CN115893931A - 一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及C04B28，更具体地，本发明涉及一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土及其制备方法，高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的原料包括凝胶材料、矿物掺合料、砂子、石子、减水剂、气密剂和水。本发明提供的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土能够适应冰点以下气温或者是在含有瓦斯等有害气体的地质环境中进行山岭隧道施工的恶劣特殊环境，使得二次衬砌混凝土具备高强度、良好的抗渗性能和气密性能。
Description
技术领域
本发明涉及C04B28，更具体地，本发明涉及一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土及其制备方法。
背景技术
随着社会不断发展，建筑物开始往地下持续延伸，隧道在公路、轨道交通设施中越来越普遍。传统铁路、公路隧道和地下建筑等结构物，其组成主要包括围岩、初期支护层、防水层和二次衬砌混凝土，其中二次衬砌混凝土用于提供建筑整体的结构支撑。防水层在潮湿环境下寿命有限，导致二衬混凝土阻挡渗水能力较差，使得地表水或地下水渗透进入隧道内部空间，从而影响其强度、缓凝效果。
专利号CN114133190A的专利提供了一种气密性混凝土及其制备方法，在机制砂中掺入气密剂和膨胀剂，通过控制各物质间的配比，以提高混凝土的抗渗性。专利号CN111393084B的专利提供了一种缓凝早强混凝土及其制备方法，加入脂肪醇聚氧乙烯醚、甘油醇和酸酐改性的有机改性料，在保证抗压强度的同时，延长了混凝土的初凝时间。
然而面对一些恶劣极端条件，现有的混凝土仍不能满足需要。尤其是当气温在冰点以下时，渗透水结冰膨胀进一步破坏混凝土的硬化结构，降低混凝土性能的同时还会造成安全隐患；或者是在含有瓦斯等有害气体的地质环境中进行山岭隧道施工时，当其渗出与空气达到一定比例时极易发生爆炸，仅靠传统工艺加装隔离层难以达到长效目的，因此亟需提升隧道二衬混凝土的气密性能，通过多方面协同作用，确保工程安全可靠。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一个方面提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，所述高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的原料包括凝胶材料、矿物掺合料、砂子、石子、减水剂、气密剂和水。
优选的，按重量份计，所述高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的原料包括凝胶材料195-207份、矿物掺合料64-73份、砂子700-740份、石子690-710份、减水剂6-12份、气密剂18-25份、水140-200份。
作为本发明一种优选的技术方案，所述凝胶材料选自硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟氯酸盐水泥的一种或多种。
优选的，凝胶材料为硅酸盐水泥。
进一步优选的，硅酸盐水泥中氧化镁的含量≤3.2wt％，三氧化硫的含量≤4wt％。
更进一步优选的，硅酸盐水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。
作为本发明一种优选的技术方案，所述矿物掺合料选自粉煤灰、钢渣、高炉矿渣、煤矸石的一种或多种。
优选的，所述矿物掺合料为粉煤灰。
作为本发明一种优选的技术方案，所述砂子的细度模数为2.6-2.9，亚甲蓝值＜0.8。
优选的，砂子为Ⅱ区中砂。
作为本发明一种优选的技术方案，所述石子的平均粒径为5-25mm。
作为本发明一种优选的技术方案，所述减水剂为聚羧酸系减水剂和/或磺酸盐减水剂。
作为本发明一种优选的技术方案，所述减水剂为聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂；减水剂中，聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂的重量比为(6-8)：(0.7-3)。
优选的，聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂的重量比为7.2：1.3。
进一步优选的，聚羧酸系减水剂的固含量为21wt％。
作为本发明一种优选的技术方案，所述磺酸盐减水剂选自木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钾的一种或多种。
为了优化混凝土的性能，使其适用于极端恶劣工作环境，申请在大量的时间思考中发现，在本体系提供的含有粉煤灰的混凝土中，掺入固含量为21wt％的聚羧酸系减水剂和少量的磺酸盐减水剂，不仅能够提升隧道二衬混凝土的气密性能，确保工程安全可靠，而且还使得混凝土不论是初凝1天，还是3天、7天后，其抗压强度比均超过200％。此外，还意外改善混凝土体系泌水率，并且不会降低体系的坍落度。申请人推断，聚羧酸系减水剂的支化主链结构与磺酸盐减水剂协同，减水剂整体极性和电子斥力受到影响，从而和凝胶材料、石子和气密剂间的作用受到影响，同时特定固含量的聚羧酸系减水剂填入混凝土缝隙后，改善了体系的张力、密度，不仅仅是对混凝土的力学结构起到提升的效果，对其化学性质也有所提升。上述减水剂也会影响凝胶材料中氧化镁、三氧化硫凝结硬化的进程，进一步影响了体系结构，使得混凝土安定性好，不易龟裂、弯曲、松脆和崩溃。
作为本发明一种优选的技术方案，所述气密剂的密度为0.9-1.3g/cm3。
