CN102838323A

CN102838323A - 一种隧道用高性能混凝土胶凝材料及其应用

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Publication number: CN102838323A
Application number: CN2012103502000A
Authority: CN
Inventors: 孙亚婷; 梅志荣; 马士伟; 李蓉; 杜俊; 李传富
Original assignee: China Railway Southwest Research Institute Co Ltd
Current assignee: China Railway Southwest Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: CN102838323B

Abstract

本发明公开了一种混凝土胶凝材料，所述混凝土胶凝材料包括水泥和硅溶胶。本发明还公开了一种采用本发明提供的混凝土胶凝材料制备的隧道用高性能混凝土，且适用于喷射混凝土、模筑混凝土及其它。采用本发明提供的混凝土胶凝材料或者隧道用高性能混凝土，应用于喷射混凝土，可有效降低回弹率，最低降至4.1%；而且其工作性能好，得到的混凝土成品早期强度高，抗冻性好、防水性能和耐久性都得到提高，可以降低水泥用量，减少碳排放，具有良好的经济效益和环保效益。

Description

一种隧道用高性能混凝土胶凝材料及其应用

技术领域

本发明涉及一种混凝土胶凝材料，特别涉及一种隧道用高性能混凝土的混凝土胶凝材料。

背景技术

20世纪90年代以后，由于许多大型结构物尤其是高层建筑物和大跨度桥梁的兴建，混凝土设计等级提高，大剂量高效减水剂以及矿物掺合料的复合应用，使水灰比(水胶比)可以大幅度降低，配制生产出来的拌合物强度发展迅速，满足了工程施工对混凝土的需求。这一时期，水泥混凝土技术还发生了一系列重大的变化，包括水泥中的硅酸三钙(早强矿物)增多、粉磨细度加大，使活性大幅度提高；以散装运输车大包装方式运送和储存水泥的发展，使水泥进入混凝土搅拌机时的温度明显升高，尤其在炎热的夏季可达90-100℃；混凝土中水泥用量的增大，进一步加剧了水化温升。水化温升导致混凝土自身收缩增大，由于混凝土自生收缩增大，尤其是混凝土早期强度和弹性模量增长迅速，徐变能力很快降低，使混凝土早期变形受约束产生的弹性拉应力明显增大，且得不到松弛，因此在外界的荷载和环境条件下引起的干缩、温度收缩叠加作用下就容易出现开裂。尽管许多时候出现的裂缝尚在0.20mm以内，但是这种被认为是对结构承载力无害的裂缝，从耐久性的角度来说，正是外界侵蚀性的介质进入混凝土的通道，给混凝土结构的耐久性造成隐患。

在隧道施工和其它一些特殊混凝土施工环境中，需要进行喷射混凝土施工，当混凝土被喷至目标位置时，由于重力和弹力或者其它作用的力的共同作用，使得混凝土回弹，传统混凝土的回弹率在15%左右，甚至更大，造成了物料的浪费和施工人员工作环境的恶化。如何提高混凝土的耐久性和降低喷射混凝土回弹率一直是隧道用混凝土胶凝材料研究的热门方向。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有混凝土耐久性不足、水泥用量过大、喷射回弹率高的缺点，提供一种隧道用高性能混凝土胶凝材料。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种混凝土胶凝材料，包括水泥和硅溶胶；

所述硅溶胶为二氧化硅颗粒在水中的分散体系，硅溶胶失水后的二氧化硅与水泥的质量比为0.3～3：100。

优选的，所述硅溶胶失水后的二氧化硅与水泥的质量比为0.5～1：100。

硅溶胶可以有效降低喷射混凝土的回弹率，可以将混凝土喷射回弹率最低降至4.1%；并且，纳米级二氧化硅可以明显降低水泥浆体的结构缺陷，改善微观结构，提高水泥硬化浆体的密实度和强度。硅溶胶中相对于混凝土的活性成分是二氧化硅水合物，所以用硅溶胶失水后的二氧化硅来限定硅溶胶。

优选的，所述混凝土胶凝材料还包括纳米碳酸钙，所述纳米碳酸钙的粒径为1～60nm，所述纳米碳酸钙、硅溶胶失水后的二氧化硅和水泥的质量比为0.3～3：0.3～3：100。

纳米碳酸钙在水泥浆的水化过程中，参与水化反应，生成水化碳铝酸钙，阻碍或延缓钙矾石AFt向AFm的转化。纳米碳酸钙的加入使得水泥浆中钙矾石AFt的数量提高，并出现低碳型水化碳铝酸钙3CaO·Al₂O₃·CaCO₃·11H₂O，其结构密实，可利于混凝土抗渗性能提高。纳米碳酸钙还可以起到润滑作用，其掺加有利于大幅度提高相应拌和物的窄口通过能力。随着纳米碳酸钙掺入，C-S-H凝胶可在纳米碳酸钙表面形成并键合，钙矾石也可在碳酸钙表面生成，均可形成以纳米碳酸钙为核心的刺猬状结构。形成以纳米矿粉为网络结点，键合更多纳米级的C-S-H凝胶，并键合成三维网络结构，可提高混凝土的早期强度，并且可以大大地提高水泥硬化浆体的物理力学性能和耐久性。

