CN114644485A - 一种高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道衬砌混凝土技术领域，尤其公开了一种高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土及其施工方法。该隧道喷射混凝土通过合理的组分配置，其一使用无硫无碱速凝剂避免了体系中硫酸根离子数量增加；其二利用防腐材料调节整个体系中胶凝体系的化学组成，有效提升抗硫酸盐及盐类物质的腐蚀性能；其三利用非钢纤维自身良好的抗腐蚀和耐酸碱性，在乱向分布时对裂缝的约束作用，降低隧道喷射混凝土的开裂风险，减少硫酸盐等侵蚀介质的侵入通道，从内外两方面降低硫酸根数量，从而提升了该隧道喷射混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。与此同时，本发明提供的该隧道喷射混凝土，还具有后期服役强度高、回弹率低、开裂风险低等优点，也提高了其综合性能。
Description
技术领域
本发明属于隧道衬砌混凝土技术领域，具体来讲，涉及一种高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土及其施工方法。
背景技术
喷射混凝土是自矿山开挖、巷道支护及边坡加固发展而来的一种混凝土类型，其在无需模板及风压条件下能对稳固性较差的隧道围岩表面产生良好的附着，从而达到控制围岩松弛变形的初期支护效果。随着国家基础设施建设的不断推进及发展，近年来喷射混凝土作为初期支护关键材料被广泛应用于铁路隧道、水利工程、矿井锚固支护等重大地下建设工程。根据喷射拌合物的干湿状态及喷射机类型不同，隧道喷射混凝土的施工工艺可大致分为三类，干法或潮法喷射、湿法喷射及水泥裹砂喷射。针对干法喷射存在粉尘大、混凝土质量波动大及回弹率高等施工缺陷，随着大型机械式湿喷台车及湿喷机设备的发展，湿法喷射混凝土应运而生，并且已成为隧道工程所采用的主流喷射施工工艺。
然而，我国地域幅员辽阔，地质环境复杂，喷射混凝土作为隧道结构中直接与围岩接触的保护层，容易受到围岩或地下水侵蚀，尤其是含硫酸盐介质的侵蚀地下水，进而造成喷射混凝土在硫酸盐侵蚀作用下发生结构开裂、力学强度下降等施工危害，缩短隧道整体结构的服役寿命。另外，液体无碱速凝剂作为湿法喷射混凝土的重要外加剂，无碱速凝剂的现有制备技术中多采用高含量的硫酸铝以及硫酸镁等硫酸盐材料，造成外加剂带入喷射混凝土的硫酸根离子偏高，进一步加剧了外界硫酸盐服役环境对喷射混凝土的侵蚀劣化作用(Salvador,RP,Rambo,DAS,Bueno,RM,Lima,SR,Figueiredo,AD.Influence ofaccelerator type and dosage on the durability of wet-mixed sprayed concreteagainst external sulfate attack[J].CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS,10.1016/j.conbuildmat.2019.117883)。
现有技术中虽然有通过掺入新材料或采用特殊喷射工艺改进等方法对喷射混凝土的服役性能进行提升的报道，但这些技术仍存在较多缺点，如一种喷射混凝土及其施工方法的报道公开了一种钢纤维喷射混凝土，其在喷射混凝土前，预先采用硅酸钠水溶液对喷射面进行了喷涂，但硅酸钠属于碱性物质，在服役过程中渗透到喷射混凝土内部，容易形成缺陷，造成抗硫酸盐侵蚀能力与后期强度下降；其次钢纤维材料容易在隧道潮湿环境中发生锈蚀，造成混凝土服役韧性及衬砌结构支护能力下降。又如喷射混凝土及其制备方法的报道，其是在速凝剂组分选择时掺入了25％的硫酸铝组分，但该方法也在一定程度上造成了喷射混凝土内部硫酸根离子浓度增加，劣化混凝土结构的抗硫酸盐侵蚀能力。
因此，亟需研发一种具有良好抗硫酸盐侵蚀的喷射混凝土，以满足其应用于隧道结构中时的性能保障需求。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土，该隧道喷射混凝土结合非钢纤维、防腐材料以及无硫无碱速凝剂的综合作用，从内外两方面降低硫酸根数量，从而提升了该隧道喷射混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土，其包括以每立方所述隧道喷射混凝土计的下述各组分：
