CN102826774A - 纳米级喷射混凝土改性掺合料 - Google Patents

Abstract

纳米级喷射混凝土改性掺合料，其质量份组成是：纳米SiO₂ 60～95；超细矿物掺合料5～40；表面活性剂0～10；其中，所述的纳米SiO₂为SiO₂含量≥95%的高活性纳米颗粒材料；纳米级喷射混凝土改性掺合料粉体颗粒的体积平均径D(4，3)≤150nm。超细矿物掺合料由粉煤灰、沸石粉、偏高岭土、矿渣粉中的一种或几种组成；所述的表面活性剂由聚羧酸类、萘系、脂肪族类、氨基磺酸盐类等有机粉体中的一种组成。将这种掺合料按照水泥质量的5%～15%掺入喷射混凝土拌合物中。本发明能够使湿喷混凝土的回弹率≤8%、凝结时间≤2min、一次喷层厚度≥35cm。

Description

纳米级喷射混凝土改性掺合料

技术领域

本发明涉及一种混凝土掺合料，具体为纳米级喷射混凝土改性掺合料，用于降低喷射混凝土的回弹率、缩短凝结时间、提高一次喷层厚度。

背景技术

隧道施工中为了保证施工安全、减少隧道围岩松弛、及时控制地压的发展，更主要的是为了控制围岩自支护能力的降低，从而更充分地利用围岩自身的自支护能力，通常采用喷射混凝土进行初期支护。

要充分发挥喷射混凝土的支护作用，必须做到：喷射混凝土与围岩紧密附着，即较高的与围岩粘结强度；隧道开挖后，希望在“最短的”的时间内控制围岩的松弛和变形，要求以“最快的”速度向围岩喷射混凝土；让混凝土在“短时间”内达到一定的“初期强度”；最后，具有一定厚度的喷混凝土层，才具有“结构作用”^[1]。喷射混凝土只有在充分考虑其附着性、初期强度和结构作用的条件下，才能发挥其支护作用。

一般喷射混凝土施工作业中，存在一次喷射厚度薄、凝结时间长、回弹率高等缺点，特别是在岩爆、富水、塌方、断层、破碎带等不良地质洞段，普通喷射混凝土施工作业无法满足支护要求。隧洞进入富水区后，隧洞内出现渗滴水、线状渗水、岩溶裂隙与管道(溶洞)集中涌水、高压喷水等多种现象，用传统的喷射方法对其喷护，回弹率大，有渗漏滴水、线状渗水的地方根本喷护不上。

因此，恶劣地质条件下隧洞支护工程对喷射混凝土的材料选择、喷射混凝土的早期强度发展、喷层厚度提出更高的要求。

纳米材料在高性能混凝土中已经得到了广泛的应用^[2,3]，但是作为一种针对湿喷工艺的喷射混凝土特定的性能（回弹率、凝结时间、一次喷层厚度）进行改性的新型掺合料，还鲜见报道。

参考文献

[1]关宝树.隧道及地下工程喷混凝土支护技术[M]. 北京：人民交通出版社2009

[2]汪鹏.纳米高性能混凝土断裂性能试验研究 [D] .郑州：郑州大学，2012

[3]王宝民.纳米SiO₂高性能混凝土性能及机理研究 [D]. 大连：大连理工大学，2009

发明内容  

为了填补现有技术的上述技术空白，本申请的目的是提供一种纳米级喷射混凝土改性掺合料，用于降低喷射混凝土的回弹率、缩短凝结时间、提高一次喷层厚度。

完成上述发明任务的技术方案是，一种纳米级喷射混凝土改性掺合料，其质量份组成如下：纳米SiO₂  60～95；超细矿物掺合料5～40；表面活性剂0～10。纳米级喷射混凝土改性掺合料粉体颗粒的体积平均径D(4，3)≤150nm。

其中，所述的纳米SiO₂为SiO₂含量≥95%的高活性纳米颗粒材料；所述的超细矿物掺合料由体积平均径D(4，3)≤150nm的粉煤灰、沸石粉、偏高岭土、矿渣粉中的一种或几种组成。

所述的“超细”，是指体积平均径D(4，3)≤150nm。

所述的矿物掺合料可由粉煤灰、沸石粉、偏高岭土、矿渣中的一种或几种组成，可根据实际需要（考虑混凝土的性能要求、原材料供应、成本等因素）进行任意组合，他们之间没有特定的比例。其比例对混凝土性能的影响不大。此处列出的是几种常用的掺合料。

所述的表面活性剂由聚羧酸类、萘系表面活性剂、脂肪族类、氨基磺酸盐类等有机粉体中的一种组成。

将这种掺合料按照水泥质量的5%～15%掺入喷射混凝土拌合物中。

本发明的纳米级喷射混凝土改性掺合料可以降低喷射混凝土的回弹率、缩短凝结时间、提高一次喷层厚度。能够使湿喷混凝土的回弹率≤8%、凝结时间≤2min、一次喷层厚度≥35cm。

具体实施方式

掺加纳米级喷射混凝土改性掺合料的混凝土搅拌工艺为：先将粗骨料、纳米级喷射混凝土改性掺合料（以下简称“纳米掺合料”）和50%的拌合用水混合搅拌2分钟，然后加入水泥、细骨料、其他混凝土组份和剩余50%拌合水再搅拌2分钟后出机。

