CN116947404B - 一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，涉及建筑材料技术领域，包括以下按重量份计的各原料制成：水泥100‑120份、碎石95‑105份、河砂65‑85份、火山灰10‑20份、凹凸棒土6‑8份、钢纤维3‑5份、碳纤维2‑5份、功能共聚物助剂4‑7份、含有氨基的超支化聚氨酯8‑12份、4,5‑环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯3‑5份、水50‑60份。本发明公开的用于山岭瓦斯隧道的混凝土防水性、不透气性、抗冻性、耐久性和抗压强度佳，使用寿命长，环保性优异。

Description

一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土及其制备方法。
背景技术
随着工业发展和城市化进程的加快，混凝土成为了道路、大坝以及桥梁等建筑的首选材料，由于其具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单，抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽的特点，使其使用范围十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等，混凝土也是重要的材料，市场需求量大。山岭瓦斯隧道作为常见的混凝土应用领域，在隧道施工和使用过程中经常会有瓦斯气体涌出，因此，对用于山岭瓦斯隧道的混凝土提出了更高的要求。
现有的普通混凝土防水性、不透气性、耐久性和抗压强度不足，使用寿命短，不符合山岭瓦斯隧道用混凝土使用要求。除此之外，市面上的混凝土还或多或少存在综合性能和性能稳定性有待进一步提高，环保性和机械性能有待进一步改善的技术缺陷。
为了解决上述问题，授权公布号为CN103964759B的中国发明专利公开了一种防渗抗裂混凝土，是由下列重量份的原料制成：水泥100-120、木纤维9-14、二乙醇胺5-9、萤石60-80、纯碱3-5、羟丙基甲基纤维素11-15、黄磷矿渣90-120、粉煤灰100-130、丙烯酰胺5-9、电解锰废渣90-110、废旧衣服40-50、助剂3-6、适量水；该发明制得的混凝土可以大幅提高粉煤灰掺量，同时减少水泥用量，使得本发明混凝土的成本大幅度降低，同时添加合适的助剂和适宜的生产工艺，制得的混凝土具有防渗抗裂功能，应用前景广阔。然而其不透气性、耐久性和机械力学性能仍然有待进一步提高。
可见，开发一种防水性、不透气性、抗冻性、耐久性和抗压强度佳，使用寿命长，环保性优异的用于山岭瓦斯隧道的混凝土及其制备方法符合市场需求，具有广泛的市场价值和应用前景，对促进山岭瓦斯隧道用混凝土领域的发展具有举足轻重的作用。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种防水性、不透气性、抗冻性、耐久性和抗压强度佳，使用寿命长，环保性优异的用于山岭瓦斯隧道的混凝土及其制备方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，其特征在于，包括以下按重量份计的各原料制成：水泥100-120份、碎石95-105份、河砂65-85份、火山灰10-20份、凹凸棒土6-8份、钢纤维3-5份、碳纤维2-5份、功能共聚物助剂4-7份、含有氨基的超支化聚氨酯8-12份、4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯3-5份、水50-60份。
优选的，所述含有氨基的超支化聚氨酯是按授权公布号为CN104693405B的中国发明专利实施例1的方法制成。
优选的，所述功能共聚物助剂的制备方法，包括如下步骤：将松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂加入到高沸点溶剂中，在惰性气体氛围，60-80℃下搅拌反应3-5小时，后旋蒸出去溶剂，得到功能共聚物助剂。
优选的，所述松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂、高沸点溶剂的质量比为1:(1-3):(0.8-1.2):2:(0.05-0.07):(20-30)。
优选的，所述松香基丙烯酰胺单体是按授权公布号为CN105348422B的中国发明专利实施例1的方法制成。
优选的，所述聚乙二醇单烯丙基醚的重均分子质量为1000。
优选的，所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈中的至少一种。
优选的，所述高沸点溶剂为二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
优选的，所述钢纤维的平均直径为为10～60毫米，直径为0.2～0.6毫米。
优选的，所述碳纤维的平均直径为3-5μm，长度为1-3mm。
优选的，所述凹凸棒土的平均粒径为0.1μm-0.3μm。
优选的，所述火山灰的平均粒径为0.01mm-2mm。
优选的，所述碎石的粒径为10～20mm，含泥量小于0.5％，针片状颗粒小于10％。
优选的，所述河砂的细度模数为2.6～3.0，含泥量小于2％。
优选的，所述水泥为硅酸盐水泥PI62.5。
本发明还提供了一种所述用于山岭瓦斯隧道的混凝土的制备方法，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌反应5-9分钟，然后浇注，振捣，再在15-30℃的潮湿环境中进行养护6-10天。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
