CN116396051A - 一种抗渗早强型喷射混凝土及其在超挖渗水工况下的应用 - Google Patents

一种抗渗早强型喷射混凝土及其在超挖渗水工况下的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗渗早强型喷射混凝土及其在超挖渗水工况下的应用,属于隧道衬砌混凝土技术领域。所述抗渗早强型喷射混凝土包括如下组分:早强胶凝材料、细骨料、粗骨料、防水密实组分、减水剂、液体无碱速凝剂、水;所述防水密实组分由防水剂、无机层状载体、喷层界面增强剂及水组成;所述无机层状载体为无机硅酸盐层状矿物;所述喷层界面增强剂共聚物乳液、增粘组分及纳米颗粒的混合物。本发明通过胶凝材料早强优化设计与掺入防水密实组分形成一种针对围岩超挖的抗渗早强型喷射混凝土,能明显改善超挖工况下喷射混凝土喷射掉块情况并进一步更早地实现对软弱围岩的早期支护作用。

Description

一种抗渗早强型喷射混凝土及其在超挖渗水工况下的应用
技术领域
本发明属于隧道衬砌混凝土技术领域,具体来讲,涉及一种抗渗早强型喷射混凝土及其在超挖渗水工况下的应用。
背景技术
新奥法隧道建设施工方法明确了以喷射混凝土为主的第一层初期支护结构,其质量好坏直接关系到隧道构筑物的施工及服役安全性。而喷射混凝土材料,因其特殊的喷射工艺及浆骨材料组成,硬化喷射混凝土孔隙偏多且早期支护强度偏低,因此材料的抗渗防水性以及与围岩的粘结效果较差,施工过程容易发生喷射掉块、硬化平整度差、回弹损耗大。[曾鲁平,赵爽,王伟,乔敏,穆松,冉千平,洪锦祥,胡敏.硬化喷射混凝土的气泡结构特性、抗水渗透及抗冻性能[J].硅酸盐学报,2020,48(11):1781-1790]。又以以我国西南山区为例,山脉地形复杂且软质围岩偏多并且同时存在发达的水系发育,因此此区域内的隧道初期支护施工常遇到富水、超挖的复杂工况。而当富水隧道存在超挖时,对于喷射混凝土而言,容易在喷射过程中受到重力及速凝水化的共同作用,因此现有技术针对超挖厚度超过30cm以上时容易出现喷射掉块现象,造成回弹料的成本损失较大。因此喷射混凝土的抗渗性能及早期支护强度提高对提升其在超挖渗水工况下的施工及服役性能具有重要意义。
针对喷射混凝土材料应对超挖及渗水工况的材料性能提升及施工方法改良,现有研究从防排水工艺改善以及喷射混凝土材料抗渗性能提升方面研究较多,但针对超挖及渗水工况同时存在的喷射混凝土材料开发及配套施工方法研究较少,且并未过多涉及软质岩超挖情况下的喷射混凝土早期强度提升及喷射工艺改良。专利号CN108894801B“隧道高压富水溶腔段支护抗渗结构及施工方法”,公开了一种支护抗渗结构,依次采用双层初期支护、防水结构及双层二衬结构,并对初期支护采用全环钢拱架喷射混凝土的圆环结构,防水结构在施工缝及变形缝采用止水带进行渗水加固,但采用上述抗渗支护结构工序较为繁琐且材料造价成本偏高,防水结构加止水带的渗水加固效果对较大渗水的隧道工况不太适用,容易造成后期衬砌外渗水压力增大。专利号CN114738050A“一种复杂软岩隧道的防渗排水施工方法”公开了一种复杂软岩隧道的防排水施工方法,所述施工方法采用超前钻探、井点管抽水、掌子面超前预注浆以及排水结构施工等措施,实现对地下水及围岩渗水的防水及排水,但所述施工方法并未考虑喷射混凝土材料的自身抗渗性能,此外所述施工方法包括的各类超前施工措施所需人力及物力及时间较多,经济性较低,不具备大规模推广。专利号CN107916945A“采用抗渗喷射混凝土的防水喷层结构及其施工方法”公开了一种抗渗喷射混凝土及防水喷层结构,所述防水喷层结构由临时引流系统及抗渗喷射混凝土组成,所述临时引流系统在围岩面设置横纵向排水盲管、透水布等防排水材料,形成防排水网络,而所述喷射混凝土采用硅灰、矿粉及纤维素纤维实现混凝土材料抗渗性能提升,但所述防排水网络仅适应于围岩面渗水较少,如点渗富集的情况,并且抗渗喷射混凝土采用硅灰及矿粉等矿物掺合料比例较高,并掺入一定量的纤维材料,容易造成混凝土拌合物粘度较大不利于实际喷射。专利号CN113321474A“一种抗渗喷射混凝土”公开了一种抗渗喷射混凝土,所述抗渗喷射混凝土采用抗渗纤维、复合掺合料、缓释膨胀材料制备,其中缓释膨胀材料由包覆材料物理包覆其他材料而成,但所述喷射混凝土应对超挖、渗水工况同时存在时的喷射性能及抗渗性能尚未可知,且并未涉及混凝土的早期强度提升。专利号JP3549632B2“セメント急結材及びセメント組成物”公开了一种水泥促进剂及速凝功能的水泥组合物,对隧道渗涌水工况下喷射施工具有良好的止水抗渗效果,所述水泥组合物含无定形铝酸钙硅酸盐、无定形铝酸钙硼酸盐以及无定形铝酸钙磷酸盐,非晶态含量大于50%,但所述材料中所含无定形非晶组分及非晶态含量较难获取及控制,并且组合物中速凝组分为强碱性的,容易造成初支混凝土后期强度下降。专利号KR100870673B1
