CN116675481B - 一种超高性能混凝土uhpc薄型地铁管片制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法及应用，该制备方法包括步骤：S1、准备原料，按重量份数计包括：水泥280‑315份、砂砾360‑420份、石英砂60‑75份、陶粒22‑27份、水120‑135份、憎水剂1.5‑3份、CSA膨胀剂2‑4份、水性环氧改性丙烯酸树脂5‑8份、聚羧酸减水剂2‑4份和引气剂1‑1.5份；S2、制备基础浆料，按量将水泥、砂砾、石英砂、陶粒和水投入砂浆搅拌机中，搅拌充分；S3、制备功能混凝土浆料，按量将憎水剂、CSA膨胀剂、水性环氧改性丙烯酸树脂、聚羧酸减水剂和引气剂投入砂浆搅拌机中，与基础浆料混合均匀；S4、浇筑成型，得到地铁管片湿模；S5、分级养护，即得超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片。本发明提升混凝土制品抗压、抗折强度和防水性能，提高地铁管片质量。
Description
技术领域
本发明一般地涉及混凝土地铁管片技术领域。更具体地，本发明涉及一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法及应用。
背景技术
地铁管片简单来说，就是盾构机一边往前挖掘，一边在后面用预制好的管片，拼装起一环环完整的地铁隧道“混凝土内胆”。管片是用在隧道盾构法施工中的，盾构机向前切土推进后，几个管片就围着隧道内部拼成一环，然后用螺栓连接紧固，形成隧道的衬砌，承受土压力。管片产品的几何形状为弧板状，这些管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最内层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。
盾构管片的生产通常采用高强抗渗混凝土，以确保可靠的承载性和防水性能，生产主要利用成品管片模具在密封浇灌混凝土后即可成型。地铁管片属于技术含量较高、对工艺和品质要求特别严格的水泥制品，作为盾构法施工的隧道结构主体，它主要用于建造地铁或大型管道工程等。管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能，因此，需要提供一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法及应用。
发明内容
本发明提供一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法，以解决现有技术中管片质量不佳影响隧道的强度、防水性及耐久性能的技术问题。同时，本发明还提供一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片的应用，以解决现有技术中预制管片直接应用于盾构隧道内时防水性能及耐久性能有待提高的技术问题。
为解决上述问题，本发明第一方面提供的一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法，采用如下技术方案：
一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法，包括如下步骤：
S1、准备原料
所述原料按重量份数计包括：水泥280－315份、砂砾360－420份、石英砂60－75份、陶粒22－27份、水120－135份、憎水剂1.5－3份、CSA膨胀剂2－4份、水性环氧改性丙烯酸树脂5－8份、聚羧酸减水剂2－4份和引气剂1－1.5份；
S2、制备基础浆料
按量将水泥、砂砾、石英砂、陶粒和水投入砂浆搅拌机中，搅拌混合充分，得到基础浆料；
S3、制备功能混凝土浆料
按量将憎水剂、CSA膨胀剂、水性环氧改性丙烯酸树脂、聚羧酸减水剂和引气剂投入砂浆搅拌机中，与S1所得基础浆料充分混合均匀，得到功能混凝土浆料；
S4、浇筑成型
制作钢筋骨架，将钢筋骨架吊入模具内，然后将S3所得功能混凝土浆料浇筑到模具内，成型得到地铁管片湿模；
S5、分级养护
对S4所得地铁管片湿模进行从升温到恒温再到自然降温的分级养护，养护时长共计28天，养护结束后，拆模，即得超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片。
通过上述技术方案，憎水剂能够使水泥砂浆、混凝土空隙致密，提高抗压、抗折强度，能够增强水泥砂浆、混凝土的憎水性，在其内形成防水功能膜层，增强防水性；当水泥凝结硬化时，膨胀剂随之体积膨胀，起补偿收缩和张拉钢筋产生预应力以及充分填充水泥间隙的作用，从而提高混凝土结构的抗裂防渗性能，进一步增强防水性能；水性环氧改性丙烯酸树脂的支链上具有极性较强的酯基，因此与聚羧酸减水剂之间的作用力较强，可以随聚羧酸减水剂一起牢固地附着在混凝土基体的内部及表面，从而进一步增强抗压、抗折强度，同时，少量的烷基支链的引入，又可以增加水性环氧改性丙烯酸树脂的不规则度，从而防止高分子链结晶的趋势，增加了高分子链段的柔韧性，进一步地强化内部及表面的成膜性，进而增强防水性；引气剂减少混凝土泌水和离析，提高混凝土的均质性，使各功能原料组分分散均匀，充分发挥联合功效，保障抗压、抗折强度和防水性；陶粒表面比碎石粗糙，具有一定吸水能力，所以陶粒与水泥砂浆之间的粘结能力较强，且陶粒的参与，能够提升混凝土产品的抗渗能力和耐久性，使混凝土产品的防水性能更强且性能保持更持久。
