒径10-20μm，超细矿粉平均粒径5-10μm，30目-100目的石英砂粒径为0.15-0.55㎜，各种材料粒径不同，小颗粒粒径不断填充大颗粒材料堆积过程中的缝隙，经水泥水化作用，形成密实的水泥石结构，同时为了避免毛细孔隙的存在，本发明加入了渗透结晶防水材料，其含有纳米级无机活性物质，与水拌合后，迅速分散到水中，并随水分散到混凝土中，与混凝土中电离出的Ca2+离子发生络合发应，形成不稳定的钙络合物，该络合物随水在混凝土中扩散，遇到活性较高或未水化的水泥和水泥胶体，活性化学物质被更稳定的硅酸根、铝酸根所取代，发生结晶、沉淀，形成具有一定强度的晶状物，堵塞毛细孔，活性化学物质成为自由基，继续随水向内部扩散，从而使混凝土致密、防水，减少加固结构的渗漏水几率；
(2)只用基材制备的混凝土材料强度虽然高，但是质脆、韧性很差，因此本发明加入了钢纤维和聚酰亚胺纤维，钢纤维与混凝土相容性好，可以赋予混凝土良好的韧性，但是其密度大，掺量过多会导致施工时混凝土搅拌阻力过大，易堆积难以均匀分散，流动性差，易损害灌浆设备；且钢纤维易被腐蚀导致混凝土结构受到破坏，掺量少则达不到增韧效果。普通纤维丝表面光滑与水泥的连接咬合性不好，导致的结果是混凝土强度较低，本发明自制的纤维丝经表面刻蚀后，表面粗糙，与水泥的粘结咬合性会更好；聚酰亚胺纤维较其它纤维具有突出的耐高低温性能，高强度，高模量，良好的韧性和耐化学腐蚀性等优异性能，其中以由二酐单体a-BPDA，二胺单体4,4’-ODA和封端剂PEPK聚合，得到的非对称芳香族无定型聚酰亚胺(TriA-PI)综合性能最为优异，但是由于不对称的二酐单体a-BPDA合成困难，价格昂贵，导致TriA-PI价格也较高，而且普通聚酰亚胺纤维与水泥等基材的粘结性较差，易在纤维和水泥的界面处形成强度薄弱点，因此本发明采用a-BPDA价格较为低廉的同分异构体，即具有非共面扭曲结构的i-BPDA与对称性的s-BPDA共聚，得到与TriA-PI性能相类似的聚酰亚胺材料，并经湿法工艺制成聚酰亚胺纤维，经刻蚀改性使其与水泥等基材有良好的粘结性，且其密度只有钢纤维的1/5，具有极高的比强度和比模量，对混凝土流动性无不良影响，完美补充了单掺钢纤维的缺陷，掺加聚酰亚胺纤维可以有效降低钢纤维的掺量并提高混凝土强度和韧性；配合各种功能助剂可以使用灌注工艺进行施工。
(3)各功能助剂共同作用赋予活性粉末混凝土良好施工性能和其它优良特性：①掺加聚羧酸型减水剂使其在低水胶比下获得良好的流动性，保证其施工性能，同时采用磷酸三丁酯作为消泡剂，其与聚羧酸类减水剂具有良好的相容性，消泡的同时还可增加混凝土的流动性，避免了传统的有机硅或聚醚类消泡剂达到消泡效果的同时会对流动性造成不利影响，使混凝土具有流动性好，强度高的特点；②活性粉末混凝土仅具有流动性是不能应用于隧道加固维修工程的，本发明自制的早强剂目的在于提高活性粉末混凝土的早期强度。普通硅酸盐水泥水化较慢，早期强度尤其是超早期(≤10小时)强度较低，常用的硫酸钠、氯化钙等无机早强剂和醇胺类有机早强剂仅对于提高混凝土的1d强度效果明显，对于提高超早期强度作用不大，而且此类早强剂一般以牺牲后期强度作为代价，对混凝土的耐久性造成不利影响。本发明由于要应用于铁路隧道加固工程，要求活性粉末混凝土应在保证施工性能的同时尽量提高超早期强度，以保证隧道的安全运营；本发明采用双组份早强剂可以同时促进水泥中铝酸三钙，硅酸三钙和硅酸二钙的水化，而且双组份同时作用避免了因水泥熟料变动而影响早强效果的情况发生，适应性更强，本发明提供的早强剂可以使活性粉末混凝土8h抗压强度达10MPa，而且对混凝土后期强度和耐久性不产生任何不利影响，但掺加本发明早强剂会使流动性变差，因此需配合高减水率减水剂共同应用，保证混凝土在低水胶比时仍具有良好的流动性，以达到灌注工艺要求。