Figure BDA0004137663590000021
Figure BDA0004137663590000022
公开了一种糊精改性外加剂组合物及其在喷射混凝土中的应用,所述糊精改性组合物通过将麦芽糖糊精与其他外加剂混合,使用到喷射混凝土后可降低喷射回弹及渗流水情况,但所述麦芽糊精属于多糖类分子,加入到喷射混凝土中容易带来一定的缓凝效果,其次上述组合物仅能改善围岩面渗流水的工况,对于大渗水及超挖工况下的喷射施工效果尚未可知。
因此,亟需研发一种抗渗性能良好、早期强度发展快的喷射混凝土材料,并针对超挖及渗水工况开发适用于超挖及渗水工况下的隧道喷射混凝土施工方法,以保障隧道支护结构的施工质量及服役性能。
发明内容
为解决上述现有技术存在的喷射混凝土早期强度偏低、抗渗性能差、与围岩粘结效果弱,以及超挖渗水工况下难以保证超挖及渗水工况下喷射混凝土施工质量及服役性能的技术问题,本发明提供了一种抗渗早强型喷射混凝土,并配套提供了其在超挖渗水工况的应用,旨在提高隧道喷射混凝土在富水、复杂软质围岩环境下的喷射施工质量及抗渗性能。
为了达到上述目的,本发明采用了如下的技术方案:
一种抗渗早强型喷射混凝土,其原料包括如下组分:早强胶凝材料、细骨料、粗骨料、防水密实组分、减水剂、液体无碱速凝剂、水;以每立方米计,早强胶凝材料400kg-500kg;细骨料850kg-950kg,粗骨料850kg-950kg,液体无碱速凝剂30kg-45kg,防水密实组分为早强胶凝材料质量的5%-10%,减水剂为早强胶凝材料质量的0.5%-1.5%,水胶比为0.32-0.38。
所述防水密实组分由防水剂、无机层状载体、喷层界面增强剂及水组成;其中防水剂、无机层状载体、喷层界面增强剂与水质量比为20-30:1-5:5-10:55-75;进一步地,所述防水密实组分固含量为25%-35%。
所述无机层状载体为无机硅酸盐层状矿物,进一步地,所述无机层状载体选自海泡石、凹凸棒土、硅酸镁锂、高岭土或膨润土的一种;所述防水剂选自硅氧烷类防水剂,脂肪酸类防水剂或水泥基渗透结晶型防水剂的一种。进一步优选,所述防水剂为水泥基渗透结晶型防水剂;与硅氧烷类及脂肪酸类防水剂相比,优选用水泥基渗透结晶型防水剂与无机层状载体在颗粒堆积、填充密实上要更优,并对喷射混凝土后期强度的负面影响较小,具有协同防水、密实填充的相容性提升效果。
所述喷层界面增强剂共聚物乳液、增粘组分及纳米颗粒的混合物,其中共聚物乳液、增粘组分与纳米颗粒的质量比为40-80:0.1-1.0:20-40;所述喷层界面增强剂的固含量20%-40%。
所述共聚物乳液为水性乳液,粘度在1000MPa.s以上;进一步地,所述共聚物乳液选自丙酸乙烯聚合物乳液、纯丙烯酸共聚物乳液、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液、醋酸乙烯-叔碳酸乙烯共聚物乳液、醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液或醋酸乙烯-氯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液的一种;所述增粘组分选自羟丙基甲基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚、结冷胶、黄原胶、定优胶、温轮胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇或聚乙二醇的一种;所述纳米颗粒为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米碳酸钙、纳米沸石、纳米氧化镁、纳米二氧化钛或纳米氧化锌的一种;所述纳米颗粒的粒径为20-500nm。
所述早强胶凝材料为硅酸盐水泥、快硬水泥、氧化钙及石膏的混合物,其中硅酸盐水泥、快硬水泥、氧化钙、石膏的质量比为8-12:3-6:1-3:1-3;所述硅酸盐水泥强度等级不小于42.5,矿物掺合料比例不大于5%;所述快硬水泥选自铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或磷酸盐水泥的一种,其中优选为磷酸盐水泥;所述石膏选自二水石膏、半水石膏、无水石膏、磷石膏或脱硫石膏的一种,其中优选为半水石膏。
所述粗骨料为5-10mm单粒径碎石;进一步地,所述碎石中针片状含量小于10%,含泥量小于0.5%,吸水率小于0.5%,松散堆积空隙率小于40%;所述细骨料选自机制砂、河砂或混合砂的一种;进一步地,所述细骨料的细度模数2.5-3.0,4.75mm累计筛余小于5%,含泥量小于0.5%。
所述减水剂为聚羧酸减水剂与缓凝剂的混合物,其中缓凝剂占聚羧酸减水剂质量比例的10%-20%;所述缓凝剂选自硼砂、葡萄糖酸钠或柠檬酸钠的一种,优选为硼砂。