作为进一步地改进，所述原料按重量份数计包括：
水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、陶粒23份、水126份、憎水剂2.1份、CSA膨胀剂3份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份、减水剂3.1份和引气剂1.1份。
作为进一步地改进，所述水泥为白水泥或普通硅酸盐水泥；
所述水泥为白水泥时，所述砂砾包括细沙和粗沙，所述细沙和粗沙的重量份数比为0.2-0.5：1；
所述水泥为普通硅酸盐水泥时，所述砂砾包括细沙、中沙和粗沙，所述细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.2-0.3：1:0.5-0.7。
通过该技术方案，经试验(试验例1和试验例2中对比例7-12与实施例1)可知，水泥选型与砂砾组分及配比的组合形式满足该条件时，更有利于混凝土制品在抗压、抗折强度性能方面的强，同时，也更利于混凝土制品在抗渗等级方面的提升即防水性能的提高。
作为进一步地改进，所述憎水剂包括脂肪酸金属盐憎水剂和有机硅憎水剂，所述脂肪酸金属盐憎水剂与有机硅憎水剂的重量份数比为0.7-0.9:1。
通过该技术方案，经试验(试验例1和试验例2中对比例13-16与实施例1)可知，憎水剂的种类选择和组合形式满足该条件时，更有利于混凝土制品在抗压、抗折强度性能方面的强，同时，也更利于混凝土制品在抗渗等级方面的提升即防水性能的提高。
作为进一步地改进，所述脂肪酸金属盐憎水剂为硬脂酸钙；所述有机硅憎水剂选用阿克苏诺贝尔SEAL80有机硅憎水剂。
作为进一步地改进，所述膨胀剂为CSA膨胀剂；
CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为48％-55％、三氧化硫的质量占比为28％-30％、三氧化二铝的质量占比为15％-18％、二氧化硅的质量占比为1％-3％，余量为氧化镁。
通过该技术方案，经试验(试验例2中对比例17-22与实施例1)可知，膨胀剂的种类选择和组分含量配比满足该条件时，更利于混凝土制品在抗渗等级方面的提升即防水性能的提高。
作为进一步地改进，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
作为进一步地改进，所述引气剂为烷基和烷基芳烃磺酸类引气剂。
作为进一步地改进，S5中，分级养护的具体操作步骤如下：
以3-5℃/h的升温速度，进行升温养护，湿度50％-55％，先升温至40℃-45℃，保持1天，再升温至45℃-50℃，保持2天，再升温至50℃-55℃，保持3天，最后升温至55℃-60℃；
温度控制在55℃-60℃，进行恒温养护，湿度55％-60％，保持21天；
自然降温，进行自然降温养护，湿度60％-65％，保持1天。
通过该技术方案，经试验(试验例3中对比例23-24与实施例1)可知，养护满足该条件时，养护效果更加。
本发明第二方面提供的一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片的应用，采用如下技术方案：
一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片的应用，作为预制管片，用于盾构隧道内。
有益效果是：通过上述技术方案，憎水剂能够使水泥砂浆、混凝土空隙致密，提高抗压、抗拉强度，能够增强水泥砂浆、混凝土的憎水性，在其内形成防水功能膜层，增强防水性；
当水泥凝结硬化时，膨胀剂随之体积膨胀，起补偿收缩和张拉钢筋产生预应力以及充分填充水泥间隙的作用，从而提高混凝土结构的抗裂防渗性能，进一步增强防水性能；
水性环氧改性丙烯酸树脂的支链上具有极性较强的酯基，因此与聚羧酸减水剂之间的作用力较强，可以随聚羧酸减水剂一起牢固地附着在混凝土基体的内部及表面，从而进一步增强抗压、抗拉强度，同时，少量的烷基支链的引入，又可以增加水性环氧改性丙烯酸树脂的不规则度，从而防止高分子链结晶的趋势，增加了高分子链段的柔韧性，进一步地强化内部及表面的成膜性，进而增强防水性；
引气剂减少混凝土泌水和离析，提高混凝土的均质性，使各功能原料组分分散均匀，充分发挥联合功效，保障抗压强度和防水性；
陶粒表面比碎石粗糙，具有一定吸水能力，所以陶粒与水泥砂浆之间的粘结能力较强，且陶粒的参与，能够提升混凝土产品的抗渗能力和耐久性，使混凝土产品的防水性能更强且性能保持更持久。
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，本领域技术人员应知，下面所描述的实施例是本公开一部分实施例，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。
实施例1
一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法，包括如下步骤：
S1、准备原料；
所述原料按重量份数计包括：水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、陶粒23份、水126份、憎水剂2.1份、CSA膨胀剂3份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份、减水剂3.1份和引气剂1.1份。
