CN117229007A - 一种隧道高强度喷射混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及高强度混凝土领域，具体公开了一种隧道高强度喷射混凝土及其制备方法，其包括以下重量份的原料：水泥100‑180份，水60‑90份，骨料260‑500份，偶联剂0.1‑0.35份，调凝颗粒20‑35份，增强颗粒30‑50份；所述增强颗粒包括环糊精和复合掺合料。喷射混凝土的制备方法包括以下步骤：S1增强颗粒制备：将环糊精溶于水形成饱和水溶液，加入复合掺合料搅拌包合，经干燥后得到增强颗粒；S2，将调凝颗粒、增强颗粒与偶联剂预混均匀，加入水泥和骨料中，最后加入水搅拌均匀，得到喷射混凝土。得到的喷射混凝土不仅抗压强度佳，能够满足高强度的性能要求，还具有优异的流动性，可泵送性佳。
Description
技术领域
本申请涉及高强度混凝土领域，更具体地说，它涉及一种隧道高强度喷射混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土具有强度高、耐久性好、工艺简单、原料丰富的优点，是现在必不可缺少的建筑材料，混凝土一般由水泥、辅料、外加剂、矿物料和水根据需要配比掺和而成的。随着我国铁路基础设施建设的不断投入，隧道的数量也越来越多，专用于隧道的混凝土的研究也进一步成为热点。
如公开号为CN110590258A的专利申请公开了一种隧道喷射混凝土，以隧道喷射混凝土的体积为基准，包括以下组分：水泥360-500kg/m3、粗砂818-890kg/m3、碎石789-817kg/m3、玄武岩纤维1.5-4.5kg/m3、粉煤灰90-98kg/m3、速凝剂8-20kg/m3、减水剂5-10kg/m3。
而在隧道施工中，通常是按照配合比形成混凝土，采用喷射混凝土机械将其压送到喷嘴部位进行喷射施工，但上述混凝土仅能满足普通的C30或C40要求，想要满足更高的力学强度，混凝土的流动性则会降低，可泵送性变差，无法兼具高强度和高流动性的性能需求。
发明内容
本申请提供一种隧道高强度喷射混凝土及其制备方法，得到的喷射混凝土不仅抗压强度佳，能够满足高强度的性能要求，还具有优异的流动性，可泵送性佳。
第一方面，本申请提供的一种隧道高强度喷射混凝土，采用如下的技术方案：
一种隧道高强度喷射混凝土，包括以下重量份的原料：水泥100-180份，水60-90份，骨料260-500份，偶联剂0.1-0.35份，调凝颗粒20-35份，增强颗粒30-50份；所述增强颗粒包括环糊精和复合掺合料；
所述调凝颗粒经由以下步骤制得：将木质素磺酸盐、有机羧酸盐与壳聚糖胶液混合加热，在催化剂的作用下，反应得到改性壳聚糖，将改性壳聚糖与微珠混合、保温，得到调凝颗粒。
进一步的，调凝颗粒制备中，混合加热至50-60℃在催化剂的作用下反应。改性壳聚糖与微珠混合后一般于30-40℃的温度下保温0.35-0.55h。
进一步的，水泥一般选用标号为P.O52.5水泥。
进一步的，壳聚糖胶液具体为：将壳聚糖经酸性溶液溶解后形成壳聚糖胶液。优选脱乙酰化程度为70-90%的壳聚糖，以保证壳聚糖优异的溶解性。
作为壳聚糖胶液的进一步优选，壳聚糖胶液的质量浓度为3-8%。
通过将木质素磺酸盐和羧酸盐与壳聚糖胶液进行反应，以使得调凝颗粒同时存在磺酸基与羧酸水化基团，并配合微珠效应，赋予体系优异的流动性和触变性，从而有效提高混凝土材料的可泵送性能。增强颗粒采用环糊精经对复合掺合料进行包合得到，能够使得复合掺合料在水泥水化中后期参与体系反应，给予材料一定的泵送时间，同时保证材料经泵送后，能够显著提高混凝土材料的力学性能，抗压强度佳。
