CN109626914A - 一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料及制备方法，涉及建筑施工技术领域，其单层衬砌材料由以下重量份数的原料组成：水泥980‑1020份、中砂1804‑1916份、碎石1203‑1277份、聚羧酸高性能减水剂16.8‑17.2份、硅灰剂9.9‑10.1份、聚烯烃纤维11.9‑12.1份、水396‑404份、无碱速凝剂79.2‑80.8份；单层衬砌的制备方法包括以下步骤：步骤一、依照重量份数按碎石、中砂、水泥、聚烯烃纤维的顺序依次分别投入强制搅拌机内干拌30秒，再将聚羧酸高性能减水剂、硅灰剂与水一起加入搅拌3.5~4.0分钟；步骤二、将制备的混凝土运输至隧道内湿喷台车，在湿喷台车喷嘴处添加无碱速凝剂，进行喷射混凝土施工；步骤三、在温度大于5摄氏度时进行洒水养护。该材料及制备方法可制备永久衬砌的喷射混凝土，并满足高性能要求。

Description

一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料及制备方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体为一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料及制备方法。

背景技术

青岛地层上部被第四系覆盖，下伏中生代基岩，相当部分的青岛地铁线路穿行于岩层中，故暗挖法车站及区间广泛应用于青岛地铁建设。相较于传统的复合衬砌，单层衬砌具有施工方便、工期短，造价省的优点，在青岛地铁的建设中具有广泛的应用价值。在单层衬砌应用中，应采用高性能的喷射混凝土，具体要求如下：

1.达到C40喷射混凝土，现场取芯强度大于40MPa；

2.七天喷射混凝土强度大于30MPa，28天强度大于40MPa；

3.喷射混凝土初凝时间小于3min，终凝时间小于10min；

4.满足工作性能(和易性)要求，不得离析、泌水或纤维聚团等。粘稠性及保水性满足相关要求；

5.塌落度及塌落度损失满足现场喷砼要求，塌落度大约在180-200mm；

6.单层衬砌喷射混凝土抗渗等级达到P12。

7.单层衬砌喷射混凝土56d电通量应小于1200，氯离子扩散系数应小于7×10¹²m²/s；

8.单层衬砌喷射混凝土抗弯强度应大于4.4MPa，韧性指数I₅，I₁₀，I₂₀应分别大于5，10,20。

9.单层衬砌喷射混凝土28d碳化深度应小于2mm。

10.单层衬砌喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀能力，150次循环抗压强度耐蚀系数达到75％。

11.单层衬砌喷射混凝土抗冻能力抗冻，耐久性指数DF(％)大于70。

12.纤维混凝土拌合物中水溶性氯离子最大含量不大于0.06％；

13.满足经济适用性能要求。

现有技术中的普通喷射混凝土仅为临时结构，难以满足上述高性能喷射混凝土的要求，在用于地铁车站及正线衬砌时，需要设置二衬，施工复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料及制备方法，可制备永久衬砌的高性能喷射混凝土。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，由以下重量份数的原料组成：水泥980-1020份、中砂1804-1916份、碎石1203-1277份、聚羧酸高性能减水剂16.8-17.2份、硅灰剂9.9-10.1份、聚烯烃纤维11.9-12.1份、水396-404份、无碱速凝剂79.2-80.8份。

进一步的，所述水泥选用P.O52.5普通硅酸盐水泥，其比表面积350～400m²/kg，C3A含量不小于5％。

进一步的，所述中砂不得使用机制砂，其细度模数在2.6～3.0之间，砂中含泥量小于2％；砂中泥块含量小于1％。

进一步的，所述碎石的颗粒级配为5～10mm，碎石中含泥量小于1％，泥块含量小于0.5％，碎石中针片状颗粒含量按质量计小于8％，碎石的堆积密度大于1450kg/m³。

进一步的，所述聚羧酸高性能减水剂选用聚羧酸盐类高性能减水剂，在25摄氏度的测试温度时，其减水率大于或等于25％，碱含量(Na₂O+0.658K₂O)小于10％，Na₂SO₄含量小于或等于10％，氯离子含量小于0.1％、密度为1.1g/cm³。