其中，水泥为白水泥，白水泥代号P.W；砂砾包括细沙和粗沙，细沙和粗沙的重量份数比为0.3：1；
细沙：细度模数为2.2～1.6，粒径大于0.075mm的颗粒超过全重85％，平均粒径为0.25mm～0.125mm的沙石。
中沙：细度模数为3.0～2.3，粒径大于0.25mm的颗粒质量超过全重的50％，平均粒径为0.5～0.25mm的沙石。
粗沙：细度模数为3.7～3.1，粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重的50％，平均粒径为1mm～0.5mm的沙石。
憎水剂包括脂肪酸金属盐憎水剂和有机硅憎水剂，在该实施例中，脂肪酸金属盐憎水剂为硬脂酸钙，有机硅憎水剂选用阿克苏诺贝尔SEAL80有机硅憎水剂，脂肪酸金属盐憎水剂与有机硅憎水剂的重量份数比为0.8:1。
膨胀剂为CSA膨胀剂，CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为52％、三氧化硫的质量占比为29％、三氧化二铝的质量占比为16％、二氧化硅的质量占比为2％，氧化镁1％。
减水剂为聚羧酸减水剂。
引气剂为烷基和烷基芳烃磺酸类引气剂。
S2、制备基础浆料；
按量将水泥、砂砾、石英砂、陶粒和水投入砂浆搅拌机中，搅拌混合充分，得到基础浆料。
S3、制备功能混凝土浆料；
按量将憎水剂、CSA膨胀剂、水性环氧改性丙烯酸树脂、聚羧酸减水剂和引气剂投入砂浆搅拌机中，与S1所得基础浆料充分混合均匀，得到功能混凝土浆料。
S4、浇筑成型；
制作钢筋骨架，将钢筋骨架吊入模具内，然后将S3所得功能混凝土浆料浇筑到模具内，成型得到地铁管片湿模。
S5、分级养护；
对S4所得地铁管片湿模进行从升温到恒温再到自然降温的分级养护，养护时长共计28天，养护结束后，拆模，即得超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片。
其中，分级养护的具体操作步骤如下：
以3-5℃/h的升温速度，进行升温养护，湿度52％左右，先升温至42℃左右，保持1天，再升温至48℃左右，保持2天，再升温至52℃左右，保持3天，最后升温至58℃左右；
温度控制在58℃左右，进行恒温养护，湿度57％左右，保持21天；
自然降温，进行自然降温养护，湿度63％左右，保持1天。
上述制备方法制得的超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片，能够作为预制管片，直接用于盾构隧道内。
实施例2
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥280份、砂砾360份、石英砂60份、陶粒22份、水135份、憎水剂3份、CSA膨胀剂4份、水性环氧改性丙烯酸树脂8份、聚羧酸减水剂4份和引气剂1.5份。
实施例3
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥315份、砂砾420份、石英砂75份、陶粒27份、水120份、憎水剂1.5份、CSA膨胀剂2份、水性环氧改性丙烯酸树脂5份、聚羧酸减水剂2份和引气剂1份。
实施例4
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥290份、砂砾370份、石英砂63份、陶粒26份、水125份、憎水剂2份、CSA膨胀剂2.5份、水性环氧改性丙烯酸树脂5.8份、聚羧酸减水剂3份和引气剂1.2份。
实施例5
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥295份、砂砾390份、石英砂71份、陶粒29份、水128份、憎水剂2.2份、CSA膨胀剂3.2份、水性环氧改性丙烯酸树脂7份、聚羧酸减水剂3.1份和引气剂1.4份。
实施例6
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥300份、砂砾400份、石英砂70份、陶粒25份、水130份、憎水剂2份、CSA膨胀剂3份、水性环氧改性丙烯酸树脂6份、聚羧酸减水剂3份和引气剂1份。
实施例7
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥305份、砂砾420份、石英砂74份、陶粒23份、水132份、憎水剂2.8份、CSA膨胀剂3.6份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份、聚羧酸减水剂3.5份和引气剂1.3份。
实施例8
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥312份、砂砾412份、石英砂73份、陶粒26份、水134份、憎水剂1.8份、CSA膨胀剂3.6份、水性环氧改性丙烯酸树脂5.4份、聚羧酸减水剂2.2份和引气剂1.5份。
实施例9
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥314份、砂砾400份、石英砂68份、陶粒24份、水128份、憎水剂2.5份、CSA膨胀剂3.5份、水性环氧改性丙烯酸树脂5.7份、聚羧酸减水剂3.5份和引气剂1.5份。
实施例10