优选的，所述纳米碳酸钙、硅溶胶失水后的二氧化硅和水泥的质量比为0.5～1：0.5～1：100。

优选的，所述的纳米碳酸钙为膏状纳米碳酸钙。

膏状纳米碳酸钙可以使得纳米碳酸钙加入施工更加容易。

优选的，所述的纳米碳酸钙粒径为15～40nm。

优选的，所述混凝土胶凝材料还包括微珠，所述微珠、纳米碳酸钙、硅溶胶失水后的二氧化硅、水泥的质量比为：4～25：0.3～3：0.3～3：75～95；所述微珠为表面光滑的玻璃体，主要包括以下质量百分比组分：二氧化硅50～55%，三氧化二铝25～26%，三氧化二铁5～7%，氧化钙5～6%，平均粒径1.0～1.2μm，密度2.52g/cm³，表观密度0.8-1.0g/cm³，球体抗压强度≥800MPa，含水量≤0.1%。

微珠的加入可以改善混凝土的工作性能，并且能提高混凝土胶凝材料活性，水化产物更致密，进一步提高混凝土的力学性能和耐久性能。

优选的，所述混凝土胶凝材料还包括粉煤灰，所述微珠、粉煤灰、纳米碳酸钙、硅溶胶失水后的二氧化硅、水泥的质量比为：4～12：15～40：0.3～3：0.3～3：50～80。

粉煤灰可以替代部分水泥，可以降低成本并减少碳排放，能有效降低混凝土水化热，粉煤灰有利于提高混凝土工作性，密实性，进一步提高混凝土的耐久性。

进一步优选的，所述粉煤灰为一级粉煤灰。

进一步优选的，所述微珠、粉煤灰、纳米碳酸钙、硅溶胶失水后的二氧化硅、水泥的质量比为：6～12：20～40：0.5～1：0.5～1：55～80。

所述硅溶胶、纳米碳酸钙、微珠、粉煤灰按比例同时使用，能够使得采用本发明提供的混凝土胶凝材料制备的混凝土的综合性能提高。

所述的混凝土胶凝材料应用于混凝土。

与现有技术相比，本发明的有益效果

采用本发明提供的混凝土胶凝材料，纳米材料能明显降低水泥浆体的结构缺陷，改善微观结构，提高水泥硬化浆体的密实度和强度。硅溶胶可以有效降低喷射混凝土的回弹率，可以将其最低降至4.1%；并且，纳米级二氧化硅可以明显降低水泥浆体的结构缺陷，改善微观结构，提高水泥硬化浆体的密实度和强度。纳米碳酸钙在水泥浆的水化过程中，参与水化反应，生成水化碳铝酸钙，阻碍或延缓钙矾石AFt向AFm的转化。纳米碳酸钙的加入使得水泥浆中钙矾石AFt的数量提高，并出现低碳型水化碳铝酸钙3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O，其结构密实，可利于混凝土抗渗性能提高。纳米碳酸钙还可以起到润滑作用，其掺加有利于大幅度提高相应拌和物的窄口通过能力。随着纳米碳酸钙掺入，C-S-H凝胶可在纳米碳酸钙表面形成并键合，钙矾石也可在碳酸钙表面生成，均可形成以纳米碳酸钙为核心的刺猬状结构。形成以纳米矿粉为网络结点，键合更多纳米级的C-S-H凝胶，并键合成三维网络结构，可大大地提高水泥硬化浆体的物理力学性能和耐久性。

微珠的加入可以改善混凝土的工作性能，并且微珠超细的特点能提高混凝土胶凝材料活性，水化产物更致密，进一步提高混凝土的力学性能和耐久性能。

粉煤灰与微珠同时配合硅溶胶和膏状纳米碳酸钙，硅溶胶和膏状纳米碳酸钙这两种非粉体纳米材料通过拌合用水带入混凝土拌和物中，充分发挥纳米材料活性，可以显著提高混凝土耐久性。与此同时，粉煤灰与微珠两种活性矿物掺合料部分取代水泥，可大幅度降低水泥用量，减少碳排放，具有良好的经济效益和环保效益。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实验例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

