CN114634333A - 一种低碳混凝土管片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种包括管片本体和设置在所述管片本体内的钢筋笼，所述管片本体的材料为低碳混凝土，所述低碳混凝土包括以下原料：胶凝材料、骨料、减水剂和水，所述胶凝材料包括γ‑C2S和水泥。本发明低碳混凝土管片在中添加了碳化活性胶凝材料γ‑C2S，在低碳混凝土管片服役的过程中，γ‑C2S能够长期吸收CO2，水泥中的Ca(OH)2和γ‑C2S与CO2生成了CaCO3类的矿物，这些矿物逐渐填充到混凝土结构的孔隙中去，减少混凝土材料的比表面积，因此碳化过程能够增强混凝土结构的力学性能的同时，还能通过致密的结构阻碍有害离子的进入，增加了低碳混凝土管片的耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工材料技术领域，具体而言，涉及一种低碳混凝土管片。
背景技术
管片广泛应用于隧道施工，作为最内层的支撑结构，承担着隧道中的土压力和地下水压力。现有的管片多为钢筋混凝土结构，每制备一片管片需要消耗大量的水泥、钢材等原材料，意味着排放大量的CO2，为社会和自然带来极大的负面影响。
另外混凝土制品在服役的过程中其内部的水泥石会与环境中的CO2发生反应而生成碳酸盐类的产物，这些产物填充到水泥中的孔隙中，使得混凝土的结构越发致密，提高混凝土制品的力学性能和耐久性，这便是一种碳化反应。碳化反应进行的过程中也会造成混凝土的中性化，对钢筋的钝化膜造成破坏，由于空气中CO2含量很低，导致碳化反应极其缓慢，目前碳化反应对混凝土材料造成的破坏常常被人们忽视。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是如何减少管片的 CO2排放以及提高管片的力学性能和耐久性。
本发明提供一种低碳混凝土管片包括管片本体和设置在所述管片本体内的钢筋笼，所述管片本体的材料为低碳混凝土，所述低碳混凝土包括以下原料：胶凝材料、骨料、减水剂和水，所述胶凝材料包括γ-C2S和水泥。
本发明低碳混凝土管片在中添加了碳化活性胶凝材料γ-C2S，在低碳混凝土管片服役的过程中，γ-C2S能够长期吸收CO2，水泥中的Ca(OH)2和γ- C2S与CO2生成了文石、球霰石和方解石等CaCO3类的矿物，这些矿物逐渐填充到混凝土结构的孔隙中去，减少混凝土材料的比表面积，因此碳化过程能够增强混凝土结构的力学性能的同时，还能通过致密的结构阻碍有害离子的进入，增加了低碳混凝土管片的耐久性。另外由于碳化作用可以对混凝土进行强化，管片在设计时可以减少混凝土用量，降低成本的同时，进一步减少了CO2的排放。
进一步地，所述低碳混凝土净吸收CO2量为20～90kg/m3。低碳混凝土在搅拌过程中或是养护过程中吸收环境中的CO2，完成混凝土的初步碳化，并在服役的过程中持续吸收空气中的CO2，初步碳化增强了混凝土结构的力学性能和耐久性，在设计时可以适当减少原材料的使用量，节约成本的同时减少了CO2的排放。
进一步地，所述胶凝材料中γ-C2S和水泥的质量比为(0.4～3.6):1。管片的胶凝材料以γ-C2S和水泥的混合胶凝材料为主，γ-C2S和水泥的质量比可以随着碳化方式的不同而调整，如混凝土在只在搅拌过程中通CO2，那么γ-C2S和水泥的质量比为1:1-2.3；若混凝土只在在养护的过程中进行CO2养护，那么γ-C2S和水泥的质量比为2-3.6:1；若需要搅拌时和养护时同时碳化，γ-C2S和水泥的质量比可根据要求进行调整。
进一步地，所述胶凝材料还包括辅助材料，所述辅助材料选自粉煤灰微珠、硅灰、矿粉、石粉中的一种或多种。
