CN107352923A - 用于盾构隧道管片的抗渗混凝土及制备该管片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于盾构隧道管片的抗渗混凝土及制备该管片的方法，包括P.O42.5水泥355‑415份；砂488‑567份；953‑1212份；水117‑138份；粉煤灰35‑55份；亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物1.5‑3.5份；聚对苯二甲酰对苯二胺纤维5‑9份；膨胀剂7‑15份；沥青3‑7份。通过上述设置，粗细骨料具备良好的颗粒级配，能够减小粗细骨料之间的间隙，便于提高混凝土的抗渗能力；亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物能够降低用水量，而膨胀剂对混凝土收缩有补偿功能，均提高混凝土的抗裂性，均可降低空隙率；再通过聚对苯二甲酰对苯二胺纤维与混凝土的结合，将缝隙填充，进一步加强混凝土的抗渗性能。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土制备技术领域，特别涉及一种用于盾构隧道管片的抗渗混凝土及制备该管片的方法。
背景技术
现今的施工技术，使得城市轨道交通发展的尤为迅速和重要，甚至是地方经济的重要指标，其中地铁的建造现在大多采用较为成熟的盾构技术，通过盾构机施工，将预制的成品混凝土管片拼装成型，从而形成地铁隧道的最内层的支撑和屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特荷载在的作用，是盾构隧道施工的主要装配构件，所以管片的各项质量直接影响到工程整体的质量。
管片的预制生产一般采用高胶凝材料、低水胶比、低坍落度的混凝土材料，从而保证管片的高强度和一定的抗渗性。申请公布号为CN106431063A的中国专利文件《一种用于地铁盾构管片的促凝早强型聚羧酸减水剂》中公开了一种添加有特殊减水剂的地铁用管片，根据混凝土外加剂的复配机理，提出以减水型、促凝早强型聚羧酸母液为主，辅之以具有良好相容性的引气剂、消泡剂、促凝剂、阻锈剂、防腐剂等组分，经混合、搅拌形成均匀的溶液，即可使得管片获得合适的凝结时间和早期强度。
但是，由于管片衬砌结构是盾构隧道的永久性衬砌措施，不仅需要在施工时满足早期强度以便于运输、安装，还要考虑管片衬砌结构在长期使用状态下的抗渗性能，因为管片内设有大量的受力钢筋、预埋件、预留孔以及环向环间连接螺栓，因此管片自身混凝土的抗渗性能直接影响到管片的质量和使用寿命，对于整个盾构隧道的正常使用尤为重要。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的一在于提供一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，能够使得采用该混凝土制成的预制管片具备良好的抗渗性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种用于盾构隧道管片的抗渗混凝土，包括，
P.O42.5水泥355-415份；
砂488-567份；
石953-1212份；
水117-138份；
粉煤灰35-55份；
亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物1.5-3.5份；
聚对苯二甲酰对苯二胺纤维5-9份；
膨胀剂7-15份；
沥青3-7份。
通过上述技术方案，粗细骨料具备良好的颗粒级配，能够减小粗细骨料之间的间隙，从而提高混凝土的抗渗能力；亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物能够降低水泥水化热峰值，对水泥颗粒有分散作用，能改善其工作性，减少单位用水量，从而减少混凝土中水分后期蒸发形成的孔隙量，降低孔隙比，进一步提高了混凝土的抗渗性能；而同时膨胀剂对混凝土收缩有补偿功能，能够在混凝土内部形成致密的结构，不仅提高混凝土的抗裂性减少裂缝的产生，也能减少内部的孔隙；再将聚对苯二甲酰对苯二胺纤维加入混凝土基料中，经搅拌后，形成纤维单丝或网状结构充分张开，在混凝土内部形成一种乱向支撑体系，能极有效的控制混凝土及水泥砂浆的早期的塑性收缩和沉降裂纹，大大提高混凝土的抗渗性能；同时，聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的聚合物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构，且由于其分子链为线性结构，使得聚对苯二甲酰对苯二胺纤维能够有效地利用空间而具备高效的填充效率，在单位体积内能够容纳很多聚合物，通过膨胀剂中生成的膨胀物质在混凝土中产生的压应力，进一步的将聚对苯二甲酰对苯二胺纤维压缩并填充于混凝土的孔隙中，从而极大的降低了混凝土的孔隙率，进一步提高混凝土的抗渗等级。
进一步优选为，包括如下重量组分：
