CN110627445B - 用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料及其配制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，由硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、钢渣粉、岩石粉、尾矿砂、石英砂、凹凸棒土、丙烯酸酯乳液、纤维素醚、聚丙烯酰胺、PVA纤维、PET纤维、聚羧酸系减水剂和消泡剂组成。本发明具有易施工、工作性好，保水性好、抗压强度高、抗渗等级高、高韧性和粘结性以及耐久性优良等特点；本发明产品可适用于隧道工程中衬砌混凝土的施工初期防护或工程后期维护修复。

Description

用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料及其配制方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料及其配制方法。

背景技术

目前，我国各地经济发展不平衡，中西部基础设施建设滞后，严重制约当地的经济发展和人民生活水平的提高；我国地形复杂，三分之二以上的国土为丘陵和山区。近几年来，国家不断大力推动中西部地区公路、铁路发展，以逐步缩小东中西发展差距，我国一些山岭重丘区高速公路、铁路建设的规模越来越大，数量越来越多；桥隧占山岭重丘区公路、铁路的很大比例，隧道工程的建设呈现出规模空前的建设。由于干湿交替、日光曝晒、冻融及潮湿空气等腐蚀作用，使得隧道混凝土表面逐渐形成多孔的腐蚀面，腐蚀介质通过混凝土表面的细微缝隙进一步渗入混凝土内部，造成钢筋混凝土结构内部的钢筋锈蚀，进而导致隧道衬砌的开裂、渗漏水。根据不完全统计，我国目前约5000余座的运营铁路隧道中，占总数65.7%的隧道存在着各种病害，如渗漏水、衬砌裂损等。其中，渗漏水是隧道最为常见的病害之一，且危害更为严重，在寒冷地区，常对结构混凝土造成反复的冻融破坏，危及隧道的结构安全；在腐蚀地区，则使钢轨锈蚀、衬砌混凝土侵蚀劣化，造成电化铁路漏电、断电事故；在公路隧道中，渗漏水还会使路面湿滑、威胁行车安全，增加洞内湿度，降低风机和灯具的工作效率，从而恶化隧道的运营环境。因此，衬砌渗漏水是隧道工程质量安全的重大隐患，是当前迫切需要解决的问题。

隧道衬砌混凝土及防水板是隧道工程的主要两道防水措施。通常所用的防水板常存在柔性不足、空鼓、施工时无可修复的破裂以及老化等问题，从而极容易出现防水失效现象。因此，隧道衬砌混凝土的防水性能更为关键，而衬砌混凝土的自防水能力不足是当前隧道工程渗漏水的根源所在。

申请号为CN201210239850.8，发明名称为一种改善孔结构提高强度的复合轻质混凝土及其制备方法公开了一种将硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉、脱硫石膏、十二烷基磺酸钠、聚羧酸系减水剂、页岩陶砂、淤泥陶粒、石英砂、松香族引气剂、三乙醇胺和水，但其抗压强度较低，防水效果差强人意。

因此，水泥基防护修复材料的防水性能差、抗压强度不理想、抗渗压力低，韧性差、易开裂破坏等是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料及其配制方法，以解决现有技术中防护修复衬砌防水性能差、抗渗压力低、抗压及抗拉强度不理想、韧性不足的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，由如下重量份的原料组成：硅酸盐水泥100份、粉煤灰10～40份、硅灰5～20份、钢渣粉5～30份、岩石粉5～20份、尾矿砂20～50份、石英砂50～300份、凹凸棒土2～10份、丙烯酸酯乳液10～80份、纤维素醚0.1～1.0份、聚丙烯酰胺0.1～1.0份、PVA纤维0.5～3.0份、PET纤维0.6～2.8份、聚羧酸系减水剂1.0～2.5份、消泡剂0.8～2.8份、水25～50份。

优选的，由如下重量份的原料组成：硅酸盐水泥100份、粉煤灰15～30份、硅灰8～15份、钢渣粉6～12份、岩石粉5～15份、尾矿砂25～40份、石英砂100～250份、凹凸棒土2～8份、丙烯酸酯乳液10～70份、纤维素醚0.1～0.6份、聚丙烯酰胺0.2～0.8份、PVA纤维0.5～2.5份、PET纤维0.6～2.5份、聚羧酸系减水剂1.2～2.5份、消泡剂1.0～2.5份、水25～40份。

