CN114988801A - 一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂及隧道喷射混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂及隧道喷射混凝土，属于隧道施工领域。本发明的用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，能够有效预防隧道初期支护喷射混凝土渗流结晶问题。本发明的缓释型固钙剂的隧道喷射混凝土，不仅在前期有较好的渗流防结晶作用，后续的渗流过程会使得更多的固钙剂发挥作用，喷射混凝土更加致密，起到抵抗长期渗流结晶的目的，对富水隧道，尤其是具有侵蚀性地下水的富水隧道，可以有效预防隧道初期支护喷射混凝土渗流结晶问题。

Description

一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂及隧道喷射混凝土

技术领域

本发明属于隧道施工领域，尤其是一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂及隧道喷射混凝土。

背景技术

随着高速公路建设突飞猛进式的发展，随之而来的隧道渗漏水等病害也不断增多，其中隧道排水系统结晶堵塞问题越来越突出。在富含地下水地区，喷射混凝土由于钙溶出作用且不断受到各种侵蚀性的地下水侵蚀，地下水易渗透喷射混凝土侵入隧道内部，影响隧道结构耐久性及施工进程。在喷射混凝土中凝胶材料不断水化生成氢氧化钙、水化硅酸钙等水化产物，当富含侵蚀性离子的地下水不断穿过混凝土内部时，水泥水化产物被溶蚀带出，随侵蚀液流入隧道排水系统内，进而加速排水系统发生结晶堵塞，该过程称为隧道喷射混凝土“钙溶蚀结晶”现象。

公路隧道目前常用复合式衬砌形式，即初期支护+二次衬砌形式，为了保证二次衬砌的使用性能和耐久性，需在二次衬砌和初期支护之间增设防水板和排水系统，二次衬砌和初期支护之间的防水板和排水系统，为地下水的输送排放提供了空间，地下水经过环向排水管，顺着防水板达到纵-横向排水管，最终从隧道侧沟或中央排水沟排出隧道，这一排水方式解除了隧道衬砌的压力，尽可能确保二次衬砌免遭地下水的侵蚀，减少隧道的渗漏水。但复合式衬砌也导致了一定的问题，尤其是对于初期支护和隧道排水管，地下水长期在初期支护混凝土中的渗流，一方面会使初期支护喷射混凝土中的有效成分逐渐流失，最终失去强度；另一方面，被带出的初期支护中的有效成分或地下水中的泥沙等会沉淀在排水管内，久而久之堵塞排水管。一旦排水系统发生堵塞，致使衬砌背后的地下水不能及时排走，进而以压力的形式作用于支护结构外侧与路面底部，使得衬砌与路面承受了额外的附加水压，导致大量隧道建成后短时间就出现了衬砌开裂、渗漏水及路面冒水等病害现象，严重危及隧道营运安全。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂及隧道喷射混凝土。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，由以下方法制备得到：

1)以重量份数计，将20-40份碳酸锂、15-30份氢氧化铝、10-20份硅酸铝粉、5-10份纳米二氧化硅和5-10份纳米碳酸钙进行球磨，得到混合粉料；

2)将所述混合粉料浸渍于无水乙醇中，加入硬脂酸、甲基丙烯酸或/或氨基磺酸，加热至40～60℃，之后在转速为100r/min的条件下搅拌30～90min，得到包覆式混合料；

3)将所述包覆式混合料进行干燥，得到包覆结构聚合粉末。

进一步的，在步骤1)中，所述氢氧化铝的粒径为0.5～2μm；

所述硅酸铝粉，粒径为200～300μm；

在步骤1)中，所述纳米二氧化硅的粒径为15-20nm，比表面积为≥150m²/g。

进一步的，在步骤1)中，所述纳米碳酸钙的平均粒径≤100nm，白度＞93％，比表面积≥20m²/g。

进一步的，在步骤2)中加入的硬脂酸、甲基丙烯酸或/或氨基磺酸的总体质量为混合粉料质量的3％～5％。

进一步的，步骤1)的球磨具体为：

将原料高速分散混合后加入球磨机中，再加入Al₂O₃磨球，在300～400r/min的转速下球磨2～4h，之后通过200目筛进行筛分，制得混合粉料。

进一步的，Al₂O₃磨球和混合粉料的质量比为(10～15):1。

进一步的，步骤3)的干燥方式为：

在旋转蒸发器中干燥3～5h。

一种隧道喷射混凝土，以重量份数计，包括以下组分：

普通硅酸盐水泥420份，水216份，细骨料813份，粗骨料803份，粉煤灰30份，速凝剂18份，减水剂4.6份，权利要求1-6任一项所述的缓释型固钙剂10份。

进一步的，所述细骨料为机制砂，细度模数为2.6；

所述粗骨料为粒径为5～8mm的碎石；

所述速凝剂为无碱液体速凝剂；

所述减水剂为粉末聚羧酸减水剂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，能够有效预防隧道初期支护喷射混凝土渗流结晶问题。