进一步地，所述胶凝材料中γ-C2S和辅助材料的质量比为(3～7):1。
胶凝材料体系中还配有一定比例的辅助材料，这些辅助材料的加入会产生微集料效应，使得低碳混凝土结构更为合理。
进一步地，所述低碳混凝土的原料还包括碳化活性剂，所述碳化活性剂选自壳聚糖、聚乙烯醇、碳酸钙、氢氧化钙、无定型硅质中一种或多种。碳化活性剂可以激发混凝土体系的碳化活性，降低管片碳化环境中对CO2浓度、温度和湿度要求，减少管片在养护阶段的能耗。
进一步地，所述骨料选自碎石、砂、再生骨料、钢渣骨料中的至少两种。骨料的原料中含有游离氧化钙，游离氧化钙难以水化，但在CO2的环境中极易碳化成CaCO3类的矿物，在混凝土体系中的作用与γ-C2S的碳化过程是接近的，可以进一步增强混凝土结构的力学性能和耐久性。
进一步地，所述低碳混凝土包括以下原料：胶凝材料250-400kg/m3，骨料1500-2500kg/m3，减水剂4-12kg/m3，碳化活性剂0-8kg/m3，水100-200kg/m3。
本发明的管片本体的材料为低碳混凝土，其力学性能优异、耐久性良好，这种低碳混凝土管片在生产、运输、使用的全龄期内吸收的CO2可以接近或是超过CO2的总排放量，具有良好的经济效应与社会效应。
进一步地，所述管片本体上设有多个金属连接件，所述金属连接件和所述钢筋笼的表面涂刷有碱性涂料。
进一步地，所述碱性涂料的碱性成分选自氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化镁中的一种或多种。
低碳混凝土管片中的金属连接件和钢筋笼进行碱化处理，避免由于碳化而引起金属与混凝土之间的钝化膜失效，经过碱化后的金属件周围的环境pH值保持在12以上，低碳混凝土的碳化过程不会影响金属件与混凝土之间钝化膜的稳定性。
附图说明
图1是实施例中低碳混凝土管片的底部结构示意图；
图2是实施例中低碳混凝土管片的前侧结构示意图；
图3是实施例中低碳混凝土管片的左侧结构示意图；
图4是实施例中低碳混凝土管片的内部钢筋分布示意图。
附图标记说明：
1-管片本体，2-螺栓孔，3-螺栓槽，4-注浆孔，5-第一凸条，6-第一凹槽， 7-第二凸条，8-第二凹槽，9-钢筋笼。
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中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
应注意到：相似的标记和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明的实施例的附图中设置有坐标系XYZ，其中X轴的正向代表前方，X轴的反向代表后方，Y轴的正向代表右方，Y轴的反向代表左方，Z 轴的正向代表上方，Z轴的反向代表下方。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特点的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其它实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
