CN116835941B - 一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土及其制备方法和应用，所述特种活性粉末混凝土包括以下重量份原料：硅酸盐水泥50‑70份、粉煤灰30‑50份、石英砂25‑40份、细骨料12‑28份、复合纤维12‑25份、激发剂10‑20份、修复浸渍液8‑12份、减缩优化剂5‑12份，按照本发明的方法制得的特种活性粉末混凝土具有高强度和高耐久性，由于特种活性粉末的各物理性能良好，具有优异的工作性能，抗压强度为87.2‑89.6MPa，抗劈裂强度8.7‑9.2MPa，无裂缝生成，28d收缩值最低为0.028％。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，特别涉及一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
随着公路建设的发展，新建公路越来越多，隧道工程所占的比例也在逐步增大。就目前来说，公路隧道一般都要求二次衬砌施工，采用整体式钢模板台车、泵送混凝土施工工艺，二次衬砌通常采用C35或C40的普通混凝土其承载力、耐久性、抗渗性均较差，因此受围岩压力，地下水侵蚀等因素影响易发生多种问题，且混凝土在强度逐渐增加的过程中往往会产生裂缝，产生的裂缝不仅影响了工程的观感质量，还给工程质量留下了隐患，因此施工中必须采取合理的工程技术措施，控制和减少混凝土中裂缝的数量和宽度。裂缝是二衬混凝土结构中普遍存在的一种现象。它的出现不仅会降低结构物的抗渗能力，影响结构物的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低结构耐久性。同时，在隧道衬砌施工过程中混凝土外观经常会出现露筋、蜂窝、麻面、裂缝、错台、砂线等几种常见的缺陷，这些缺陷虽然不影响结构物的内在质量和使用，但经常性地出现，严重破坏了衬砌的外表美观，也影响了衬砌的整体质量。
活性粉末混凝土(High Performance Powder Activated Concrete，简称HPPAC)的原料主要包括水泥、石子、砂、水、活性粉末等。其中，活性粉末是HPPAC的关键原料之一，它能够提高混凝土的强度、耐久性和防水性能，常用的活性粉末有硅酸盐、氧化铝、硅灰石等。但常用的活性粉末混凝土存在混合料粘度高，粘底，纤维沉降堆积，施工困难等问题，因此，为了进一步提高HPPAC的性能，还可以添加一些掺合料，如粉煤灰、硅灰石粉、高岭土等。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土及其制备方法和应用，解决上述问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土：包括以下重量份原料：硅酸盐水泥50-70份、粉煤灰30-50份、石英砂25-40份、细骨料12-28份、复合纤维12-25份、激发剂10-20份、修复浸渍液8-12份、减缩优化剂5-12份，所述修复浸渍液为质量比1.1-2.5:50的菌悬液和浸渍液，所述浸渍液为浓度0.01-1g/L的磷酸三辛酯醇溶剂、0.05-1.5g/L的十二烷基苯磺酸钠水溶液或浓度为60-120g/L的聚乙烯醇水溶液。
优选地，一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土，包括以下重量份原料：硅酸盐水泥60份、粉煤灰40份、石英砂32份、细骨料20份、复合纤维18份、激发剂15份、修复浸渍液10份、减缩优化剂8份。
优选地，所述细骨料为质量比为(4.1-7.9):(1.1-2.3):0.6-1.8)的陶瓷粉末、膨胀蛭石和叶腊石，其混合粉碎后粒径范围为0.17-1.21mm。
优选地，所述激发剂为质量比为(0.3-0.8):(0.9-1.5):(3.5-5.1)的三硫代钨酸铵、聚丁烯、丙烯酸甲酯。
优选地，所述复合纤维为质量比为38-55):(10-28):(7-18)的玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维。