其与实施例1的区别主要在于：水泥为白水泥，砂砾包括细沙和粗沙，细沙和粗沙的重量份数比为0.2：1。
实施例11
其与实施例1的区别主要在于：水泥为白水泥，砂砾包括细沙和粗沙，细沙和粗沙的重量份数比为0.4：1。
实施例12
其与实施例1的区别主要在于：水泥为白水泥，砂砾包括细沙和粗沙，细沙和粗沙的重量份数比为0.5：1。
实施例13
其与实施例1的区别主要在于：水泥为普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥代号P.O，砂砾包括细沙、中沙和粗沙，细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.2：1:0.6。
实施例14
其与实施例1的区别主要在于：水泥为普通硅酸盐水泥，砂砾包括细沙、中沙和粗沙，细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.2：1:0.5。
实施例15
其与实施例1的区别主要在于：水泥为普通硅酸盐水泥，砂砾包括细沙、中沙和粗沙，细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.2：1:0.7。
实施例16
其与实施例1的区别主要在于：水泥为普通硅酸盐水泥，砂砾包括细沙、中沙和粗沙，细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.3：1:0.5。
实施例17
其与实施例1的区别主要在于：水泥为普通硅酸盐水泥，砂砾包括细沙、中沙和粗沙，细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.3：1:0.6。
实施例18
其与实施例1的区别主要在于：水泥为普通硅酸盐水泥，砂砾包括细沙、中沙和粗沙，细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.3：1:0.7。
实施例19
其与实施例1的区别主要在于：脂肪酸金属盐憎水剂与有机硅憎水剂的重量份数比为0.7:1。
实施例20
其与实施例1的区别主要在于：脂肪酸金属盐憎水剂与有机硅憎水剂的重量份数比为0.9:1。
实施例21
其与实施例1的区别主要在于：CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为50％、三氧化硫的质量占比为30％、三氧化二铝的质量占比为18％、二氧化硅的质量占比为1.2％、氧化镁的质量占比为0.8％。
实施例22
其与实施例1的区别主要在于：CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为52％、三氧化硫的质量占比为28％、三氧化二铝的质量占比为18％、二氧化硅的质量占比为1.2％、氧化镁的质量占比为0.8％。
实施例23
其与实施例1的区别主要在于：CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为48％、三氧化硫的质量占比为30％、三氧化二铝的质量占比为18％、二氧化硅的质量占比为3％、氧化镁的质量占比为1％。
实施例24
其与实施例1的区别主要在于：CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为55％、三氧化硫的质量占比为28％、三氧化二铝的质量占比为15％、二氧化硅的质量占比为1％、氧化镁的质量占比为1％。
对比例1
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、水126份、憎水剂2.1份、CSA膨胀剂3份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份、减水剂3.1份和引气剂1.1份。
具体地，该对比例提供一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法，包括如下步骤：
S1、准备原料；
所述原料按重量份数计包括：水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、水126份、憎水剂2.1份、CSA膨胀剂3份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份、减水剂3.1份和引气剂1.1份。
其中，水泥为白水泥，砂砾包括细沙和粗沙，细沙和粗沙的重量份数比为0.3：1；
憎水剂包括脂肪酸金属盐憎水剂和有机硅憎水剂，在该实施例中，脂肪酸金属盐憎水剂为硬脂酸钙，有机硅憎水剂选用阿克苏诺贝尔SEAL80有机硅憎水剂，脂肪酸金属盐憎水剂与有机硅憎水剂的重量份数比为0.8:1；
膨胀剂为CSA膨胀剂，CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为52％、三氧化硫的质量占比为29％、三氧化二铝的质量占比为16％、二氧化硅的质量占比为2％，氧化镁1％；
减水剂为聚羧酸减水剂；
引气剂为烷基和烷基芳烃磺酸类引气剂。
S2、制备基础浆料；
按量将水泥、砂砾、石英砂和水投入砂浆搅拌机中，搅拌混合充分，得到基础浆料。
S3、制备功能混凝土浆料；
按量将憎水剂、CSA膨胀剂、水性环氧改性丙烯酸树脂、聚羧酸减水剂和引气剂投入砂浆搅拌机中，与S1所得基础浆料充分混合均匀，得到功能混凝土浆料。