进一步的，所述硅灰剂的固含量为25±1.0％，PH值为9.5±1.0，粘度(20摄氏度)小于15mPas，碱含量小于0.2％，氯离子含量小于0.1％。

进一步的，所述聚烯烃纤维选用束状单丝型纤维，其当量直径为0.7mm，纤维长度为48mm，纤维的抗拉强度为500～600MPa，纤维的弹性模量为7.0MPa，纤维的熔点为130摄氏度，纤维的密度为0.91g/cm³。

进一步的，所述水选用饮用水，其PH值大于4.5，水中以CL^-计氯化物小于2000mg/L，水中以SO₄ ^2-计硫酸盐小于2000mg/L。

进一步的，所述无碱速凝剂选用粘度小于1000mPa.S，且无分层、沉淀较少，与胶结材和减水剂相容性较好的无碱速凝剂；所述无碱速凝剂要求掺量小于8％能满足初凝≤3min，终凝≤10min，混凝土1d强度大于5MPa，28d强度保持率在90％以上；所述无碱速凝剂在25摄氏度的温度环境下，其碱含量≤1％，氯离子含量小于0.1％，PH值为2.5±0.5。

一种硬岩隧道防水型单层衬砌的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将所述重量分数的原料添加到强制搅拌机内，要求搅拌充分，保证纤维分散均匀，一次搅拌量不大于额定搅拌量的80％；投料时先按碎石、中砂、水泥、聚烯烃纤维的顺序依次分别投入强制搅拌机内，干拌30秒形成拌和料，再将聚羧酸高性能减水剂、硅灰剂与水一起加入拌和料中进行搅拌，搅拌时间为3.5～4.0分钟；

步骤二：将所述步骤一种制备的混凝土通过地面混凝土罐车，输送至下料口，然后通过隧道内混凝土罐车运输至隧道内湿喷台车，然后添加权利要求9所述的无碱速凝剂在湿喷台车喷嘴处，进行喷射混凝土施工；

步骤三：喷射混凝土制作完成后，在温度大于5摄氏度时进行洒水养护。

本发明的有益效果是：

1.本发明可制备单层衬砌的高性能喷射混凝土，为永久衬砌，使用年限为100年，同时取消二衬，施工简单。

2.普通喷射混凝土设计等级一般为C25，本发明所制备的单层衬砌喷射混凝土满足设计等级为C40的高性能喷射混凝土的要求。

3.普通喷射混凝土28天强度一般不大于30MPa。经过现场试验，本发明所制备的单层衬砌喷射混凝土在室内配合比试验中，28天强度为63.7MPa，远大于普通喷射混凝土28天强度。纤维喷射混凝土轴心抗压强度实验测试值分布比较均匀，离散较小。

4.普通喷射混凝土抗渗等级一般为P8。经过现场试验，本发明制备的单层衬砌喷射混凝土抗渗等级为P12，现场经检测抗渗等级至少为P13，满足高性能喷射混凝土的要求。

5.普通喷射混凝土对电通量及氯离子侵入性指标不做要求，经过现场试验，本发明制备的单层衬砌喷射混凝土56d电通量1450,小于设计要求1500，28d混凝土氯离子侵入性指标6.64×10^-12m²/s，小于设计要求7×10^-12m²/s，满足相关规范要求。

6.经过现场试验，本发明制备的单层衬砌喷射混凝土抗弯强度及残余抗弯强度28天强度4.8MPa，韧性指数I5，I10，I20分别为6，13，27，满足规范要求。

7.经过现场试验，本发明制备的单层衬砌喷射混凝土28d碳化能力强，无碳化深度，抗腐蚀能力强，满足设计要求。

8.经过现场试验，本发明制备的单层衬砌喷射混凝土28d抗硫酸盐侵蚀能力强，150次循环抗压强度耐蚀系数达到75％。

9.普通喷射混凝土对抗冻不做要求。经过现场试验，本发明制备的单层衬砌喷射混凝土(抗冻)耐久性指数DF(％)为76，大于等于设计要求70，具备更好的(抗冻)耐久性。

附图说明

图1为本发明一种硬岩隧道防水型单层衬砌的制备流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，其由以下重量份数的原料组成：水泥980-1020份、中砂1804-1916份、碎石1203-1277份、聚羧酸高性能减水剂16.8-17.2份、硅灰剂9.9-10.1份、聚烯烃纤维11.9-12.1份、水396-404份、无碱速凝剂79.2-80.8份。具体实施时，经过搅拌要得到容重为2250kg/m³的拌和物，则需要加入水泥500kg、中砂930kg、碎石620kg、聚羧酸高性能减水剂8.5kg、硅灰剂5kg、聚烯烃纤维6kg、水200kg和无碱速凝剂40kg。按上述重量分数形成的拌合物具有较好的流动性，可以使用搅拌车进行运输，然后进行喷射。该拌和物适用于硬岩隧道防水型单层衬砌的喷射混凝土施工。