所述液体无碱速凝剂选自含氟无碱速凝剂、无氟无碱速凝剂或无硫无碱速凝剂的一种;所述液体无碱速凝剂的活性Al2O3含量大于10%,依据液体速凝剂国家标准GB/T35159-2017,产品6h砂浆强度大于1.5MPa,净浆初凝时间小于5min,终凝时间小于8min。进一步地,所述液体无碱速凝剂优选为无氟无碱速凝剂。所述优选无氟无碱速凝剂在与早强胶凝材料之间的速凝作用适应性更好,能降低速凝剂自身中氟离子对喷射混凝土早期强度的负面影响。
进一步地,所述防水密实组分的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1:将无机层状载体与水混合,在25-35℃条件及300-1000r/min剪切条件下搅拌剪切1-3h,得到淡黄色悬浊溶液;
步骤2:将喷层界面增强剂滴加进入步骤1得到的剪切溶液中,滴加时间控制在0.5h以内,剪切速率调整至300-500r/min,滴加完后剪切1-2h;
步骤3:将防水剂加入至步骤2得到的中间物中,剪切速率调整至100-300r/min,搅拌1.5-2.5h,最终得到淡黄色悬浊反应物即为防水密实组分。
另一方面,本发明还提供了一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,具体包括如下步骤:
(1)围岩开挖后的防排水工艺:对开挖掌子面渗水区域采用集中性泄压引水后,采用EVA防水卷材与高强尼龙土工布对局部渗涌水区域进行封闭,并对封闭材料进行固定,最后对开挖全断面设置环向柔性盲沟,盲沟终端连接至排水管,并且将泄水压管终端连接到围岩上布置的柔性排水盲沟;
(2)渗水工况用喷射止水材料制备及施工:将喷射止水材料加入至搅拌机中并充分混合;加载喷射止水材料至干法或潮法喷射机的料仓中,在喷嘴处与拌合水混合后喷射至步骤1处理后的围岩表面;
(3)喷射抗渗早强型喷射混凝土施工:在喷射止水材料表面依次埋入锚杆、铺设钢拱架及钢筋网面,继而采用单层或多层湿法喷射工艺喷射抗渗早强型喷射混凝土;所述多层湿法工艺喷射抗渗早强型喷射混凝土的层间喷涂有喷层界面增强剂。
所述步骤(1)中泄水管采用长度1.5-3.0m,直径50cm的超前小导管,柔性盲沟选自双壁打孔波纹管,软式透水管、软式半圆管的一种,布置间距5-8m。
所述步骤(2)中喷射止水材料由胶凝材料、骨料及促凝止水助剂组成,其中胶凝材料与骨料比例为1:2-3,所述促凝止水助剂为胶凝材料质量的3%-8%。
所述促凝止水助剂为可分散性乳胶粉与粉体速凝材料的混合物;所述粉体速凝材料选自硫酸铝粉末、铝酸钠粉末、无定形铝酸钙粉末或硅酸钠粉末的一种;所述促凝止水助剂中可分散性乳胶粉与粉体速凝材料的质量比例为1-2:3-4。
所述喷射止水材料中胶凝材料选自纯水泥或水泥与硅灰混合物的一种;进一步地,所述胶凝材料中硅灰占总胶凝材料的质量比例小于5%;所述水泥选自硅酸盐水泥、铝酸盐水泥或硫铝酸盐水泥的一种。
所述喷射止水材料中骨料包括粗骨料和细骨料,粗骨料、细骨料的质量比为1:1-2。所述粗骨料为5-10mm单粒径碎石;进一步地,所述碎石中针片状含量小于10%,含泥量小于0.5%,吸水率小于0.5%,松散堆积空隙率小于40%;所述细骨料选自机制砂、河砂或混合砂的一种,细度模数2.5-3.0,4.75mm累计筛余小于5%,含泥量小于0.5%。
所述步骤(2)中占每方喷射止水材料拌合水的用量小于120kg。
所述步骤(2)中喷射止水材料的喷射厚度为50-75mm。
所述步骤(3)中喷层界面增强剂喷涂的厚度为5-10mm;进一步地,喷层界面增强剂喷涂的压力为0.3-0.5MPa。所述步骤(3)中在混凝土层间喷涂喷层界面增强剂,利用喷涂材料在喷射混凝土表面的充分喷涂分散,能对混凝土表面的粘聚性能及抗渗性能进一步提升,能较好地适应在超挖工况下较厚喷射混凝土的施工性能要求,降低喷射过程的回弹损失同时提高多层湿喷混凝土的界面力学及抗渗性能。
进一步地,所述步骤3中湿法喷射工艺喷射抗渗早强型喷射混凝土每层的喷射厚度为15-50cm。
进一步地,所述步骤3中,当超挖厚度小于30cm时,采用锚杆、钢拱架、单层钢筋网面与单层抗渗早强型喷射混凝土,当超挖厚度为30-50cm时,采用锚杆、钢拱架、单层钢筋网面与双层抗渗早强型喷射混凝土;当超挖厚度为50-100cm,采用锚杆、钢拱架、单层钢筋网面与三层抗渗早强型喷射混凝土;当超挖厚度为100-150cm,采用锚杆、钢拱架、双层钢筋网面与三层抗渗早强型喷射混凝土。
进一步地,所述步骤(3)中锚杆选自中空注浆锚杆、砂浆锚杆、药卷锚杆、涨壳式锚杆或水涨式锚杆的一种;所述钢拱架选自工字钢、钢筋格栅的一种;所述钢筋网面的钢筋间距为40-60cm,多层钢筋网面垂直间隔距离50-75cm;所述抗渗早强型喷射混凝土的喷射距离为0.8-1.5m,喷嘴与围岩形成的喷射角度85-105°,喷射风压0.6-1.2MPa。