一般C30或C40标号等级的混凝土材料，漏斗试验中，若混凝土材料在10-20s范围内能够全部流出漏斗，则代表材料的流动性合适，材料粘度适宜，具有良好的工作性能；而本领域公知，混凝土材料强度等级越高，材料粘度越大，混凝土材料从漏斗流出时间就越长，让高强度混凝土材料兼具优异的流动性一直是本领域的难题。但在研究实验中发现，本申请采用调凝颗粒和增强颗粒复配后，在偶联剂的作用下，不仅能够协同改善并调节混凝土材料的流动性和可泵性，以使得混凝土材料前期具有优异的工作性能，而后又能够显著提高混凝土内部的密实度，以满足混凝土材料兼具高强度和优异泵送性能的需求。
优选的，所述调凝颗粒所用组分用量如下，以重量份计，木质素磺酸盐1-3份，有机羧酸盐1-2.5份，壳聚糖胶液12-20份，催化剂0.2-0.5份，微珠5.8-9份。
进一步的，木质素磺酸盐优选木质素磺酸钠。
通过采用上述技术方案，优化调凝颗粒中各原料组分的用量关系，提高调凝颗粒的综合质量，以利于与增强颗粒更好的协配，共同改善混凝土材料的流动性和可泵性能。
优选的，所述微珠为粉煤灰微珠和/或玻化微珠。微珠可以为粉煤灰微珠，可以为玻化微珠，也可以为粉煤灰微珠和玻化微珠复配。
作为微珠的优选技术方案，选择质量比为1:1-2的粉煤灰微珠和玻化微珠的混合物。
进一步优选，微珠的粒径为50-100μm。
通过采用上述技术方案，微珠颗粒小、活性高，能够降低混凝土体系的粘度，而且粉煤灰微珠和玻化微珠均可作为骨料填充在混凝土材料内部，协助改善材料的力学性能。
优选的，有机羧酸盐为苯甲酸钠、丁二酸钾中的一种。
优选的，所述催化剂为过硫酸铵。
通过采用上述技术方案，进一步优化有机羧酸盐和催化剂的组分选取，促进调凝颗粒的效用发挥。
优选的，所述环糊精与复合掺合料的质量比为1:(3.5-6)。
优选的，所述复合掺合料包括矿粉，硅灰和高岭土中的至少两种。
进一步的，矿粉优选S95级矿粉，所述硅灰的SiO2含量≥95%。
进一步的，复合掺合料可以为矿粉和硅灰复配，可以为硅灰和高岭土复配，也可以为矿粉和高岭土复配，还可以为矿粉和硅灰和高岭土混合。
通过采用上述技术方案，复合掺合料中的矿粉、硅灰和高岭土均能够作为填料填充在混凝土材料内部，发挥优异的填充效应和火山灰反应，使得混凝土内部变得更为致密，提高混凝土内部的密实度和强度，保证混凝土后期成型的力学性能。
优选的，所述骨料包括质量比为（0.55-1）:1:(0.15-0.4)的粗砂和中砂和石英砂。
进一步的，粗砂平均粒径为0.5mm-1.5mm的砂石；细度模数为3.1-3.7；中砂细度模数2.3-3.0，平均粒径为0.35-0.5mm；石英平均粒径为0.2-0.35mm，含水率＜2%。
通过采用上述技术方案，本申请采用合适比例的粗砂、中砂和石英砂进行复配，以使得混凝土材料内部填充密实，有助于提高材料的强度。
第二方面，本申请提供一种隧道高强度喷射混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：
一种隧道高强度喷射混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1增强颗粒制备：将环糊精溶于水形成饱和水溶液，加入复合掺合料搅拌包合，经干燥后得到增强颗粒；
S2，将调凝颗粒、增强颗粒与偶联剂预混均匀，加入水泥和骨料中，最后加入水搅拌均匀，得到喷射混凝土。