③在隧道维修加固工程中，修补材料与隧道原衬砌的粘结性能至关重要，本发明除了采用与原衬砌相同的普通硅酸盐水泥以保证粘结性良好外还掺加了改性聚氧乙烯聚合物，此聚合物为环氧乙烷基衍生物，非离子型聚合物，具有优秀的分散性，与本发明各基材、减水剂、早强剂等助剂具有良好的兼容性，其应用于本发明中，可以在不损失混凝土流动性的同时大大提高混凝土的内聚力以及和隧道衬砌基面的粘结力，另外还可以在硬化水泥浆体中形成网状胶膜，有效防止裂纹的产生和阻止裂纹扩散，进一步提高混凝土的耐久性。④但是如果隧道所处环境恶劣，随着时间的延长，活性粉末混凝土仍然会不可避免的产生微小裂纹，成为隧道病害薄弱点，微小裂纹不断被围岩水、地下水或潮湿空气侵蚀，微小裂纹不断增大而造成严重病害，因此在本发明中加入了微胶囊结构，当混凝土产生裂纹，胶囊破裂，当空气中的水和氧气进入时，好氧菌被激活，激活的好氧菌进行代谢生成二氧化碳，二氧化碳会与砂浆中的钙离子反应生成碳酸钙沉淀填补裂缝，达到愈合的效果。本发明做到提前预防，裂后自愈，大大提高混凝土的耐久性能，可以应用到任何恶劣环境中。同时在制备本发明时，由于微生物胶囊囊壳易被破坏，使其失去应用效果，因此在制备过程中微生物胶囊最后加入本发明中，并尽量缩短搅拌时间至5-10min。⑤铁路隧道内布设有高压电，为了提高安全性，本发明掺加了炭黑和石墨烯作为防静电材料，石墨烯不仅防静电而且由于比硅灰粉煤灰颗粒更细，为纳米级颗粒，可以填充混凝土中的微小孔隙，是混凝土结构更加密实，因此其还可以大大提高混凝土的抗压强度及耐久性，但石墨烯价格昂贵，掺量不易过高；炭黑的比表面积更大，接触面积大，导电网络更易于形成，将炭黑和石墨烯共同应用，使本发明具有优良的防静电性的同时增加混凝土强度和耐久性。
通过各组分共同作用，本发明提供的活性粉末混凝土具有高强度，高抗渗性，高防腐性，防静电性等优异性能，经增韧改性后韧性、抗冲击性、抗震性和抗裂性更加优异，有效改善了传统的水泥基材料高强但质脆的缺点，流动性好，可采用常规灌注工艺施工，与隧道原衬砌粘结性好，防水性好，可应用于各种恶劣环境，具有自愈合能力，减少了后期维修成本。
附图说明
图1为本发明高性能聚酰亚胺合成过程；
图2为实施例1受折后状态；
图3为对比例1受折后的状态；
图4为实施例1对新建隧道中存在的缺陷进行维修后效果图，从左到右依次为特种活性粉末混凝土套衬取芯位置、套衬侧面效果；套衬正面效果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1-实施例4
用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土，包括以下质量份原料:如表1所示。
对比例1-对比例4
用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土，包括以下质量份原料:如表1所示。
表1各实施例和对比例的原料及用量比
Figure BDA0003573542150000111
Figure BDA0003573542150000121
各实施例和对比例原料的性能及指标如下：
所述普通硅酸盐水泥平均粒径15μm；实施例1、对比例1的普通硅酸盐水泥为P.O42.5，实施例2、对比例2为P.O42.5R；实施例3-实施例4、对比例3-对比例4均为P.O52.5。
所述超细矿粉为S105或S140矿粉中的一种，平均粒径5μm；
所述硅灰平均粒径0.1μm；所述硅灰为SiO2含量≥90％；
所述粉煤灰平均粒径20μm，所述粉煤灰为F类I级粉煤灰；
所述膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂，氧化镁含量≤3.0％，碱含量≤0.5％，限制膨胀率水中7d≥0.035％；