P.O42.5水泥380-400份；
砂500-520份；
石1000-1200份；
水120-128份；
粉煤灰40-45份；
亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物2-3.5份；
聚对苯二甲酰对苯二胺纤维7-9份；
膨胀剂12-15份；
沥青3-7份；
膨胀剂为无水硫酸铝、十二水硫酸铝钾中至少一种。
采用上述技术方案，按该组分配合而制成的管片混凝土具备有更好的抗渗性能，而且同时也具备更好的抗压强度和和易性。
进一步优选为包括如下重量份数的组分：
P.O42.5水泥380-400份；
砂500-520份；
石1000-1200份；
水120-128份；
粉煤灰40-45份；
亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物2-3.5份；
聚对苯二甲酰对苯二胺纤维7-9份；
膨胀剂12-15份；
沥青3-7份；
膨胀剂为按重量份数比为2.5-4:1.5-2的无水硫酸铝、十二水硫酸铝钾。
采用上述技术方案，经研究发现无水硫酸铝在混凝土搅拌成型的早期即可反应生成大量的膨胀性结晶水化物，而膨胀性结晶水化物由于其处于混凝土内部会产生压应力，其可以大致抵消混凝土干缩时产生的拉应力，从而减少混凝土收缩开裂；进一步的混凝土成型中期时，十二水硫酸铝钾混凝土中水泥水化物反应形成膨胀性的钙矾石，将混凝土内部的孔隙填充，减小孔隙率，提高抗渗性能。
进一步优选，还包括有重量份数为22-31份的矿渣粉；6-9份的硅粉。
采用上述技术方案，矿渣粉和硅粉均能够代替部分水泥，减少水泥用量，降低水泥水化热，也能使得混凝土中的粗细骨料以及胶凝材料分散更加均匀，能够提高混凝土的流动性，在水灰比较小的前提下，保持成品混凝土具备良好的和易性和保坍性，便于施工浇筑。
进一步优选，砂的含泥量为1.2％-1.5％，细度模数为2.3-2.8，砂采用Ⅱ级中粗砂且其中粒径在0.315mm以下的砂的含量为20％-25％。
进一步优选，石由6-25mm连续颗粒级配的碎石组成，且其中粒径小于16mm的碎石含量为70％-85％，石的含泥量为0.2％-0.6％。
采用上述技术方案，由于管片混凝土浇筑振捣时管片中设有大量的钢筋和预埋件，因此需要对砂石的细度模量以及粒径大小进行严格控制，通过上述设置的颗粒级配，使得搅拌后的混凝土具备良好的流动性，保证混凝土在很小的坍落度的情况下受振后有很好的和易性能够迅速填充模具；同时设置合理的颗粒级配也能够增强混凝土的整体连续性，减小粗细骨料之间的孔隙，达到增强抗渗性能的效果。
进一步优选，粉煤灰选用Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰的细度模量小于12％，水量比小于95％，烧失量小于5％，强度活性指数大于70％。
采用上述技术方案，粉煤灰能够替代部分水泥，从而减少水泥用量，降低混凝土成型后的水化热，减少裂缝的产生，同时也能够提高混凝土的强度，进一步的能够极大的加强混凝土粗细骨料之间的分散程度，使得混凝土的和易性得到进一步加强，方便浇筑施工。
本发明的目的二在于提供一种采用用于盾构隧道管片的抗渗混凝土制备管片的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：一种采用用于盾构隧道管片的抗渗混凝土制备管片的方法，包括如下步骤，
S1、将355-415份P.O42.5水泥、953-1212份石、488-567份砂、35-55份粉煤灰、1.5-3.5份亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物、80-100份水混合搅拌均匀成为搅拌物一；
S2、将7-15份膨胀剂、3-7份沥青、20-25份水搅拌均匀成为搅拌物二；
S3、将搅拌物一、搅拌物二、以及5-9份的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维充分搅拌混合均匀，成为搅拌物三；
S4、将22-31份矿渣粉、6-9份硅粉、剩余重量份数的水以及搅拌物三充分搅拌均匀，制得管片混凝土；
S5、管片混凝土采用能限制边界的钢模进行浇筑，并进行充分振捣，振捣完成后静置2-3小时，并于脱模前通过50℃-55℃的蒸汽养护，养护时间为5-11小时。
采用上述技术方案，将粗细骨料、掺和料、亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物和水作为搅拌物一的组分，使得亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物能够充分发挥其对水泥颗粒的分散作用，达到降低单位体积混凝土的用水量，并改善搅拌物一的流动性，还具备缩短混凝土初凝时间的早强效果；将膨胀剂、沥青和水均匀搅拌成为搅拌物二，再将搅拌物二与搅拌物一以及聚对苯二甲酰对苯二胺纤维充分搅拌混合均匀，成为搅拌物三,膨胀剂能够使得混凝土内部形成致密的结构减小孔隙率提高抗渗能力，沥青作为粘合计，能够使得各种组分之间，尤其是聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和粗细骨料之间能够粘合更加紧密，达到提高混凝土整体抗渗性能的效果。而采用能限制边界的钢模进行浇筑使得膨胀剂在混凝土内部作用时，能够由膨胀形成挤压应力，从而使得混凝土内部形成致密的结构，降低孔隙率；通过蒸汽养护能够缩短养护时间，也能够极大的减少水泥水化热带来的内外温差的温度应变而产生的裂缝。
