CN109608140A - 一种隧道喷射环保水泥混凝土及其制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于混凝土材料领域,具体涉及一种隧道喷射环保水泥混凝土及其制备和使用方法。本发明的隧道喷射环保水泥混凝土,主要是由以下质量比的原料制成:环保水泥:砂:石:PTB乳液:速凝剂:水=6.72~7.92:6.68~7.32:13.36~14.64:0~0.44:0.20~0.29:1.44~1.76。环保水泥由Na2SO4、普通硅酸盐水泥、矿渣和粉煤灰组成,其质量比为Na2SO4:普通硅酸盐水泥:矿渣:粉煤灰=0.12~0.24:1.00:3.84~4.64:1.76~2.04。本发明的隧道喷射环保水泥混凝土具有工作性好、凝结时间短、早期强度高、防火性好、耐久性好、韧性高、成本低和环保性强等优点,具有较好的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于混凝土材料领域,具体涉及一种隧道喷射环保水泥混凝土及其制备和使用方法。
背景技术
采用压力喷枪可将喷射混凝土喷涂于隧道内衬等。喷射混凝土具有施工简单快捷、早期强度高、自密实性好等优点,在隧道工程和施工条件受限的工程中运用较为广泛。但是,目前使用的普通隧道喷射水泥混凝土存在工作性较差、凝结时间长、粘结性差、脆性高和后期易产生开裂等缺点,严重影响了隧道喷射水泥混凝土的应用。
目前,国内已申请的多个有关喷射混凝土的专利,CN 108129095 A专利公开了一种喷射混凝土,该发明主要采用普通喷射混凝土中加入2.4的玄武岩纤维和121的硅灰制成,从而提高其劈裂强度和粘接强度,成本较高,粘结强度提高较小。本发明采用环保水泥(采用中性钠盐或碱性激发剂激发具有一定活性的矿渣和/或粉煤灰所得的胶凝材料)混凝土加入PTB乳液混合而成,粘结强度明显提高,成本较低,且大量使用固体废弃物粉煤灰和矿渣取代水泥,环保效果明显。CN 108546025 A专利公开了一种高韧性的喷射混凝土及其生产方法,该发明主要采用加入改性凹凸棒土和纳米橡胶粉提高其韧性,需要经过复杂的分散、水浴和提纯等过程得到改性凹凸棒土。该发明操作极为复杂,成本高,不利于产业化。本发明只需先将PTB乳液掺入到环保水泥混凝土搅拌均匀,即可制得到工作性好、凝结时间短、早期强度高和高韧性的隧道喷射环保水泥混凝土,极大的降低成本,且操作方便,产业化前景广阔。国内仅有一项使用PTB乳液的发明专利,即CN 101691290 B专利公开了PTB加气混凝土砌块砌筑与抹面砂浆及其使用方法。但该专利仅将PTB乳液应用在加气混凝土砌块砌筑与抹面砂浆中,主要利用其防水和粘结性。本发明利用PTB乳液的减水性和柔韧性等特性,将PTB乳液应用在隧道喷射环保水泥混凝土中,提高其可喷射性和耐久性。
发明内容
针对上述背景技术中存在的缺陷与问题,本发明提供了一种隧道喷射环保水泥混凝土及其制备和使用方法。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
该隧道喷射环保水泥混凝土由环保水泥、砂、石、PTB乳液、速凝剂和水组成,各组分质量比为:环保水泥:砂:石:PTB乳液:速凝剂:水=6.72~7.92:6.68~7.32:13.36~14.64:0~0.44:0.20~0.29:1.44~1.76。
环保水泥由Na2SO4、普通硅酸盐水泥、矿渣和粉煤灰组成,其质量比为Na2SO4:普通硅酸盐水泥:矿渣:粉煤灰=0.12~0.24:1.00:3.84~4.64:1.76~2.04。
进一步地,所述的Na2SO4为分析纯(AR)无水硫酸钠。