所述砂为30目-100目连续级配的石英砂，粒径为0.15-0.55㎜；
所述炭黑粒径≤0.1μm；
所述石墨烯为多层石墨烯纳米粉，粒径≤50nm；
所述减水剂为聚羧酸型减水剂，减水率≥30％。
实施例1所用早强剂的制备方法如下：
1)将30重量份的硬石膏，40重量份的铝矾土，30重量份的石灰混合均匀，然后进行煅烧，煅烧至1800℃下完全熔融后，采用压缩空气以5-15℃/s的速度快速粉碎和冷却，冷却至室温后采用球磨机磨细至1000目以上，即得早强剂A；
2)将3.5重量份的C6型聚羧酸减水剂、0.2重量份的聚醚环氧共改性硅油、0.01重量份的助表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，8.0重量份的水投入搅拌速率为600转/分钟的快速混合搅拌釜中，搅拌均匀，作为底料；将7.0重量份的甲酸钙，1.5重量份的C6型聚羧酸减水剂，48重量份的水搅拌均匀并充分溶解得滴加液A1；将8.5重量份的零水偏硅酸钠，17.0重量份的水搅拌均匀并充分溶解得滴加液B1，将滴加液A1和滴加液B1在15℃温度下同时匀速滴加至底料中，滴加时间2.5h，滴加完成后保持搅拌3h，得早强剂B悬浊液；
3)早强剂B悬浊液在喷雾干燥温度为350℃条件下喷雾干燥获得早强剂B，与早强剂A混合，早强剂A和早强剂B重量比为1:1，即得。
实施例2所用早强剂的制备方法如下：
1)将35重量份的硬石膏，45重量份的铝矾土，20重量份的石灰混合均匀，然后进行煅烧，煅烧至1850℃下完全熔融后，采用压缩空气以5-15℃/s的速度快速粉碎和冷却，冷却至室温后采用球磨机磨细至1000目以上，即得早强剂A；
2)将3.0重量份的C6聚羧酸减水剂、0.15重量份聚醚环氧共改性硅油、0.03重量份的助表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，7.0重量份的水投入搅拌速率为500转/分钟的快速混合搅拌釜中，搅拌均匀，作为底料；将7.5重量份的甲酸钙，1.5重量份的C6型聚羧酸减水剂，45重量份的水搅拌均匀并充分溶解得滴加液A1；将8.0重量份的零水偏硅酸钠，16.0重量份的水搅拌均匀并充分溶解得滴加液B1，将滴加液A1和滴加液B1在20℃温度下同时匀速滴加至底料中，滴加时间3h，滴加完成后保持搅拌3h，得早强剂B悬浊液；
3)早强剂B悬浊液320℃下喷雾干燥获得早强剂B，与早强剂A混合，即得，其中早强剂A和早强剂B重量比为1:1。
实施例3所用早强剂的制备方法如下：
1)将40重量份的硬石膏，40重量份的铝矾土，30重量份的石灰混合均匀，然后进行煅烧，煅烧至1900℃下完全熔融后，采用压缩空气以5-15℃/s的速度快速粉碎和冷却，冷却至室温后采用球磨机磨细至1000目以上，即得早强剂A；
2)将4.0重量份的聚羧酸减水剂、0.1重量份的聚醚环氧共改性硅油是、0.05重量份的助表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，7.8重量份的水投入搅拌速率为700转/分钟的快速混合搅拌釜中，搅拌均匀，作为底料；将8.0重量份的甲酸钙，2.0重量份的聚羧酸减水剂，50重量份的水搅拌均匀并充分溶解得滴加液A1；将9.0重量份的零水偏硅酸钠，18.0重量份的水搅拌均匀并充分溶解得滴加液B1，将滴加液A1和滴加液B1在10℃温度下同时匀速滴加至底料中，滴加时间2h，滴加完成后保持搅拌3h，得早强剂B悬浊液；
3)早强剂B悬浊液300℃喷雾干燥获得早强剂B，与早强剂A混合，即得，早强剂A和早强剂B重量比为1:1。
实施例4所用早强剂与实施例1相同。对比例1，对比例2用的早强剂与实施例1相同；对比例3早强剂为市售二乙醇单异丙醇胺，对比例4早强剂为市售硫酸钠。
