CN115677295A - 一种海底隧道用喷射混凝土及其制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海底隧道用喷射混凝土及其制备方法、应用，所述海底隧道用喷射混凝土包括以下质量份数的组分：水泥400～450份、矿物掺合料40～60份、抗侵蚀材料10～20份、醋酸乙烯酯‑乙烯共聚乳液15～25份、改性钢纤维20～40份、细骨料800～850份以及粗骨料750～800份；所述海底隧道用喷射混凝土还包括减水剂和水。本发明的技术方案中，所述海底隧道用喷射混凝土中引入矿物掺合料、抗侵蚀材料、醋酸乙烯酯‑乙烯共聚乳液及改性钢纤维作为核心组分，并辅以合理的配比，搭配后续混凝土施工工艺，可以有效提升喷射混凝土的密实性、优化孔隙结构、减少开裂风险，进而改善支护强度和抗渗性，适用于海底隧道这样的严苛环境。

Description

一种海底隧道用喷射混凝土及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，特别涉及一种海底隧道用喷射混凝土及其制备方法、应用。

背景技术

对于海底隧道用喷射混凝土而言，其面临海底隧道高水压与高氯离子浓度侵蚀耦合作用环境，因此，对于支护强度和抗渗性要求高。而目前对于喷射混凝土耐久性提升方面，大部分适用于山体隧道领域，不适合海底隧道领域，鉴于此，亟需开发一种有效提升支护强度和抗渗性、适用于海底隧道环境的喷射混凝土。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种海底隧道用喷射混凝土及其制备方法、应用，旨在提供一种有效提升支护强度和抗渗性、适用于海底隧道环境的喷射混凝土。

为实现上述目的，本发明提出一种海底隧道用喷射混凝土，包括以下质量份数的组分：

水泥400～450份、矿物掺合料40～60份、抗侵蚀材料10～20份、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液15～25份、改性钢纤维20～40份、细骨料800～850份以及粗骨料750～800份；

所述海底隧道用喷射混凝土还包括减水剂和水，所述减水剂的质量为所述水泥和所述矿物掺合料的质量之和的0.8～1.2％，所述水的质量为所述水泥和所述矿物掺合料的质量之和的38～42％。

可选地，所述水泥包括硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；和/或，

所述水泥的强度大于等于42.5级。

可选地，以质量百分比计，所述矿物掺合料包括60～80％的第一组分和20～40％的硅灰，所述第一组分包括粉煤灰或矿渣粉；和/或，

所述抗侵蚀材料包括疏水组分和纳米组分，所述疏水组分包括脂肪酸、脂肪酸镁、脂肪酸铝、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硬脂酸锌、甲基硅酸钾、甲基硅酸钠和甲基硅醇钠中的至少一种，所述纳米组分包括硅溶胶。

可选地，所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的固含量为51.5～54.5％；和/或，

所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的粘度为200～800mPa·s。

可选地，所述改性钢纤维包括端钩型钢纤维或波形钢纤维；和/或，

在所述海底隧道用喷射混凝土中，所述改性钢纤维的体积掺量为0.25～0.50％。

可选地，所述细骨料包括天然河砂和机制砂中的至少一种；和/或，

所述细骨料的细度模数为2.5～3.2；和/或，

所述粗骨料包括天然碎石或隧道洞渣。

可选地，所述减水剂的减水率大于等于25％。

本发明还提出一种如上所述的海底隧道用喷射混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和改性钢纤维混合搅拌；

加入水和减水剂继续搅拌；

在搅拌条件下依次加入侵蚀材料和醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，得到海底隧道用喷射混凝土。

本发明还提出一种基于上述的海底隧道用喷射混凝土的施工方法，包括以下步骤：

在待施工岩面喷涂防水剂；

将速凝剂和所述海底隧道用喷射混凝土混合湿喷向所述待施工岩面，以在所述待施工岩面形成初期支护。

可选地，所述防水剂包括有机硅类防水剂或乳液类防水剂；和/或，

所述速凝剂的质量为所述水泥和所述矿物掺合料的质量之和的6～9％；和/或，

所述速凝剂为无硫无氯型液体无碱速凝剂。

本发明的技术方案中，所述海底隧道用喷射混凝土中引入矿物掺合料、抗侵蚀材料、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液及改性钢纤维作为核心组分，并辅以合理的配比，搭配后续混凝土施工工艺，可以有效提升喷射混凝土的密实性、优化孔隙结构、减少开裂风险，进而改善支护强度和抗渗性，适用于海底隧道这样的严苛环境。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。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。