与现有技术比较,本发明的有益技术效果是:
1、通过合理的材料配置与施工方法,获得了一种抗渗早强型喷射混凝土及其在超挖渗水工况下的应用。在材料配置方面,通过在自身粘聚性良好的干法或潮法喷射材料中掺入改性促凝止水助剂形成一种针对围岩渗水的喷射止水材料,并合理控制止水材料在喷射过程中用水量与喷射厚度,可进一步降低经防排水处理的围岩渗水情况并对前期采取的防排水材料起到良好固定作用,起到稳固、封闭及止水作用;通过胶凝材料早强优化设计与掺入防水密实组分形成一种针对围岩超挖的抗渗早强型喷射混凝土,混凝土材料具有早期强度发展快、一次喷射厚度大、抗渗性能优良及界面粘结强度高等特点,能明显改善超挖工况下喷射混凝土喷射掉块情况并进一步更早地实现对软弱围岩的早期支护作用。
2、在隧道初支施工方法方面,针对超挖及渗水同时存在的隧道工况,依次开展围岩防排水处理、喷射止水材料施工及抗渗早强型喷射混凝土多层喷射施工等步骤,其中围岩防排水处理包括集中性泄压引水、局部富水区域防水以及全断面铺设柔性盲沟,能有效降低渗水工况下围岩渗水量及渗水压力,进而削弱对后期喷射混凝土的渗透作用,其次采用干法或潮法喷射工艺将喷射止水材料喷射至软弱围岩表面,起到稳固、封闭及止水的目的;随后针对超挖厚度采用对应多层湿法喷射工艺及层间喷涂界面增强剂,可实现超挖厚度150cm以内的隧道喷射施工以及保障喷射混凝土层间与围岩的粘结效果,并且无喷射掉块现象,综合实现喷射混凝土在富水、复杂软质围岩条件下的施工质量及服役性能提升及保障。
3、本发明制备抗渗早强型喷射混凝土抗水渗等级在P10以上,28d吸水率小于0.5%,3h抗压强度大于6.0MPa,12h抗压强度大于15.0MPa,28d钻芯试件强度大于45.0MPa,界面粘结强度大于1.6MPa,一次喷射厚度在150mm以上,能较好地满足在超挖及渗水同时存在复杂工况下的喷射施工、早期支护强度及后期服役性能要求。所述超挖渗水工况下隧道初支施工方法可有效简化富水、软质围岩的防排水工艺(仅采用局部泄水及防排水、间隔盲沟设置)及降低围岩渗水压力至0.4MPa以下,超挖工况下喷射回弹率小于10%,显著降低因超挖喷射掉块造成的回弹混凝土材料损失。
附图说明
图1为本发明应用实施例1的超挖渗水工况用隧道初支施工方法流程图。
图2为本发明应用实施例1的超挖渗水工况隧道防排水工艺的简易示图。
图3为本发明应用实施例1的超挖渗水工况隧道初支多层喷射工艺的简易示图。
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。
为了验证本发明抗渗早强型喷射混凝土的优异性能,本发明还提供了实施例1~4以及对比例1-6。
实施例1-4及对比例1-6中各原料选取如下:
细骨料及粗骨料(该原料与应用实施例1-2及应用对比例1-4选取一致):细骨料为混合砂,细度模数2.7,4.75mm累计筛余3.5%,含泥量0.2%;粗骨料为5-10mm单粒径碎石,针片状含量7.2%,含泥量0.3%,吸水率0.2%,松散堆积空隙率32%。
所述硅氧烷防水剂产自南雄鼎成新材料科技有限公司,型号为FS-150乳液型;所述脂肪酸类防水剂产自广东澳博顺化工有限公司,型号为十六烷酸;所述水泥基渗透结晶型防水剂产自上海西亚化工工贸有限公司,型号为shxy168。
减水剂为聚羧酸减水剂与缓凝剂的混合物,聚羧酸减水剂为苏博特公司生产的
Figure BDA0004137663590000081
系列聚羧酸高性能减水剂。
无碱速凝剂:含氟无碱速凝剂型号JW-1,厂家山西佳维新材料股份有限公司;无氟无碱速凝剂,SBT-N(Ⅱ)液体速凝剂(无碱型),江苏苏博特新材料股份有限公司;无硫无碱速凝剂,江苏苏博特新材料股份有限公司产,SBT-N(Ⅱ)液体速凝剂(无硫型)。
实施例1-4及对比例1-3中防水密实组分的制备方法为:
1、将无机层状载体与水混合,在常温条件及800r/min剪切条件下搅拌剪切1.0h,得到淡黄色悬浊溶液;
2、将喷层界面增强剂滴加进入步骤1得到的剪切溶液中,滴加时间控制在0.5h,剪切速率调整至400r/min,滴加完后剪切2h;
3、将防水剂加入至步骤2得到的中间物中,剪切速率调整至200r/min,搅拌时间1.5h,最终得到淡黄色悬浊反应物即为防水密实组分。
实施例1~实施例4
下述表1示出了实施例1-4提供的抗渗早强型喷射混凝土原料组分及配比参数。
表1实施例1~实施例4中抗渗早强型喷射混凝土原料组分
单位:kg/立方隧道喷射混凝土
Figure BDA0004137663590000082
Figure BDA0004137663590000091
上述实施例1-4中喷层界面增强剂组成如下表2所示:
表2实施例1~实施例4中喷层界面增强剂组成
Figure BDA0004137663590000092
对比例1
该对比例基于实施例1设定,不同之处在于采用100%硅酸盐水泥替代实施例1中的早强胶凝材料,其他条件均与实施例1一致。
对比例2
该对比例基于实施例1设定,不同之处在于采用100%硫铝酸盐水泥替代实施例2中的早强胶凝材料,其他条件均与实施例1一致。
对比例3
该对比例基于实施例1设定,不同之处在于采用硅酸盐水泥与磷酸盐水泥质量比为2:1的组合替代实施例2中的早强胶凝材料,其他条件均与实施例1一致。
对比例4
该对比例基于实施例1设定,不同之处在于采用100%硅氧烷防水剂替代实施例3中的防水密实组分,其他条件均与实施例1一致。
对比例5
该对比例基于实施例1设定,不同之处在于采用100%EVA乳液替代实施例4中的防水密实组分,其他条件均与实施例1一致。
对比例6
该对比例基于实施例1设定,不同之处在于防水密实组分不含有无机层状载体,该防水密实组分质量组成为20wt%硅氧烷防水剂+10wt%喷层界面增强剂,剩余为水,其他条件均与实施例1一致。
所述防水混合物按如下步骤制备:
1、将喷层界面增强剂滴加至水中,在常温条件及剪切速率400r/min条件下剪切2h;
2、将防水剂加入至步骤1得到的反应物中,剪切速率调整至200r/min,搅拌时间1.5h,最终得到白色悬浊反应物即为防水混合物。
性能测试
为了验证本发明上述实施例1~实施例4提供喷射混凝土的流动性损失及抗渗早强性能,参照GBT 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》测试混凝土1h坍落度损失比例,参照GBT 50086-2015《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,成型力学性能及抗水渗试验及其他试验所需试块数量及尺寸,并测试过程中喷射混凝土材料的一次喷射厚度,同时也采用相同的湿法喷射方法将上述各对比例1-4中的对比喷射混凝土制备成了对比测试试块及一次喷射厚度测试。参照GBT50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中水渗逐级加压法与水渗高度法对喷射混凝土的抗水渗性能进行评定;参照GBT 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法》测试喷射混凝土试件强度及吸水率;参照GB 50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》的钻芯拉拔试验对喷射混凝土层间粘结强度评定。
实施例1~实施例4中的喷射混凝土及对比例1~6中的喷射混凝土的性能测试结果如下表3所示。
表3实施例1~4及对比例1-6中抗渗早强型喷射混凝土性能测试结果
Figure BDA0004137663590000101
Figure BDA0004137663590000111
由表3所述的抗渗早强型喷射混凝土抗水渗等级在P10以上,28d吸水率小于0.5%,3h抗压强度大于6.0MPa,12h抗压强度大于15.0MPa,28d钻芯试件强度大于45.0MPa,界面粘结强度大于1.6MPa,一次喷射厚度在150mm以上,能满足超挖及渗水复杂工况下喷射混凝土界面粘结强度低、一次喷射厚度小,抗渗性能差、小时强度低等问题,综合材料性能改善明显。
对比例1未采用早强胶凝材料,仅使用纯普通硅酸盐水泥,喷射混凝土3h抗压强度仅2.3MPa,12h抗压强度5.6MPa,界面粘结强度低于1.0MPa,早期强度偏低于同掺量下采用早强胶凝材料的实施例1,说明本发明中早强胶凝材料具有明显提高喷射混凝土小时强度的效果,有利于改善复杂工况下喷射混凝土的早期支护强度。
对比例2采用纯快硬水泥早强胶凝材料制备喷射混凝土,早期强度尽管增进明显,但后期强度明显低于同掺量下采用早强胶凝材料的实施例2,说明本发明中早强胶凝材料在保障早期强度增进的同时,后期强度增进保障较好。
对比例3采用普通硅酸盐水泥与磷酸盐水泥替代早强胶凝材料制备喷射混凝土,3h抗压强度尽管增进明显,但12h后的早期强度低于同掺量下采用早强胶凝材料的实施例1,且混凝土1h坍落度明显过大,说明本方面中早强胶凝材料的早后期力学强度较为优良的同时,采用组分中氧化钙及石膏组分及比例能明显改善体系的工作性能,保证实际使用的施工时间。
对比例4~5采用纯硅氧烷防水剂与EVA乳液制备喷射混凝土,抗水渗性能有所提高,但对混凝土一天及后期强度影响较大,明显低于同掺量下采用防水密实组分的实施例1,说明本发明中防水密实组分在实现抗渗性能提升的同时与本发明所述早强胶凝材料的适应性好,对一天及后期强度的负面影响较小。