优选的，所述硅酸盐水泥为52.5级普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为I级高钙粉煤灰，其游离氧化钙含量不大于3.0%，烧失量不大于%；所述硅灰为铁合金在冶炼硅铁和工业硅时的副产物，SiO₂含量至少为92.5%，平均粒径0.1～0.3um；所述钢渣粉是使经过热闷或碳化处理的钢渣磨细而成，其碱度系数至少为1.6，比表面积为450m²/Kg。

优选的，所述岩石粉为花岗岩岩石粉，粒径范围为5～120um，平均粒径为30.2um；所述尾矿砂为磷尾矿砂，粒度范围为0.04～0.6mm，其中粒度为0.075mm以下按重量计不小于70%。

优选的，所述石英砂是由粒度为10～60目和120～150目的石英砂按照质量比为6:4配制而成。

优选的，所述凹凸棒土细度为200～300目；所述纤维素醚是粘度为40000Pa.s的羟丙基甲基纤维素醚。

优选的，所述丙烯酸酯乳液的固含量10～70%；所述聚丙烯酰胺的分子量为1500万，固含量大于90%；所述聚羧酸系减水剂为减水率至少为25%的粉剂。

优选的，所述PVA纤维为直径为12～14μm，长度为6～12mm的聚丙烯醇纤维；所述PET纤维为直径为16～20μm，长度为6～12mm的聚酯纤维。

优选的，所述消泡剂为有机硅系列消泡粉剂。

一种用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料配制方法，包括如下步骤：

（1）取上述配比原料，将硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、钢渣粉、岩石粉、凹凸棒土、PVA纤维和PET纤维混匀；

（2）将丙烯酸酯乳液、纤维素醚、聚丙烯酰胺、聚羧酸系减水剂、消泡剂和水混合均匀后，再加入步骤（1）的原料中混匀；

（3）向步骤（2）中加入尾矿砂和石英砂，混匀即可。

与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：

1.本发明高抗渗水泥基修复材料具有抗折和抗压强度高、粘结强度高、抗渗等级高和抗渗压力大、干缩率低和耐久性等优势；可解决隧道工程中隧道衬砌混凝土自防水性能差的问题，亦可修复已遭渗漏水侵蚀劣化的隧道衬砌结构，解决隧道渗漏水问题，改善隧道运营环境，不仅解决传统衬砌混凝土不够密实、收缩开裂或温度荷载应力开裂等造成自防水能力差的问题，亦可对已劣化的传统衬砌混凝土进行及时修补维护，解决隧道工程渗漏水问题。

2.本发明以硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、钢渣粉为复合胶凝材料，以岩石粉和尾矿砂为微集料，以石英砂为细集料，以PVA纤维和PEA纤维为增韧材料，以凹凸棒土和纤维素醚为增稠剂，以聚丙烯酰胺和聚羧酸系减水剂为塑化剂，以丙烯酸酯乳液、纤维素醚和消泡剂为功能型化学外加剂，即可得到用于隧道工程衬砌结构的防护修复材料。

所选用的石英砂是由粒度为10～60目和120～150目的石英砂按照质量比为6:4配制而成；在此比例下，细集料的堆积密度最大，呈最紧密堆积状态，可大幅度提高材料密实度，减少材料有害孔隙；

选用的PVA纤维为直径为12～14μm，长度为6～12mm的聚丙烯醇纤维；PET纤维为直径为16～20μm，长度为6～12mm的聚酯纤维；此种长度及直径的纤维的掺加修复材料中，可增强材料的韧性，有利于减少材料的收缩开裂，采用不同直径的纤维在于使材料在在不同应力阶段，与基体共同作用提高抗拉性能；

所用的岩石粉颗粒细、比表面积大对初期混凝土凝固起到增强的作用，使石材废弃物变废为宝；

所用的磷尾矿属于是磷矿开采过程中或磷矿加工、生产后排放的固体废弃物，其特有的颗粒级配，填补了胶凝材料和细集料之间的颗粒组成，使材料的颗粒级配更为合理，提高其抗渗性能，同时可实现磷尾矿的资源化利用。选用粒度范围为0.04～0.6mm，其中粒度为0.075mm以下按重量计不小于70%，此种设计可填补细集料与水泥、硅灰、钢渣粉等胶凝材料之间的粉体粒级断层，使修复材料的颗粒级配呈连续状态，有利于材料密实度的提高，增强抗渗性能。