本发明提出一种海底隧道用喷射混凝土，所述海底隧道用喷射混凝土包括以下质量份数的组分：水泥400～450份、矿物掺合料40～60份、抗侵蚀材料10～20份、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液15～25份、改性钢纤维20～40份、细骨料800～850份以及粗骨料750～800份；所述海底隧道用喷射混凝土还包括减水剂和水，所述减水剂的质量为所述水泥和所述矿物掺合料的质量之和的0.8～1.2％，所述水的质量为所述水泥和所述矿物掺合料的质量之和的38～42％。

本发明的技术方案中，所述海底隧道用喷射混凝土中引入矿物掺合料、抗侵蚀材料、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液及改性钢纤维作为核心组分，并辅以合理的配比，搭配后续混凝土施工工艺，可以有效提升喷射混凝土的密实性、优化孔隙结构、减少开裂风险，进而改善支护强度和抗渗性，适用于海底隧道这样的严苛环境。

所述水泥的具体种类不做限制，具体地，在本发明实施例中，所述水泥包括硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，也即，所述水泥可以选用硅酸盐水泥，也可以选用普通硅酸盐水泥，其中，硅酸盐水泥是指以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料，5％以下的石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，普通硅酸盐水泥是指由硅酸盐水泥熟料、5％-20％的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。所述水泥的强度大于等于42.5级，以保证海底隧道用喷射混凝土的支护强度。

以质量百分比计，所述矿物掺合料包括60～80％的第一组分和20～40％的硅灰，所述第一组分包括粉煤灰或矿渣粉，如此，通过粉煤灰或矿渣粉与硅灰的组合使用，不仅可以改善混凝土拌合物的工作性，降低回弹率，而且可以发挥出其活性效应和微集料效应，优化孔隙结构，提高后期强度与耐久性。对于所述矿物掺合料各组分的具体材质本发明不做限制，所述粉煤灰为F类I级或II级，所述矿渣粉为S95级或S105级，所述硅灰的28d活性指数≥100％。

所述抗侵蚀材料包括疏水组分和纳米组分，所述疏水组分包括脂肪酸、脂肪酸镁、脂肪酸铝、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硬脂酸锌、甲基硅酸钾、甲基硅酸钠和甲基硅醇钠中的至少一种，所述纳米组分包括硅溶胶，上述疏水组分和上述纳米组分可以与所述矿物掺合料起到协同增强的功效，进一步提高混凝土密实性，阻隔有害介质侵蚀。

所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液本身可以起到防护层的作用，防止二氧化碳、氯化物及硫酸盐等侵蚀，并且，其与所述改性钢纤维的组合使用可以有效降低喷射混凝土的开裂风险，增强结构柔韧性。具体地，在本发明实施例中，所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的固含量为51.5～54.5％，所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的粘度为200～800mPa·s，以保证所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液对喷射混凝土性能的提升。所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的掺入方式为外掺，所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的来源不做限制，比如，所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液可以选为瓦克

型乳液。

本发明采用改性钢纤维，钢纤维经改性后可以避免被海水腐蚀，充分发挥其增强增韧的作用，其中，所述改性钢纤维可以由钢纤维的表面经硅烷偶联剂水解液浸泡并烘干得到。具体地，在本发明实施例中，所述改性钢纤维包括端钩型钢纤维或波形钢纤维，在所述海底隧道用喷射混凝土中，所述改性钢纤维的体积掺量为0.25～0.50％，以提升所述改性钢纤维的增强增韧作用。其中，所述改性钢纤维的掺入方式为外掺，所述改性钢纤维的密度为7850kg/m³，直径为0.5～0.6mm，长度为30～40mm，抗拉强度≥1000MPa。

所述细骨料的具体成分不做限制，具体地，在本发明实施例中，所述细骨料包括天然河砂和机制砂中的至少一种，所述细骨料的细度模数为2.5～3.2，如此，提升所述细骨料在喷射混凝土中起到的骨架或填充作用。

所述细骨料的具体成分不做限制，具体地，在本发明实施例中，所述粗骨料包括天然碎石或隧道洞渣，如此，提升所述细骨料在喷射混凝土中起到的骨架作用。

所述减水剂的减水率大于等于25％，减水剂是一种能减少水泥拌和用水量，降低水灰比和改善水泥浆流动性的外加剂，主要作用是润湿和分散，在上述减水率下，所述减水剂对喷射混凝土的润湿和分散作用更好。并且，在本发明实施例中，优选所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

基于上述海底隧道用喷射混凝土的配方，本发明还提出一种如上所述的海底隧道用喷射混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤S11、将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和改性钢纤维混合搅拌。

