CN115432979A - 一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，自密实混凝土包括以下按质量份数计的各组分：水泥300‑340kg/m3；硫铝酸盐水泥15‑30kg/m3；气相二氧化硅18‑32kg/m3；空心玻璃微珠30‑60kg/m3；聚氨酯树脂乳液10‑25kg/m3；增稠剂4‑8kg/m3；机制砂780‑870kg/m3；碎石980～1100kg/m3；水160‑176kg/m3；减水剂4.2‑5kg/m3。本发明制备的自密实混凝土其扩展度可达600±50mm，且不离析不泌水，工作性能良好，满足现场泵送要求，水泥和骨料之间的粘结力强，配制出的混凝土28d强度可达50MPa以上，同时密实度高，抗渗等级达到了P12，解决了普通混凝土力学性能、工作性能、抗渗性能之间相互制约的矛盾，符合富水环境下大断面隧道二衬用混凝土各项性能要求，减少了因混凝土质量问题造成的返工，大大提高了施工效率，节约了项目成本。

Description

一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土
技术领域
本发明属于建筑材料中的混凝土材料技术领域，具体涉及一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土。
背景技术
隧道二次衬砌保证了隧道在运营使用中永久稳定、美观，也是作为安全储备的一种措施，是隧道施工至关重要的一道工序，作为隧道的永久性结构，其对混凝土的力学性能要求较高，此外，当二衬施工断面为大断面时，对混凝土的泵送性能要求很高，若混凝土泵送性能不佳，则会导致混凝土不均匀，其力学性能也难以发挥。因此，为满足泵送要求，一般配制的二衬混凝土流动性能接近自密实混凝土规范要求，因此，一般二衬混凝土的配制按自密实混凝土规范来设计。
自密实混凝土(Self Compacting Concrete或Self-Consolidating Concrete简称SCC)是指在自身重力作用下，能够流动、密实，即使存在致密钢筋也能完全填充模板，同时获得很好均质性，并且不需要附加振动的混凝土。
混凝土流动性能与力学性能通常是互相制约的，如何达到一个较好的平衡点则在原材料和配合比上下功夫，因此，一般自密实混凝土都会添加粉煤灰等矿物掺合料来改善流动性，通过增加水泥用量来提升力学性能，但取得的效果也较为有限。
此外，为节省资源，绿色环保，将现场制得的机制砂作为细骨料用于混凝土配制，由于现场制得的机制砂细粉含量较高，可能会降低混凝土流动性能，如何解决这一问题是一大难点。
另外，很多隧道还需面临富水地层环境，此环境下，地下水压较大，容易浸入混凝土从而影响结构耐久性，因此，如何解决富水环境下二衬混凝土泵送及耐久性要求是一大难点。
因此，十分有必要开发出一种可抵抗富水环境的机制砂自密实混凝土，即可适应富水环境，又可满足泵送要求以及混凝土强度设计要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，制备的自密实混凝土其工作性能优良、抗渗等级高、抗压强度满足设计要求，配制出的抗渗型自密实混凝土28d强度可达50MPa以上，抗渗等级达到P10及以上，扩展度为600±50mm解决传统自密实混凝土抗渗性能不足、力学性能偏低的问题。为高抗渗型自密实混凝土道路的发展奠定了基础。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，包括以下按质量份数计的各组分：
水泥300-340kg/m3；
硫铝酸盐水泥15-30kg/m3；
气相二氧化硅18-32kg/m3；
玻璃微珠30-60kg/m3；
聚氨酯树脂乳液10-25kg/m3；
脂肪酸盐12-20kg/m3；
增稠剂4-8kg/m3；
机制砂780-870kg/m3；
碎石980-1100kg/m3；
水147-155kg/m3；
减水剂4.2-5kg/m3。
优选的是，所述水泥为42.5级硅酸盐或普通硅酸盐水泥。
优选的是，所述硫铝酸盐水泥的初凝时间≮5min，终凝时间≯15min。
优选的是，所述气相二氧化硅为纳米二氧化硅，纯度高于99％，BET表面积大于120m2/g。
优选的是，所述玻璃微珠为正球体，表面光滑，分散性高；成球率在99％以上，粒径在2～130μm之间。
优选的是，所述聚氨酯树脂乳液为固体聚氨酯树脂的水性乳液，其成分包括多元异氰酸酯与多元羟基化合物作用而成的高分子化合物。所述聚氨酯树脂乳液采用安徽安大华泰新材料有限公司生产的AH-1604聚氨酯树脂乳液，其主要成分为多元异氰酸酯与多元羟基化合物作用而成的高分子化合物。
所述脂肪酸盐为脂肪酸与有机物反应得到，其中脂肪酸为软脂酸、硬脂酸、油酸中的一种，有机物为四甲基氢氧化铵。
优选的是，所述增稠剂由按重量百分数计的如下原料组成：胶类混合物为1％-2％、发酵混合物为0.5％-1％、增粘剂为0.1％-0.5％和余量的水；胶类混合物选自卡拉胶、明胶、黄原胶、刺槐豆胶、瓜尔豆胶、琼脂胶、槐豆胶中的一种或者他们的混合物；发酵混合物选自蔗糖、麦芽糖、葡萄糖、酵母蛋白胨、鲜骨蛋白胨、大米淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉发酵物中的一种或者他们的混合物；增粘剂选自气相白碳黑、凹凸棒土、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、海藻酸钠、聚丙烯酰胺中的一种或者他们的混合物。
优选的是，所述机制砂为中砂，MB值＜1.4，含泥量＜15％。
优选的是，所述碎石由4.75～9.5mm、9.5～16mm、16-25mm三种粒径构成。
优选的是，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率不低于25％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、硫铝酸盐水泥的掺入适当缩短混凝土凝结时间，保证富水环境下混凝土初期抗渗性能，为水泥水化和混凝土后期发展提供保证，提高其抗渗性能；同时可适当缩短脱模时间，缩短工期。另外，硫铝酸盐水泥用量对混凝土拌合物保坍性能和凝结时间影响较大，必须严格控制，需与聚羧酸减水剂合理配合使用。