所述改性聚氧乙烯聚合物为上海赋远商贸有限公司销售的型号为M-PEO QX5596的产品；
所述渗透结晶防水剂为市售水泥基渗透结晶防水剂，优选上海赋远商贸有限公司销售的型号为Activated-Crystal的产品；
所述高强度微细钢纤维长度为1.3-1.5cm，直径为0.2-0.22mm，抗拉强度≥2100MPa。
实施例1-实施例4所用的高性能聚酰亚胺纤维为1.0-1.5cm的短切纤维丝，其制备方法为：
A、在室温下合成聚酰胺酸预聚体溶液：在干燥洁净的锥形瓶中加入4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)与溶剂N,N’-二甲基乙酰胺(DMAc)，然后分8次加入2,2’,3,3’-联苯四酸二酐(i-BPDA)，每两次间隔20min，在室温下搅拌4小时后，再加入i-BPDA的同分异构体3,3’,4,4’-联苯四酸二酐(s-BPDA)，室温下搅拌6小时，最后加入苯乙炔苯酐(PEPA)，搅拌3个小时，密封后在0℃的冰箱中放置24h进行均化反应，得到无规共聚型聚酰胺酸预聚体溶液；所述聚酰胺酸预聚体聚合度为5，相对分子量为3000-3500，4,4’-ODA，i-BPDA，s-BPDA和PEPA的摩尔比为6:2.5:2.5:2，聚酰胺酸预聚体溶液固含量为30％；
B、将步骤A的聚酰胺酸预聚体溶液采用湿法纺丝工艺制备成聚酰亚胺纤维；具体工艺参数为：亚胺化温度为330℃，热拉伸温度为380℃，拉伸倍数为2.0，制备的聚酰亚胺纤维玻璃化转变温度320℃，在空气环境下5％热失重温度≥562℃，拉伸强度116MPa，拉伸模量2.3GPa：
C、将步骤C所得纤维切割成1.0cm的短切纤维；
D、将步骤C制备的短切聚酰亚胺纤维经辉光放电低温等离子仪进行表面刻蚀、粗糙化处理，将聚酰亚胺纤维置于低温离子系统中，设定仪器功率80W保持70秒，即得刻蚀处理的聚酰亚胺纤维。
对比例2用的聚酰亚胺纤维为市售聚酰亚胺纤维。对比例3和对比例4用的高性能聚酰亚胺纤维与实施例相同。
各实施例和对比例用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土的制备方法为：
按照表1所示的质量份，将普通硅酸盐水泥，超细矿粉，硅灰，粉煤灰，膨胀剂，砂份，炭黑，石墨烯，减水剂，早强剂，改性聚氧乙烯聚合物，渗透结晶防水剂，高强度微细钢纤维和高性能聚酰亚胺纤维，置于干混料搅拌设备内，搅拌25min后，保持搅拌，配方量磷酸三丁酯自加料口采用喷射器缓慢喷射于固体粉料表面，继续搅拌18min,加入微生物胶囊，搅拌8min，即得活性粉末混凝土干混料。
各实施例和对比例制备的活性粉末混凝土性能如表2所示。
上述各实施例和对比例制备的活性粉末混凝土用于维修加固隧道，具体施工方法为：
1)待维修隧道二衬基面清理，并根据需要挂设2层纤维网，
2)、在待维修的隧道内安装钢拱架及模板；
3)、准确称量各实施例或对比例制备的用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土干混料置于搅拌锅；
4)、按水：干混料质量比例为0.13:1准确称量水，边搅拌边缓慢加入干混料内，搅拌6min；
5)将搅拌好的活性粉末混凝土检测扩展度≥260mm，注入灌注设备内，开启注浆泵进行注浆，从注浆口灌入，直至溢浆口流出为止，在灌注过程中应不断用振动装置振动模板，以保证活性粉末混凝土更密实；
6)待活性粉末混凝土凝结硬化且同条件养护时间试件抗压强度达到20MPa后即可进行拆模处理，完成隧道维修工序。
各实施例和对比例施工方法相同。