优选地，所述减缩优化剂为硫铝酸盐、二乙二醇单丁醚、月桂氨基丙酸钠、月桂亚氨基二丙酸钠或月桂胺聚氧乙烯醚中的一种。
优选地，所述菌悬液为芽孢杆菌菌悬液、假单胞菌菌悬液、酵母菌菌悬液和红球菌菌悬液任意一种，所述菌悬液浓度为2.00-6.00×108cell/mL。
进一步的，一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、复合纤维真空浸渍：将复合纤维浸泡在修复浸渍液中，浸泡温度为50-80℃，浸泡2-6h后，置于真空度-0.57～-0.90MPa、温度110-130℃下进行真空浸渍35-55min，得到浸渍后的复合纤维；
步骤S2、将上述硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和细骨料混合，得到干拌料，加入水继续在速率为150-200rpm下机械搅拌0.5-2h，得到初混料；
步骤S3、取上述S1得到复合纤维、激发剂倒入初混料中混合并搅拌均匀，在搅拌过程中加入减缩优化剂再进行400-600rpm的高速搅拌混合15-30min，得到混凝土拌合料；
步骤S4、将上述混凝土拌合料进行浇筑、静养、蒸养和制件，得到活性粉末混凝土。
优选地，所述步骤S2得到干拌料和水的质量体积比g/mL为20-35:5。
一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土在制备隧道衬砌中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
按照本发明的方法制得的特种活性粉末混凝土具有高强度和高耐久性，由于特种活性粉末的添加，特种活性粉末混凝土的强度和耐久性都比普通混凝土更高，还有良好的流动性，在施工过程中保持良好的流动性，使得施工更加容易和高效，且通过各原料之间科学配比，协同配合，能有效地防止混凝土的开裂和变形，从而提高了混凝土结构的稳定性和安全性；其中，加入含有菌悬液的修复浸渍液，对复合纤维进行真空浸渍，复合纤维的三维网状结构为微生物提供足够的核位点，当混凝土凝结过程中出现裂缝，水和空气进入裂缝，微生物可通过新陈代谢矿化沉积，可以实现更好的深度修复，有效保证在裂缝生成；加入的激发剂可以加速水泥颗粒的反应速度，促进混凝土中的化学反应，形成更多的水化产物，从而提高混凝土的强度和耐久性，有效改善混凝土的流动性，使得混凝土更容易施工，并且可以减少混凝土的收缩和龟裂。
本发明的特种活性粉末混凝土可以减少对自然资源的消耗，同时还可以降低二氧化碳排放量，从而更加环保，可在隧道衬砌中应用。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，对本发明做进一步的说明。
本发明实施例所用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
本发明实施例所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
芽孢杆菌菌悬液、假单胞菌菌悬液、酵母菌菌悬液和红球菌菌悬液为市售菌悬液。
实施例1
一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土：包括以下重量份原料：硅酸盐水泥50份、粉煤灰30份、石英砂25份、细骨料12份、复合纤维12份、激发剂10份、修复浸渍液8份、减缩优化剂5份，
细骨料为质量比为4.1:1.1:0.6的陶瓷粉末、膨胀蛭石和叶腊石，其混合粉碎后粒径范围为0.17-1.21mm；
复合纤维为质量比为38:10:7的玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维；
激发剂为质量比为0.3:0.9:3.5的三硫代钨酸铵、聚丁烯、丙烯酸甲酯；
修复浸渍液为质量比1.1:50的菌悬液和浸渍液，浸渍液为浓度0.01g/L的磷酸三辛酯醇溶剂；
减缩优化剂为硫铝酸盐；
菌悬液为芽孢杆菌菌悬液，菌悬液浓度为2.00×108cell/mL。
实施例2