S4、浇筑成型；
制作钢筋骨架，将钢筋骨架吊入模具内，然后将S3所得功能混凝土浆料浇筑到模具内，成型得到地铁管片湿模。
S5、分级养护；
对S4所得地铁管片湿模进行从升温到恒温再到自然降温的分级养护，养护时长共计28天，养护结束后，拆模，即得超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片。
其中，分级养护的具体操作步骤如下：
以3-5℃/h的升温速度，进行升温养护，湿度52％左右，先升温至42℃左右，保持1天，再升温至48℃左右，保持2天，再升温至52℃左右，保持3天，最后升温至58℃左右；
温度控制在58℃左右，进行恒温养护，湿度57％左右，保持21天；
自然降温，进行自然降温养护，湿度63％左右，保持1天。
上述制备方法制得的超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片，能够作为预制管片，直接用于盾构隧道内。
对比例2
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、陶粒23份、水126份、CSA膨胀剂3份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份、减水剂3.1份和引气剂1.1份。
对比例3
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、陶粒23份、水126份、憎水剂2.1份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份、减水剂3.1份和引气剂1.1份。
对比例4
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、陶粒23份、水126份、憎水剂2.1份、CSA膨胀剂3份、减水剂3.1份和引气剂1.1份。
对比例5
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、陶粒23份、水126份、憎水剂2.1份、CSA膨胀剂3份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份和引气剂1.1份。
对比例6
其与实施例1的区别主要在于：所述原料按重量份数计包括：水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、陶粒23份、水126份、憎水剂2.1份、CSA膨胀剂3份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份和减水剂3.1份。
综上，实施例1和对比例1-6的原料组分按重量份数计的区别汇总，见表1。
表1
对比例7
其与实施例1的区别主要在于：水泥为白水泥，砂砾包括细沙和粗沙，细沙和粗沙的重量份数比为1：1。
对比例8
其与实施例1的区别主要在于：水泥为白水泥，砂砾包括细沙和粗沙，细沙和粗沙的重量份数比为0.5：2。
对比例9
其与实施例1的区别主要在于：水泥为普通硅酸盐水泥，砂砾包括细沙、中沙和粗沙，细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.2：1:1。
对比例10
其与实施例1的区别主要在于：水泥为普通硅酸盐水泥，砂砾包括细沙、中沙和粗沙，细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.2：1:0.3。
对比例11
其与实施例1的区别主要在于：水泥为普通硅酸盐水泥，砂砾包括细沙、中沙和粗沙，细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.1：1:0.6。
对比例12
其与实施例1的区别主要在于：水泥为普通硅酸盐水泥，砂砾包括细沙和粗沙，细沙和粗沙的重量份数比为2：5。
对比例13
其与实施例1的区别主要在于：脂肪酸金属盐憎水剂与有机硅憎水剂的重量份数比为0.5:1。
对比例14
其与实施例1的区别主要在于：脂肪酸金属盐憎水剂与有机硅憎水剂的重量份数比为1:1。
对比例15
其与实施例1的区别主要在于：憎水剂仅为硬脂酸钙。
具体地，该对比例提供一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法，包括如下步骤：
S1、准备原料；
所述原料按重量份数计包括：水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、水126份、憎水剂2.1份、CSA膨胀剂3份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份、减水剂3.1份和引气剂1.1份。
其中，水泥为白水泥，砂砾包括细沙和粗沙，细沙和粗沙的重量份数比为0.3：1；
憎水剂为硬脂酸钙；
膨胀剂为CSA膨胀剂，CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为52％、三氧化硫的质量占比为29％、三氧化二铝的质量占比为16％、二氧化硅的质量占比为2％，氧化镁1％；
减水剂为聚羧酸减水剂；
引气剂为烷基和烷基芳烃磺酸类引气剂。
S2、制备基础浆料；