实施例和对比例制备的活性粉末混凝土性能如表2所示，各检测依据如下：初始流动度根据标准GB/T 50448-2015检测，抗压强度和抗折强度根据标准GB/T 17671-2019检测，与基面粘结强度和弹性模量根据标准GB/T 50081-2019检测；抗渗性能和收缩率根据标准DL/T5126-2001检测，氯离子含量根据标准JGJ/T322-2013检测，抗冻融循环、抗硫酸盐侵蚀，早期抗裂试验单位面积总开裂面积根据标准GB/T50082-2009检测，点对点电阻采用重锤式点对点电阻测试仪检测。
表2各实施例和对比例制备的活性粉末混凝土性能
Figure BDA0003573542150000171
Figure BDA0003573542150000181
从以上数据可以看出：实施例1-4提供的活性粉末混凝土不仅其组成材料粒径达到最优级配，同时掺加了各种功能助剂以及自制的早强剂和聚酰亚胺纤维，使本发明具有良好的流动性，早期及后期强度高，与基面粘结强度高，具有良好的抗渗、抗冻、抗裂、抗硫酸盐侵蚀性，说明其耐久性优良，掺加钢纤维及聚酰亚胺纤维增韧改性，使其韧性更好，有效改善了传统的水泥基材料高强但质脆的缺点，受破坏后不会发生严重断裂，仅有微小裂纹(如图2)，保证隧道运营的安全性，而本发明中的微胶囊结构，当混凝土产生裂纹，胶囊破裂，当空气中的水和氧气进入时，好氧菌被激活，激活的好氧菌进行代谢生成二氧化碳，二氧化碳会与砂浆中的钙离子反应生成碳酸钙沉淀填补裂缝，达到愈合的效果，进一步提高了其耐久性；同时本发明采用自制的聚酰亚胺纤维，保证性能的同时降低了成本。对比例1未加入钢纤维及自制的聚酰亚胺纤维，产品受破坏后发生严重断裂，如图3所示。对比例2中选用性能优异的市售聚酰亚胺纤维，自身性能与自制聚酰亚胺纤维类似，但其价格昂贵，达600元/kg，自制产品仅400元/kg，而且市售产品由于未经过表面处理，纤维与水泥等基材的粘结性较差，在纤维和水泥的界面处形成强度薄弱点，导致硬化后混凝土强度较低，抗裂性能也较差。而且其流动性较差，难以完成灌注工艺。对比例3由于各组成材料粒径配比不合理，难以形成紧密堆积的结构，尤其硅灰含量较高，导致物料很黏，流动性差；早强剂采用了市售的有机类早强剂二乙醇单异丙醇胺，导致其各项性能均较差，对比例4采用了硫酸钠作为早强剂，引入了过多的硫酸根以及钠离子，导致其后期强度较低，未掺加炭黑以及石墨烯导致其点对点电阻较大，抗静电能力较低，由于铁路隧道布有高压电，电荷聚集在衬砌上如不及时导出易形成安全隐患。

Claims (10)

1.一种用于隧道建设及维修加固的特种活性粉末混凝土，其特征在于，包括以下质量份原料：
普通硅酸盐水泥35-50份，超细矿粉3.0-5.0份，硅灰0.5-1.5份，粉煤灰4.0-8.0份，膨胀剂0.5-1.0份，砂40-60份，炭黑0.005-0.01份，石墨烯0.002-0.005份，减水剂0.1-0.4份，早强剂0.5-1.0份，改性聚氧乙烯聚合物0.5-1.0份，渗透结晶防水剂1.0-3.0份，磷酸三丁酯0.1-0.2份，高强度微细钢纤维1.5-3.0份，高性能聚酰亚胺纤维0.2-1.0份，微生物胶囊1.0-2.0份。
2.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥平均粒径15-30μm；所述普通硅酸盐水泥为P.O42.5、P.O42.5R、P.O52.5或P.O52.5R中的一种。
3.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸型减水剂，减水率≥30％。
4.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述早强剂的制备方法如下：
1)将30-40质量份的硬石膏，40-50质量份的铝矾土，20-30质量份的石灰混合均匀，然后进行煅烧，煅烧至1800℃后快速冷却至室温，磨细至粒径1000目以上，即得早强剂A；