结合图1至图4所示，本发明的实施例提供一种低碳混凝土管片，是盾构施工的主要装配构件，多个混凝土管片装配在一起作为隧道的最内层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。该低碳混凝土管片包括管片本体1，管片本体1内设有钢筋笼9。管片本体1的四周各设有至少两个螺栓孔2，管片本体1的底部设有多个螺栓槽3，螺栓孔 2与螺栓槽3一一对应，螺栓孔2的两端延伸至管片本体1的侧壁和螺栓槽 3的槽壁。本实施例中，管片本体1的前(图中X轴正向)部和后(图中X 轴反向)部各设有三个螺栓孔2，左(图中Y轴反向)部和右(图中Y轴正向)部各设有两个螺栓孔2，管片的底部共设有8个螺栓槽3，左侧和右侧各设置两个，前侧和后侧各设置三个。相邻的管片之间通过螺栓穿过螺栓孔2进行连接，管片本体1为弧板形，多个管片沿左右方向拼接后会形成一个环结构，相邻的环的管片沿前后方向连接，形成管结构。管片本体1的中部设有注浆孔4，以便后期进行二次注浆。
进一步地，管片本体1的前侧壁上设有凸起的第一凸条5，管片本体1 的后侧壁上设有凹陷的第一凹槽6，第一凸条5与第一凹槽6的形状匹配，用于相邻环的管片间连接。管片本体1的右侧壁上设有凸起的第二凸条7，管片本体1的左侧壁上设有凹陷的第二凹槽8，第二凸条7与第二凹槽8的形状匹配，用于同环的相邻管片间连接。相邻环的管片通过嵌入式配合螺栓的方式连接，连接更为可靠，相邻管片连接时，在凸条和凹槽内涂刷一层粘连材料即可形成稳定可靠的连接，避免了连接处产生缺陷而造成的漏水现象，这种连接方式减少管片施工过程中不同环管片对位的时间，提高盾构机是施工效率。
上述管片本体1的材料为低碳混凝土，低碳混凝土由以下原料包括：胶凝材料、骨料、减水剂和水，还可以选择性添加碳化活性剂。本发明的具体实施方式中，各原料的组份如下，胶凝材料250-400kg/m3，骨料1500- 2500kg/m3，减水剂4-12kg/m3，碳化活性剂0-8kg/m3，水100-200kg/m3。
胶凝材料由γ-C2S、水泥和辅助材料组成，γ-C2S和水泥的质量比为 (0.4～3.6):1，γ-C2S和辅助材料的质量比为(3～7):1。低碳混凝土管片中添加了碳化活性胶凝材料γ-C2S，在低碳混凝土管片服役的过程中，γ- C2S能够长期吸收CO2，直到低碳混凝土管片碳化饱和，γ-C2S的碳化反应如下：
γ-Ca2SiO2+2CO2→2CaCO3+SiO2；
经实验每吨γ-C2S可以吸收0.51吨CO2，而生成1吨γ-C2S排放CO2的质量为0.18-0.20吨，因此每使用一吨γ-C2S可以净吸收CO2的质量在 0.30吨左右。而水泥中的Ca(OH)2和γ-C2S与CO2生成了文石、球霰石和方解石等CaCO3类的矿物，这些矿物逐渐填充到混凝土结构的孔隙中去，减少混凝土材料的比表面积，因此碳化过程能够增强混凝土结构的力学性能的同时，还能通过致密的结构阻碍有害离子的进入，增加了低碳混凝土管片的耐久性。另外由于碳化作用可以对混凝土进行强化，管片在设计时可以减少5％-8％的混凝土用量，降低成本的同时，进一步减少了CO2的排放。
本发明的具体实施方式中，辅助材料选自粉煤灰微珠、硅灰、矿粉、石粉中的一种或多种，辅助材料的加入会产生微集料效应，使得低碳混凝土结构更为合理。碳化活性剂选自壳聚糖、聚乙烯醇、碳酸钙、氢氧化钙、无定型硅质中一种或多种，碳化活性剂可以激发混凝土体系的碳化活性，降低管片碳化环境中对CO2浓度、温度和湿度要求，减少管片在养护阶段的能耗。骨料选自碎石、砂、再生骨料、钢渣骨料中的至少两种，骨料可以进一步增强混凝土结构的力学性能和耐久性。
低碳混凝土管片制备过程中对混凝土进行初步碳化，初步碳化有两种方式，一种是混凝土搅拌阶段的碳化，在封闭的搅拌室内通入CO2，通入 CO2的速率约为每秒搅拌机中所有混凝土质量的0.15％，混凝土在搅拌的过程中逐渐吸收环境中的CO2；另一种是成型后在养护室内碳化，养护室碳化环境中的CO2浓度大于50％，温度大于40℃，湿度大于60％。经过初步碳化后，低碳混凝土净吸收CO2量为20～90kg/m3，初步碳化增强了混凝土结构的力学性能和耐久性，在设计时可以适当减少原材料的使用量，节约成本的同时减少了CO2的排放。