步骤S12、加入水和减水剂继续搅拌。

步骤S13、在搅拌条件下依次加入侵蚀材料和醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，得到海底隧道用喷射混凝土。

本发明提供的海底隧道用喷射混凝土的制备方法采用了上述的海底隧道用喷射混凝土的配方，因此具备所述海底隧道用喷射混凝土所带来的全部有益效果，此处不再一一赘述。

此外，本发明还提出一种基于上述的海底隧道用喷射混凝土的施工方法，包括以下步骤：

步骤S21、在待施工岩面喷涂防水剂。

在步骤S21中，通过在喷射施工前在待施工岩面喷涂一层防水剂，可在喷射混凝土与岩面交界处形成憎水层，有效降低混凝土吸水率和渗透性，延缓侵蚀介质渗透。具体地，所述防水剂包括有机硅类防水剂或乳液类防水剂，也就是说，所述防水剂可以选为有机硅类防水剂或乳液类防水剂，比如

硅烷液体混凝土防护剂或

混凝土防水剂。

步骤S22、将速凝剂和所述海底隧道用喷射混凝土混合湿喷向所述待施工岩面，以在所述待施工岩面形成初期支护。

在步骤S22中，所述速凝剂为无硫无氯型液体无碱速凝剂，即无硫无氯型的液体无碱速凝剂，该速凝剂中硫酸根离子当量含量＜1％，氯离子含量≤0.1％，如此，避免速凝剂本身引入过多的侵蚀性介质，进一步降低耐久性破坏风险。所述速凝剂的质量为所述水泥和所述矿物掺合料的质量之和的6～9％，在上述掺量下，所述速凝剂与所用水泥的适应性良好，满足净浆初凝时间≤3min、净浆终凝时间≤6min、砂浆1d抗压强度≥10MPa、砂浆28d抗压强度比≥100％。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

海底隧道用喷射混凝土包括水泥、矿物掺合料、抗侵蚀材料、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液、改性钢纤维、细骨料、粗骨料、减水剂和水；

各组分具体用量和具体材质按照表1所示的实施例1的组分进行选取。

表1实施例1至4的原料以及速凝剂

实施例2

海底隧道用喷射混凝土包括水泥、矿物掺合料、抗侵蚀材料、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液、改性钢纤维、细骨料、粗骨料、减水剂和水；

各组分具体用量和具体材质按照表1所示的实施例2的组分进行选取。

实施例3

海底隧道用喷射混凝土包括水泥、矿物掺合料、抗侵蚀材料、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液、改性钢纤维、细骨料、粗骨料、减水剂和水；

各组分具体用量和具体材质按照表1所示的实施例3的组分进行选取。

实施例4

海底隧道用喷射混凝土包括水泥、矿物掺合料、抗侵蚀材料、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液、改性钢纤维、细骨料、粗骨料、减水剂和水；

各组分具体用量和具体材质按照表1所示的实施例4的组分进行选取。

在本发明中，矿物掺合料、抗侵蚀材料、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液及改性钢纤维作为喷射混凝土的核心技术组分，在其协同配合作用下能够有效提高喷射混凝土的力学强度和抗渗性，同时改善工作性，满足良好的可泵性与可喷射性要求，降低回弹率。为了验证本发明核心技术组分的优势，下述还提供了对比例1-4。

对比例1至4

对比例1-4分别对照实施例1-4，区别在于：去除了抗侵蚀材料、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液及改性钢纤维，并将矿物掺合料等重量替换成相应水泥。

试验例

喷射混凝土试件制作与回弹率测试方法参照JGJ/T 372-2016《喷射混凝土应用技术规程》，采用湿喷法成型工艺，采用耿力机械牌GSP-D干湿两用混凝土喷射机，具体做法如下：按照对应实施例1至4、对比例1至4称取原料，在喷射机中拌和均匀后喷射在尺寸为450mm×450mm×120mm的大板试模与尺寸为175mm(上口)×150mm(高度)×185mm(下口)的圆台体试模中，并且，在实施例1至4喷射过程中按照表1所示的速凝剂配比加入无硫无氯型液体无碱速凝剂混合湿喷，在对比例1至4喷射过程中对应实施例1至4的速凝剂配比加入硫酸铝型液体无碱速凝剂；喷射完成后将试模搬入标准养护室养护至18h后拆模，其中1d抗压强度试件在龄期2h前切割成100mm×100mm×100mm立方体试件，长龄期试件标准养护7d后按规定尺寸进行切割或钻芯。