（1）本发明提供的用于山岭瓦斯隧道的混凝土的制备方法，只需将各原料按重量份混合均匀后即可，无需专用设备，耗能低，资金投入少，制备效率和成品合格率高，适于连续规模化生产。
（2）本发明提供的用于山岭瓦斯隧道的混凝土，包括以下按重量份计的各原料制成：水泥100-120份、碎石95-105份、河砂65-85份、火山灰10-20份、凹凸棒土6-8份、钢纤维3-5份、碳纤维2-5份、功能共聚物助剂4-7份、含有氨基的超支化聚氨酯8-12份、4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯3-5份、水50-60份。通过各原料之间的相互配合共同作用，使得制成的用于山岭瓦斯隧道的混凝土防水性、不透气性、抗冻性能、耐久性和抗压强度佳，使用寿命长，环保性优异。
（3）本发明提供的用于山岭瓦斯隧道的混凝土，钢纤维、碳纤维组合加入，能有效改善混凝土的强度和抗渗抗裂性能，与其它组分配合作用，使得混凝土内部结构致密性好，进而使得其不通气性佳，用于山岭瓦斯隧道能避免瓦斯气体的外泄；功能共聚物助剂是由松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚通过共聚反应制成，由于其分子结构中同时引入松香基、酰胺基、水杨酸基、三氟甲基喹啉基和聚乙二醇结构，它们之间在电子效应、位阻效应和共轭效应的多重作用下，能进一步改善各组分之间的相容性，提高致密度，进而改善混凝土的综合性能和性能稳定性，提高其机械力学性能和不透气性。
（4）本发明提供的用于山岭瓦斯隧道的混凝土，添加有含有氨基的超支化聚氨酯和4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，它们分子结构中的氨基和环氧基能发生环氧开环反应，形成三维互穿网络结构，将其它组分固定，从而进一步改善混凝土的强度和性能稳定性。与其它组分配合作用，使得制成的混凝土防水性、不透气性、耐久性和抗压强度佳，使用寿命长。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，包括以下按重量份计的各原料制成：水泥100份、碎石95份、河砂65份、火山灰10份、凹凸棒土6份、钢纤维3份、碳纤维2份、功能共聚物助剂4份、含有氨基的超支化聚氨酯8份、4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯3份、水50份。
所述含有氨基的超支化聚氨酯是按授权公布号为CN104693405B的中国发明专利实施例1的方法制成。
所述功能共聚物助剂的制备方法，包括如下步骤：将松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂加入到高沸点溶剂中，在惰性气体氛围，60℃下搅拌反应3小时，后旋蒸出去溶剂，得到功能共聚物助剂；所述松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂、高沸点溶剂的质量比为1:1:0.8:2:0.05:20；所述松香基丙烯酰胺单体是按授权公布号为CN105348422B的中国发明专利实施例1的方法制成；所述聚乙二醇单烯丙基醚的重均分子质量为1000；所述引发剂为偶氮二异丁腈；所述高沸点溶剂为二甲亚砜。
所述钢纤维的平均直径为为10毫米，直径为0.2毫米；所述碳纤维的平均直径为3μm，长度为1mm；所述凹凸棒土的平均粒径为0.1μm；所述火山灰的平均粒径为0.01mm；所述碎石的粒径为10～20mm，含泥量小于0.5％，针片状颗粒小于10％；所述河砂的细度模数为2.6，含泥量小于2％；所述水泥为硅酸盐水泥PI62.5。
一种所述用于山岭瓦斯隧道的混凝土的制备方法，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌反应5分钟，然后浇注，振捣，再在15℃的潮湿环境中进行养护6天。
实施例2
一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，包括以下按重量份计的各原料制成：水泥105份、碎石98份、河砂70份、火山灰12份、凹凸棒土6.5份、钢纤维3.5份、碳纤维3份、功能共聚物助剂5份、含有氨基的超支化聚氨酯9份、4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯3.5份、水52份。
所述含有氨基的超支化聚氨酯是按授权公布号为CN104693405B的中国发明专利实施例1的方法制成。
所述功能共聚物助剂的制备方法，包括如下步骤：将松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂加入到高沸点溶剂中，在惰性气体氛围，65℃下搅拌反应3.5小时，后旋蒸出去溶剂，得到功能共聚物助剂；所述松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂、高沸点溶剂的质量比为1:1.5:0.9:2:0.055:23。
所述松香基丙烯酰胺单体是按授权公布号为CN105348422B的中国发明专利实施例1的方法制成；所述聚乙二醇单烯丙基醚的重均分子质量为1000；所述引发剂为偶氮二异庚腈；所述高沸点溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；所述钢纤维的平均直径为为25毫米，直径为0.3毫米；所述碳纤维的平均直径为3.5μm，长度为1.5mm；所述凹凸棒土的平均粒径为0.15μm；所述火山灰的平均粒径为0.5mm；所述碎石的粒径为10～20mm，含泥量小于0.5％，针片状颗粒小于10％；所述河砂的细度模数为2.7，含泥量小于2％；所述水泥为硅酸盐水泥PI62.5。