2)将3.0-4.0质量份的聚羧酸减水剂、0.1-0.2质量份的聚醚环氧共改性硅油、0.01-0.05质量份的助表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，7.0-8.0质量份的水投入搅拌速率为500-700转/分钟的快速混合搅拌釜中，搅拌均匀，作为底料；将7-8质量份的甲酸钙，1.0-2.0质量份的聚羧酸减水剂，45-50质量份的水搅拌均匀并充分溶解得滴加液A1；将7.5-9.0质量份的零水偏硅酸钠，15.0-18.0质量份的水搅拌均匀并充分溶解得滴加液B1，将滴加液A1和滴加液B1在10-20℃温度下匀速滴加至底料中，滴加时间2-3h，滴加完成后保持搅拌3h，得早强剂B悬浊液；
3)早强剂B悬浊液喷雾干燥获得早强剂B，与早强剂A混合，即得。
5.根据权利要求4所述的活性粉末混凝土，其特征在于，步骤3)中所述早强剂A和早强剂B重量比为1:1。
6.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土，其特征在于，所述低成本高性能聚酰亚胺纤维制备方法如下：
A、在室温下合成聚酰胺酸预聚体溶液：在干燥洁净的锥形瓶中加入4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)与溶剂N,N’-二甲基乙酰胺(DMAc)，然后分5-10次加入2,2’,3,3’-联苯四酸二酐(i-BPDA)，每两次间隔15-30min，在室温下搅拌4小时后，再加入i-BPDA的同分异构体3,3’,4,4’-联苯四酸二酐(s-BPDA)，室温下搅拌6小时，最后加入苯乙炔苯酐(PEPA)，搅拌3个小时，密封后在0℃的冰箱中放置24h进行均化反应，得到无规共聚型聚酰胺酸预聚体溶液；
B、将步骤A的聚酰胺酸预聚体溶液采用湿法纺丝工艺制备成聚酰亚胺纤维；
C、将步骤C所得纤维切割成1.0-1.5cm的短切纤维；
D、将步骤C制备的短切聚酰亚胺纤维进行表面处理刻蚀。
7.根据权利要求6所述的活性粉末混凝土，其特征在于，步骤A中4,4’-ODA，i-BPDA，s-BPDA和PEPA的摩尔比为6:2.5:2.5:2。
8.根据权利要求6所述的活性粉末混凝土，其特征在于，步骤B中，湿法纺丝工艺具体参数为:亚胺化温度为300-350℃，热拉伸温度为350-400℃，拉伸倍数为1.5-2.5，制备的聚酰亚胺纤维玻璃化转变温度≥300℃，在空气环境下5％热失重温度≥500℃，拉伸强度≥100MPa，拉伸模量≥2.0GPa。
9.一种权利要求1-8任一项所述活性粉末混凝土的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：按照质量份，将普通硅酸盐水泥35-50份，超细矿粉3.0-5.0份，硅灰0.5-1.5份，粉煤灰4.0-8.0份，膨胀剂0.5-1.0份，砂40-60份，炭黑0.005-0.01份，石墨烯0.002-0.005份，减水剂0.1-0.4份，早强剂0.5-1.0份，改性聚氧乙烯聚合物0.5-1.0份，渗透结晶防水剂1.0-3.0份，高强度微细钢纤维1.5-3.0份，高性能聚酰亚胺纤维0.2-1.0份，置于干混料搅拌设备内，搅拌10-30min后，保持搅拌，磷酸三丁酯0.1-0.2份自加料口采用喷射器缓慢喷射于固体粉料表面，继续搅拌10-30min,加入微生物胶囊1.0-2.0份，搅拌5-10min，即得活性粉末混凝土干混料。
10.一种权利要求1-8任一项所述活性粉末混凝土的应用，其特征在于，用于新建隧道建设或既有线病害隧道维修加固。
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