CN106495621A - 一种无机高性能盾构隧道管片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种无机高性能盾构隧道管片，包括下述各原料组分浇筑而成：胶凝材料、矿物掺合料、填充料、水、分散剂和纤维；所述胶凝材料、矿物掺合料、填充料、水、分散剂和纤维的质量比为1：0.3～0.5：1.2～1.5：0.10～0.18：0.03～0.05：0.25～0.5。本发明盾构隧道管片具有高抗渗性能，高抗裂、耐火、抗爆、耐冲击、耐久性能好、耐酸碱盐腐蚀，结构重量轻等特点，可大幅度减少盾构施工开挖面积，提升隧道防火等级及抗震性能，降低整体施工造价。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种无机高性能盾构隧道管片。
背景技术
我国近几年在若干大城市开始了大规模的地下铁路建设工作。由于盾构隧道施工技术可以最大限度地减少对城市其它设施的影响，所以正逐渐成为地铁隧道施工的主流技术。盾构隧道施工是一种全机械化的施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩石防止发生坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体的开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，从而形成盾构隧道。盾构隧道中，管片环是一个钢筋混凝土圆环，该圆环的内径是隧道的成型直径，依据最大埋深、抗渗能力、抗震能力等技术要点进行设计。由于整体的混凝土圆环是无法在隧道内进行运输、安装的，解决的方法就是将混凝土圆环分解成多块，也即是通过管片的组装形成圆环。因此，管片是盾构隧道结构设计中较为关键的一环，管片的好坏直接关系到工程的安全。
盾构隧道管片主要包括钢材料和混凝土材料。如申请号为201520888999.8的实用新型专利公开了一种隧道钢管片复合层防腐蚀结构，其隧道钢管片的防腐蚀部位包括作为基层的碳钢板和作为复合层的防腐蚀金属板，所述碳钢板上附有防腐蚀金属板，所述防腐蚀金属板厚度占防腐蚀部位总厚度的0.1％～20％。虽然该实用新型对钢管片作了一定的防腐蚀处理，但是钢材料在复杂的地下环境中并不能保证长时间使用后管片不会遭受腐蚀，因此，即使其对钢管片作了一定的处理，但是也不能满足日益发展的隧道工程建设。对于混凝土材料，现阶段主要以C50混凝土类别为主，其在使用过程存在以下问题：1、一般的混凝土管片设计厚度是圆环直径的1/20，随着隧道工程发展，圆环直径不断增大，管片结构尺寸也越来越厚，重量也越来越大，给施工安装造成很大的不便，同时也不断扩大开挖***直径，施工成本升高严重；2、混凝土材料为非均质材料，管片本身制作过程中出现内部微裂纹导致抗渗性能不足，造成安装使用后出现渗水现象，因此大多数工程对管片外部注浆再进行二次砌衬或进行表面防水处理，以增加抗渗性能；3、管片制作过程中出现收面开裂及施工安装过程开裂，抵抗地下盐碱等腐蚀介质性能不足，需要特殊表面处理；4、本身材料抗火性能差，自身材料属于脆性材料，局部抗爆、抗冲击性能差，易出现坍塌破损。
因此，综合以上因素，急需新型材料解决以上问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种重量轻，性能高的适用于隧道建设的盾构隧道管片，该盾构隧道管片具有高抗压、抗弯曲、耐冲击、耐久性能好、耐火、耐酸碱盐等特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：
一种无机高性能盾构隧道管片，包括下述各原料组分浇筑而成：胶凝材料、矿物掺合料、填充料、水、分散剂和纤维；所述胶凝材料、矿物掺合料、填充料、水、分散剂和纤维的质量比为1：0.3～0.5：1.2～1.5：0.10～0.18：0.03～0.05：0.25～0.5。
进一步的，所述胶凝材料为高铝水泥和硅酸盐水泥的混合物，所述高铝水泥和硅酸盐水泥的质量比为1:5～10。