一种所述用于山岭瓦斯隧道的混凝土的制备方法，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌反应6分钟，然后浇注，振捣，再在22℃的潮湿环境中进行养护7天。
实施例3
一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，包括以下按重量份计的各原料制成：水泥110份、碎石100份、河砂75份、火山灰15份、凹凸棒土7份、钢纤维4份、碳纤维3.5份、功能共聚物助剂5.5份、含有氨基的超支化聚氨酯10份、4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯4份、水55份。
所述含有氨基的超支化聚氨酯是按授权公布号为CN104693405B的中国发明专利实施例1的方法制成。
所述功能共聚物助剂的制备方法，包括如下步骤：将松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂加入到高沸点溶剂中，在惰性气体氛围，70℃下搅拌反应4小时，后旋蒸出去溶剂，得到功能共聚物助剂；所述松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂、高沸点溶剂的质量比为1:2:1:2:0.06:25；所述松香基丙烯酰胺单体是按授权公布号为CN105348422B的中国发明专利实施例1的方法制成；所述聚乙二醇单烯丙基醚的重均分子质量为1000；所述引发剂为偶氮二异丁腈；所述高沸点溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
所述钢纤维的平均直径为为35毫米，直径为0.4毫米；所述碳纤维的平均直径为4μm，长度为2mm；所述凹凸棒土的平均粒径为0.2μm；所述火山灰的平均粒径为1mm；所述碎石的粒径为10～20mm，含泥量小于0.5％，针片状颗粒小于10％；所述河砂的细度模数为2.8，含泥量小于2％；所述水泥为硅酸盐水泥PI62.5。
一种所述用于山岭瓦斯隧道的混凝土的制备方法，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌反应7分钟，然后浇注，振捣，再在23℃的潮湿环境中进行养护8天。
实施例4
一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，包括以下按重量份计的各原料制成：水泥115份、碎石103份、河砂80份、火山灰18份、凹凸棒土7.5份、钢纤维4.5份、碳纤维4.5份、功能共聚物助剂6.5份、含有氨基的超支化聚氨酯11份、4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯4.5份、水58份。
所述含有氨基的超支化聚氨酯是按授权公布号为CN104693405B的中国发明专利实施例1的方法制成；
所述功能共聚物助剂的制备方法，包括如下步骤：将松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂加入到高沸点溶剂中，在惰性气体氛围，75℃下搅拌反应4.5小时，后旋蒸出去溶剂，得到功能共聚物助剂；所述松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂、高沸点溶剂的质量比为1:2.5:1.1:2:0.065:28；所述松香基丙烯酰胺单体是按授权公布号为CN105348422B的中国发明专利实施例1的方法制成；所述聚乙二醇单烯丙基醚的重均分子质量为1000；所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈按质量比1:3混合形成的混合物；所述高沸点溶剂为二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮按质量比1:3:2混合形成的混合物。
所述钢纤维的平均直径为为50毫米，直径为0.55毫米；所述碳纤维的平均直径为4.5μm，长度为2.5mm；所述凹凸棒土的平均粒径为0.25μm；所述火山灰的平均粒径为1.8mm；所述碎石的粒径为10～20mm，含泥量小于0.5％，针片状颗粒小于10％；所述河砂的细度模数为2.9，含泥量小于2％；所述水泥为硅酸盐水泥PI62.5。
一种所述用于山岭瓦斯隧道的混凝土的制备方法，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌反应8.5分钟，然后浇注，振捣，再在28℃的潮湿环境中进行养护9.5天。
实施例5
一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，包括以下按重量份计的各原料制成：水泥120份、碎石105份、河砂85份、火山灰20份、凹凸棒土8份、钢纤维5份、碳纤维5份、功能共聚物助剂7份、含有氨基的超支化聚氨酯12份、4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯5份、水60份。
所述含有氨基的超支化聚氨酯是按授权公布号为CN104693405B的中国发明专利实施例1的方法制成；