对比例6采用防水剂及界面增强剂的组合物制备喷射混凝土,抗水渗性能有所改善,但对混凝土一天及后期强度损失仍大于同掺量下采用防水密实组分的实施例1,且对喷射混凝土的一次喷射厚度改善效果同样不如实施例1,说明本发明中防水密实组分采用无机层状载体与防水剂、界面增强剂的组合方式具有较好的防水、密实及抗渗性能协同改善效果,能显著提高一次喷射厚度且对后期强度负面影响较小。
以下将通过具体的应用实施例1-2及应用对比例1-4来描述本发明提供的一种超挖渗水工况用隧道初支施工方法。
应用实施例1
一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,其包括如下步骤:
步骤一、围岩开挖后的防排水工艺:对开挖掌子面存在较大渗水区域采用集中性泄压引水后,采用EVA防水卷材与高强尼龙土工布对局部渗涌水区域进行封闭,并对封闭材料采用射钉固定,最后对开挖全断面设置环向柔性盲沟,盲沟终端连接至纵向排水管,并且将泄水压管终端连接到围岩上布置的柔性排水盲沟;
所述泄水管采用长度1.5m,直径50cm的超前小导管;所述柔性盲沟选自双壁打孔波纹管,布置间距8m;
步骤二、渗水工况用喷射止水材料制备及施工:按骨料、胶凝材料以及促凝止水助剂的加料顺序加入至搅拌机中并充分混合;加载喷射止水材料至干法或潮法喷射机的料仓中,在喷嘴处与拌合水混合后喷射至步骤一处理后的围岩表面;
喷射止水材料由胶凝材料、骨料及促凝止水助剂组成,其中胶凝材料与骨料比例为1:2,所述促凝止水助剂为胶凝材料质量的8%。所述促凝止水助剂为可分散性乳胶粉与粉体速凝材料的混合物,其中可分散性乳胶粉与粉体速凝材料的质量比例为1:3,所述粉体速凝材料为硅酸钠粉末;所述胶凝材料为纯水泥,所述水泥为铝酸盐水泥。
所述渗水工况用喷射止水材料的拌合水每方混凝土用量110kg,喷射厚度50mm;
步骤三、喷射抗渗早强型喷射混凝土施工:所应用隧道工况的超挖深度为120cm,采用锚杆、钢拱架、双层钢筋网面与三层抗渗早强型喷射混凝土;
所述锚杆为中空注浆锚杆;所述钢拱架为钢筋格栅;所述钢筋网面的钢筋间距为40cm,多层钢筋网面垂直间隔距离50cm;所述抗渗早强型喷射混凝土的喷射距离为0.8m,喷嘴与围岩形成的喷射角度105°,喷射风压1.2MPa;
所述三层抗渗早强型喷射混凝土的层间喷涂有喷层界面增强剂,喷层界面增强剂组成及质量比例为:40%醋酸乙烯-氯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液+0.1%温轮胶+49.9%纳米沸石;其中喷涂压力为0.5MPa,喷射厚度5mm。
步骤3中的抗渗早强型喷射混凝土与实施例1一致。
应用实施例2
一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,其包括如下步骤:
步骤一、围岩开挖后的防排水工艺:对开挖掌子面存在较大渗水区域采用集中性泄压引水后,采用EVA防水卷材与高强尼龙土工布对局部渗涌水区域进行封闭,并对封闭材料采用射钉固定,最后对开挖全断面设置环向柔性盲沟,盲沟终端连接至纵向排水管,并且将泄水压管终端连接到围岩上布置的柔性排水盲沟;
所述泄水管采用长度3.0m,直径50cm的超前小导管;所述柔性盲沟为软式透水管,布置间距5m;
步骤二、渗水工况用喷射止水材料制备及施工:按骨料、胶凝材料以及促凝止水助剂的加料顺序加入至搅拌机中并充分混合;加载喷射止水材料至干法或潮法喷射机的料仓中,在喷嘴处与拌合水混合后喷射至步骤一处理后的围岩表面;
所述喷射止水材料由胶凝材料、骨料及促凝止水助剂组成,其中胶凝材料与骨料比例为1:3,所述促凝止水助剂为胶凝材料质量的3%。所述促凝止水助剂为可分散性乳胶粉与粉体速凝材料的混合物,其中可分散性乳胶粉与粉体速凝材料的质量比例为2:3,所述粉体速凝材料为无定形铝酸钙粉末;所述胶凝材料为水泥与硅灰混合物,所述水泥为硅酸盐水泥。
所述渗水工况用喷射止水材料的拌合水每方混凝土用量小于120kg,喷射厚度60mm;
步骤三、喷射混凝土施工:所应用隧道工况的超挖深度为25cm,采用锚杆、钢拱架、单层钢筋网面与单层抗渗早强型喷射混凝土。
其中,所述锚杆为涨壳式锚杆;所述钢拱架为工字钢;所述钢筋网面的钢筋间距为60cm,所述抗渗早强型喷射混凝土的喷射距离为1.5m,喷嘴与围岩形成的喷射角度105°,喷射风压0.6MPa;
步骤3中的抗渗早强型喷射混凝土与实施例1一致。
应用对比例1
本对比例是基于应用实施例1设定的一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,其区别在于本对比例未采取应用实施例1中的步骤二,其他步骤及超挖厚度与实施例1相同。
应用对比例2