通过采用上述技术方案，将环糊精形成饱和水溶液，采用喷雾干燥的包合技术对复合掺合料进行包合，形成包合物，在遇水后缓慢释放复合掺合料，改善材料流动性和触变性的同时，显著提高混凝土喷射成型后的力学性能。
先将偶联剂和调凝颗粒以及增强颗粒进行预混，提高其表面活性，有助于后续与水泥和骨料混合更好的分散，体系的分散性更佳，最后加入水，得到流动性和触变性优异的喷射混凝土，可泵送性强。
综上所述，本申请通过将木质素磺酸盐和羧酸盐与壳聚糖胶液进行反应，以使得调凝颗粒同时存在磺酸基与羧酸水化基团，并配合微珠效应，赋予体系优异的流动性和触变性，从而有效提高混凝土材料的可泵送性能。增强颗粒采用环糊精经对复合掺合料进行包合得到，能够使得复合掺合料在水泥水化中后期参与体系反应，给予材料一定的泵送时间，同时保证材料经泵送后，能够显著提高混凝土材料的力学性能，抗压强度佳。调凝颗粒和增强颗粒复配，在偶联剂的作用下，不仅能够协同改善并调节混凝土材料的流动性和可泵性，以使得混凝土材料前期具有优异的工作性能，而后又能够显著提高混凝土内部的密实度，以满足混凝土材料兼具高强度和优异泵送性能的需求。
附图说明
图1为本申请隧道高强度喷射混凝土的制备方法的流程框图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围，实施例中未注明的具体条件，按照常规条件或者制造商建议的条件进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
调凝颗粒制备例
制备例1
调凝颗粒经由以下步骤制得：将木质素磺酸钠1份、丁二酸钾2.5份与质量浓度为8%的壳聚糖胶液12份混合加热至50℃，与0.2份过硫酸铵反应得到改性壳聚糖，将改性壳聚糖与粉煤灰微珠5.8份混合、于30℃的条件下保温0.55h，得到调凝颗粒；
其中：壳聚糖胶液为：将脱乙酰化程度为70%的壳聚糖经质量浓度为5%的醋酸溶液溶解后得到；
粉煤灰微珠的粒径为50-70μm。
制备例2
调凝颗粒经由以下步骤制得：将木质素磺酸钠3份、丁二酸钾1份与质量浓度为3%的壳聚糖胶液20份混合加热至60℃，与0.5份过硫酸铵反应得到改性壳聚糖，将改性壳聚糖与玻化微珠9份混合、于40℃的条件下保温0.3h，得到调凝颗粒；
其中：壳聚糖胶液为：将脱乙酰化程度为90%的壳聚糖经质量浓度为3%的醋酸溶液溶解后得到；
玻化微珠的粒径为80-100μm。
制备例3
调凝颗粒经由以下步骤制得：将木质素磺酸钠2.3份、苯甲酸钠1.5份与质量浓度为6%的壳聚糖胶液16份混合加热至55℃，与0.3份过硫酸铵反应得到改性壳聚糖，将改性壳聚糖与粉煤灰微珠4份以及玻化微珠4份混合、于35℃的条件下保温0.4h，得到调凝颗粒；
其中：壳聚糖胶液为：将脱乙酰化程度为85%的壳聚糖经质量浓度为3%的醋酸溶液溶解后得到；
粉煤灰微珠和玻化微珠的粒径为60-85μm。
制备例4
与制备例1的区别在于，调凝颗粒经由以下步骤制得：将木质素磺酸钠4份、苯甲酸钠0.5份与质量浓度为6%的壳聚糖胶液30份混合加热至55℃，与0.1份过硫酸铵反应得到改性壳聚糖，将改性壳聚糖与粉煤灰微珠2份以及玻化微珠1份混合、于35℃的条件下保温0.4h，得到调凝颗粒。
对比制备例1
与制备例3的区别在于，调凝颗粒经由木质素磺酸钠、苯甲酸钠、壳聚糖胶液、粉煤灰微珠和玻化微珠混合制得，各组分用量与制备例3相同。
对比制备例2
与制备例3的区别在于，将木质素磺酸钠和苯甲酸钠等量替换为环糊精，其余均与制备例3相同。
对比制备例3
与制备例3的区别在于，不加入微珠，其余均与制备例3相同。
