CN105060836A - 高地温隧道隔热衬砌混凝土及其制备方法 - Google Patents

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本发明属于土木工程材料领技术域，具体涉及一种高地温隧道隔热衬砌混凝土，1m3所含原料质量为：水泥300～380kg、粗骨料850～1000kg、砂子450～550kg、水玻璃200～220kg、玻化微珠8～12kg、Ⅱ级粉煤灰50～150kg、钢纤维40～80kg、丙凝3～5kg、聚羧酸高性能减水剂2～3kg。本发明提供的高地温隧道隔热衬砌混凝土，把围岩支护和隔热结合起来，减少了隧道施工的困难，在高地温环境下，具有良好的隔热性能，同时强度不会降低，硬化后的混凝土强度较高，能达到衬砌混凝土的强度要求，改善了混凝土高地温条件下的力学性能；同时该混凝土具有良好的防水、防开裂性能。

Description

高地温隧道隔热衬砌混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于土木工程材料领技术域，具体涉及一种高地温隧道隔热衬砌混凝土及其制备方法。
背景技术
目前，随着我国公路和铁路的建设，很多工程要穿越山区修建深埋长隧道工程，这些工程不可避免地通过高温高热地段。为保证高地温地段隧道的运营，给在高地温地段施工带来了巨大挑战。
在高温高热地段，围岩的初始温度很高，最高可高达100℃，使衬砌结构混凝土处于高温高热环境中。在高温环境下，混凝土的初期水化速度大大提高，混凝土中的水化热来不及散去，初凝和终凝时间提前，早期强度较高，水化产物物相发生改变，混凝土的后期强度降低，达不到衬砌结构的强度要求。另外，由于高温环境，衬砌混凝土的内外表面产生温度差，产生温度附加应力，使得混凝土开裂，混凝土的耐久性大大降低。在高地热地段，不时会有高温裂隙水流出，对混凝土产生侵蚀作用，进一步影响混凝土的寿命。
为解决上述高地温产生的问题，有的学者从混凝土结构入手，在初期支护与衬砌结构之间加一层保温隔热层，从而达到隔热目的，保证二次衬砌混凝土的强度。如专利号201220214957.2公开的一种地热侵蚀条件下隧洞衬砌用双层结构混凝土，其施工分两步进行，先施工保温层，再施工结构层，施工程序稍显复杂；专利号201110148520.3公开的高地温速度抗放热衬砌结构，初期支护喷射隔热材料，在初期支护和二次衬砌之间还设置有隔热层和防排水隔热复合层，虽然这种结构有很好的抗放热效果，但施工操作太过复杂。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种混凝土，达到隔热、施工简单的高地温隧道隔热衬砌混凝土。具体的技术方案为：
高地温隧道隔热衬砌混凝土，1m3所含原料质量为：水泥300～380kg、粗骨料850～1000kg、砂子450～550kg、水玻璃200～220kg、玻化微珠8～12kg、Ⅱ级粉煤灰50～150kg、钢纤维40～80kg、丙凝3～5kg、聚羧酸高性能减水剂2～3kg。
所述的水泥为普通硅酸盐水泥，型号为P·O42.5。
所述的粗骨料为连续级配的碎石，粒径为5～31.5mm。
所述的玻化微珠为膨胀玻化微珠，规格为80～120kg/m3，粒径大小为1mm～3mm，导热系数为0.048～0.070/W/(m·K)。玻化微珠弥补了用传统保温材料中诸多缺陷和不足，产品后期不产生空鼓开裂，防火性能好，强度高，能较好地弥补混凝土在高地温条件下混凝土强度降低。
所述的粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰，可以替代部分普通硅酸盐水泥作胶凝材料，改善混凝土拌合物的和易性，减少混凝土的收缩和开裂，减少混凝土养护中的水化热，很好地补偿混凝土的后期强度。
钢纤维的掺入量和混凝土的强度等级需根据工程中要求受力的不同而做出变化。
所述的水玻璃为硅酸钠(Na2O·nSiO2)的水溶液，作为粘结剂，提高混凝土的强度，同时水玻璃的耐热性较好。
所述的丙凝作为防水防腐材料，可以有效地防治高地温地段地热水对衬砌混凝土的侵蚀，保证了混凝土的耐久性。
用II级粉煤灰超量取代与高效减水剂双掺技术降低水胶比，从而平衡二衬防水混凝土的低强、大流态和抗渗性的矛盾。
上述隔热混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原材料，并检验所有原材料的质量；
(2)将水泥、砂子、Ⅱ级粉煤灰、玻化微珠、丙凝、聚羧酸高性能减水剂掺入强制式搅拌机搅拌，以合适的速率匀速搅拌1.5min，搅拌的同时加入水玻璃搅拌均匀。
(3)将粗骨料和钢纤维掺入搅拌机中，以合适的速率匀速搅拌2min；
(4)将制得的混凝土分层浇筑，浇筑高度为40cm，并在合适的条件下养护。