本对比例是基于应用实施例1设定的一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,其区别在于本对比例步骤二中采用普通潮喷混凝土替代喷射止水材料,所述普通潮喷混凝土原料由硅酸盐水泥、骨料及粉体速凝剂铝酸钠组成,其他步骤及超挖厚度与实施例1相同。
应用对比例3
本对比例是基于应用实施例1设定的一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,其区别在于本对比例未采取应用实施例1在步骤三多层湿法喷射混凝土的层间喷涂喷层界面增强剂,其他步骤及超挖厚度与实施例1相同。
应用对比例4
本对比例是基于应用实施例1设定的一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,其区别在于本对比例步骤三中:在多层湿法喷射混凝土的层间喷涂共聚物乳液与增粘组分的混合物替代喷层界面增强剂,所述混合物由60%丙酸乙烯聚合物乳液、0.5%黄原胶及39.5%水组成,其他步骤及超挖厚度与实施例1相同。
性能测试
为了验证本方面上述应用实施例1~应用实施例2与应用对比例1~应用对比例2提供的超挖渗水工况用隧道初支施工方法的防排水效果及喷射施工性能,测试了施工前后初支结构后的水渗压力、喷射过程回弹、喷射掉块初支混凝土硬化表面情况。
表4应用实施例1~2及应用对比例1-4初支施工方法的施工参数结果
Figure BDA0004137663590000151
注:初支喷射硬化质量从硬化平整度及混凝土渗透情况判断;
由表4所述的施工参数测试结果可知,与应用对比例1~应用对比例4相比,本发明超挖渗水工况用隧道初支施工方法能降低初支渗水压力至0.4MPa以下,喷射回弹率控制在10%以下,并且无喷射掉块现象,能较好改善超挖渗水的复杂工况下初支结构渗水明显、喷射掉块大以及回弹率高等问题,综合施工方法效率高,质量保障率好。
应用对比例1未采取喷涂止水材料,尽管渗水压力有明显下降,但围岩渗水止水情况并未得到改善,导致喷射后拱肩局部存在渗水,并且也造成了回弹率增大及喷射掉块的发生,说明采取本发明初支施工方法中的喷涂止水材料能明显改善围岩渗水情况,保障了后期喷射混凝土的施工质量。
应用对比例2采用普通潮喷混凝土在步骤2中开展喷射止水,围岩渗水止水效果同样未能改善,造成拱顶局部还存在渗水情况,并与抗渗早强型喷射混凝土的相容性一般,造成喷射回弹率增大且拱顶掉块,说明采用本发明初支施工方法中的喷涂止水材料与抗渗早强型喷射混凝土的相容性较好,在降低喷射回弹率及拱顶及拱肩等关键支护部位的喷射效果,综合性能较好。
应用对比例3未采取喷射混凝土层喷涂界面增强剂,喷射掉块率明显增大并导致回弹率增大,拱顶部分尚存在局部渗水情况,说明采取本发明初支施工方法中在多层喷射混凝土过程中层间喷涂界面增强剂明显降低了喷射过程的掉块现象及改善了多次湿喷混凝土层间的抗渗性能。
应用对比例4采用层间喷涂共聚物乳液与增粘组分的混合物的界面材料,但并未能改善喷射过程中拱顶关键部位的掉块问题,喷射回弹率偏高,拱顶也存在少量渗水,说明本发明初支施工方法中喷涂界面增强剂具有良好的改善喷射混凝土层间粘聚性及抗渗性能效果,喷层界面增强剂中纳米颗粒的存在同样改善了与抗渗早强型喷射混凝土的相容性。
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 (14)

1.一种抗渗早强型喷射混凝土,其特征在于,其原料包括如下组分:早强胶凝材料、细骨料、粗骨料、防水密实组分、减水剂、液体无碱速凝剂、水;以每立方米计,早强胶凝材料400kg-500kg;细骨料850kg-950kg,粗骨料850kg-950kg,液体无碱速凝剂30kg-45kg,防水密实组分为早强胶凝材料质量的5%-10%,减水剂为早强胶凝材料质量的0.5%-1.5%,水胶比为0.32-0.38;
所述防水密实组分由防水剂、无机层状载体、喷层界面增强剂及水组成;所述无机层状载体为无机硅酸盐层状矿物;所述喷层界面增强剂共聚物乳液、增粘组分及纳米颗粒的混合物;所述防水剂、无机层状载体、喷层界面增强剂与水质量比为20-30:1-5:5-10:55-75。
2.根据权利要求1所述一种抗渗早强型喷射混凝土,其特征在于,所述无机层状载体选自海泡石、凹凸棒土、硅酸镁锂、高岭土或膨润土的一种。
3.根据权利要求1所述一种抗渗早强型喷射混凝土,其特征在于,所述防水剂选自硅氧烷类防水剂、脂肪酸类防水剂或水泥基渗透结晶型防水剂的一种。
4.根据权利要求1所述一种抗渗早强型喷射混凝土,其特征在于,所述喷层界面增强剂中共聚物乳液、增粘组分及纳米颗粒的质量比为40-80:0.1-1.0:20-40。