进一步地,所述的普通硅酸盐水泥包括P.O 32.5和P.O 42.5。
进一步地,所述的矿渣为S95级粒化高炉矿渣粉。
进一步地,所述的粉煤灰为电厂固体废弃物II级粉煤灰。
进一步地,所述的PTB乳液是乙烯-氯乙烯-乙烯酯产品,白色乳液状。其物理性能指标为粘性:80~120 mPa.s、固体含量:52±1wt%、比重:1.1、pH值:7~9。PTB乳液具有极好的防水性、工作性和柔韧性。
进一步地,所述的速凝剂为能使混凝土迅速凝结硬化的无机盐类外加剂,具体型号包括红星Ⅰ型、红星7Ⅱ型、红星782型、红星8604型中的任意一种。
进一步地,其主要机理为:
(1)由于粉煤灰和矿渣的活性较低,水化缓慢,配合比中采用少量的普通硅酸盐水泥为隧道喷射混凝土提供早期强度,然后由水泥水化反应生成的Ca(OH)2和Na2SO4激发剂反应生成大量NaOH来激发活性较低的粉煤灰和矿渣。随着体系NaOH的增多,碱性增强,这使粉煤灰和矿渣内部的Si-O和Al-O四面体产生解聚和缩聚,使得粉煤灰和矿渣内部溶出的具有化学活性的Si质成分与Ca(OH)2以及水快速反应生成具有胶凝作用的水化硅酸钙(C-S-H),为隧道喷射混凝土后期强度的增长提供保障。
(2)PTB乳液具有减水效果,使得隧道喷射混凝土在喷射过程中拥有较好的流动性。PTB乳液具有极好的粘结性、防水性和柔韧性。当PTB乳液掺入到隧道喷射环保水泥混凝土中时,隧道喷射环保水泥混凝土水化反应消耗水,产生C-S-H等水化产物,使隧道喷射环保水泥混凝土具有一定的力学性能。在水化过程中,混凝土孔隙水分减少情况下,PTB乳液在隧道喷射环保水泥混凝土内部形成聚合物网状空间结构,这抑制了隧道喷射环保水泥混凝土内部微裂缝的发展,使环保水泥混凝土具有较好的柔韧性和力学性能(粘结强度和抗压强度等)和耐久性。
(3)环保水泥混凝土具有早期强度高、凝结时间短等优点。速凝剂在混凝土喷射时掺入能使混凝土迅速凝结硬化,明显缩短其凝结时间,避免喷射后产生脱落。将环保水泥和速凝剂两者相结合,可减少速凝剂用量,节约材料成本,提高施工效率,保证工程质量。
进一步地,其制备过程为:
(1)计量:按上述比例分别计量各组成材料;
(2)拌合干料:将砂、石、粉煤灰、矿渣和普通硅酸盐水泥倒入搅拌机中干拌2~3分钟;
(3)制备外加剂溶液:将Na2SO4、PTB乳液和速凝剂溶解在水中,搅拌2~3分钟;
进一步地,其使用方法:将预拌好的干料与外加剂溶液运至现场进行喷射,外加剂溶液务必在喷射机喂料时加入。
与现有的隧道喷射环保水泥混凝土技术相比,本发明具有以下优点:
(1)PTB乳液具有减水效果,且具备极好的粘结性和非凡的柔韧性,是一种有机粘结剂,其在失水时产生强度;环保水泥是一种无机粘结剂,其产生强度时需要消耗水。将无机和有机粘结剂相结合,取长补短,使添加了PTB乳液隧道喷射环保水泥混凝土具有很好的工作性、韧性、强度和耐久性。
(2)由于环保水泥的水化产物主要以C-S-H为主,Ca(OH)2含量很少,因此隧道喷射环保水泥混凝土具有较好的耐火性能。由于环保水泥具有较高的粘结性能,且PTB乳液可以较大提高混凝土的粘结性,因此隧道喷射环保水泥混凝土回弹率低,与隧道基面粘结强度高,在各种震动情况下不易脱落。
(3)环保水泥早期强度高、凝结时间短。另一方面,在喷射混凝土中掺入速凝剂,也可缩短凝结时间。充分利用环保水泥凝结时间短的特点,可以在满足喷射性能的情况下,减少速凝剂的用量。此外,环保水泥大量消耗固体废弃物粉煤灰和矿渣,不仅环保效益明显,而且可以降低隧道喷射混凝土的成本。
(4)隧道中经常会出现渗漏现象,PTB乳液具有极好的防水性,将PTB乳液掺入到隧道喷射环保水泥混凝土中,能使其具有较高的防水性能。