高铝水泥又称为耐火水泥，其以氯酸钙为主，其在水化过程中生成氢氧化铝凝胶，在混凝土颗粒表面形成保护膜，因此其具有较佳的抗腐蚀性能。高铝水泥的早期强度增进率远远超过硅酸盐水泥，但是其后期水化产物发生晶型转变而导致强度降低。当高铝水泥和硅酸盐水泥混合使用时，其能加速硅酸盐水泥的凝结，缓解水化热，并且，选择合适的高铝水泥添加量和硅酸盐水泥添加量，可以使得混凝土获得满意的水化性能，既具有较高的早期强度，也保留了良好的后期强度。
进一步的，所述矿物掺合料为矿渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的混合物，所述矿渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的质量比为1:1～3:3～5:1～2。正如上所述高铝水泥在后期强度有所降低，这其中重要的原因在于，高铝水泥在水化初期或低温下形成的产物为氢氧化铝胶状体，在混凝土表面形成保护膜且填充的晶体间起增强的作用，温度提高后氢氧化铝转变为晶体三水铝石，在这晶型的转变过程中不仅降低了胶体的增强作用，而且还释放出结晶水而使得孔隙率增大。因此发明人通过大量研究发现，通过矿渣、硅粉、陶瓷微粉和粉煤灰的结合，在混凝土制备过程中表现出胶凝性能，生成具有胶凝能力的水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫酸铝钙等化合物，并在生成过程中与同样具有胶凝能力的氢氧化铝相互交织，形成一个高强度胶凝体系。这一个高强度的胶凝体系能防止在后期氢氧化铝在晶型转变时导致的孔隙率变大的缺点。此外，特定添加了陶瓷微粉，除了使得矿物掺合料能填充在混凝土的孔隙中，使得颗粒级配更加合理，达到较佳的密度状态，进一步降低用水量，从而降低水灰比，提高混凝土的密实性和抗渗性外，还实现了防止高铝水泥和硅酸盐水泥的水化产物在高温和低温反复变化过程中导致晶型转变产生的体积不稳定的弊病。
进一步的，所述填充料为河砂、碎玻璃、铝矾土和陶瓷碎片机制砂的混合物，所述河砂、碎玻璃、铝矾土和陶瓷碎片机制砂的质量比为5:0～1:1～3:1～3。优选的，河砂的粒径为0.16～4.75mm，碎玻璃的粒径为0.16～0.63mm，铝矾土的粒径为0.63～2.5mm，陶瓷碎片机制砂的粒径为1～3mm。本发明采用具有较大粒径范围的河砂和陶瓷碎片机制砂和较小粒径的碎玻璃和铝矾土，两种大小粒径的骨料相结合形成混凝土骨架，借助大小颗粒间组成的结构，以及其它组分的填充，既降低了单位体积内的孔隙率，更因较大颗粒物料由较小颗粒物料包围，整体形成一个高效率高强度的结构，承受外力时能分散外力形成的应力集中，提升混凝土制品对外力的抵抗。
进一步的，所述分散剂为高效减水剂、引气剂、甲醇和三乙醇胺的混合物，各组分的质量比为1:0.00015～0.0003:0.002～0.005:0.02～0.04。分散剂能掺入混凝土的混合物中，对混凝土颗粒起分散的作用，从而改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实度和强度，此外，虽然分散剂只是在混凝土凝结过程起着重要作用，对硬化的混凝土后期所起的作用不大，但是，发明人通过对上述分散剂的组合和用量的优化发现，通过上述手段，分散剂的添加还能促进高铝水泥与其它组分反应生产含结合水的矿物，通过这一矿物的快速形成，可以使得混凝土内部在短时间内具有较低的残余水，从而降低混凝土因水分蒸发而产生大的收缩，防止蒸发形成孔隙而降低混凝土内部的粘结力。
进一步的，所述纤维为钢纤维和PVA纤维的混合物，所述钢纤维和PVA纤维的质量比为1:0.015～0.030。优选的，所述钢纤维的直径为0.1～0.5mm，长径比50～100，抗拉强度大于1000兆帕，所述PVA纤维的长度为9～12mm。
进一步的，所述管片内设置有钢筋网，且主受力筋的间距为30～200mm，构造筋的间距不大于200mm。由于制备的是隧道管片，是一个具有一定弧度的混凝土制品，因此发明人对钢筋网的进行排布优化，提高所制备的管片的力学性能表现。主受力筋即为沿管片圆周方向排布的钢筋，构造筋为与主受力筋中横交错的钢筋，与主受力筋形成钢筋网，可采用钢筋Φ8～Φ16。
进一步的，所述管片的厚度为管片组装成的管片环的直径的1/40～1/80。