5.根据权利要求1所述一种抗渗早强型喷射混凝土,其特征在于,所述共聚物乳液选自丙酸乙烯聚合物乳液、纯丙烯酸共聚物乳液、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液、醋酸乙烯-叔碳酸乙烯共聚物乳液、醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液或醋酸乙烯-氯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液的一种;所述增粘组分选自羟丙基甲基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚、结冷胶、黄原胶、定优胶、温轮胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇或聚乙二醇的一种;所述纳米颗粒为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米碳酸钙、纳米沸石、纳米氧化镁、纳米二氧化钛或纳米氧化锌的一种。
6.根据权利要求1所述一种抗渗早强型喷射混凝土,其特征在于,所述早强胶凝材料为硅酸盐水泥、快硬水泥、氧化钙及石膏的混合物,其中硅酸盐水泥、快硬水泥、氧化钙、石膏的质量比为8-12:3-6:1-3:1-3。
7.根据权利要求6所述一种抗渗早强型喷射混凝土,其特征在于,所述快硬水泥选自铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或磷酸盐水泥的一种,所述石膏选自二水石膏、半水石膏、无水石膏、磷石膏或脱硫石膏的一种。
8.根据权利要求1所述一种抗渗早强型喷射混凝土,其特征在于,所述粗骨料为5-10mm单粒径碎石,所述细骨料选自机制砂、河砂或混合砂的一种,所述液体无碱速凝剂选自含氟无碱速凝剂、无氟无碱速凝剂或无硫无碱速凝剂的一种。
9.根据权利要求1所述一种抗渗早强型喷射混凝土,其特征在于,所述减水剂为聚羧酸减水剂与缓凝剂的混合物,其中缓凝剂占聚羧酸减水剂质量比例的10%-20%;所述缓凝剂选自硼砂、葡萄糖酸钠或柠檬酸钠的一种。
10.根据权利要求1所述一种抗渗早强型喷射混凝土,其特征在于,所述防水密实组分的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1:将无机层状载体与水混合,在25-35℃条件及300-1000r/min剪切条件下搅拌剪切1-3h,得到淡黄色悬浊溶液;
步骤2:将喷层界面增强剂滴加进入步骤1得到的剪切溶液中,滴加时间控制在0.5h以内,剪切速率调整至300-500r/min,滴加完后剪切1-2h;
步骤3:将防水剂加入至步骤2得到的中间物中,剪切速率调整至100-300r/min,搅拌1.5-2.5h,最终得到淡黄色悬浊反应物即为防水密实组分。
11.权利要求1-10任一项所述一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,其特征在于,具体包括如下步骤:
(1)围岩开挖后的防排水工艺:对开挖掌子面渗水区域采用集中性泄压引水后,采用EVA防水卷材与高强尼龙土工布对局部渗涌水区域进行封闭,并对封闭材料进行固定,最后对开挖全断面设置环向柔性盲沟,盲沟终端连接至排水管,并且将泄水压管终端连接到围岩上布置的柔性排水盲沟;
(2)渗水工况用喷射止水材料制备及施工:将喷射止水材料加入至搅拌机中并充分混合;加载喷射止水材料至干法或潮法喷射机的料仓中,在喷嘴处与拌合水混合后喷射至步骤1处理后的围岩表面;
(3)喷射抗渗早强型喷射混凝土施工:在喷射止水材料表面依次埋入锚杆、铺设钢拱架及钢筋网面,继而采用单层或多层湿法喷射工艺喷射抗渗早强型喷射混凝土;所述多层湿法工艺喷射抗渗早强型喷射混凝土的层间喷涂有喷层界面增强剂。
12.根据权利要求11所述一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,其特征在于,所述步骤(2)中喷射止水材料由胶凝材料、骨料及促凝止水助剂组成,其中胶凝材料与骨料比例为1:2-3,所述促凝止水助剂为胶凝材料质量的3%-8%。
13.根据权利要求12所述一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,其特征在于,所述促凝止水助剂为可分散性乳胶粉与粉体速凝材料的混合物;所述粉体速凝材料选自硫酸铝粉末、铝酸钠粉末、无定形铝酸钙粉末或硅酸钠粉末的一种;所述促凝止水助剂中可分散性乳胶粉与粉体速凝材料的质量比例为1-2:3-4。
14.根据权利要求11所述一种抗渗早强型喷射混凝土在超挖渗水工况下的应用,其特征在于,所述步骤(2)中喷射止水材料的喷射厚度为50-75mm;所述步骤(3)中喷层界面增强剂喷涂的厚度为5-10mm。
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