对比组：

以不掺加纳米掺合料的喷射混凝土为对比组。对比组混凝土配合比见下表。速凝剂掺量为水泥质量的8%，在喷嘴处添加。试验隧洞的围岩为III类围岩。采用湿喷工艺进行混凝土喷射。

原材料：

水泥：海螺P·O 42.5；砂：天然河砂，细度模数2.7；石子：5-15mm碎石，减水剂：FDN减水剂，减水率16%，速凝剂为无碱速凝剂。

不掺加纳米掺合料的喷射混凝土配合比

喷射混凝土的凝结时间为210s，回弹率为11%，一次喷层厚度为16cm。

掺加纳米掺合料的喷射混凝土实施例如下：

实施例1，纳米级喷射混凝土改性掺合料质量组成为：

纳米SiO₂：82.5份；

粉煤灰：10份；

萘系表面活性剂：7.5份。

纳米级喷射混凝土改性掺合料掺量为水泥质量的10%，速凝剂掺量为水泥和纳米掺合料总质量的8%，在喷嘴处添加。采用湿喷工艺进行混凝土喷射。喷射混凝土配合比如下：

掺加纳米掺合料喷射混凝土配合比

喷射混凝土的凝结时间为90s，回弹率为6.0%，一次喷层厚度为50cm。

实施例2。纳米级喷射混凝土改性掺合料质量组成为：

纳米SiO₂：62.5份；

粉煤灰：10份；

沸石粉：20份；

萘系表面活性剂：7.5份。

混凝土配合比、喷射工艺与实例1相同。喷射混凝土的凝结时间为95s，回弹率为6.5%，一次喷层厚度为45cm。

实施例3，纳米级喷射混凝土改性掺合料质量组成为：

纳米SiO₂：62.5份；

粉煤灰：10份；

偏高岭土20份；

萘系表面活性剂：7.5份。

混凝土配合比、喷射工艺与实例1相同。喷射混凝土的凝结时间为88s，回弹率为6.0%，一次喷层厚度为55cm。

实施例4，纳米级喷射混凝土改性掺合料质量组成为：

纳米SiO₂：46份；

粉煤灰：10份；

沸石粉：20份；

偏高岭土20份；

聚羧酸类表面活性剂：4份

混凝土配合比、喷射工艺与实例1相同。喷射混凝土的凝结时间为75s，回弹率为6.0%，一次喷层厚度为60cm。

实施例5，纳米级喷射混凝土改性掺合料质量组成为：

纳米SiO₂：46份；

粉煤灰：10份；

沸石粉：20份；

偏高岭土10份；

矿渣粉：10份；

聚羧酸类表面活性剂：4份。

混凝土配合比、喷射工艺与实例1相同。喷射混凝土的凝结时间为78s，回弹率为6.0%，一次喷层厚度为58cm。

实施例6，与以上实施例基本相同，但其质量组成为：纳米SiO₂  95；超细矿物掺合料40（粉煤灰20份，沸石粉20份）；表面活性剂10。

实施例7，与以上实施例基本相同，但其质量组成为：纳米SiO2  60；超细矿物掺合料5（粉煤灰5份）；表面活性剂0。

实施例8，与以上实施例基本相同，但其质量组成为：纳米SiO2  95；超细矿物掺合料5（沸石粉5份）；表面活性剂2。

实施例9，与以上实施例基本相同，但其质量组成为：纳米SiO2  60；超细矿物掺合料40（粉煤灰20份，偏高岭土20份）；表面活性剂8。

实施例9，与以上实施例基本相同，但所述的表面活性剂采用：脂肪族类表面活性剂。

实施例10，与以上实施例基本相同，但所述的表面活性剂采用：氨基磺酸盐类表面活性剂。

Claims (6)

1. 一种纳米级喷射混凝土改性掺合料，其特征在于，其质量份组成如下：纳米SiO₂  60～95；超细矿物掺合料5～40；表面活性剂0～10。

2. 根据权利要求1所述的纳米级喷射混凝土改性掺合料，其特征在于，纳米级喷射混凝土改性掺合料粉体颗粒的体积平均径D(4，3)≤150nm。

3. 根据权利要求1所述的纳米级喷射混凝土改性掺合料，其特征在于，所述的纳米SiO₂为SiO₂含量≥95%的高活性纳米颗粒材料。

4. 根据权利要求1所述的纳米级喷射混凝土改性掺合料，其特征在于，所述的超细矿物掺合料由体积平均径D(4，3)≤150nm的粉煤灰、沸石粉、偏高岭土、矿渣粉中的一种或几种组成。

5. 根据权利要求1所述的纳米级喷射混凝土改性掺合料，其特征在于，所述的表面活性剂由聚羧酸类、萘系、脂肪族类、氨基磺酸盐类等有机粉体中的一种组成。

6. 根据权利要求1-5之一所述的纳米级喷射混凝土改性掺合料，其特征在于，所述纳米级喷射混凝土改性掺合料的使用量为：按照水泥质量的5%～15%掺入喷射混凝土拌合物中。