本发明的隧道喷射混凝土，掺加了缓释型固钙剂的喷射混凝土，7d平均抗压强度可达38.57MPa，28d平均抗压强度可达到53.70MPa，7d平均抗拉强度可达2.70MPa，28d平均抗拉强度可达到3.54MPa，与围岩的粘结强度可达到3.20MPa以上。掺加缓释型固钙剂后的喷射混凝土具有低孔隙率、高致密性的特点，抗渗性能好，对地下水对衬砌的侵蚀有良好的抵制效果，对隧道安全运营提供了富裕的安全储备。本发明的缓释型固钙剂的隧道喷射混凝土，不仅在前期有较好的渗流防结晶作用，后续的渗流过程会使得更多的固钙剂发挥作用，喷射混凝土更加致密，起到抵抗长期渗流结晶的目的，对富水隧道，尤其是具有侵蚀性地下水的富水隧道，可以有效预防隧道初期支护喷射混凝土渗流结晶问题，进一步保障隧道结构安全和防排水系统的通畅运行。与普通混凝土相比，添加有缓释型固钙剂的喷射混凝土施工性能好，喷射速度快、回弹量小，与普通混凝土相比，本发明的喷射混凝土可以节约1/3的喷射时间。

附图说明

图1为实施例1～4和对比例1钙离子浓度变化；

图2为实施例3缓释型固钙剂的电镜扫描图；

图3为实施例3渗流150d后混凝土电镜扫描图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

一种掺加缓释型固钙剂的喷射混凝土，包括以下组分：普通硅酸盐水泥420份，水216份，细骨料813份，粗骨料803份，缓释型固钙剂10份，粉煤灰30份，无碱液体速凝剂18份，聚羧酸减水剂4.6份。

一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，由以下方法制备得到：

1)球磨筛分：将质量比为4：3：2：1：1的碳酸锂、氢氧化铝、硅酸铝粉、纳米二氧化硅和纳米碳酸钙分散混合后加入球磨机中，再加入Al₂O₃磨球，在400r/min的转速下球磨2h，然后通过200目筛进行筛分，制得混合粉料。

2)包覆过程：将步骤1)制得的混合粉料浸渍于无水乙醇中，搅拌均匀后倒入三口烧瓶，然后再加入硬脂酸、甲基丙烯酸、氨基磺酸中一种或多种，加热至60℃后搅拌在转速100r/min下搅拌30min；

3)旋转蒸发：将步骤2)制得的包覆式混合料倒入旋转蒸发器中干燥3h，最终制得包覆结构聚合粉末。

实施例2

一种掺加缓释型固钙剂的喷射混凝土，包括以下组分：普通硅酸盐水泥420份，水216份，细骨料813份，粗骨料803份，缓释型固钙剂15份，粉煤灰25份，无碱液体速凝剂18份，粉末聚羧酸减水剂4.6份。

一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，由以下方法制备得到：

1)球磨筛分：将质量比为4：3：2：1：1的碳酸锂、氢氧化铝、硅酸铝粉、纳米二氧化硅和纳米碳酸钙高速分散混合后加入球磨机中，再加入Al₂O₃磨球，在400r/min的转速下球磨2h，然后通过200目筛进行筛分，制得混合粉料。

2)包覆过程：将步骤1)制得的混合粉料浸渍于无水乙醇中，搅拌均匀后倒入三口烧瓶，然后再加入硬脂酸、甲基丙烯酸、氨基磺酸中一种或多种，加热至40℃后在100r/min的转速下搅拌90min；

3)旋转蒸发：将步骤2)制得的包覆式混合料倒入旋转蒸发器中干燥5h，最终制得包覆结构聚合粉末。

实施例3

一种掺加缓释型固钙剂的喷射混凝土，包括以下组分：普通硅酸盐水泥420份，水216份，细骨料813份，粗骨料803份，缓释型固钙剂20份，粉煤灰20份，速凝剂18份，减水剂4.6份。

一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，由以下方法制备得到：

1)球磨筛分：将质量比为4：3：2：1：1的碳酸锂、氢氧化铝、硅酸铝粉、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙高速分散混合后加入球磨机中，再加入Al₂O₃磨球，在350r/min的转速下球磨3h，然后通过200目筛进行筛分，制得混合粉料。

2)包覆过程：将步骤1)制得的混合粉料浸渍于无水乙醇中，搅拌均匀后倒入三口烧瓶，然后再加入硬脂酸、甲基丙烯酸、氨基磺酸中一种或多种复合，加热至50℃后搅拌60min，搅拌转速为100r/min；