2、聚氨酯树脂乳液为粘结性能非常好的材料，通过一定比例的混合，其粘结性可达到最优，且其抗拉性能较好，可显著提高透水混凝土的抗拉强度，改善混凝土的综合性能；另外，乳液对机制砂中的细粉有一定的包裹作用，可降低机制砂对混凝土流动性能的影响。
3、纳米二氧化硅颗粒粒径为纳米级，表面能较大，可起到较好的填充效应，增加混凝土的密实度，提升抗渗性能；同时参与水泥水化过程，通过与水化产物发生二次水化反应；另外可通过改善水泥浆与骨料界面处的密集分布和定向排列，提高水泥基材料的强度和耐久性。
4、玻璃微珠可大幅提高混凝土流动性能，同时其强度较高，可解决自密实混凝土流动性与强度相互制约的难题，同时玻璃微珠粒径较小，可起到改善颗粒级配，填充浆液孔隙的作用；另外，玻璃微珠与聚氨酯树脂乳液配合可起到协同效应，为混凝土流动性和强度的同时提升创造条件。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，混凝土的各组分配合比见下表1所示：
表1抗渗型自密实混凝土配合比(kg/m3)
Figure BDA0003810231650000041
Figure BDA0003810231650000051
实施例1
如表1所示，抗渗型自密实混凝土由以下重量配比的组分构成：
水泥300kg/m3；硫铝酸盐水泥30kg/m3；气相二氧化硅18kg/m3；玻璃微珠60kg/m3；聚氨酯树脂乳液10kg/m3；脂肪酸盐12kg/m3；增稠剂4kg/m3；机制砂800kg/m3；碎石1010kg/m3；水155kg/m3；聚羧酸减水剂1.94kg/m3。
实施例2
如表1所示，高强混凝土增强剂由以下重量配比的组分构成：
水泥320kg/m3；硫铝酸盐水泥20kg/m3；气相二氧化硅25kg/m3；玻璃微珠45kg/m3；聚氨酯树脂乳液17kg/m3；脂肪酸盐16kg/m3；增稠剂6kg/m3；机制砂800kg/m3；碎石1060kg/m3；水150kg/m3；聚羧酸减水剂2.15kg/m3。
实施例3
如表1所示，抗渗型自密实混凝土由以下重量配比的组分构成：
水泥340kg/m3；硫铝酸盐水泥15kg/m3；气相二氧化硅32kg/m3；玻璃微珠30kg/m3；聚氨酯树脂乳液25kg/m3；脂肪酸盐20kg/m3；增稠剂8kg/m3；机制砂800kg/m3；碎石1100kg/m3；水147kg/m3；聚羧酸减水剂2.36kg/m3。
对比例1(未加硫铝酸盐水泥)
抗渗型自密实混凝土由以下重量配比的组分构成：
水泥355kg/m3；气相二氧化硅32kg/m3；玻璃微珠30kg/m3；聚氨酯树脂乳液25kg/m3；脂肪酸盐12kg/m3；增稠剂8kg/m3；机制砂800kg/m3；碎石1100kg/m3；水147kg/m3；聚羧酸减水剂2.36kg/m3。
对比例2(未加气相二氧化硅)
抗渗型自密实混凝土由以下重量配比的组分构成：
水泥340kg/m3；硫铝酸盐水泥15kg/m3；玻璃微珠62kg/m3；聚氨酯树脂乳液25kg/m3；脂肪酸盐16kg/m3；增稠剂8kg/m3；机制砂800kg/m3；碎石1100kg/m3；水147kg/m3；聚羧酸减水剂2.36kg/m3。
对比例3(未加玻璃微珠)
抗渗型自密实混凝土由以下重量配比的组分构成：
水泥340kg/m3；硫铝酸盐水泥15kg/m3；气相二氧化硅62kg/m3；聚氨酯树脂乳液25kg/m3；脂肪酸盐20kg/m3；增稠剂8kg/m3；机制砂800kg/m3；碎石1100kg/m3；水147kg/m3；聚羧酸减水剂2.36kg/m3。
对比例4(未加聚氨酯树脂乳液)
抗渗型自密实混凝土由以下重量配比的组分构成：
水泥365kg/m3；硫铝酸盐水泥15kg/m3；气相二氧化硅32kg/m3；玻璃微珠30kg/m3；增稠剂8kg/m3；机制砂800kg/m3；碎石1100kg/m3；水147kg/m3；聚羧酸减水剂2.36kg/m3。
对比例5(胶凝材料仅含水泥)
抗渗型自密实混凝土由以下重量配比的组分构成：
水泥440kg/m3；增稠剂6kg/m3；机制砂800kg/m3；碎石1100kg/m3；水167kg/m3；聚羧酸减水剂5.2kg/m3。
上述三个实施例以及对比例中的混凝土性能测试结果如下表所示：
表2高抗渗型自密实混凝土性能测试结果
Figure BDA0003810231650000071
测试结果表明：三种配合比配制出的自密实混凝土28d强度均超过50MPa，最高可达到61.2MPa；抗渗等级可达到P12，可用于抗渗等级要求高的高压富水环境；扩展度可到650±50mm，满足超高条件下混凝土泵送要求。本发明的抗渗性自密实混凝土强度达到C60，抗渗等级可达到P12，扩展度可到650±50mm，综合性能极佳，远超过目前国内同类型混凝土的标准，为促使未来高强度高抗渗泵送混凝土向更宽更广的领域发展奠定了基础。
通过四个对比例的试验结果可以看出：不掺加硫铝酸盐水泥的混凝土早期强度(7d强度)偏低，难以满足早期抗渗性能的要求；不掺加气相二氧化硅的混凝土早期强度与后期强度均偏低，后期强度难以达到C50的强度等级标准，说明气相二氧化硅对于强度的提升有较大帮助；不掺加玻璃微珠的混凝土扩展度较低，难以达到550mm以上，自密实性能偏差，难以满足现场施工要求，说明玻璃微珠对混凝土流动性能有较大贡献；不掺加聚氨酯乳液的混凝土其强度和流动性能、抗渗性能均有一定幅度降低，说明聚氨酯乳液对混凝土综合性能的改善有一定帮助；随着脂肪酸盐的掺量增加，混凝土抗渗等级逐渐增加，说明脂肪酸盐对混凝土的抗渗性能有较大贡献；若上述几种添加剂均不加，则混凝土的28d强度达不到50MPa，抗渗等级达不到P10，扩展度达不到550mm，因此，只有上述几种添加剂同时加入，协同作用，才能实现抗渗性自密实混凝土力学性能、抗渗性能、工作性能的同时提升，配制出满足施工性能的高性能混凝土。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例以及对比例。