进一步优选，蒸汽养护时，保持环境相对湿度为90％-100％。
采用上述技术方案，保持环境相对湿度有利于防止混凝土表层失水过快而产生裂缝。
综上所述，本发明具有以下有益效果：配制合适的粗细骨料的颗粒级配，使的混凝土形成良好的整体连续性，降低孔隙率，提高了混凝土的抗渗性能；亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物对水泥颗粒有分散作用，能改善其工作性，减少单位用水量，从而减少混凝土中水分后期蒸发形成的孔隙量，降低孔隙率，进一步提高了混凝土的抗渗性能；而同时膨胀剂对混凝土收缩有补偿功能，能够在混凝土内部形成致密的结构，不仅提高混凝土的抗裂性减少裂缝的产生，也能减少内部的孔隙；再将聚对苯二甲酰对苯二胺纤维加入混凝土基料中，经搅拌后，形成纤维单丝或网状结构充分张开，在混凝土内部形成一种乱向支撑体系，能极有效的控制混凝土及水泥砂浆的早期的塑性收缩和沉降裂纹，大大提高混凝土的抗渗性能，再通过膨胀剂中生成的膨胀物质在混凝土中产生的压应力，进一步的将聚对苯二甲酰对苯二胺纤维压缩并填充于混凝土的孔隙中，从而极大的降低了混凝土的孔隙率，进一步提高混凝土的抗渗等级。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，组分及其相应重量份数如表1所示，并通过如下步骤制得：
S1、将P.O42.5水泥、石、砂、亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物、90份水混合搅拌均匀成为搅拌物一。其中石由6-25mm连续级配的碎石组成，且粒径小于16mm的碎石含量为75％，石的含泥量为0.3％；砂的含泥量为1.2％，细度模数为2.3-2.8，砂采用Ⅱ级中粗砂且其中粒径在0.315mm以下的砂的含量为21％。
S2、将沥青、25份水、重量份数比为2.5:1.5的无水硫酸铝和十二水硫酸铝钾搅拌均匀成为搅拌物二；
S3、将搅拌物一、搅拌物二、以及相应重量的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维充分搅拌混合均匀，成为搅拌物三；
S4、将相应重量份数的粉煤灰、矿渣粉、10份的水以及搅拌物三充分搅拌均匀，制得管片混凝土。其中，粉煤灰选用Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰的细度模量为10％，水量比为90％，烧失量为3％，强度活性指数为80％。
S5、管片混凝土采用能限制边界的钢模进行浇筑，并进行充分振捣，振捣完成后静置2.5小时，并于脱模前通过50℃-55℃的蒸汽养护，养护时间为8小时。
蒸汽养护时，保持环境相对湿度为90％-100％。
实施例2-6：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，组分及其相应的重量份数如表1所示。
表1.实施例1-4中组分及其相应的重量份数
实施例7：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，膨胀剂为重量份数为7份的无水硫酸铝。
实施例8：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，膨胀剂为重量份数为7份的十二水硫酸铝钾。
实施例9：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，膨胀剂由按重量份数比为2.5:2的无水硫酸铝和十二水硫酸铝钾组成。
实施例10：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，膨胀剂由按重量份数比为3:2的无水硫酸铝和十二水硫酸铝钾组成。
实施例11：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，膨胀剂由按重量份数比为4:2的无水硫酸铝和十二水硫酸铝钾组成。
实施例12：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，还包括22份矿渣粉和6份硅粉。
实施例13：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，还包括25份矿渣粉和7份硅粉。