实施例
实施例1
隧道高强度喷射混凝土，包括以下重量份的原料：水泥100份，水60份，骨料300份，偶联剂0.1份，制备例1制得的调凝颗粒35份，增强颗粒30份；增强颗粒包括质量比为1:3.5的环糊精和复合掺合料；
其中复合掺合料为质量比为2:1的矿粉和硅灰；
骨料包括质量比为0.55:1:0.4的粗砂和中砂和石英砂；粗砂平均粒径为0.5mm-1.5mm的砂石；细度模数为3.1-3.7；中砂细度模数2.3-3.0，平均粒径为0.35-0.5mm；石英平均粒径为0.2-0.35mm，含水率＜2%；
隧道高强度喷射混凝土的制备方法包括以下步骤：
S1增强颗粒制备：将环糊精溶于水形成饱和水溶液，加入复合掺合料搅拌包合，经喷雾干燥后得到增强颗粒；
S2，将调凝颗粒、增强颗粒与偶联剂预混均匀，加入水泥和骨料中，最后加入水搅拌均匀，得到喷射混凝土。
实施例2
与实施例1的区别在于，隧道高强度喷射混凝土，包括以下重量份的原料：水泥180份，水90份，骨料500份，偶联剂0.35份，制备例1制得的调凝颗粒20份，增强颗粒50份；增强颗粒包括质量比为1:6的环糊精和复合掺合料；
其中复合掺合料为质量比为2.2:1的高岭土和硅灰；
骨料包括质量比为1:1:0.15的粗砂和中砂和石英砂；
其余与实施例1的相同。
实施例3
与实施例1的区别在于，隧道高强度喷射混凝土，包括以下重量份的原料：水泥155份，水73份，骨料412份，偶联剂0.25份，制备例1制得的调凝颗粒28份，增强颗粒42份；增强颗粒包括质量比为2:5的环糊精和复合掺合料；
其中复合掺合料为质量比为1.2:3.7的矿粉和硅灰；
骨料包括质量比为0.81:1:0.36的粗砂和中砂和石英砂；
其余与实施例1的相同。
实施例4
与实施例3的区别在于，增强颗粒包括质量比为1:4.9的环糊精和复合掺合料；复合掺合料为质量比为1.2:3.7:1的矿粉和硅灰和高岭土。
实施例5
与实施例4的区别在于，选用制备例2制得的调凝颗粒，其余均与实施例4相同。
实施例6
与实施例4的区别在于，选用制备例3制得的调凝颗粒，其余均与实施例4相同。
实施例7
与实施例4的区别在于，选用制备例4制得的调凝颗粒，其余均与实施例4相同。
对比例
对比例1
与实施例6的区别在于，选用对比制备例1制得的调凝颗粒，其余均与实施例6相同。
对比例2
与实施例6的区别在于，选用对比制备例2制得的调凝颗粒，其余均与实施例6相同。
对比例3
与实施例6的区别在于，选用对比制备例3制得的调凝颗粒，其余均与实施例6相同。
对比例4
与实施例6的区别在于，增强颗粒为复合掺合料，其余均与实施例6相同。
性能检测试验
将实施例1-7和对比例1-4制得的试样根据GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行28d强度和漏斗试验，将强度数据以及试样从漏斗内全部流出的时间结果记录于表1。
表1
通过实施例1-7并结合表1可以看到，本申请制得的混凝土满足C70混凝土强度要求，混凝土材料从漏斗中流出的时间在15s左右，对于高强度混凝土来说，该流动性优异，能够满足隧道用高强度喷射混凝土的泵送性能，本申请得到的喷射混凝土兼具高强度和优异泵送性能的优点。