具体实施方式
本发明提供的是一种隧道喷射环保水泥混凝土及其制备和使用方法。该隧道喷射环保水泥混凝土由环保水泥、砂、石、PTB乳液、速凝剂和水组成,各组分质量比为:环保水泥:砂:石:PTB乳液:速凝剂:水=6.72~7.92:6.68~7.32:13.36~14.64:0~0.44:0.20~0.29:1.44~1.76。环保水泥由Na2SO4、普通硅酸盐水泥、矿渣和粉煤灰组成,其质量比为Na2SO4:普通硅酸盐水泥:矿渣:粉煤灰=0.12~0.24:1.00:3.84~4.64:1.76~2.04。
本发明隧道喷射环保水泥混凝土,其制备过程为:
(1)计量:按上述比例分别计量各组成材料;
(2)拌合干料:将砂、石、粉煤灰、矿渣和普通硅酸盐水泥倒入搅拌机中干拌2~3分钟;
(3)制备外加剂溶液:将Na2SO4、PTB乳液和速凝剂溶解在水中,搅拌2~3分钟;
本发明隧道喷射环保水泥混凝土,其使用方法为:将预拌好的干料与外加剂溶液运至现场进行喷射,外加剂溶液务必在喷射机喂料时加入。
实施例1
本发明的隧道喷射环保水泥混凝土,主要由下列质量比的原料制成:环保水泥:砂:石:PTB乳液:红星Ⅰ型速凝剂:水=6.72:6.68:13.36:0:0.20:1.44。其中环保水泥由Na2SO4、普通硅酸盐水泥、矿渣和粉煤灰组成,其质量比为Na2SO4:普通硅酸盐水泥:矿渣:粉煤灰=0.12:1.00:3.84:1.76。
本发明隧道喷射环保水泥混凝土制备方法的具体步骤为:
(1)计量:按上述比例分别计量各组成材料;
(2)拌合干料:将砂、石、粉煤灰、矿渣和普通硅酸盐水泥倒入搅拌机中干拌2~3分钟;
(3)制备外加剂溶液:将Na2SO4、PTB乳液和红星Ⅰ型速凝剂溶解在水中,搅拌2~3分钟;
本发明隧道喷射环保水泥混凝土喷射工作:将预拌好的干料与外加剂溶液运至现场进行喷射,外加剂溶液务必在喷射机喂料时加入。
对环保水泥净浆的初凝和终凝时间、隧道环保混凝土的粘结强度、抗压强度和抗折强度进行测定,其净浆的初凝时间3min、终凝时间11min;隧道环保混凝土的粘结强度为1.5MPa、抗压强度45.8MPa、抗折强度5.5MPa。满足《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086-2015)的要求。
实施例2
本发明的隧道喷射环保水泥混凝土,主要由下列质量比的原料制成:环保水泥:砂:石:PTB乳液:红星782型速凝剂:水=7.32:7.02:14.11:0.40:0.25:1.61。环保水泥由Na2SO4、普通硅酸盐水泥、矿渣和粉煤灰组成,其质量比为Na2SO4:普通硅酸盐水泥:矿渣:粉煤灰=0.18:1.00:4.24:1.90。
本发明隧道喷射环保水泥混凝土制备方法的具体步骤为:
(1)计量:按上述比例分别计量各组成材料;
(2)拌合干料:将砂、石、粉煤灰、矿渣和普通硅酸盐水泥倒入搅拌机中干拌2~3分钟;
(3)制备外加剂溶液:将Na2SO4、PTB乳液和红星782型速凝剂溶解在水中,搅拌2~3分钟;
本发明隧道喷射环保水泥混凝土喷射工作:将预拌好的干料与外加剂溶液运至现场进行喷射,外加剂溶液务必在喷射机喂料时加入。
对环保水泥净浆的初凝和终凝时间、隧道环保混凝土的粘结强度、抗压强度和抗折强度进行测定,其净浆的初凝时间3min、终凝时间9min;隧道环保混凝土的粘结强度为1.8MPa、抗压强度44.7MPa、抗折强度6.3MPa。满足《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086-2015)的要求。
实施例3