实施例14：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，还包括28份矿渣粉和8份硅粉。
实施例15：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，还包括31份矿渣粉和9份硅粉。
实施例16：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，砂含泥量为3％。
实施例17：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，砂细度模量为3.0。
实施例18：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，砂细度模量为1.6。
实施例19：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，石的颗粒级配为26mm-35mm。
实施例20：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，石的含泥量为1.2％。
实施例21：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，粉煤灰等级为Ⅰ级且细度模量为8％，水量比为85％，烧失量为1％，强度活性指数为85％。
实施例22：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，粉煤灰等级为Ⅱ级且细度模量为15％，水量比为97％，烧失量为7％，强度活性指数为65％。
为了能够将各组分以及其含量的变化在混凝土中起到的不同作用有对比的显示出来，设置了如下的12组对比例。
对比例1-4：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，组分及其相应的重量份数如表2所示。
表2.对比例1-4中的组分及其相应的重量份数
对比例5-9：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，组分及其相应的重量份数如表3所示。
表3.对比例5-9中的组分及其相应的重量份数
对比例10：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，采用重量份数相同且生产地相同的P.O42.5R水泥。
对比例11：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，采用重量份数相同且生产地相同的P.O32.5水泥。
对比例12：一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，与实施例1的区别在于，采用重量份数相同且生产地相同的P.O52.2水泥。
试配混凝土抗渗试验
试验样品：选取实施例1-22作为试验样品1-22，选取对比例1-12作为对照样品1-12，并从实施例1开始至对照组12依次编号为1-34。
试验方法：选取试验样品1-22和对照样品1-12共34组28d龄期的标准混凝土试件，每组取6块，清理试件表面达到清洁后，在试件侧面滚涂一层熔化的密封材料，并装入抗渗仪中按照标准抗渗试验。试验时，水压从0.2Mpa开始，每隔2h增加0.025Mpa水压并随时记录试块端面渗水情况，一直加到6个试块中有3个试块表面发现渗水，记下此时的水压力即为当前试件组的抗渗等级。
实验结果：第1-34组样品的渗水等级如表4所示。
试配混凝土抗压强度试验
试验样品：选取实施例1-22作为试验样品1-22，选取对比例1-12作为对照样品1-12，并从实施例1开始至对照组12依次编号为1-34。
试验方法：选取试验样品1-22和对照样品1-12共34组28d龄期的标准混凝土试件，每组取6块，清理试件表面达到清洁后，将每块混凝土试件放置于标准的抗压强度试验机上，依次施加压力直至试件表面出现裂纹，记录此时的压力值，每组去掉一个最高值再去掉一个最低值，取平均值即为该组的抗压强度。
试验结果：第1-34组的样品抗压强度等级如表4所示。
表4.第1-31组样品的最大水压力
试验数据分析：本次盾构隧道管片构件设计抗压强度等级为C50、抗渗等级为P10，即最大静水压力为1.000Mpa。对比第1组-第22组的数据：
从1-6组实验数据对比可知，第2和第3组的配合比组分较优，抗渗性和抗压强度均较好，强度值、胶凝材料用量、水灰比均符合鲍米罗经验公式；从第7-11组与第1组实验数据对比可知，膨胀剂中无水硫酸铝与十二水硫酸铝钾的重量份数比为2.5-4:1.5-2时，均可满足混凝土对于抗渗性和抗压强度的要求，且当2.5:1.5时效果较优；从第12-15组实验数据与第1组数据对比可知，矿渣粉和硅粉对于混凝土提高抗渗性和抗压强度有明显的作用；从第16、17、18组数据与第1组数据对比可知，砂的含泥量较大时对于混凝土的抗渗性以及抗压强度均有不良影响，砂的细度模量过大对抗渗性能影响较为严重，而过小抗渗性能上变化不大但是混凝土成品强度下降较多；从第19、20组数据与其他组数据对比可知，石的颗粒级配太大会严重影响混凝土的抗渗性能，而含泥量过多也会明显导致混凝土抗渗性能的下降；通过第21和22组与第1组数据对比可知，粉煤灰的细度模量、水量比、烧失量、强度活性指数均对于混凝土的抗渗性和抗压强度有较大的影响，等级较优的粉煤灰有利于提高混凝土的抗渗等级和抗压强度。