一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土：包括以下重量份原料：硅酸盐水泥70份、粉煤灰50份、石英砂40份、细骨料28份、复合纤维25份、激发剂20份、修复浸渍液12份、减缩优化剂12份，
细骨料为质量比为7.9:2.3:1.8的陶瓷粉末、膨胀蛭石和叶腊石，其混合粉碎后粒径范围为0.17-1.21mm；
复合纤维为质量比为55:28:18的玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维；
激发剂为质量比为0.8:1.5:5.1的三硫代钨酸铵、聚丁烯、丙烯酸甲酯；
修复浸渍液为质量比2.5:50的菌悬液和浸渍液，浸渍液为浓度0.05-1.5g/L的十二烷基苯磺酸钠水溶液；
减缩优化剂为二乙二醇单丁醚；
菌悬液为假单胞菌菌悬液，菌悬液浓度为6.00×108cell/mL。
实施例3
一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土：包括以下重量份原料：硅酸盐水泥60份、粉煤灰40份、石英砂32份、细骨料20份、复合纤维18份、激发剂15份、修复浸渍液10份、减缩优化剂8份；
细骨料为质量比为6.2:1.7:1.2的陶瓷粉末、膨胀蛭石和叶腊石，其混合粉碎后粒径范围为0.17-1.21mm；
复合纤维为质量比为42:18:1.3的玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维；
激发剂为质量比为1.5:1.2:4.2的三硫代钨酸铵、聚丁烯、丙烯酸甲酯；
修复浸渍液为质量比1.8:50的菌悬液和浸渍液，浸渍液为浓度为60-120g/L的聚乙烯醇水溶液；
减缩优化剂为月桂胺聚氧乙烯醚；
菌悬液为红球菌菌悬液，菌悬液浓度为4.00×108cell/mL；
上述实施例1-3的特种活性粉末混凝土采用以下制备方法：
步骤S1、复合纤维真空浸渍：将复合纤维浸泡在修复浸渍液中，浸泡温度为65℃，浸泡4h后，置于真空度-0.75MPa、温度120℃下进行真空浸渍45min，得到浸渍后的复合纤维；
步骤S2、将上述硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和细骨料混合，得到干拌料，加入水继续在速率为170rpm下机械搅拌1.2h，得到初混料；
步骤S3、取上述S1得到复合纤维、激发剂倒入初混料中混合并搅拌均匀，在搅拌过程中加入减缩优化剂再进行500rpm的高速搅拌混合22min，得到混凝土拌合料；
步骤S4、将上述混凝土拌合料进行浇筑、静养、蒸养和制件，得到活性粉末混凝土。
实施例4
一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土：包括以下重量份原料：硅酸盐水泥60份、粉煤灰40份、石英砂32份、细骨料20份、复合纤维18份、激发剂15份、修复浸渍液10份、减缩优化剂8份；
细骨料为质量比为6.2:1.7:1.2的陶瓷粉末、膨胀蛭石和叶腊石，其混合粉碎后粒径范围为0.17-1.21mm；
复合纤维为质量比为42:18:1.3的玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维；
激发剂为质量比为1.5:1.2:4.2的三硫代钨酸铵、聚丁烯、丙烯酸甲酯；
修复浸渍液为质量比1.8:50的菌悬液和浸渍液，浸渍液为浓度为60-120g/L的聚乙烯醇水溶液；
减缩优化剂为月桂胺聚氧乙烯醚；
菌悬液为红球菌菌悬液，菌悬液浓度为4.00×108cell/mL；
上述特种活性粉末混凝土采用以下制备方法：
步骤S1、复合纤维真空浸渍：将复合纤维浸泡在修复浸渍液中，浸泡温度为50℃，浸泡2h后，置于真空度-0.57MPa、温度110℃下进行真空浸渍35min，得到浸渍后的复合纤维；
步骤S2、将上述硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和细骨料混合，得到干拌料，加入水继续在速率为150rpm下机械搅拌0.5h，得到初混料；