按量将水泥、砂砾、石英砂和水投入砂浆搅拌机中，搅拌混合充分，得到基础浆料。
S3、制备功能混凝土浆料；
按量将憎水剂、CSA膨胀剂、水性环氧改性丙烯酸树脂、聚羧酸减水剂和引气剂投入砂浆搅拌机中，与S1所得基础浆料充分混合均匀，得到功能混凝土浆料。
S4、浇筑成型；
制作钢筋骨架，将钢筋骨架吊入模具内，然后将S3所得功能混凝土浆料浇筑到模具内，成型得到地铁管片湿模。
S5、分级养护；
对S4所得地铁管片湿模进行从升温到恒温再到自然降温的分级养护，养护时长共计28天，养护结束后，拆模，即得超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片。
其中，分级养护的具体操作步骤如下：
以3-5℃/h的升温速度，进行升温养护，湿度52％左右，先升温至42℃左右，保持1天，再升温至48℃左右，保持2天，再升温至52℃左右，保持3天，最后升温至58℃左右；
温度控制在58℃左右，进行恒温养护，湿度57％左右，保持21天；
自然降温，进行自然降温养护，湿度63％左右，保持1天。
上述制备方法制得的超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片，能够作为预制管片，直接用于盾构隧道内。
对比例16
其与实施例1的区别主要在于：憎水剂仅为有机硅憎水剂，选用阿克苏诺贝尔SEAL80有机硅憎水剂。
对比例17
其与实施例1的区别主要在于：其与实施例1的区别主要在于：膨胀剂选用市售普通UEA膨胀剂。
对比例18
其与实施例1的区别主要在于：所述CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为45％、三氧化硫的质量占比为25％、三氧化二铝的质量占比为10％、二氧化硅的质量占比为15％，氧化镁的质量占比为5％。
对比例19
其与实施例1的区别主要在于：所述CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为52％、三氧化硫的质量占比为29％、三氧化二铝的质量占比为16％、氧化镁的质量占比为3％。
对比例20
其与实施例1的区别主要在于：所述CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为60％、三氧化硫的质量占比为10％、三氧化二铝的质量占比为10％、二氧化硅的质量占比为10％，氧化镁的质量占比为10％。
对比例21
其与实施例1的区别主要在于：所述CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为50％、三氧化硫的质量占比为30％、三氧化二铝的质量占比为18％、二氧化硅的质量占比为2％。
对比例22
其与实施例1的区别主要在于：所述CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为60％、三氧化硫的质量占比为30％、二氧化硅的质量占比为5％，氧化镁的质量占比为5％。
对比例23
其与实施例1的区别主要在于：S5、养护；对S4所得地铁管片湿模进行养护，养护时长共计28天，养护结束后，拆模，即得超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片。
其中，养护的具体操作步骤如下：
以3-5℃/h的升温速度，进行升温，湿度52％左右，升温至78℃左右，进行恒温养护，湿度57％左右，保持27天；
自然降温，进行自然降温养护，湿度63％左右，保持1天。
对比例24
其与实施例1的区别主要在于：S5、养护；对S4所得地铁管片湿模进行养护，养护时长共计28天，养护结束后，拆模，即得超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片。
其中，养护的具体操作步骤如下：
以10-15℃/h的升温速度，进行快速升温，湿度52％左右，升温至58℃左右，进行恒温养护，湿度57％左右，保持27天；
自然降温，进行自然降温养护，湿度63％左右，保持1天。
试验例1
试验对象：实施例1-24和对比例1-22；
试验项目：抗压、抗折强度；
试验依据：按照《GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准》对上述试验对象的抗压强度进行测试；
试验结果：见表2。
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表2
试验结论:对比例1与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括陶粒，结果在抗压、抗折强度方面，对比例1与实施例1的测试数据基本无差别，说明原料组分中是否加陶粒不会直接影响混凝土制品的抗压、抗折强度；
对比例2与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括憎水剂，结果在抗压、抗折强度方面，对比例2的测试数据明显低于实施例1，说明原料组分中憎水剂的加入能够直接增强混凝土制品的抗压、抗折强度；
对比例3与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括CSA膨胀剂，结果在抗压、抗折强度方面，对比例3与实施例1的测试数据基本无差别，说明原料组分中是否加入CSA膨胀剂不会直接影响混凝土制品的抗压、抗折强度；