3. 本发明中各组分之间相互配合关系如下：普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、钢渣粉为参与水化反应的胶凝组分，其中普通硅酸盐水泥和硅灰为高活性组分，可在水化初期迅速水化，有利于早期强度的加强；再者，硅灰的颗粒粒径与水泥的颗粒粒径相差很大，显著小于水泥颗粒粒径，可充分填充在水泥颗粒间，增加浆体的密实度，减少孔隙，进而提高材料的抗渗性能；钢渣和粉煤灰为低活性组分，磨细处理后的钢渣颗粒进一步填补了硅灰和水泥颗粒尺寸的断层，可进一步使胶凝材料的颗粒分布更加连续，再者钢渣和粉煤灰中低活性组分，可起到惰性微集料效应，降低浆体的收缩，减少材料因干缩形成的微裂纹，降低了因微裂纹造成水分传输和迁移的不利因素。同时本发明中，微集料和细集料由不同颗粒粒径级别的岩石粉、磷尾矿和石英砂组成，使材料中集料粒度分布连续，颗粒堆积为最紧密堆积状态，进一步减少材料宏观缺陷，使该修补材料更为密实高强；本发明中凹凸棒土和纤维素醚，改善了该材料新拌状态下的和易性和保水性，使材料更为均一，不易离析泌水，有利于施工，避免了因施工不当而造成材料缺陷，使材料性能劣化；丙烯酸酯乳液中得聚合物颗粒进一步填充材料孔隙，与水化产物耦合，形成聚合物膜结构，提高材料密实性，增强材料抗渗性能；由于硅灰、岩石粉和纤维素醚的使用，使新拌浆体粘性增加，不利于机械化施工，而聚丙烯酰胺与聚羧酸系减水剂的复配使用，在保证材料的新拌浆体大流动的情况下，可降低浆体的粘度，改善其流变性，可保证机械施工的顺利进行，改善可泵性。PVA纤维和PET纤维的复配适用，提高了材料的体积稳定性，以及增强的材料的韧性，减少了因化学收缩、干缩等引起浆体内部应力集中，导致微裂纹开裂的问题，进一步提高材料的抗渗性能。

4.本发明在于利用不同粒径分布范围的胶凝材料形成最紧密堆积的胶凝体，在步骤（1）中将不同胶凝组分率先混合均匀形成颗粒粒径连续分布的胶凝材料，其中岩石粉为微集料，凹凸棒土为粉体增塑剂，两者在浆体中均可起到填充、增塑的作用，预先与胶凝材料混合可在材料中分布中更为均匀，由于纤维直径细小，在粉体的充分预拌，可有效防止遇水团聚，从而导致材料缺陷的出现；步骤（2）中多为化学外加剂，用量相对较少，且主要通过改善浆体液相环境，从而发挥相应的作用，因此预先与水混合，分散得更为均匀，更好的发挥效用；步骤（3）中的尾矿砂和石英砂为细集料，是材料组成中颗粒最为粗大的组分，最后加入尾矿砂和石英砂分，可有效防止其他细小颗粒的组分在其表面的粘聚团集，不利于材料的搅拌混合均匀，从而影响材料的整体性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案，但以下实施例并不以任何方式限制本发明的范围；以下实施例中所涉及的试剂如无特别说明，均为市售常规试剂。

实施例1，一种用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，由如下重量份的原料组成：普通硅酸盐水泥100份，粉煤灰10份，硅灰5份，钢渣粉30份，岩石粉15份，尾矿砂20份，石英砂300份，凹凸棒土5份，丙烯酸酯乳液（固含量45%）45份，纤维素醚1.0份，聚丙烯酰胺0.45份，PVA纤维0.5份，PET纤维2.5份，聚羧酸系减水剂1.5份，消泡剂2.8份，水30份。

上述用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料配制方法，包括如下步骤：

（1）取上述配比原料，将硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、钢渣粉、岩石粉、凹凸棒土、PVA纤维和PET纤维混匀；

（2）将丙烯酸酯乳液、纤维素醚、聚丙烯酰胺、聚羧酸系减水剂、消泡剂和水混合均匀后，再加入步骤（1）的原料中混匀；

（3）向步骤（2）中加入尾矿砂和石英砂，混匀即可。

实施例2，一种用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，由如下重量份的原料组成：52.5级普通硅酸盐水泥100份，粉煤灰40份，硅灰20份，钢渣粉28份，岩石粉5份，尾矿砂50份，石英砂130份，凹凸棒土10份，丙烯酸酯乳液(固含量60%)70份，纤维素醚0.1份，聚丙烯酰胺1.0份，PVA纤维3.0份，PET纤维0.6份，聚羧酸系减水剂2.5份，消泡剂0.8份，水50份。上述用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料配制方法同实施例1。