步骤S3、取上述S1得到复合纤维、激发剂倒入初混料中混合并搅拌均匀，在搅拌过程中加入减缩优化剂再进行400rpm的高速搅拌混合15min，得到混凝土拌合料；
步骤S4、将上述混凝土拌合料进行浇筑、静养、蒸养和制件，得到活性粉末混凝土。
实施例5
一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土：包括以下重量份原料：硅酸盐水泥60份、粉煤灰40份、石英砂32份、细骨料20份、复合纤维18份、激发剂15份、修复浸渍液10份、减缩优化剂8份；
细骨料为质量比为6.2:1.7:1.2的陶瓷粉末、膨胀蛭石和叶腊石，其混合粉碎后粒径范围为0.17-1.21mm；
复合纤维为质量比为42:18:1.3的玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维；
激发剂为质量比为1.5:1.2:4.2的三硫代钨酸铵、聚丁烯、丙烯酸甲酯；
修复浸渍液为质量比1.8:50的菌悬液和浸渍液，浸渍液为浓度为60-120g/L的聚乙烯醇水溶液；
减缩优化剂为月桂胺聚氧乙烯醚；
菌悬液为红球菌菌悬液，菌悬液浓度为4.00×108cell/mL；
上述特种活性粉末混凝土采用以下制备方法：
步骤S1、复合纤维真空浸渍：将复合纤维浸泡在修复浸渍液中，浸泡温度为80℃，浸泡6h后，置于真空度-0.90MPa、温度130℃下进行真空浸渍55min，得到浸渍后的复合纤维；
步骤S2、将上述硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和细骨料混合，得到干拌料，加入水继续在速率为200rpm下机械搅拌2h，得到初混料；
步骤S3、取上述S1得到复合纤维、激发剂倒入初混料中混合并搅拌均匀，在搅拌过程中加入减缩优化剂再进行600rpm的高速搅拌混合30min，得到混凝土拌合料；
步骤S4、将上述混凝土拌合料进行浇筑、静养、蒸养和制件，得到活性粉末混凝土。
按照上述实施例1-5的方法制得的特种活性粉末混凝土作为试验组，取500mm×300mm×100mm平板试模，参照GB/T 50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试混凝土的28d抗压强度和劈裂抗拉强度，观察每组样品是否产生裂缝，并记录裂缝的长度；同时，收缩值根据标准GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中的第六章“收缩试验”进行检测；
测试结果如下：
由上述可知，本发明制得的特种活性粉末混凝土各物理性能良好，具有优异的工作性能，抗压强度为87.2-89.6MPa，抗劈裂强度8.7-9.2MPa，无裂缝生成，28d收缩值最低为0.028％，其中实施例3的性能最佳。
针对上述实施例3的性能结果设置以下对比试验：
对比例1
本对比例与实施例3的区别在于，特种活性粉末混凝土包括以下重量份原料：硅酸盐水泥80份、粉煤灰28份、石英砂20份、细骨料10份、复合纤维29份、激发剂22份、修复浸渍液15份、减缩优化剂18份。
对比例2
本对比例与实施例3的区别在于，所述特种活性粉末混凝土的复合纤维未经真空浸渍，修复浸渍液直接加入到原料中。
对比例3
本对比例与实施例3的区别在于，所述特种活性粉末混凝土的原料中的修复浸渍液不含有菌悬液。
对比例4
本对比例与实施例3的区别在于，所述特种活性粉末混凝土的原料中不含有激发剂。
按照上述检测方法，对对比例1-3的方法制备出的特种活性粉末混凝土试验块500mm×300mm×100mm进行试验，试验结果如下：
上述结果可知，对比例1-4制得的混凝土试验块在物理性能上欠佳，与实施例3比较，对比例1中各原料之间配比协同发挥其性能作用，与对比例2比较，对比例2的裂缝长度最大，可知本发明加入修复浸渍液对复合纤维进行真空浸渍，在复合纤维表面进行包裹，形成一定的保护层，在短时间内硬化，使包裹后的复合纤维有足够的强度且和混凝土其他原料有较好的相互粘黏性，对混凝土开裂具有修复效果的目的；