本发明第二个方面提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的制备方法，方法如下：(1)混合凝胶材料和矿物掺合料；(2)在步骤(1)基础上加入砂子和石子；(3)减水剂、气密剂和水混合，得到混合液A，将混合液A加入经过步骤(2)处理后得到的混合物。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
加入粉煤灰不仅填充细小空隙，还在碱性环境下缓慢水化，在此基础上，掺入固含量为21wt％的聚羧酸系减水剂和少量的磺酸盐减水剂，不仅能够提升隧道二衬混凝土的气密性能，确保工程安全可靠，而且还使得混凝土不论是初凝1天，还是3天、7天后，其抗压强度比均超过200％。此外，还意外地改善混凝土体系泌水率，并且不会降低体系的坍落度。PO42.5普通硅酸盐水泥、粉煤灰以及细度模数为2.6-2.9，亚甲蓝值＜0.8的Ⅱ区中砂共同作用，使得不仅提高了气密剂的稳定性和混凝土后期抗压强度，进一步保证混凝土结构耐久性，而且还降低了所得混凝土体系放置后产生的一氧化碳浓度，进一步提升了混凝土的安全性，使其更加适用于冰点以下气温或者是在含有瓦斯等有害气体的地质环境中进行山岭隧道施工的恶劣特殊环境。
本发明提供的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土能够适应冰点以下气温或者是在含有瓦斯等有害气体的地质环境中进行山岭隧道施工的恶劣特殊环境，使得二次衬砌混凝土具备高强度、良好的抗渗性能和气密性能。将粉煤灰作为矿物矿物掺合料用在混凝土中，不仅促进工业固体废弃物的资源化利用，还进一步降低混凝土工业的能耗成本。通过本发明所制得高早强低透气系数混凝土的透气系数6.6×10-13，1d，3d和7d抗压强度比均超过200％，按照常规制备方法即可实现批量生产。
附图说明
图1为性能测试1的测试过程的照片；
图2为性能测试1的测试过程的照片；
图3为性能测试1的测试过程的照片。
具体实施方式
实施例
实施例中组合物的制备原料均为市售，其中PO42.5普通硅酸盐水泥购自南方水泥，氧化镁的含量1.6wt％，三氧化硫的含量2.1wt％，粉煤灰购自灵寿县安达矿物粉体厂，其中二氧化硅的含量为60wt％，Ⅱ区中砂购自广西武宣县永诚石业有限公司，细度模数为2.6-2.9，亚甲蓝值＜0.8，石子来源于贵州省绥阳金字垭料场，平均粒径为10-20mm，气密剂来源于贵州天威建材科技有限责任公司，型号TW-QMG，密度为0.9-1.3g/cm3，羧酸系减水剂购自淮南市科迪化工科技有限公司，型号为ZM-4B，固含量21wt％，木质素磺酸钠购自鑫鸿越。
实施例1
本例提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，所述高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的原料包括凝胶材料200份、矿物掺合料70份、砂子720份、石子700份、减水剂8.5份、气密剂22份、水160份。
凝胶材料为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。矿物掺合料为粉煤灰。砂子为Ⅱ区中砂。
减水剂为聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂；减水剂中，聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂的重量比为7.2：1.3。
磺酸盐减水剂为木质素磺酸钠。
本例还提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的制备方法，方法如下：(1)混合凝胶材料和矿物掺合料；(2)在步骤(1)基础上加入砂子和石子；(3)减水剂、气密剂和水混合，得到混合液A，将混合液A加入经过步骤(2)处理后得到的混合物。
实施例2
本例提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，与实施例1不同的是，高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的原料包括凝胶材料195份、矿物掺合料65份、砂子705份、石子695份、减水剂8.5份、气密剂19.5份、水145份。
本例还提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的制备方法，与实施例1相同。
实施例3
本例提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，与实施例1不同的是，高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的原料包括凝胶材料205份、矿物掺合料72份、砂子740份、石子700份、减水剂10份、气密剂25份、水185份。
本例还提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的制备方法，与实施例1相同。
实施例4
本例提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，与实施例1不同的是，高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的原料包括凝胶材料197份、矿物掺合料68份、砂子720份、石子700份、减水剂10份、气密剂18份、水180份。
减水剂为聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂；减水剂中，聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂的重量比为1：3。
本例还提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的制备方法，与实施例1相同。
实施例5