从对比例1-12中的数据，即第23-34组数据，横向对比以及与第1组数据对比可知，亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、膨胀剂、沥青均对混凝土的抗渗性能均有明显的影响；而通过第30组数据与第一组对比可知，缺少沥青组分对于混凝土成品的抗渗性能影响较小，但是现场试验发现，制成的成品混凝土的和易性较差，坍落度较大，流动性较差，不利于施工时泵送。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，其特征在于，包括如下重量份数的组分：
P.O42.5水泥355-415份；
砂488-567份；
石953-1212份；
水117-138份；
粉煤灰35-55份；
亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物1.5-3.5份；
聚对苯二甲酰对苯二胺纤维5-9份；
膨胀剂7-15份；
沥青3-7份。
2.根据权利要求1所述的用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，其特征在于包括如下重量份数的组分：
P.O42.5水泥380-400份；
砂500-520份；
石1000-1200份；
水120-128份；
粉煤灰40-45份；
亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物2-3.5份；
聚对苯二甲酰对苯二胺纤维7-9份；
膨胀剂12-15份；
沥青3-7份；
膨胀剂为无水硫酸铝、十二水硫酸铝钾中至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，其特征在于包括如下重量份数的组分：
P.O42.5水泥380-400份；
砂500-520份；
石1000-1200份；
水120-128份；
粉煤灰40-45份；
亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物2-3.5份；
聚对苯二甲酰对苯二胺纤维7-9份；
膨胀剂12-15份；
沥青3-7份；
膨胀剂为按重量份数比为2.5-4:1.5-2的无水硫酸铝、十二水硫酸铝钾。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，其特征在于：还包括有重量份数为22-31份的矿渣粉；6-9份的硅粉。
5.根据权利要求1所述的用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，其特征在于：所述砂的含泥量为1.2%-1.5%，细度模数为2.3-2.8，所述砂采用Ⅱ级中粗砂且其中粒径在0.315mm以下的砂的含量为20%-25%。
6.根据权利要求1所述的用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，其特征在于：所述石由6-25mm连续颗粒级配的碎石组成，且所述石中粒径小于16mm的碎石含量为70%-85%，所述石的含泥量为0.2%-0.6%。
7.根据权利要求1所述的用于盾构隧道预制管片的抗渗性混凝土，其特征在于：所述粉煤灰选用Ⅰ级粉煤灰，所述粉煤灰的细度模量小于12%，水量比小于95%，烧失量小于5%，强度活性指数大于70%。
8.一种制备管片的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的用于盾构隧道管片的抗渗混凝土,包括如下步骤：
S1、将相应重量份数的P.O42.5水泥、石、砂、粉煤灰、亚甲基二甲基二萘磺酸钠聚合物、80-100份水混合搅拌均匀成为搅拌物一；
S2、将相应重量份数的膨胀剂、沥青、20-25份水搅拌均匀成为搅拌物二；
S3、将搅拌物一、搅拌物二、相应重量的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维充分搅拌混合均匀，成为搅拌物三；
S4、将相应重量份数的矿渣粉、硅粉、剩余重量份数的水以及搅拌物三充分搅拌均匀，制得管片混凝土；
S5、采用能限制边界的钢模进行管片混凝土浇筑，并进行充分振捣，振捣完成后静置2-3小时，并于脱模前通过50℃-55℃的蒸汽养护，养护时间为5-11小时，即可完成制备。
9.根据权利要求8所述的制备管片的方法，其特征在于：所述蒸汽养护时，保持环境相对湿度为90%-100%。
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