与对比例3比较，在修复浸渍液中加入菌悬液，通过微生物的作用，与特定的浸渍液按一定比例混合，复合纤维的三维网状结构为微生物提供足够的核位点，当混凝土凝结过程中出现裂缝，水和空气进入裂缝，微生物可通过新陈代谢矿化沉积，可以实现更好的深度修复，有效保证在裂缝生成，说明具有菌悬液的浸渍液负载在复合纤维上，比直接添加到原料中的对裂缝的自修复效果更优异；
与对比例4比较，本发明加入的激发剂可以加速水泥颗粒的反应速度，促进混凝土中的化学反应，形成更多的水化产物，从而提高混凝土的强度和耐久性，有效改善混凝土的流动性，使得混凝土更容易施工，并且可以减少混凝土的收缩和龟裂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土，其特征在于：包括以下重量份原料：硅酸盐水泥50-70份、粉煤灰30-50份、石英砂25-40份、细骨料12-28份、复合纤维12-25份、激发剂10-20份、修复浸渍液8-12份、减缩优化剂5-12份，所述修复浸渍液为质量比1.1-2.5:50的菌悬液和浸渍液，所述浸渍液为浓度0.01-1g/L的磷酸三辛酯醇溶剂、0.05-1.5g/L的十二烷基苯磺酸钠水溶液或浓度为60-120g/L的聚乙烯醇水溶液；所述细骨料为质量比为(4.1-7.9):(1.1-2.3):(0.6-1.8)的陶瓷粉末、膨胀蛭石和叶腊石，其混合粉碎后粒径范围为0.17-1.21mm；所述激发剂为质量比为(0.3-0.8):(0.9-1.5):(3.5-5.1)的三硫代钨酸铵、聚丁烯、丙烯酸甲酯。
2.如权利要求1所述的一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土，其特征在于：包括以下重量份原料：硅酸盐水泥60份、粉煤灰40份、石英砂32份、细骨料20份、复合纤维18份、激发剂15份、修复浸渍液10份、减缩优化剂8份。
3.如权利要求1所述的一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土，其特征在于：所述复合纤维为质量比为(38-55):(10-28):(7-18)的玄武岩纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维。
4.如权利要求1所述的一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土，其特征在于：所述减缩优化剂为硫铝酸盐、二乙二醇单丁醚、月桂氨基丙酸钠、月桂亚氨基二丙酸钠或月桂胺聚氧乙烯醚中的一种。
5.如权利要求1所述的一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土，其特征在于：所述菌悬液为芽孢杆菌菌悬液、假单胞菌菌悬液、酵母菌菌悬液和红球菌菌悬液任意一种，所述菌悬液浓度为2.00-6.00×108cell/mL。
6.如权利要求1所述的一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1、复合纤维真空浸渍：将复合纤维浸泡在修复浸渍液中，浸泡温度为50-80℃，浸泡2-6h后，置于真空度-0.57～-0.90MPa、温度110-130℃下进行真空浸渍35-55min，得到浸渍后的复合纤维；
步骤S2、将上述硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和细骨料混合，得到干拌料，加入水继续在速率为150-200rpm下机械搅拌0.5-2h，得到初混料；
步骤S3、取上述S1得到复合纤维、激发剂倒入初混料中混合并搅拌均匀，在搅拌过程中加入减缩优化剂再进行400-600rpm的高速搅拌混合15-30min，得到混凝土拌合料；
步骤S4、将上述混凝土拌合料进行浇筑、静养、蒸养和制件，得到活性粉末混凝土。
7.如权利要求6所述的一种隧道建设用的特种活性粉末混凝土的制备方法，其特征在于：所述步骤S2得到干拌料和水的质量体积比g/mL为20-35:5。
8.如权利要求1-7任一项所述的隧道建设用的特种活性粉末混凝土在制备隧道衬砌中的应用。
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