实施例3，一种用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，由如下重量份的原料组成：按52.5级普通硅酸盐水泥100份，粉煤灰20份，硅灰10份，钢渣粉5份，岩石粉20份，尾矿砂45份，石英砂50份，凹凸棒土2份，丙烯酸酯乳液(固含量60%)10份，纤维素醚0.8份，聚丙烯酰胺0.6份，PVA纤维1.0份，PET纤维0.8份，聚羧酸系减水剂1.0份，消泡剂1.2份，水25份。上述用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料配制方法同实施例1。

效果验证例

在相同的常规试验条件下，分别检测实施例1、实施例2、实施例3制成的样块进行性能测试，抗压抗折强度：液压试验机；流动度：截锥形圆模：高度（60±0.5）mm，上口内径（70±0.5）mm，下口内径（100±0.5）mm；钢直尺：量程不小于500mm，精度1mm；玻璃板：尺寸500mm×500mm；拉伸粘结强度：拉力试验机（符合JCJ/T70标准要求）；抗渗压力 ：SS-15型抗渗仪；干缩值：比长仪（符合JCJ/T70 标准要求）；极限抗拉强度：30t电子伺服万能试验机。

试验结果见表1。

表1为用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料性能指标

。

上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，其特征在于，由如下重量份的原料组成：硅酸盐水泥100份、粉煤灰10～40份、硅灰5～20份、钢渣粉5～30份、岩石粉5～20份、尾矿砂20～50份、石英砂50～300份、凹凸棒土2～10份、丙烯酸酯乳液10～80份、纤维素醚0.1～1.0份、聚丙烯酰胺0.1～1.0份、PVA纤维0.5～3.0份、PET纤维0.6～2.8份、聚羧酸系减水剂1.0～2.5份、消泡剂0.8～2.8份、水25～50份。

2.根据权利要求1所述的用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，其特征在于，由如下重量份的原料组成：硅酸盐水泥100份、粉煤灰15～30份、硅灰8～15份、钢渣粉6～12份、岩石粉5～15份、尾矿砂25～40份、石英砂100～250份、凹凸棒土2～8份、丙烯酸酯乳液10～70份、纤维素醚0.1～0.6份、聚丙烯酰胺0.2～0.8份、PVA纤维0.5～2.5份、PET纤维0.6～2.5份、聚羧酸系减水剂1.2～2.5份、消泡剂1.0～2.5份、水25～40份。

3.根据权利要求1所述的用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥为52.5级普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为I级高钙粉煤灰，其游离氧化钙含量3.0%，烧失量4.6%；所述硅灰为铁合金在冶炼硅铁和工业硅时的副产物，SiO₂含量至少为92.5%，平均粒径0.1～0.3um；所述钢渣粉是使经过热闷或碳化处理的钢渣磨细而成，其碱度系数为1.6，比表面积为650m²/Kg。

4.根据权利要求1所述的用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，其特征在于，所述岩石粉为花岗岩岩石粉，粒径范围为5～120um，平均粒径为30.2um；所述尾矿砂为自然风干的磷尾矿砂，粒度范围为0.04～0.6mm，其中粒度为0.075mm以下按重量计不小于70%。

5.根据权利要求1所述的用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，其特征在于，所述石英砂是由粒度为10～60目和120～150目的石英砂按照质量比为6:4配制而成。

6.根据权利要求1所述的用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，其特征在于，所述凹凸棒土细度为200～300目；所述纤维素醚是粘度为

40000Pa.s的羟丙基甲基纤维素醚。

7.根据权利要求1所述的用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，其特征在于，所述丙烯酸酯乳液的固含量10～70%；所述聚丙烯酰胺的分子量为1500万，固含量大于90%；所述聚羧酸系减水剂为减水率至少为25%的粉剂。

8.根据权利要求1所述的用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，其特征在于，所述PVA纤维为直径为12～14μm，长度为6～12mm的聚丙烯醇纤维；所述PET纤维为直径为16～20μm，长度为6～12mm的聚酯纤维。

9.根据权利要求1所述的用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料，其特征在于，所述消泡剂为有机硅系列消泡粉剂。

10.一种用于隧道工程的高抗渗水泥基修复材料配制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）取如权利要求1所述配比原料，将硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、钢渣粉、岩石粉、凹凸棒土、PVA纤维和PET纤维混匀；

（2）将丙烯酸酯乳液、纤维素醚、聚丙烯酰胺、聚羧酸系减水剂、消泡剂和水混合均匀后，加入步骤（1）的原料中混匀；

（3）向步骤（2）中加入尾矿砂和石英砂，混匀即可。