对比例4与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括水性环氧改性丙烯酸树脂，对比例5与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括聚羧酸减水剂，结果在抗压、抗折强度方面，对比例4和对比例5的测试数据均明显低于实施例1，说明原料组分中水性环氧改性丙烯酸树脂与聚羧酸减水剂的加入能够直接增强混凝土制品的抗压、抗折强度；从原理上来解释，这主要是因为水性环氧改性丙烯酸树脂的支链上具有极性较强的酯基，因此与聚羧酸减水剂之间的作用力较强，可以随聚羧酸减水剂一起牢固地附着在混凝土基体的内部及表面，从而增强抗压、抗拉强度；
对比例6与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括引气剂，结果在抗压、抗折强度方面，对比例6与实施例1的测试数据基本无差别，说明原料组分中是否加入CSA膨胀剂不会直接影响混凝土制品的抗压、抗折强度；
对比例7-12与实施例1的区别主要在于水泥选型与砂砾组分及配比的不同，结果在抗压、抗折强度方面，对比例7-12的测试数据均明显低于实施例1，说明水泥选型与砂砾组分及配比的组合形式满足条件：“水泥为白水泥时，所述砂砾包括细沙和粗沙，所述细沙和粗沙的重量份数比为0.2-0.5：1；所述水泥为普通硅酸盐水泥时，所述砂砾包括细沙、中沙和粗沙，所述细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.2-0.3：1:0.5-0.7”时，更有利于混凝土制品在抗压、抗折强度性能方面的强化；
对比例13-16与实施例1的区别主要在于憎水剂的种类选择和组合形式不同，结果在抗压、抗折强度方面，对比例13-16的测试数据均明显低于实施例1，说明憎水剂的选择满足条件：“憎水剂包括脂肪酸金属盐憎水剂和有机硅憎水剂，所述脂肪酸金属盐憎水剂与有机硅憎水剂的重量份数比为0.7-0.9:1”时，有利于混凝土制品在抗压、抗折强度性能方面的强化。
试验例2
试验对象：实施例1-24和对比例1-22；
试验项目：防水性；
试验依据：依据《GB50164-2011混凝土质量控制标准》进行测试，抗渗等级划分为P4、P6、P8、P10、P12、＞P12六个等级，相应表示能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0及1.2MPa的静水压力而不渗水，抗渗等级越高也就表明防水性越好；
试验结果：见表3。
表3
试验结论：对比例1与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括陶粒，结果在抗渗等级方面，对比例1比实施例1低两个等级，说明原料组分中陶粒的加入，能够明显提高混凝土制品的抗渗等级，提高防水性能；
对比例2与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括憎水剂，结果在抗渗等级方面，对比例2比实施例1低3个等级，说明原料组分中憎水剂的加入，能够明显提高混凝土制品的抗渗等级，提高防水性能；
对比例3与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括CSA膨胀剂，结果在抗渗等级方面，对比例3比实施例1低两个等级，说明原料组分中CSA膨胀剂的加入，能够明显提高混凝土制品的抗渗等级，提高防水性能；
对比例4与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括水性环氧改性丙烯酸树脂，对比例5与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括聚羧酸减水剂，结果在抗渗等级方面，对比例4和对比例5均比实施例1低3个等级，说明原料组分中水性环氧改性丙烯酸树脂与聚羧酸减水剂的加入，能够明显提高混凝土制品的抗渗等级，提高防水性能；从原理上来解释，这主要是因为水性环氧改性丙烯酸树脂的支链上具有极性较强的酯基，因此与聚羧酸减水剂之间的作用力较强，可以随聚羧酸减水剂一起牢固地附着在混凝土基体的内部及表面，同时，少量的烷基支链的引入，又可以增加水性环氧改性丙烯酸树脂的不规则度，从而防止高分子链结晶的趋势，增加了高分子链段的柔韧性，进一步地强化内部及表面的成膜性，进而增强防水性
对比例6与实施例1的区别仅在于原料组分中是否包括引气剂，结果在抗渗等级方面，对比例6比实施例1低两个等级，说明原料组分中引气剂的加入，能够明显提高混凝土制品的抗渗等级，提高防水性能；
对比例7-12与实施例1的区别主要在于水泥选型与砂砾组分及配比的不同，结果在抗渗等级方面，对比例7-12均比实施例1低1-2个等级，说明水泥选型与砂砾组分及配比的组合形式满足条件：“水泥为白水泥时，所述砂砾包括细沙和粗沙，所述细沙和粗沙的重量份数比为0.2-0.5：1；所述水泥为普通硅酸盐水泥时，所述砂砾包括细沙、中沙和粗沙，所述细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.2-0.3：1:0.5-0.7”时，更利于混凝土制品在抗渗等级方面的提升即防水性能的提高；