所述功能共聚物助剂的制备方法，包括如下步骤：将松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂加入到高沸点溶剂中，在惰性气体氛围，80℃下搅拌反应5小时，后旋蒸出去溶剂，得到功能共聚物助剂；所述松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂、高沸点溶剂的质量比为1:3:1.2:2:0.07:30；所述松香基丙烯酰胺单体是按授权公布号为CN105348422B的中国发明专利实施例1的方法制成；所述聚乙二醇单烯丙基醚的重均分子质量为1000；所述引发剂为偶氮二异丁腈；所述高沸点溶剂为二甲亚砜。
所述钢纤维的平均直径为为60毫米，直径为0.6毫米；所述碳纤维的平均直径为5μm，长度为3mm；所述凹凸棒土的平均粒径为0.3μm；所述火山灰的平均粒径为2mm；所述碎石的粒径为10～20mm，含泥量小于0.5％，针片状颗粒小于10％；所述河砂的细度模数为3.0，含泥量小于2％；所述水泥为硅酸盐水泥PI62.5。
一种所述用于山岭瓦斯隧道的混凝土的制备方法，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌反应9分钟，然后浇注，振捣，再在30℃的潮湿环境中进行养护10天。
对比例1
一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，没有添加碳纤维和含有氨基的超支化聚氨酯。
对比例2
一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，没有添加钢纤维和功能共聚物助剂。
将实施例1-5和对比例1-2所述用于山岭瓦斯隧道的混凝土样品按照我国现行相应国标进行性能测试，测试结果见表1，其中抗压强度为28d抗压强度。其中，28天透气系数K是参照文献：黄玉章，混凝土防止气体（瓦斯）泄漏措施研究，福建建设科技，2008，No.4，50-52，进行实验和计算的，是气压为0.5MPa的条件下的测试值。
表1
检测项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1 对比例2
防水等级 P12 P12 P12 P12 P12 P10 P8
抗冻融循环次数（次） 79 83 85 88 90 70 62
抗压强度（MPa） 89.2 92.5 94.7 98.2 100.0 55.8 52.6
28天透气系数K（10-10cm/s） 0.03 0.02 0.02 0.03 0.01 0.07 0.12
从表1可以看出，本发明实施例公开的用于山岭瓦斯隧道的混凝土与对比例相比，具有更加优异的防水性、强度、对瓦斯的气密性和抗冻性能；碳纤维、含有氨基的超支化聚氨酯、钢纤维和功能共聚物助剂的添加对改善上述性能有益。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，其特征在于，由以下按重量份计的各原料制成：水泥100-120份、碎石95-105份、河砂65-85份、火山灰10-20份、凹凸棒土6-8份、钢纤维3-5份、碳纤维2-5份、功能共聚物助剂4-7份、含有氨基的超支化聚氨酯8-12份、4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯3-5份、水50-60份；
所述功能共聚物助剂的制备方法，包括如下步骤：将松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂加入到高沸点溶剂中，在惰性气体氛围，60-80℃下搅拌反应3-5小时，后旋蒸出去溶剂，得到功能共聚物助剂；所述松香基丙烯酰胺单体、4-甲基丙烯酰胺基水杨酸、4-乙烯基-2,8-双(三氟甲基)喹啉、聚乙二醇单烯丙基醚、引发剂、高沸点溶剂的质量比为1:(1-3):(0.8-1.2):2:(0.05-0.07):(20-30)。
2.根据权利要求1所述的一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，其特征在于，所述聚乙二醇单烯丙基醚的重均分子质量为1000。
3.根据权利要求1所述的一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，其特征在于，所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈中的至少一种；所述高沸点溶剂为二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，其特征在于，所述钢纤维的平均直径为10～60毫米，直径为0.2～0.6毫米；所述碳纤维的平均直径为3-5μm，长度为1-3mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，其特征在于，所述凹凸棒土的平均粒径为0.1μm-0.3μm；所述火山灰的平均粒径为0.01mm-2mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，其特征在于，所述碎石的粒径为10～20mm，含泥量小于0.5％，针片状颗粒小于10％；所述河砂的细度模数为2.6～3.0，含泥量小于2％。
7.根据权利要求1所述的一种用于山岭瓦斯隧道的混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥PI62.5。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述用于山岭瓦斯隧道的混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各原料按重量份混合，搅拌反应5-9分钟，然后浇注，振捣，再在15-30℃的潮湿环境中进行养护6-10天。
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