本发明提供的高地温隧道隔热衬砌混凝土，把围岩支护和隔热结合起来，减少了隧道施工的困难，在高地温环境下，具有良好的隔热性能，同时强度不会降低，硬化后的混凝土强度较高，能达到衬砌混凝土的强度要求，改善了混凝土高地温条件下的力学性能；同时该混凝土具有良好的防水、防开裂性能。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例，对本发明的具体实施方式进行阐明。
实施例1
高地温隧道隔热衬砌混凝土，1m3所含原料质量如下：
水泥345kg、粗骨料910kg、砂子478kg、水玻璃200kg、玻化微珠10kg、Ⅱ级粉煤灰100kg、钢纤维80kg、丙凝4kg、聚羧酸高性能减水剂3kg。
上述耐热混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原材料，并检验所有原材料的质量；
(2)将水泥、砂子、Ⅱ级粉煤灰、玻化微珠、丙凝、聚羧酸高性能减水剂掺入强制式搅拌机搅拌，以合适的速率匀速搅拌1.5min，搅拌的同时加入水玻璃搅拌均匀。
(3)将粗骨料和钢纤维掺入搅拌机中，匀速搅拌2min；
(4)将制得的混凝土分层浇筑，浇筑高度为40cm，并养护。
混凝土养护28d后，测得其抗压强度为37.8MPa，无裂缝，防水效果较好。
对所制得的混凝土，一侧置于高地温地热环境，模拟温度分别为30℃、40℃、50℃、60℃、80℃，同时伴有地热水，测试其隔热效果、抗压强度、开裂情况、防水效果。
测试结果为：(1)隔热效果：混凝土的另一侧的温度变化不大，随着模拟温度升高，另一侧的温度呈上升趋势，但上升的斜率太小。(2)抗压强度：经过压缩实验测试，混凝土的强度分别为37.3MPa、36.6MPa、35.8MPa、34.7MPa、33.1MPa，能满足混凝土的抗压强度要求。(3)开裂情况：混凝土基本上无开裂。(4)防水效果：经过观察，混凝土的内部无水侵入。
实施例2
高地温隧道隔热衬砌混凝土，1m3所含原料质量如下：
水泥300kg、粗骨料1000kg、砂子450kg、水玻璃220kg、玻化微珠8kg、Ⅱ级粉煤灰50kg、钢纤维40kg、丙凝5kg、聚羧酸高性能减水剂2kg。
上述耐热混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原材料，并检验所有原材料的质量；
(2)将水泥、砂子、Ⅱ级粉煤灰、玻化微珠、丙凝、聚羧酸高性能减水剂掺入强制式搅拌机搅拌，以合适的速率匀速搅拌1.5min，搅拌的同时加入水玻璃搅拌均匀。
(3)将粗骨料和钢纤维掺入搅拌机中，匀速搅拌2min；
(4)将制得的混凝土分层浇筑，浇筑高度为40cm，并养护。
实施例3
高地温隧道隔热衬砌混凝土，1m3所含原料质量如下：
水泥380kg、粗骨料850kg、砂子550kg、水玻璃210kg、玻化微珠12kg、Ⅱ级粉煤灰150kg、钢纤维60kg、丙凝3kg、聚羧酸高性能减水剂2.5kg。
上述耐热混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备原材料，并检验所有原材料的质量；
(2)将水泥、砂子、Ⅱ级粉煤灰、玻化微珠、丙凝、聚羧酸高性能减水剂掺入强制式搅拌机搅拌，以合适的速率匀速搅拌1.5min，搅拌的同时加入水玻璃搅拌均匀。
(3)将粗骨料和钢纤维掺入搅拌机中，匀速搅拌2min；
(4)将制得的混凝土分层浇筑，浇筑高度为40cm，并养护。
对比例1
一种C30高地温隧道隔热衬砌混凝土，1m3所含原料质量如下：
水泥345kg、粗骨料910kg、砂子478kg、水100kg、水玻璃100kg、玻化微珠10kg、Ⅱ级粉煤灰100kg、钢纤维80kg、丙凝4kg、聚羧酸高性能减水剂3kg。
混凝土养护28d后，测得其抗压强度为29.3MPa。与实施例1对比，当无水玻璃时，混凝土强度大幅下降，难以满足混凝土的强度设计要求。
对比例2
一种C30高地温隧道隔热衬砌混凝土，1m3所含原料质量如下：
水泥345kg、粗骨料912kg、砂子480kg、水玻璃200kg、玻化微珠10kg、Ⅱ级粉煤灰100kg、钢纤维20kg、丙凝4kg、聚羧酸高性能减水剂3kg。
混凝土养护28d后，测得其抗压强度为35.9MPa，无裂缝，防水效果较好。与实施例1相比，钢纤维减少，混凝土强度降低。将混凝土置于实施例1所述的高地温环境中时，混凝土一侧开始裂缝。
对比例3
一种C30高地温隧道隔热衬砌混凝土，1m3所含原料质量如下：
水泥345kg、粗骨料910kg、砂子478kg、水玻璃200kg、玻化微珠10kg、Ⅱ级粉煤灰100kg、钢纤维80kg、聚羧酸高性能减水剂3kg。
混凝土养护28d后，测得其抗压强度为38.0MPa，无裂缝。将混凝土置于实施例1所述的高地温环境中，混凝土内部明显的有水渗入，被水侵蚀一侧的混凝土强度降低。
与对比例相比，实施例所制得的隔热混凝土兼具隔热材料和一般衬砌混凝土的性能，隔热效果好，强度高，而且还具有抗裂、防水性能，施工操作方便，可广泛应用到高地温地热地带的隧道二次衬砌混凝土中。