上述实施例的低碳混凝土管片的管片本体1内设有钢筋笼9，管片的螺栓孔2、注浆孔4、第一凸条5、第一凹槽6、第二凸条7、第二凹槽8等部位设有金属连接件。金属连接件和钢筋笼9的表面涂刷有碱性涂料，碱性涂料的碱性成分是氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化镁中的一种或几种，与脂类的拌合料混合后直接涂刷在金属连接件和钢筋笼9的表面。金属连接件和钢筋笼9进行碱化处理，避免由于碳化而引起金属与混凝土之间的钝化膜失效，经过碱化后的金属件周围的环境pH值保持在12以上，低碳混凝土的碳化过程不会影响金属件与混凝土之间钝化膜的稳定性。
上述实施例的低碳混凝土管片使用了低碳混凝土材料和碱化金属材料，实现管片在制备和服役期间内吸收的CO2超过排放的CO2总量，在满足使用要求的情况下可以减少混凝土耗材的使用，该低碳混凝土管片连接方式可靠、耐久性良好，具有极高的经济效益、社会效益和安全效益，市场前景巨大。
下面结合具体实施例对本发明提供的低碳混凝土管片进行详细的说明。
实施例1
低碳混凝土由以下原料组成：水泥72kg/m3，γ-C2S 216kg/m3，粉煤灰 72kg/m3，碎石1200kg/m3，砂800kg/m3，水130kg/m3，减水剂8kg/m3。低碳混凝土的胶材总用量为360kg/m3，γ-C2S：水泥：粉煤灰的质量比为3:1:1。低碳混凝土离心成型后放置于CO2浓度60％、温度60℃、湿度80％的碳化蒸养池中蒸养24h，低碳混凝土净吸收CO2量为64kg/m3。
将钢筋笼和金属连接件表面涂刷碱性涂料，碱化处理后放置于模具中，将低碳混凝土加入到模具中成型，制成低碳混凝土管片。低碳混凝土管片的拆模强度为53MPa，碳化深度为32mm，钢筋笼周围pH为12.3。低碳混凝土管片总体结构致密，总孔隙率4.3％；碳化程度47％，在后续服役阶段能够继续吸收CO2。
实施例2
低碳混凝土由以下原料组成：水泥72kg/m3，γ-C2S 216kg/m3，粉煤灰 72kg/m3，碳化活性剂4kg/m3，碎石1200kg/m3，砂1200kg/m3，水130kg/m3，减水剂8kg/m3。低碳混凝土的胶材总用量为360kg/m3，γ-C2S：水泥：粉煤灰的质量比为3:1:1，加入了碳化活性剂。低碳混凝土离心成型后放置于CO2浓度60％、温度60℃、湿度80％的碳化蒸养池中蒸养24h，低碳混凝土净吸收CO2量为69kg/m3。
将钢筋笼和金属连接件表面涂刷碱性涂料，碱化处理后放置于模具中，将低碳混凝土加入到模具中成型，制成低碳混凝土管片。低碳混凝土管片的拆模强度为54MPa，碳化深度为34mm，钢筋笼周围pH为12.3。低碳混凝土管片总体结构致密，总孔隙率4.0％，几乎无大孔或者有害孔；碳化程度 51％，在后续服役阶段能够继续吸收CO2。
实施例3
低碳混凝土由以下原料组成：水泥72kg/m3，γ-C2S 216kg/m3，粉煤灰 72kg/m3，碎石600kg/m3，砂800kg/m3，再生骨料600kg/m3，水130kg/m3，减水剂8kg/m3。低碳混凝土的胶材总用量为360kg/m3，γ-C2S：水泥：粉煤灰的质量比为3:1:1，细骨料掺入了一半的再生骨料。低碳混凝土离心成型后放置于CO2浓度60％、温度60℃、湿度80％的碳化蒸养池中蒸养24h，低碳混凝土净吸收CO2量为76kg/m3。