参照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试抗压强度和吸水率；参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试抗水渗透性能、非稳态氯离子迁移系数(RCM法)，其中抗水渗透性能测试中，为模拟海底隧道高水压与高氯离子浓度侵蚀耦合作用环境，采取改进的渗水高度法，具体如下：将混凝土抗渗仪储水箱中的水替换成浓度为5％的NaCl溶液，静水压力设置为0.8MPa，恒压24h后取出试件沿纵断面劈裂成两半，测定渗水高度，同时用0.1mol/L的硝酸银溶液测定氯离子侵蚀深度。对应得到实施例1至4、对比例1至4的喷射混凝土性能测试结果见表2。

表2实施例1至4、对比例1至4的喷射混凝土性能测试结果

由表2喷射混凝土性能测试结果可知，相比对比例1～对比例4，实施例1～实施例4中的喷射混凝土早期和后期抗压强度提升显著，吸水率明显降低，56d非稳态氯离子迁移系数除了实施例4全部大于或等于7×10^-12m²/s，满足我国TB 10005-2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》对于设计使用年限为100年(例如隧道等主体结构)的C30混凝土的指标规定。

从改进的混凝土抗水渗透性能试验结果可知，本发明所述喷射混凝土在高水压与高氯离子浓度侵蚀耦合作用环境下具有良好的抗渗性，渗水高度和氯离子侵蚀深度相比对比例显著下降。

从回弹率测试结果可知，本发明所述喷射混凝土在矿物掺合料及改性钢纤维的作用下，粘聚性明显改善，回弹率大幅降低，有利于低碳环保、节能减排。

综上所述，本发明通过在普通喷射混凝土体系中引入矿物掺合料、抗侵蚀材料、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液及改性钢纤维作为核心技术组分，可以有效提升喷射混凝土的密实性、优化孔隙结构、减少开裂风险，进而改善支护强度和抗渗性，完全适用于海底隧道这样的严苛环境。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种海底隧道用喷射混凝土，其特征在于，包括以下质量份数的组分：

水泥400～450份、矿物掺合料40～60份、抗侵蚀材料10～20份、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液15～25份、改性钢纤维20～40份、细骨料800～850份以及粗骨料750～800份；

所述海底隧道用喷射混凝土还包括减水剂和水，所述减水剂的质量为所述水泥和所述矿物掺合料的质量之和的0.8～1.2％，所述水的质量为所述水泥和所述矿物掺合料的质量之和的38～42％。

2.如权利要求1所述的海底隧道用喷射混凝土，其特征在于，所述水泥包括硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；和/或，

所述水泥的强度大于等于42.5级。

3.如权利要求1所述的海底隧道用喷射混凝土，其特征在于，以质量百分比计，所述矿物掺合料包括60～80％的第一组分和20～40％的硅灰，所述第一组分包括粉煤灰或矿渣粉；和/或，

所述抗侵蚀材料包括疏水组分和纳米组分，所述疏水组分包括脂肪酸、脂肪酸镁、脂肪酸铝、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硬脂酸锌、甲基硅酸钾、甲基硅酸钠和甲基硅醇钠中的至少一种，所述纳米组分包括硅溶胶。

4.如权利要求1所述的海底隧道用喷射混凝土，其特征在于，所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的固含量为51.5～54.5％；和/或，

所述醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的粘度为200～800mPa·s。

5.如权利要求1所述的海底隧道用喷射混凝土，其特征在于，所述改性钢纤维包括端钩型钢纤维或波形钢纤维；和/或，

在所述海底隧道用喷射混凝土中，所述改性钢纤维的体积掺量为0.25～0.50％。

6.如权利要求1所述的海底隧道用喷射混凝土，其特征在于，所述细骨料包括天然河砂和机制砂中的至少一种；和/或，

所述细骨料的细度模数为2.5～3.2；和/或，

所述粗骨料包括天然碎石或隧道洞渣。

7.如权利要求1所述的海底隧道用喷射混凝土，其特征在于，所述减水剂的减水率大于等于25％。

8.一种如权利要求1至7任意一项所述的海底隧道用喷射混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料和改性钢纤维混合搅拌；

加入水和减水剂继续搅拌；

在搅拌条件下依次加入侵蚀材料和醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，得到海底隧道用喷射混凝土。

9.一种基于权利要求1至7任意一项所述的海底隧道用喷射混凝土的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

在待施工岩面喷涂防水剂；

将速凝剂和所述海底隧道用喷射混凝土混合湿喷向所述待施工岩面，以在所述待施工岩面形成初期支护。

10.如权利要求9所述的施工方法，其特征在于，所述防水剂包括有机硅类防水剂或乳液类防水剂；和/或，

所述速凝剂的质量为所述水泥和所述矿物掺合料的质量之和的6～9％；和/或，

所述速凝剂为无硫无氯型液体无碱速凝剂。