其中，所述隧道喷射混凝土的水灰比为0.35～0.45，且非钢纤维在所述隧道喷射混凝土中的体积掺量为0.05％～0.50％。
进一步地，所述火山灰活性掺合料为粉煤灰与偏高岭土的混合物，其中，粉煤灰占所述火山灰活性掺和料的总质量的比例为20％～80％。
进一步地，在所述火山灰活性掺合料中，偏高岭土是通过在850℃～1000℃的温度下煅烧制备得到的，且颗粒细度为10μm～20μm。
进一步地，所述非钢纤维选自短切碳纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维或聚甲醛纤维中的任意一种。
进一步地，所述防腐材料为SBT-RMA(II)混凝土高效防腐材料，密度为1.85g/cm3～2.35g/cm3，比表面积为300m2/g～500m2/g。
进一步地，所述无硫无碱速凝剂的pH值大于2.0，且其中的SO3及Na2O的当量含量均小于1％。
进一步地，所述水泥选自硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或中低热硅酸盐水泥中的任意一种，且水泥强度等级为42.5；所述碎石为5mm～16mm连续级配碎石；所述细集料选自河砂、机制砂或河砂与机制砂混合物的一种，且细度模数为2.5～3.0。
本发明的另一目的还在于提供一种如上任一所述隧道喷射混凝土的施工方法，其包括步骤：
S1、将碎石、细集料和部分非钢纤维充分混合分散，再加入水泥、火山灰活性掺合料、防腐材料继续搅拌，最后加入剩余非钢纤维，获得混凝土拌合料；
S2、将无硫无碱速凝剂加入至湿喷设备的速凝剂储罐或管道中，并加载所述混凝土拌合料后，开启所述湿喷设备的风管，清理隧道喷射岩面松散砾石或软岩；
S3、向步骤S2中处理后的岩面喷射所述无硫无碱速凝剂与所述混凝土拌合料混合而成的隧道喷射混凝土，获得隧道喷射混凝土层。
进一步地，所述步骤S3中还包括：在喷射所述隧道喷射混凝土之前，预先向处理后的岩面喷涂一层有机硅类防水剂；和/或，在喷射所述隧道喷射混凝土之后，再喷涂一层有机硅类防水剂。
在施工过程中采用在喷射前后施做有机硅类防水剂层的施工方法，能在该隧道喷射混凝土的材料本身抗硫酸侵蚀能力提升的基础上降低外界硫酸根侵蚀通道数量，进一步提升该隧道喷射混凝土衬砌结构的抗硫酸侵蚀能力，进而保障了隧道衬砌结构的服役寿命。
进一步地，所述有机硅类防水剂的质量浓度为15％～25％，喷涂风压为0.2MPa～0.4MPa。
本发明通过合理的组分配置，获得了一种全新组成的隧道喷射混凝土。在该隧道喷射混凝土的组分配置中，其一使用无硫无碱速凝剂避免了一般速凝剂的掺入造成隧道喷射混凝土中的硫酸根离子数量增加；其二利用防腐材料调节整个体系中胶凝体系的化学组成，从而有效提升隧道喷射混凝土的抗硫酸盐、盐类物质腐蚀性能；其三利用非钢纤维在乱向分布时在荷载作用形成的微裂缝之间形成良好桥联作用，通过钝化裂缝尖端的集中应力而实现对裂缝的约束作用，降低隧道喷射混凝土的开裂风险，减少硫酸盐等侵蚀介质的侵入通道，且非钢纤维具有更好的抗腐蚀和耐酸碱性，施工时也无需预先喷涂硅酸钠水溶液，避免碱性的硅酸钠渗入而形成缺陷，造成抗硫酸盐侵蚀能力与后期强度下降。与此同时，本发明提供的该隧道喷射混凝土，其还具有后期服役强度高、回弹率低、开裂风险低等优点，也提高了其综合性能。
具体实施方式
以下，将来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
以下将通过具体的实施例来描述本发明提供的该高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土的组分，但本领域技术人员将理解的是，下述各实施例仅是本发明的隧道喷射混凝土的具体示例，而不用于限制其全部。
下述表1示出了实施例1～实施例5提供的各隧道喷射混凝土的组分。
表1实施例1～实施例5中各隧道喷射混凝土的组分
单位：kg/立方隧道喷射混凝土
在本发明的隧道喷射混凝土中，非钢纤维、火山灰活性掺合料、防腐材料及无硫无碱速凝剂均是该隧道喷射混凝土能够实现高抗硫酸盐侵蚀性能的关键组分，为了验证这几种组分的重要作用，进行了下述对比试验。
参照上述表1中各实施例提供的隧道喷射混凝土的组成，下述表2示出了对比例1～对比例4提供的各对比喷射混凝土的组分。
表2对比例1～对比例4中各对比喷射混凝土的组分与各实施例的区别对比