上述水泥选用P.O52.5普通硅酸盐水泥，其比表面积350～400m²/kg，C3A含量不小于5％。

上述中砂不得使用机制砂，其细度模数在2.6～3.0之间，砂中含泥量小于2％；砂中泥块含量小于1％。使用中砂，可以在保证混凝土的和易性的要求下减少砂的使用量。

上述碎石的颗粒级配为5～10mm，碎石中含泥量小于1％，泥块含量小于0.5％，碎石中针片状颗粒含量按质量计小于8％，碎石的堆积密度大于1450kg/m³。使用5～10mm的连续级配碎石，能够增强混凝土的密实性。

上述聚羧酸高性能减水剂选用聚羧酸盐类高性能减水剂，在25摄氏度的测试温度时，其减水率大于或等于25％，碱含量(Na₂O+0.658K₂O)小于10％，Na₂SO₄含量小于或等于10％，氯离子含量小于0.1％、密度为1.1g/cm³。聚羧酸高性能减水剂与合适的砂石料使用，具有高弹性模量及低收缩特性。掺用上述聚羧酸高性能减水剂，能够降低喷射混凝土水灰比，改善混凝土的工作性；能够改善混凝土的早期及终期强度，提高混凝土的耐久性；能够保证塌落度损失，满足现场至少1个小时的生产及运输时间。

上述硅灰剂的固含量为25±1.0％，PH值为9.5±1.0，粘度(20摄氏度)小于15mPas，碱含量小于0.2％，氯离子含量小于0.1％。本发明掺用液体硅灰剂，可有效抵抗硫酸盐和氯离子侵蚀，改善混凝土的耐久性，提高喷射混凝土的抗压强度及抗渗性。同时，硅灰剂能改善混凝土的和易性，且与水泥有较好地相容性，具有早强作用。

上述聚烯烃纤维选用束状单丝型纤维，其当量直径为0.7mm，纤维长度为48mm，纤维的抗拉强度为500～600MPa，纤维的弹性模量为7.0GPa，纤维的熔点为130摄氏度，纤维的密度为0.91g/cm³。掺用适量的聚烯烃纤维，能够明显提高喷射混凝土的抗裂性，减少裂缝数量；同时聚烯烃纤维的熔点较低，可以起到一定的防火作用。喷射混凝土相较于传统混凝土取消了钢筋，通过掺加聚烯烃纤维可有效改善混凝土的耐久性，亦使得喷射混凝土具有较高的韧性。采用聚烯烃纤维，相对钢纤维更容易保证混凝土的和易性。

上述水选用饮用水，其PH值大于4.5，水中以CL^-计氯化物小于2000mg/L，水中以SO₄ ^2-计硫酸盐小于2000mg/L。

上述无碱速凝剂选用粘度小于1000mPa.S，且无分层、沉淀较少，与胶结材和减水剂相容性较好的无碱速凝剂；所述无碱速凝剂要求掺量小于8％能满足初凝≤3min，终凝≤10min，混凝土1d强度大于5MPa，28d强度保持率在90％以上；所述无碱速凝剂在25摄氏度的温度环境下，其碱含量≤1％，氯离子含量小于0.1％，PH值为2.5±0.5。掺用无碱速凝剂使得混凝土具备较快的凝结时间，提高早期强度并对28天终期强度影响很小，在低温和其他恶劣环境下，性能保持良好，同时能在喷射混凝土过程中产生较少的灰尘。

一种硬岩隧道防水型单层衬砌的制备方法，是将所述重量分数的原料按照一定的顺序添加到强制搅拌机内进行搅拌，在搅拌时要求搅拌充分，保证纤维分散均匀，一次搅拌量不大于额定搅拌量的80％。