Claims (11)

1.一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，包括以下按质量份数计的各组分：
水泥300-340kg/m3；
硫铝酸盐水泥15-30kg/m3
气相二氧化硅18-32kg/m3；
玻璃微珠30-60kg/m3；
聚氨酯树脂乳液10-25kg/m3；
脂肪酸盐12-20kg/m3；
增稠剂4-8kg/m3；
机制砂780-870kg/m3；
碎石980-1100kg/m3；
水147-155kg/m3；
减水剂4.2-5kg/m3。
2.如权利要求1所述的一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，所述水泥为42.5级硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
3.如权利要求1所述的一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥的初凝时间≮5min，终凝时间≯15min。
4.如权利要求1所述的一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，所述气相二氧化硅为纳米二氧化硅，纯度高于99％，BET表面积大于120m2/g。
5.如权利要求1所述的一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，所述玻璃微珠为正球体，表面光滑，分散性高；成球率在99％以上，粒径在2～130μm之间。
6.如权利要求1所述的一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，所述聚氨酯树脂乳液为固体聚氨酯树脂的水性乳液，其成分包括多元异氰酸酯与多元羟基化合物作用而成的高分子化合物。
7.如权利要求1所述的一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，所述脂肪酸盐为脂肪酸与有机物反应得到，其中脂肪酸为软脂酸、硬脂酸、油酸中的一种，有机物为四甲基氢氧化铵。
8.如权利要求1所述的一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，所述增稠剂由按重量百分数计的如下原料组成：胶类混合物为1％-2％、发酵混合物为0.5％-1％、增粘剂为0.1％-0.5％和余量的水。
9.如权利要求1所述的一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，所述机制砂为中砂，MB值＜1.4，含泥量＜15％。
10.如权利要求1所述的一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，所述碎石由4.75～9.5mm、9.5～16mm、16-25mm三种粒径构成，其比例为3.5:5.5:1。
11.如权利要求1所述的一种用于富水环境下大断面隧道二衬自密实混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率＞25％。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116003060A (zh) * 2022-12-27 2023-04-25 浙江金温铁道开发有限公司 运营隧道衬砌空洞填补用早强渗透结晶型注浆材料及注浆浆体的制备方法

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