也就是说，对比例1～对比例4中分别未使用本发明所提供的隧道喷射混凝土的组分中的无硫无碱速凝剂、非钢纤维、防腐材料和火山灰活性掺合料，相应地分别采用了硫酸铝比例50％的无碱速凝剂、钢纤维、未使用防腐材料、以及纯粉煤灰来替换的组分配置方案。
为了验证本发明上述各实施例提供的隧道喷射混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，采用下述施工方法制备了测试试块。
首先，制备混凝土拌合物。
具体来讲，按上述表1中各隧道喷射混凝土的配合比将碎石、细集料及50％质量非钢纤维加入至双卧轴混凝土搅拌机中充分混合分散60s后，加入除剩余50％非钢纤维及无硫无碱速凝剂外的其他物料搅拌90s，最后加入剩余50％非钢纤维搅拌30s后得到混凝土拌合物。
然后，进行喷射前准备工序。
具体来讲，将液体状的无硫无碱速凝剂加入至湿喷设备的速凝剂储罐或管道中，也将混凝土拌合物加载至该湿喷设备中；开启湿喷设备风管，在0.4MPa～0.8MPa的风压下清理隧道喷射岩面松散砾石或软岩；待岩面初步稳定后预先喷涂一层有机硅类防水剂。
最后，在上述处理后的岩面上喷射制备无硫无碱速凝剂和混凝土拌合物，二者于喷嘴处混合获得隧道喷射混凝土；待喷射完成24h后，再喷涂一层有机硅类防水剂，喷射完即得高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土层。
在上述两次防水剂的喷射中，防水剂的质量浓度均控制为15％～25％，且喷涂风压均控制为0.2MPa～0.4MPa即可。
同时，也采用相同的施工方法将上述各对比例中的对比喷射混凝土制备成了对比测试试块。
将上述实施例1～实施例5及对比例1～对比例4进行喷射施工的同时，参照GBT50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》中附录L采用湿法喷射方法，成型力学性能及抗硫酸盐侵蚀试验及其他试验所需试块数量及尺寸。参考ASTM C 1581-2009中混凝土圆环试验对喷射混凝土开裂风险进行评定。参照GBT 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中硫酸盐侵蚀试验对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀等级进行评定；硫酸根离子试验参照GBT 176-1996《水泥化学分析方法》中的基准法(氯化钡重量法)测试喷射混凝土试件在硫酸钠溶液中浸泡180d后试件中硫酸根浓度，具体试件成型及试验方法如下：采用钻芯法取得直径100mm、高200mm的圆柱体混凝土试件，将试件全浸泡在质量浓度50000mg/L的硫酸钠溶液中，浸泡温度为20±1℃，浸泡180d后取混凝土试件中心区域10mm的试验块进行硫酸根浓度测试。
实施例1～实施例5中的隧道喷射混凝土、及对比例1～对比例4中的对比喷射混凝土的性能测试结果如下表3所示。
表3实施例1～5中隧道喷射混凝土、及对比例1～4中对比喷射混凝土的性能测试结果
由表3所述的性能测试结果可知，与对比例1～对比例4相比，本发明所述的高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土的喷射回弹率低(＜10％)，1d抗压强度大于13.0MPa、28d抗压强度大于38.0MPa，低开裂风险，综合性能好。对比例2采用钢纤维制备的对比喷射混凝土，喷射回弹率及开裂风险要高于相同体积掺量0.25％的实施例3(采用玄武岩纤维)，说明玄武岩纤维这种非钢纤维的抗裂性能要优于钢纤维；对比例4采用纯粉煤灰制备的对比喷射混凝土，后期服役强度要低于本发明所述实施例，说明本发明采用火山灰活性掺合料(20％～80％粉煤灰与偏高岭土的混合物)具有更好的促进隧道喷射混凝土后期强度的发展作用；对比例3采用无防腐材料制备的对比喷射混凝土，其开裂风险(试验16d即发生开裂)要高于本发明所述实施例(试验28d均未发生开裂)。
从硫酸盐侵蚀试验结果可知，本发明所述高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级均大于KS150，高出GBT 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》的最高抗硫酸盐侵蚀等级设定，且达到终点时的质量损失均小于1％。而采用含硫无碱速凝剂的对比例1所获得的对比喷射混凝土、与采用无防腐材料的对比例3所获得的对比喷射混凝土，其抗硫酸盐侵蚀等级均仅达到K90，说明本发明采用防腐材料及无硫无碱速凝剂能较好地提升隧道喷射混凝土的抗硫酸侵蚀性能；同时，对比例4仅采用纯粉煤灰制备的对比喷射混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级为K120，这是因为纯粉煤灰对混凝土的填充效果不如粉煤灰与偏高岭土混合，进而影响了喷射混凝土的致密性，降低了抗硫酸侵蚀能力。