将硅溶胶（或者硅溶胶和纳米碳酸钙）加入至混凝土拌合用水，搅拌均匀，将其与水泥、骨料（或者包括微珠、粉煤灰、水泥、骨料）拌合均匀，掺入其它外加剂时，应根据外加剂的状态和技术使用要求，制定合理的混合步骤，同时确定搅拌时间，得到隧道用高性能混凝土。搅拌时间和骨料、水灰比（水胶比）不属于本发明的技术方案内容，并且本领域技术人员能够根据相应条件毫无异义确定上述实验条件。以下实验例均采用上述方法制得隧道用高性能混凝土；对比例只采用水泥作为混凝土胶凝材料制得混凝土。实施例中，实施例1～3采用固含量40%的硅溶胶，实施例4～6采用30%的硅溶胶。

表1各实验例混凝土胶凝材料配方

	水泥(kg)	硅溶胶(kg)	纳米碳酸钙(kg)	微珠(kg)	粉煤灰(kg)
						实施例1	100	1.5
实施例2	100	1.3	0.4
						实施例3	100	7	0.6
实施例4	50	1	3	12	40
						实施例5	60	2	1.6	8	30
实施例6	80	4	0.5	4	20
						对比例	100

按上述实验例配方得到的混凝土胶凝材料制作喷射混凝土，所述喷射混凝土中混凝土胶凝材料、骨料、水的质量比例为18.5：75.5：6，并进行喷射实验，回弹量和喷射总量的比值即为回弹率。耐久性实验采用上述实验例配方得到的混凝土胶凝材料制作模筑混凝土，所述模筑混凝土中混凝土胶凝材料、骨料、水的质量比例为15：78.5：6.5。根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》进行抗渗、抗碳化、电通量、抗硫酸盐侵蚀、冻融等耐久性能测试。得到以下结果：

表2各实验例混凝土性能参数

表3冻融试验结果

从以上实验数据可以得出以下结论：采用本发明提供的混凝土胶凝材料相对于常规混凝土胶凝材料，能使喷射混凝土的回弹率明显降低，并且得到的模筑混凝土抗渗性能明显提高，56d电通量、碳化深度明显降低，抗蚀系数明显提高；并且，冻融实验结果也表明采用本发明提供的混凝土胶凝材料制备的混凝土抗冻性能提高。表明采用本发明提供的混凝土胶凝材料制备的混凝土耐久性提高。得到本发明提供的混凝土胶凝材料适用于隧道喷射混凝土和模筑混凝土，并且能够减少混凝土回弹且耐久性得到提高的实验结果。

Claims

1.一种混凝土胶凝材料，其特征在于，所述混凝土胶凝材料包括水泥和硅溶胶；

2.如权利要求1所述的混凝土胶凝材料，其特征在于，所述硅溶胶失水后的二氧化硅与水泥的质量比为0.5～1：100。

3.如权利要求1所述的混凝土胶凝材料，其特征在于，所述混凝土胶凝材料还包括纳米碳酸钙，所述纳米碳酸钙的粒径为1～60nm，所述纳米碳酸钙、硅溶胶失水后的二氧化硅和水泥的质量比为0.3～3：0.3～3：100。

4.如权利要求3所述的混凝土胶凝材料，其特征在于：所述纳米碳酸钙、硅溶胶失水后的二氧化硅和水泥的质量比为0.5～1：0.5～1：100。

5.如权利要求3或者4所述的混凝土胶凝材料，其特征在于，所述纳米碳酸钙为膏状纳米碳酸钙。

6.如权利要求3或者4所述的混凝土胶凝材料，其特征在于，所述纳米碳酸钙粒径为15～40nm。

7.如权利要求5所述的混凝土胶凝材料，其特征在于，所述纳米碳酸钙粒径为15～40nm。

8.如权利要求3、5、6、7任一所述的混凝土胶凝材料，其特征在于，所述混凝土胶凝材料还包括微珠，所述微珠、纳米碳酸钙、硅溶胶失水后的二氧化硅、水泥的质量比为：4～25：0.3～3：0.3～3：75～95；所述微珠为表面光滑的玻璃体，主要包括以下质量百分比组分：二氧化硅50～55%，三氧化二铝25～26%，三氧化二铁5～7%，氧化钙5～6%，平均粒径1.0～1.2μm，密度2.52g/cm³，表观密度0.8-1.0g/cm³，球体抗压强度≥800MPa，含水量≤0.1%。

9.如权利要求8所述的混凝土胶凝材料，其特征在于，所述的胶凝材料还包括粉煤灰，所述微珠、粉煤灰、纳米碳酸钙、硅溶胶失水后的二氧化硅、水泥的质量比为：4～12：15～40：0.3～3：0.3～3：50～80。

10.如权利要求8所述的混凝土胶凝材料，其特征在于，所述的粉煤灰为一级粉煤灰。

11.如权利要求9或者10所述的混凝土胶凝材料，其特征在于，所述微珠、粉煤灰、纳米碳酸钙、硅溶胶失水后的二氧化硅、水泥的质量比为：6～12：20～40：0.5～1：0.5～1：55～80。

12.如权利要求1～11任一所述的混凝土胶凝材料，其特征在于，所述混凝土胶凝材料应用于混凝土。