Claims (4)

1.高地温隧道隔热衬砌混凝土，其特征在于，1m3所含原料质量为：水泥300～380kg、粗骨料850～1000kg、砂子450～550kg、水玻璃200～220kg、玻化微珠8～12kg、Ⅱ级粉煤灰50～150kg、钢纤维40～80kg、丙凝3～5kg、聚羧酸高性能减水剂2～3kg。
2.根据权利要求1所述的高地温隧道隔热衬砌混凝土，其特征在于，粗骨料为连续级配碎石，粒径为5～31.5mm。
3.根据权利要求1所述的高地温隧道隔热衬砌混凝土，其特征在于，所述的玻化微珠为膨胀玻化微珠，规格为80～120kg/m3，粒径大小为1mm～3mm，导热系数为0.048～0.070/W/(m·K)。
4.根据权利要求1所述的高地温隧道隔热衬砌混凝土，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
(1)准备原材料，并检验所有原材料的质量；
(2)将水泥、砂子、Ⅱ级粉煤灰、玻化微珠、丙凝、聚羧酸高性能减水剂掺入强制式搅拌机搅拌，搅拌的同时加入水玻璃搅拌均匀；
(3)将粗骨料和钢纤维掺入搅拌机中匀速搅拌制得混凝土；
(4)将制得的混凝土分层浇筑，浇筑高度为40cm，并养护。
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