本例提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，与实施例1不同的是，高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的原料包括凝胶材料204份、矿物掺合料71份、砂子730份、石子706份、减水剂7.5份、气密剂24份、水155份。
减水剂为聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂；减水剂中，聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂的重量比为7：0.5。
本例还提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的制备方法，与实施例1相同。
实施例6
本例提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，与实施例1不同的是，减水剂为磺酸盐减水剂。
本例还提供了一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的制备方法，与实施例1相同。
空白对照品：市售混凝土，来源于中铁二局集团有限公司。
性能测试：
1、抗压强度测试：按照GB/T 50080-2016、GB8076-2008、TB/T3275-2018测定实施例1-6得到的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土和空白对照品在制备后第1天、第3天和制备后第7天的坍落度值及抗压强度比，结果如表1：
表1
图1-3为测试过程的照片，结合表1测试结果和图1-3可知，实施例1-3的混凝土和易性好，无泌水现象无抓底、流动性能好、包裹性好，不易坍落，不论是初凝1天，还是3天、7天后，都具有高的抗压强度比，综合性能明显优于空白对照品。
2、气密性测试：按照TB10120-2019、TB10424-2018测试实施例1-6得到的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土和空白对照品56天后的透气系数和水胶比，结果如表2：
表2
从表2可知，实施例1-3得到的混凝土的透气系数大，透气性高，且具有合适的水胶比。
3、瓦斯和硫化氢含量测试：将实施例1-6得到的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土用于瓦斯隧道的施工，采用便携式有毒有害气体检测报警仪和有毒有害气体监测系统进行瓦斯和硫化氢监测，结果如表3。瓦斯浓度应小于0.3％，硫化氢浓度控制目标为小于0.00066％(6.6ppm)。
表3
| 实施例 | 瓦斯浓度(％) | 硫化氢浓度(％) |
| 1 | 0.15 | 0.00033 |
| 2 | 0.16 | 0.00032 |
| 3 | 0.15 | 0.00033 |
| 4 | 0.32 | 0.00065 |
| 5 | 0.36 | 0.00056 |
| 6 | 0.28 | 0.00064 |
| 空白对照品 | 0.42 | 0.00066 |
实施例1-3得到的混凝土的瓦斯气体，硫化氢浓度较低，安全性高。
Claims (10)
1.一种高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，其特征在于，所述高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的原料包括凝胶材料、矿物掺合料、砂子、石子、减水剂、气密剂和水。
2.根据权利要求1所述的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，其特征在于，所述凝胶材料选自硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟氯酸盐水泥的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，其特征在于，所述矿物掺合料选自粉煤灰、钢渣、高炉矿渣、煤矸石的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，其特征在于，所述砂子的细度模数为2.6-2.9，亚甲蓝值＜0.8。
5.根据权利要求3所述的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，其特征在于，所述石子的平均粒径为5-25mm，表观密度为2710-2830kg/m3。
6.根据权利要求5所述的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系减水剂和/或磺酸盐减水剂。
7.根据权利要求6所述的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂；减水剂中，聚羧酸系减水剂和磺酸盐减水剂的重量比为(6-8)：(0.7-3)。
8.根据权利要求7所述的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，其特征在于，所述磺酸盐减水剂选自木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钾的一种或多种。
9.根据权利要求1-8任一项所述的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土，其特征在于，所述气密剂的密度为0.9-1.3g/cm3。
10.一种根据权利要求1所述的高早强低透气系数瓦斯隧道混凝土的制备方法，其特征在于，方法如下：(1)混合凝胶材料和矿物掺合料；(2)在步骤(1)基础上加入砂子和石子；(3)减水剂、气密剂和水混合，得到混合液A，将混合液A加入经过步骤(2)处理后得到的混合物。
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