本发明的隧道喷射环保水泥混凝土,主要由下列质量比的原料制成:环保水泥:砂:石:PTB乳液:红星8604型速凝剂:水=7.92:7.32:14.64:0.44:0.29:1.76。环保水泥由Na2SO4、普通硅酸盐水泥、矿渣和粉煤灰组成,其质量比为Na2SO4:普通硅酸盐水泥:矿渣:粉煤灰=0.24:1.00:4.64:2.04。
本发明隧道喷射环保水泥混凝土制备方法的具体步骤为:
(1)计量:按上述比例分别计量各组成材料;
(2)拌合干料:将砂、石、粉煤灰、矿渣和普通硅酸盐水泥倒入搅拌机中干拌2~3分钟;
(3)制备外加剂溶液:将Na2SO4、PTB乳液和红星8604型速凝剂溶解在水中,搅拌2~3分钟;
本发明隧道喷射环保水泥混凝土喷射工作:将预拌好的干料与外加剂溶液运至现场进行喷射,外加剂溶液务必在喷射机喂料时加入。
对环保水泥净浆的初凝和终凝时间、隧道环保混凝土的粘结强度、抗压强度和抗折强度进行测定,其净浆的初凝时间2min、终凝时间6min;隧道环保混凝土的粘结强度为2.0MPa、抗压强度43.1MPa、抗折强度6.6MPa。满足《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086-2015)的要求。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种隧道喷射环保水泥混凝土,其特征在于:该隧道喷射环保水泥混凝土由环保水泥、砂、石、PTB乳液、速凝剂和水组成,各组分质量比为:环保水泥:砂:石:PTB乳液:速凝剂:水=6.72~7.92:6.68~7.32:13.36~14.64:0~0.44:0.20~0.29:1.44~1.76。
2.根据权利要求1所述的隧道喷射环保水泥混凝土,其特征在于:所述的环保水泥是由Na2SO4、普通硅酸盐水泥、矿渣和粉煤灰组成,其质量比为Na2SO4:普通硅酸盐水泥:矿渣:粉煤灰=0.12~0.24:1.00:3.84~4.64:1.76~2.04。
3.根据权利要求2所述的隧道喷射环保水泥混凝土,其特征在于:所述的Na2SO4为分析纯AR无水硫酸钠。
4.根据权利要求2所述的隧道喷射环保水泥混凝土,其特征在于:所述的普通硅酸盐水泥包括P.O 32.5和P.O 42.5。
5.根据权利要求2所述的隧道喷射环保水泥混凝土,其特征在于:所述的矿渣为S95级粒化高炉矿渣粉。
6.根据权利要求2所述的隧道喷射环保水泥混凝土,其特征在于:所述的粉煤灰为电厂固体废弃物II级粉煤灰。
7.根据权利要求1所述的隧道喷射环保水泥混凝土,其特征在于:所述的PTB乳液是乙烯-氯乙烯-乙烯酯产品,白色乳液状;其物理性能指标为粘性:80~120 mPa.s、固体含量:52±1wt%、比重:1.1、pH值:7~9。
8.根据权利要求1所述的隧道喷射环保水泥混凝土,其特征在于:所述的速凝剂为能使混凝土迅速凝结硬化的无机盐类外加剂,具体型号包括红星Ⅰ型、红星7Ⅱ型、红星782型、红星8604型中的任意一种。
9.一种制备如根据权利要求1-8任一项所述的隧道喷射环保水泥混凝土的方法,其特征在于:具体步骤为:
(1) 计量:按上述比例分别计量各组成材料;
(2) 拌合干料:将砂、石、粉煤灰、矿渣和普通硅酸盐水泥倒入搅拌机中干拌2~3分钟;
(3) 制备外加剂溶液:将Na2SO4、PTB乳液和速凝剂溶解在水中,搅拌2~3分钟。
10.根据权利要求1-8任一所述的隧道喷射环保水泥混凝土的使用方法,其特征在于:将预拌好的干料与外加剂溶液运至现场进行喷射,外加剂溶液务必在喷射机喂料时加入。
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