3)旋转蒸发：将步骤2)制得的包覆式混合料倒入旋转蒸发器中干燥4h，最终制得包覆结构聚合粉末。

参见图2，图2为实施例3缓释型固钙剂的电镜扫描图；从图2中可以看出，添加缓释型固钙剂的喷射混凝土中板状氢氧化钙含量较少且无较大的板状颗粒分布，硅酸钙凝胶体、碳酸钙晶体填充了混凝土内部孔隙，使混凝土内部倾向越发密实方向发展。参见图3，图3为实施例3渗流150d后混凝土电镜扫描图，从图3中可以看出，缓释型固钙剂会与水泥等凝胶材料在水化过程中生成的氢氧化钙持续反应，生成絮状的水化硅酸钙凝胶体，并与氢氧化钙晶体紧密固结在一起，防止由于地下水在混凝土中的渗流作用将其有效成分带走，进一步说明了缓释型固钙剂在抵抗混凝土渗流溶蚀过程方面具有极好的效果。

实施例4

一种掺加缓释型固钙剂的喷射混凝土，以隧道喷射混凝土的重量为基准，包括以下组分：普通硅酸盐水泥420份，水216份，细骨料813份，粗骨料803份，缓释型固钙剂30份，粉煤灰10份，速凝剂18份，减水剂4.6份。

一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，由以下方法制备得到：

1)球磨筛分：将质量比为4：3：2：1：1的碳酸锂、氢氧化铝、硅酸铝粉、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙高速分散混合后加入球磨机中，再加入Al₂O₃磨球，在300～400r/min的转速下球磨2～4h，然后通过200目筛进行筛分，制得混合粉料。

2)包覆过程：将步骤1)制得的混合粉料浸渍于无水乙醇中，搅拌均匀后倒入三口烧瓶，然后再加入硬脂酸、甲基丙烯酸、氨基磺酸中一种或多种，加热至40～60℃后，在搅拌转速为100r/min的条件下搅拌30～90min；

3)旋转蒸发：将步骤2)制得的包覆式混合料倒入旋转蒸发器中干燥3～5h，最终制得包覆结构聚合粉末。

对比例1

以隧道喷射混凝土的重量为基准，包括以下组分：普通硅酸盐水泥420份，水216份，细骨料813份，粗骨料803份，粉煤灰40份，速凝剂18份，减水剂4.6份。

实施例1～4的性能指标，如表1所示。

表1实施例1～4一般性能指标

如表1所示实施例1～4提供的一种掺加缓释型固钙剂的喷射混凝土，7d平均抗压强度可达38.57MPa，28d平均抗压强度可达到53.70MPa，7d平均抗拉强度可达2.70MPa，28d平均抗拉强度可达到3.54MPa，与围岩的粘结强度可达到3.20MPa以上。尤其是实施例3，在掺加了缓释型固钙剂后，前期强度和后期强度有了非常明显的提升，7d抗压强度达到42.12MPa，28d抗压强度达到57.86MPa以上，抗拉强度也远高规范要求，与围岩的粘结强度达到3.55MPa。说明掺加缓释型固钙剂后的喷射混凝土具有低孔隙率、高致密性的特点，抗渗性能好，对地下水对衬砌的侵蚀有良好的抵制效果，不利于钙的溶出，对隧道安全运营提供了富裕的安全储备。

为了验证该缓释型固钙剂在喷射混凝土内部的固钙能力，设置对比例1与实施例1～4进行对比，验证方法为：将标准试块放入混凝土抗渗仪中，一定时间间隔对渗流液进行收集，通过YD200A离子检测仪对收集的渗流液进行钙离子的测定，检测周期为240d，检测的钙离子浓度变化如图1所示。

如图1所示，实施例1～4钙离子浓度均小于对比例1，说明缓释型固钙剂具有较好的防止混凝土中钙流失的能力，尤其实施例3，25d钙离子的流失基本是对照组1的一半，随后钙流失量随时间的延长进行迅速减小，在100d就稳定在了25mg/L左右，因此，随着渗流时间增长，其缓释优势也逐渐体现出来，即该缓释型固钙剂不仅在前期可以发挥良好的渗流防结晶作用，尤其对于长期渗流防结晶效果更好，长期渗流会使得更多的缓释型固钙剂发挥作用，起到抵抗长期渗流结晶的目的，对富水隧道，尤其是具有侵蚀性地下水的富水隧道，可以有效预防由于初期支护喷射混凝土渗流带来的衬砌劣化、排水管结晶堵塞等问题，进而保障隧道结构安全和防排水系统的通畅运行。

对实施例3和对比例1两种喷射混凝土进行试喷，并将两组喷射混凝土置于标准养护和抗渗试验两种条件下，间隔一定时间测定其渗透系数的变化，实施例3和对比例1在不同试验条件下抗渗系数试验结果如表2所示：