对比例13-16与实施例1的区别主要在于憎水剂的种类选择和组合形式不同，结果在抗渗等级方面，对比例13-16均比实施例1低两个等级，说明憎水剂的选择满足条件：“憎水剂包括脂肪酸金属盐憎水剂和有机硅憎水剂，所述脂肪酸金属盐憎水剂与有机硅憎水剂的重量份数比为0.7-0.9:1”时，更利于混凝土制品在抗渗等级方面的提升即防水性能的提高；
对比例17-22与实施例1的区别主要在于膨胀剂的种类选择和组分含量配比不同，结果在抗渗等级方面，对比例17-22均比实施例1低1-2个等级，说明膨胀剂的选择满足条件：“所述膨胀剂为CSA膨胀剂；CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为48％-55％、三氧化硫的质量占比为28％-30％、三氧化二铝的质量占比为15％-18％、二氧化硅的质量占比为1％-3％，余量为氧化镁”时，更利于混凝土制品在抗渗等级方面的提升即防水性能的提高。
试验例3
试验对象：实施例1和对比例23-24；
试验项目：外观；
试验方法：实施例1和对比例23-24各进行5次，观察、统计外观是否有裂纹或局部龟裂现象；
试验结果：见表4。
试验结论：对比例23的养护条件相较于实施例1，恒温温度偏高；对比例24的养护条件相较于实施例1，升温速度偏快且对升温温度的适应时间过短；实施例1的养护效果优于对比例23和对比例24；说明养护条件满足：“以3-5℃/h的升温速度，进行升温养护，湿度52％左右，先升温至42℃左右，保持1天，再升温至48℃左右，保持2天，再升温至52℃左右，保持3天，最后升温至58℃左右；温度控制在58℃左右，进行恒温养护，湿度57％左右，保持21天；自然降温，进行自然降温养护，湿度63％左右，保持1天”时，养护效果更佳。
虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求保护范围内的模块组成、等同或替代方案。
Claims (5)
1. 一种超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、准备原料
所述原料按重量份数计包括：水泥280-315份、砂砾360-420份、石英砂60-75份、陶粒22-27份、水120-135份、憎水剂1.5-3份、CSA膨胀剂2-4份、水性环氧改性丙烯酸树脂5-8份、聚羧酸减水剂2-4份和引气剂1-1.5份；
S2、制备基础浆料
按量将水泥、砂砾、石英砂、陶粒和水投入砂浆搅拌机中，搅拌混合充分，得到基础浆料；
S3、制备功能混凝土浆料
按量将憎水剂、CSA膨胀剂、水性环氧改性丙烯酸树脂、聚羧酸减水剂和引气剂投入砂浆搅拌机中，与S2所得基础浆料充分混合均匀，得到功能混凝土浆料；
S4、浇筑成型
制作钢筋骨架，将钢筋骨架吊入模具内，然后将S3所得功能混凝土浆料浇筑到模具内，成型得到地铁管片湿模；
S5、分级养护
对S4所得地铁管片湿模进行从升温到恒温再到自然降温的分级养护，养护时长共计28天，养护结束后，拆模，即得超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片；
所述水泥为白水泥或普通硅酸盐水泥；
所述水泥为白水泥时，所述砂砾包括细沙和粗沙，所述细沙和粗沙的重量份数比为0.2-0.5：1；
所述水泥为普通硅酸盐水泥时，所述砂砾包括细沙、中沙和粗沙，所述细沙、中沙和粗沙的重量份数比为0.2-0.3：1：0.5-0.7；
所述憎水剂包括脂肪酸金属盐憎水剂和有机硅憎水剂，所述脂肪酸金属盐憎水剂与有机硅憎水剂的重量份数比为0.7-0.9：1；所述脂肪酸金属盐憎水剂为硬脂酸钙；所述有机硅憎水剂选用阿克苏诺贝尔SEAL80有机硅憎水剂；
CSA膨胀剂的化学成分中，氧化钙的质量占比为48%-55%、三氧化硫的质量占比为28%-30%、三氧化二铝的质量占比为15%-18%、二氧化硅的质量占比为1%-3%，余量为氧化镁。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法，其特征在于，所述原料按重量份数计包括：
水泥290份、砂砾380份、石英砂62份、陶粒23份、水126份、憎水剂2.1份、CSA膨胀剂3份、水性环氧改性丙烯酸树脂7.2份、减水剂3.1份和引气剂1.1份。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法，其特征在于，所述引气剂为烷基和烷基芳烃磺酸类引气剂。
4.根据权利要求1所述的超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片制备方法，其特征在于，S5中，分级养护的具体操作步骤如下：
以3-5℃/h的升温速度，进行升温养护，湿度50%-55%，先升温至40℃-45℃，保持1天，再升温至45℃-50℃，保持2天，再升温至50℃-55℃，保持3天，最后升温至55℃-60℃；
温度控制在55℃-60℃，进行恒温养护，湿度55%-60%，保持21天；
自然降温，进行自然降温养护，湿度60%-65%，保持1天。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的制备方法制得的超高性能混凝土UHPC薄型地铁管片的应用，其特征在于，作为预制管片，用于盾构隧道内。
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