将钢筋笼和金属连接件表面涂刷碱性涂料，碱化处理后放置于模具中，将低碳混凝土加入到模具中成型，制成低碳混凝土管片。低碳混凝土管片的拆模强度为49MPa，碳化深度为39mm，钢筋笼周围pH为11.5。低碳混凝土管片总体结构致密，总孔隙率6.4％；碳化程度60％，在后续服役阶段能够继续吸收CO2。
实施例4
低碳混凝土由以下原料组成：水泥72kg/m3，γ-C2S 216kg/m3，粉煤灰 72kg/m3，碳化活性剂4kg/m3，碎石600kg/m3，砂800kg/m3，再生骨料600kg/m3，水130kg/m3，减水剂8kg/m3。低碳混凝土的胶材总用量为360kg/m3，γ-C2S：水泥：粉煤灰的质量比为3:1:1，加入了碳化活性剂。低碳混凝土离心成型后放置于CO2浓度60％、温度60℃、湿度80％的碳化蒸养池中蒸养24h，低碳混凝土净吸收CO2量为80kg/m3。
将钢筋笼和金属连接件表面涂刷碱性涂料，碱化处理后放置于模具中，将低碳混凝土加入到模具中成型，制成低碳混凝土管片。低碳混凝土管片的拆模强度为51MPa，碳化深度为42mm，钢筋笼周围pH为11.0。低碳混凝土管片总体结构致密，总孔隙率6.0％，几乎无大孔或者有害孔；碳化程度 63％，在后续服役阶段能够继续吸收CO2。
实施例5
低碳混凝土由以下原料组成：水泥72kg/m3，γ-C2S 252kg/m3，硅粉 36kg/m3，碎石1168kg/m3，砂744kg/m3，水130kg/m3，减水剂8kg/m3。低碳混凝土的胶材总用量为360kg/m3，γ-C2S：水泥：粉煤灰的质量比为7:2:1。低碳混凝土离心成型后放置于CO2浓度60％、温度60℃、湿度80％的碳化蒸养池中蒸养24h，低碳混凝土净吸收CO2量为66kg/m3。
将钢筋笼和金属连接件表面涂刷碱性涂料，碱化处理后放置于模具中，将低碳混凝土加入到模具中成型，制成低碳混凝土管片。低碳混凝土管片的拆模强度为52MPa，碳化深度为33mm，钢筋笼周围pH为12.8。低碳混凝土管片总体结构致密，总孔隙率4.9％，几乎无大孔或者有害孔；碳化程度 50％，在后续服役阶段能够继续吸收CO2。
实施例6
低碳混凝土由以下原料组成：水泥72kg/m3，γ-C2S 252kg/m3，硅粉 36kg/m3，碳化活性剂4kg/m3，碎石1168kg/m3，砂744kg/m3，水130kg/m3，减水剂8kg/m3。低碳混凝土的胶材总用量为360kg/m3，γ-C2S：水泥：粉煤灰的质量比为7:2:1，加入了碳化活性剂。低碳混凝土离心成型后放置于CO2浓度60％、温度60℃、湿度80％的碳化蒸养池中蒸养24h，低碳混凝土净吸收CO2量为70kg/m3。
将钢筋笼和金属连接件表面涂刷碱性涂料，碱化处理后放置于模具中，将低碳混凝土加入到模具中成型，制成低碳混凝土管片。低碳混凝土管片的拆模强度为54MPa，碳化深度为36mm，钢筋笼周围pH为12.0。低碳混凝土管片总体结构致密，总孔隙率4.1％，几乎无大孔或者有害孔；碳化程度55％，在后续服役阶段能够继续吸收CO2。
实施例7
低碳混凝土由以下原料组成：水泥72kg/m3，γ-C2S 252kg/m3，硅粉 36kg/m3，碎石584kg/m3，砂744kg/m3，再生骨料584kg/m3，水130kg/m3，减水剂8kg/m3。低碳混凝土的胶材总用量为360kg/m3，γ-C2S：水泥：粉煤灰的质量比为7:2:1，细骨料掺入了一半的再生骨料。低碳混凝土离心成型后放置于CO2浓度60％、温度60℃、湿度80％的碳化蒸养池中蒸养24h，低碳混凝土净吸收CO2量为79kg/m3。