表2对比例1和实施例3标养和抗渗条件下抗渗系数变化

结合实施例3、对比例1的钙离子浓度变化和抗渗系数的测定结果可知，缓释型固钙剂会使得喷射混凝土更加密实，抗渗性能远高于一般喷射混凝土。尤其时间越长，缓释型固钙剂越能发挥其作用。如对比例3在标准养护条件下300d后的渗透系数0.2869×10^-8cm·s^-1，而在持续渗流300d后的的渗透系数为0.2748×10^-8cm·s^-1，持续的渗流反而使喷射混凝土渗透系数减小了一些，也从侧面反映了掺加缓释型固钙剂的喷射混凝土孔隙率更小，说明该缓释型固钙剂在渗流作用下有使混凝土更加致密的功能，也再一次验证了该缓释型固钙剂可以有效预防隧道初期支护喷射混凝土渗流结晶问题。

碳酸锂在水泥早龄期强度提升方面发挥了重要作用，碳酸锂会短期内形成大量的钙矾石，从而快速形成空间网格结构，提高早期抗压强度；其次，纳米二氧化硅可以充分吸收水泥混凝土界面早期形成的氢氧化钙，尤其早龄期效果更为显著，生成硅酸钙凝胶留在混凝土中，并能和氢氧化钙晶体紧密固结在一起，混凝土孔隙快速被减小，进而提高混凝土的密实度和抗压/抗拉强度；极细的纳米碳酸钙晶体具有核位点的作用，可以为碳酸钙晶体在混凝土内提供大量核位点，有助于促进混凝土碳酸钙晶体在混凝土内聚集填充孔隙，提高混凝土密实度，进而避免由于地下水在初支喷射混凝土中的渗流作用将结晶体冲刷带走。

为了验证施工性能，选择实施例3和对比例1两种混凝土进行试喷，得到喷射速度、回弹量的试验结果如表3所示：

表3对比例1和实施例3主要施工性能指标

序号	回弹量/％	喷射速度/(m<sup>3</sup>/h)
			对比例1	12％	12
实施例3	2％	16

由试验结果可以看出，添加缓释型固钙剂的喷射混凝土施工性能好，喷射速度快、回弹量小，与普通混凝土相比，添加缓释型固钙剂的喷射混凝土可以节约1/3的喷射时间。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，其特征在于，由以下方法制备得到：

1)以重量份数计，将20-40份碳酸锂、15-30份氢氧化铝、10-20份硅酸铝粉、5-10份纳米二氧化硅和5-10份纳米碳酸钙进行球磨，得到混合粉料；

2)将所述混合粉料浸渍于无水乙醇中，加入硬脂酸、甲基丙烯酸或/或氨基磺酸，加热至40～60℃，之后在转速为100r/min的条件下搅拌30～90min，得到包覆式混合料；

3)将所述包覆式混合料进行干燥，得到包覆结构聚合粉末。

2.根据权利要求1所述的用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，其特征在于，在步骤1)中，所述氢氧化铝的粒径为0.5～2μm；

所述硅酸铝粉，粒径为200～300μm；

在步骤1)中，所述纳米二氧化硅的粒径为15-20nm，比表面积为≥150m²/g。

3.根据权利要求1所述的用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，其特征在于，在步骤1)中，所述纳米碳酸钙的平均粒径≤100nm，白度＞93％，比表面积≥20m²/g。

4.根据权利要求1所述的用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，其特征在于，在步骤2)中加入的硬脂酸、甲基丙烯酸或/或氨基磺酸的总体质量为混合粉料质量的3％～5％。

5.根据权利要求1所述的用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，其特征在于，步骤1)的球磨具体为：

将原料高速分散混合后加入球磨机中，再加入Al₂O₃磨球，在300～400r/min的转速下球磨2～4h，之后通过200目筛进行筛分，制得混合粉料。

6.根据权利要求5所述的用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，其特征在于，Al₂O₃磨球和混合粉料的质量比为(10～15):1。

7.根据权利要求1所述的用于隧道喷射混凝土缓释型固钙剂，其特征在于，步骤3)的干燥方式为：

在旋转蒸发器中干燥3～5h。

8.一种隧道喷射混凝土，其特征在于，以重量份数计，包括以下组分：

普通硅酸盐水泥420份，水216份，细骨料813份，粗骨料803份，粉煤灰30份，速凝剂18份，减水剂4.6份，权利要求1-6任一项所述的缓释型固钙剂10份。

9.根据权利要求8所述的隧道喷射混凝土，其特征在于，

所述细骨料为机制砂，细度模数为2.6；

所述粗骨料为粒径为5～8mm的碎石；

所述速凝剂为无碱液体速凝剂；

所述减水剂为粉末聚羧酸减水剂。

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