本发明采用常规的混凝土制备方法制备即可。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明具有高抗压、抗弯曲、耐冲击、耐久性能好、耐火、耐酸碱盐等特点，材料抗压强度在130～200兆帕，是普通混凝土的2～4倍，抗弯曲强度是16～30兆帕，是普通混凝土的6～10倍，断裂能20KJ/m2，是混凝土的100倍左右，材料抗渗可达到P30以上，碳化检测深度为0，电通量为小于100库伦，整体耐久性能非常好，耐酸碱盐腐蚀，耐火检测可达到A1类，明火温度可达到800～1000度，因此是采用该材料可大幅度降低结构设计厚度，提高盾构隧道管片各种综合性能。
具体实施方式
为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明作进一步阐述。
实施例1
一种无机高性能盾构隧道管片，包括下属各原料组分浇筑而成：胶凝材料、矿物掺合料、填充料、水、分散剂和纤维，所述胶凝材料、矿物掺合料、填充料、水、分散剂和纤维的质量比为1：0.3：1.2：0.10：0.03：0.25。
所述胶凝材料为高铝水泥和硅酸盐水泥的混合物，所述高铝水泥和硅酸盐水泥的质量比为1:5。
所述矿物掺合料为矿渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的混合物，所述矿渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的质量比为1:1:3:1。
所述填充料为河砂、碎玻璃、铝矾土和陶瓷碎片机制砂的混合物，所述河砂、碎玻璃、铝矾土和陶瓷碎片机制砂的质量比为5:1:1:1。所述河砂的粒径为0.16～4.75mm，碎玻璃的粒径为0.16～0.63mm，铝矾土的粒径为0.63～2.5mm，陶瓷碎片机制砂的粒径为1～3mm。
所述分散剂为高效减水剂、引气剂、甲醇和三乙醇胺的混合物，各组分的质量比为1:0.00015:0.002:0.02。
所述纤维为钢纤维和PVA纤维的混合物，所述钢纤维和PVA纤维的质量比为1:0.015。所述钢纤维的直径为0.1～0.5mm，长径比50～100，抗拉强度大于1000兆帕，所述PVA纤维的长度为9～12mm。
所述管片内设置有钢筋网，且主受力筋的间距为30mm，构造筋的间距150mm。
所述管片的厚度为管片组装成的管片环的直径的1/40。
实施例2
一种无机高性能盾构隧道管片，包括下属各原料组分浇筑而成：胶凝材料、矿物掺合料、填充料、水、分散剂和纤维，所述胶凝材料、矿物掺合料、填充料、水、分散剂和纤维的质量比为1：0.5：1.5：0.18：0.05：0.5。
所述胶凝材料为高铝水泥和硅酸盐水泥的混合物，所述高铝水泥和硅酸盐水泥的质量比为1:10。
所述矿物掺合料为矿渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的混合物，所述矿渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的质量比为1:3:5:2。
所述填充料为河砂、碎玻璃、铝矾土和陶瓷碎片机制砂的混合物，所述河砂、碎玻璃、铝矾土和陶瓷碎片机制砂的质量比为5:1:3:3。所述河砂的粒径为0.16～4.75mm，碎玻璃的粒径为0.16～0.63mm，铝矾土的粒径为0.63～2.5mm，陶瓷碎片机制砂的粒径为1～3mm。
所述分散剂为高效减水剂、引气剂、甲醇和三乙醇胺的混合物，各组分的质量比为1:0.0003:0.005:0.04。
所述纤维为钢纤维和PVA纤维的混合物，所述钢纤维和PVA纤维的质量比为1:0.030。所述钢纤维的直径为0.1～0.5mm，长径比50～100，抗拉强度大于1000兆帕，所述PVA纤维的长度为9～12mm。
所述管片内设置有钢筋网，且主受力筋的间距为200mm，构造筋的间距150mm。
所述管片的厚度为管片组装成的管片环的直径的1/80。
对比例1
本对比例与实施例1类似，区别在于，所述高铝水泥和硅酸盐水泥的质量比为0.5：8。
对比例2
本对比例与实施例1类似，区别在于，所述矿物掺合料为矿渣、硅粉和粉煤灰，三者的质量比为1:3:1.