将钢筋笼和金属连接件表面涂刷碱性涂料，碱化处理后放置于模具中，将低碳混凝土加入到模具中成型，制成低碳混凝土管片。低碳混凝土管片的拆模强度为60MPa，碳化深度为36mm，钢筋笼周围pH为11.9。低碳混凝土管片总体结构致密，总孔隙率4.0％，几乎无大孔或者有害孔；碳化程度 58％，在后续服役阶段能够继续吸收CO2。
实施例8
低碳混凝土由以下原料组成：水泥72kg/m3，γ-C2S 252kg/m3，硅粉 36kg/m3，碳化活性剂4kg/m3，碎石584kg/m3，砂744kg/m3，再生骨料584kg/m3，水130kg/m3，减水剂8kg/m3。低碳混凝土的胶材总用量为360kg/m3，γ-C2S：水泥：粉煤灰的质量比为7:2:1，加入了碳化活性剂。低碳混凝土离心成型后放置于CO2浓度60％、温度60℃、湿度80％的碳化蒸养池中蒸养24h，低碳混凝土净吸收CO2量为84kg/m3。
将钢筋笼和金属连接件表面涂刷碱性涂料，碱化处理后放置于模具中，将低碳混凝土加入到模具中成型，制成低碳混凝土管片。低碳混凝土管片的拆模强度为65MPa，碳化深度为40mm，钢筋笼周围pH为12.0。低碳混凝土管片总体结构致密，总孔隙率3.3％，几乎无大孔或者有害孔；碳化程度 62％，在后续服役阶段能够继续吸收CO2。
虽然本发明的公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员应该知道，在不脱离本发明公开范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低碳混凝土管片，其特征在于，包括管片本体和设置在所述管片本体内的钢筋笼，所述管片本体的材料为低碳混凝土，所述低碳混凝土包括以下原料：胶凝材料、骨料、减水剂和水，所述胶凝材料包括γ-C2S和水泥。
2.根据权利要求1所述的低碳混凝土管片，其特征在于，所述低碳混凝土净吸收CO2量为20～90kg/m3。
3.根据权利要求1所述的低碳混凝土管片，其特征在于，所述胶凝材料中γ-C2S和水泥的质量比为(0.4～3.6):1。
4.根据权利要求3所述的低碳混凝土管片，其特征在于，所述胶凝材料还包括辅助材料，所述辅助材料选自粉煤灰微珠、硅灰、矿粉、石粉中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的低碳混凝土管片，其特征在于，所述胶凝材料中γ-C2S和辅助材料的质量比为(3～7):1。
6.根据权利要求1所述的低碳混凝土管片，其特征在于，所述低碳混凝土的原料还包括碳化活性剂，所述碳化活性剂选自壳聚糖、聚乙烯醇、碳酸钙、氢氧化钙、无定型硅质中一种或多种。
7.根据权利要求6所述的低碳混凝土管片，其特征在于，所述骨料选自碎石、砂、再生骨料、钢渣骨料中的至少两种。
8.根据权利要求7所述的低碳混凝土管片，其特征在于，所述低碳混凝土包括以下原料：胶凝材料250-400kg/m3，骨料1500-2500kg/m3，减水剂4-12kg/m3，碳化活性剂0-8kg/m3，水100-200kg/m3。
9.根据权利要求1-8任一所述的低碳混凝土管片，其特征在于，所述管片本体上设有多个金属连接件，所述金属连接件和所述钢筋笼的表面涂刷有碱性涂料。
10.根据权利要求9所述的低碳混凝土管片，其特征在于，所述碱性涂料的碱性成分选自氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化镁中的一种或多种。
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