通过实施例6和对比例1-3并结合表1可以看到，对比例1中，调凝颗粒由各原料组分简单混合得到，各组分简单发挥各自的作用，无法与其他原料协同；对比例2中，选用的调凝颗粒中将木质素磺酸钠和苯甲酸钠替换为环糊精，对比例3中，调凝颗粒中未加入微珠，对比例1-3得到的混凝土材料的抗压强度和流动性均受到显著影响，这是由于木质素磺酸盐和羧酸盐与壳聚糖胶液进行反应后，以使得得到的调凝颗粒同时存在磺酸基与羧酸水化基团，并配合微珠效应，赋予体系优异的流动性和触变性，从而有效提高混凝土材料的可泵送性能，而微珠又能进一步作为填料填充在混凝土内部，增加混凝土内部的密实度，进而改善混凝土材料的抗压强度；由此可见，只有采用本申请特定组分并经特定反应后得到的调凝颗粒，才能够与其他原料复配后，协同改善混凝土材料的综合性能，得到兼具高强度和高流动性的混凝土材料。
通过实施例6和对比例4并结合表1可以看到，对比例4中的增强颗粒采用复合掺合料，在水泥水化前期即可有效参与反应，使得材料粘度明显增加，流动性显著下降，这是因为采用环糊精经对复合掺合料进行包合后，能够使得复合掺合料在水泥水化中后期参与体系反应，给予材料一定的泵送时间，同时保证材料经泵送后，能够显著提高混凝土材料的力学性能，进而得到兼具高强度和高流动性的混凝土材料。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种隧道高强度喷射混凝土，其特征在于，包括以下重量份的原料：水泥100-180份，水60-90份，骨料260-500份，偶联剂0.1-0.35份，调凝颗粒20-35份，增强颗粒30-50份；所述增强颗粒包括环糊精和复合掺合料；
所述调凝颗粒经由以下步骤制得：将木质素磺酸盐、有机羧酸盐与壳聚糖胶液混合加热，在催化剂的作用下，反应得到改性壳聚糖，将改性壳聚糖与微珠混合、保温，得到调凝颗粒。
2.根据权利要求1所述的隧道高强度喷射混凝土，其特征在于：所述调凝颗粒所用组分用量如下，以重量份计，木质素磺酸盐1-3份，有机羧酸盐1-2.5份，壳聚糖胶液12-20份，催化剂0.2-0.5份，微珠5.8-9份。
3.根据权利要求2所述的隧道高强度喷射混凝土，其特征在于：所述微珠为粉煤灰微珠和/或玻化微珠。
4.根据权利要求2所述的隧道高强度喷射混凝土，其特征在于：有机羧酸盐为苯甲酸钠、丁二酸钾中的一种。
5.根据权利要求4所述的隧道高强度喷射混凝土，其特征在于：所述催化剂为过硫酸铵。
6.根据权利要求1所述的隧道高强度喷射混凝土，其特征在于：所述环糊精与复合掺合料的质量比为1:(3.5-6)。
7.根据权利要求6所述的隧道高强度喷射混凝土，其特征在于：复合掺合料包括矿粉，硅灰和高岭土中的至少两种。
8.根据权利要求1所述的隧道高强度喷射混凝土，其特征在于：所述骨料包括质量比为（0.55-1）:1:(0.15-0.4)的粗砂和中砂和石英砂。
9.权利要求1-8任一项所述的隧道高强度喷射混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1增强颗粒制备：将环糊精溶于水形成饱和水溶液，加入复合掺合料搅拌包合，经干燥后得到增强颗粒；
S2，将调凝颗粒、增强颗粒与偶联剂预混均匀，加入水泥和骨料中，最后加入水搅拌均匀，得到喷射混凝土。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311205652.4A CN117229007A (zh) | 2023-09-19 | 2023-09-19 | 一种隧道高强度喷射混凝土及其制备方法 |
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2023
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