如图一所示，该硬岩隧道防水型单层衬砌的制备方法的工艺流程是：

步骤一：按碎石、中砂、水泥、聚烯烃纤维的顺序依次分别投入强制搅拌机内，干拌30秒形成拌和料；.将聚羧酸高性能减水剂、硅灰剂与水一起加入拌和料中进行搅拌，搅拌时间为3.5～4.0分钟。经该步骤制备的纤维喷射混凝土需要进行纤维喷射混凝土坍落度、粘聚性、保水性、和易性检测，各种指标均合格后方可进行运输、浇筑。

步骤二：将制备的混凝土通过地面混凝土罐车，输送至地面至隧道的下料管，然后通过隧道内混凝土罐车运输至隧道内湿喷台车，然后在湿喷台车的喷嘴处添加无碱速凝剂，进行喷射混凝土施工。喷射距离应控制在1-1.5m，喷射角度垂直于基面，且螺旋喷射。

步骤三：喷射混凝土制作完成后，在温度大于5摄氏度时进行洒水养护。

上述制备方法中，相较于现有技术，延长混凝土拌合时间，能够使纤维搅拌均匀，不产生结团。在投料时，聚烯烃纤维采用水溶性包装，可直接投入搅拌，现场施工更为容易。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，其特征在于，由以下重量份数的原料组成：水泥980-1020份、中砂1804-1916份、碎石1203-1277份、聚羧酸高性能减水剂16.8-17.2份、硅灰剂9.9-10.1份、聚烯烃纤维11.9-12.1份、水396-404份、无碱速凝剂79.2-80.8份。

2.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，其特征在于，所述水泥选用P.O52.5普通硅酸盐水泥，其比表面积350~400 m²/ kg，C3A含量不小于5%。

3.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，其特征在于，所述中砂不得使用机制砂，其细度模数在2.6~3.0之间，砂中含泥量小于2%；砂中泥块含量小于1%。

4.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，其特征在于，所述碎石的颗粒级配为5~10mm，碎石中含泥量小于1%，泥块含量小于0.5%，碎石中针片状颗粒含量按质量计小于8%，碎石的堆积密度大于1450 kg/m³。

5.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，其特征在于，所述聚羧酸高性能减水剂选用聚羧酸盐类高性能减水剂，在25摄氏度的测试温度时，其减水率大于或等于25%，碱含量（Na₂O+0.658K₂O）小于10%，Na₂SO₄含量小于或等于10%，氯离子含量小于0.1%、密度为1.1 g/cm³。

6.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，其特征在于，所述硅灰剂的固含量为25±1.0%，PH值为9.5±1.0，粘度（20摄氏度）小于15mPas，碱含量小于0.2%，氯离子含量小于0.1%。

7.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，其特征在于，所述聚烯烃纤维选用束状单丝型纤维，其当量直径为0.7mm，纤维长度为48mm，纤维的抗拉强度为500~600MPa，纤维的弹性模量为7.0MPa，纤维的熔点为130摄氏度，纤维的密度为0.91g/cm³。

8.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，其特征在于，所述水选用饮用水，其PH值大于4.5，水中以CL^-计氯化物小于2000mg/L，水中以SO₄ ^2-计硫酸盐小于2000 mg/L。

9.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道防水型单层衬砌的材料，其特征在于，所述无碱速凝剂选用粘度小于1000mPa.S，且无分层、沉淀较少，与胶结材和减水剂相容性较好的无碱速凝剂；所述无碱速凝剂要求掺量小于8%能满足初凝≤3min，终凝≤10min，混凝土1d强度大于5MPa，28d强度保持率在90%以上；所述无碱速凝剂在25摄氏度的温度环境下，其碱含量≤1%，氯离子含量小于0.1%，PH值为2.5±0.5。

10.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道防水型单层衬砌的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将所述重量分数的原料添加到强制搅拌机内，要求搅拌充分，保证纤维分散均匀，一次搅拌量不大于额定搅拌量的80%；投料时先按碎石、中砂、水泥、聚烯烃纤维的顺序依次分别投入强制搅拌机内，干拌30秒形成拌和料，再将聚羧酸高性能减水剂、硅灰剂与水一起加入拌和料中进行搅拌，搅拌时间为3.5~4.0分钟;

步骤二：将所述步骤一种制备的混凝土通过地面混凝土罐车，输送至下料口，然后通过隧道内混凝土罐车运输至隧道内湿喷台车，然后添加权利要求9所述的无碱速凝剂在湿喷台车喷嘴处，进行喷射混凝土施工;

步骤三：喷射混凝土制作完成后，在温度大于5摄氏度时进行洒水养护。