从隧道喷射混凝土的内部硫酸根浓度可知，在浸泡初始时，本发明所述高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土具有较低的初始硫酸根浓度，并在质量浓度为50000mg/L的硫酸钠溶液中浸泡180d后内部硫酸根浓度也低于1.0％，具有优越的抗硫酸盐侵蚀性能。对比例1采用含硫无碱速凝剂制备的对比喷射混凝土初始即具有较高的硫酸根浓度，进而造成试验浸泡180d后的混凝土硫酸根浓度高达5.41％，试验结果与前期硫酸盐侵蚀等级结果较为一致，说明掺入含硫无碱速凝剂容易劣化喷射混凝土的抗硫酸侵蚀能力；而未掺入防腐材料的对比例3同样在浸泡结束后具有较高的硫酸根浓度(4.10％)，说明防腐材料通过调节胶凝体系的化学组成，维持体系中各相的化学平衡，具有较好的提升喷射混凝土抗硫酸侵蚀能力的作用。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (10)
1.一种高抗硫酸盐侵蚀的隧道喷射混凝土，其特征在于，包括以每立方所述隧道喷射混凝土计的下述各组分：
其中，所述隧道喷射混凝土的水灰比为0.35～0.45，且非钢纤维在所述隧道喷射混凝土中的体积掺量为0.05％～0.50％。
2.根据权利要求1所述的隧道喷射混凝土，其特征在于，所述火山灰活性掺合料为粉煤灰与偏高岭土的混合物，其中，粉煤灰占所述火山灰活性掺和料的总质量的比例为20％～80％。
3.根据权利要求2所述的隧道喷射混凝土，其特征在于，在所述火山灰活性掺合料中，偏高岭土是通过在850℃～1000℃的温度下煅烧制备得到的，且颗粒细度为10μm～20μm。
4.根据权利要求1所述的隧道喷射混凝土，其特征在于，所述非钢纤维选自短切碳纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维或聚甲醛纤维中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的隧道喷射混凝土，其特征在于，所述防腐材料为SBT-RMA(II)混凝土高效防腐材料，密度为1.85g/cm3～2.35g/cm3，比表面积为300m2/g～500m2/g。
6.根据权利要求1所述的隧道喷射混凝土，其特征在于，所述无硫无碱速凝剂的pH值大于2.0，且其中的SO3及Na2O的当量含量均小于1％。
7.根据权利要求1-6任一所述的隧道喷射混凝土，其特征在于，所述水泥选自硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或中低热硅酸盐水泥中的任意一种，且水泥强度等级为42.5；所述碎石为5mm～16mm连续级配碎石；所述细集料选自河砂、机制砂或河砂与机制砂混合物的一种，且细度模数为2.5～3.0。
8.如权利要求1～7任一所述隧道喷射混凝土的施工方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将碎石、细集料和部分非钢纤维充分混合分散，再加入水泥、火山灰活性掺合料、防腐材料继续搅拌，最后加入剩余非钢纤维，获得混凝土拌合料；
S2、将无硫无碱速凝剂加入至湿喷设备的速凝剂储罐或管道中，并加载所述混凝土拌合料后，开启所述湿喷设备的风管，清理隧道喷射岩面松散砾石或软岩；
S3、向步骤S2中处理后的岩面喷射所述无硫无碱速凝剂与所述混凝土拌合料混合而成的隧道喷射混凝土，获得隧道喷射混凝土层。
9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，所述步骤S3中还包括：
在喷射所述隧道喷射混凝土之前，预先向处理后的岩面喷涂一层有机硅类防水剂；
和/或，
在喷射所述隧道喷射混凝土之后，再喷涂一层有机硅类防水剂。
10.根据权利要求9所述的施工方法，其特征在于，所述有机硅类防水剂的质量浓度为15％～25％，喷涂风压为0.2MPa～0.4MPa。
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