对比例3
本对比例与实施例1类似，区别在于，所述矿物掺合料为矿渣、石灰石、硅粉和粉煤灰，三者的质量比为1:1:3:1。
对比例4
本对比例与实施例1类似，区别在于，所述分散剂为高效减水剂、引气剂和甲醇，三者质量比为1：0.00015：0.002。
对比例5
本对比例与实施例1类似，区别在于，所述分散剂为高效减水剂、引气剂、三乙醇胺，三者质量比为1:0.00015:0.02。
对比例6
本对比例与实施例1类似，区别在于，所述河砂的粒径为2.85～4.74mm。
对上述实施例1～2和对比例1～6所制备的管片进行性能测试，结果如下表：
上述实施例仅为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种无机高性能盾构隧道管片，其特征在于，包括下述各原料组分浇筑而成：胶凝材料、矿物掺合料、填充料、水、分散剂和纤维；所述胶凝材料、矿物掺合料、填充料、水、分散剂和纤维的质量比为1：0.3～0.5：1.2～1.5：0.10～0.18：0.03～0.05：0.25～0.5。
2.根据权利要求1所述的无机高性能盾构隧道管片，其特征在于，所述胶凝材料为高铝水泥和硅酸盐水泥的混合物，所述高铝水泥和硅酸盐水泥的质量比为1:5～10。
3.根据权利要求2所述的无机高性能盾构隧道管片，其特征在于，所述矿物掺合料为矿渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的混合物，所述矿渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的质量比为1:1～3:3～5:1～2。
4.根据权利要求3所述的无机高性能盾构隧道管片，其特征在于，所述填充料为河砂、碎玻璃、铝矾土和陶瓷碎片机制砂的混合物，所述河砂、碎玻璃、铝矾土和陶瓷碎片机制砂的质量比为5:0～1:1～3:1～3。
5.根据权利要求4所述的无机高性能盾构隧道管片，其特征在于，所述河砂的粒径为0.16～4.75mm，碎玻璃的粒径为0.16～0.63mm，铝矾土的粒径为0.63～2.5mm，陶瓷碎片机制砂的粒径为1～3mm。
6.根据权利要求4所述的无机高性能盾构隧道管片，其特征在于，所述分散剂为高效减水剂、引气剂、甲醇和三乙醇胺的混合物，各组分的质量比为1:0.00015～0.0003:0.002～0.005:0.02～0.04。
7.根据权利要求6所述的无机高性能盾构隧道管片，其特征在于，所述纤维为钢纤维和PVA纤维的混合物，所述钢纤维和PVA纤维的质量比为1:0.015～0.030。
8.根据权利要求7所述的无机高性能盾构隧道管片，其特征在于，所述钢纤维的直径为0.1～0.5mm，长径比50～100，抗拉强度大于1000兆帕，所述PVA纤维的长度为9～12mm。
9.根据权利要求7所述的无机高性能盾构隧道管片，其特征在于，所述管片内设置有钢筋网，且主受力筋的间距为30～200mm，构造筋的间距不大于200mm。
10.根据权利要求7所述的无机高性能盾构隧道管片，其特征在于，所述管片的厚度为管片组装成的管片环的直径的1/40～1/80。
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