CN113845337A - 一种轻质复合混凝土材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于寒区隧道衬砌保温防冻材料技术领域，公开了一种轻质复合混凝土材料及其应用。该轻质复合混凝土材料是应用在寒区隧道衬砌空洞结构中，用于解决因衬砌结构冻融作用造成的寒区隧道空洞出现冻裂或是裂缝情况。由上述该轻质复合混凝土材料喷射获得的保温防冻层，是运用了轻质喷射复合混凝土材料的导热系数小，在隧道衬砌结构与围岩之间形成一层防冻保温层，提高了隧道衬砌结构的抗冻融破坏能力。此外，轻质喷射复合混凝土材料凝固后与衬砌混凝土形成整体，提高隧道衬砌结构承载能力。制备工序简单，操作简便。经过试验，使用本保温防冻轻质复合喷射混凝土材料及保温防冻层，保护了隧道衬砌结构未产生冻融破坏，使用效果良好，适宜推广使用。
Description
技术领域
本发明属于寒区隧道衬砌保温防冻材料技术领域，具体涉及一种轻质复合混凝土材料及其应用。
背景技术
我国在寒冷地区修建隧道将会越来越多，由于寒区的温度变化较大，隧道衬砌结构承受较大的温度变化产生的温度应力，加之隧道周围的围岩因温度变化产生的冻胀力，直接对隧道衬砌结构造成冻融损伤，开裂渗漏，冬季挂冰，致使隧道结构的安全稳定性受到极大的影响。
目前，在寒区隧道衬砌表面施做一层保温板用于抵抗衬砌冻融破坏。由于保温板设置在衬砌表面，可以减少隧道洞内的温度变化产生的温度应力。然而并不能降低隧道周围围岩的温度变化产生的温度应力，隧道衬砌结构一样会受到周围围岩温度变化带来的冻融破坏。此外，保温板与隧道衬砌表面粘结不牢固，经常发生保温板脱落，影响隧道内行车安全。
因此，需要探索一种寒区隧道衬砌保温防冻土材料，提高隧道衬砌结构的抗冻融破坏能力。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种轻质复合混凝土材料及其应用。
本发明所采用的技术方案为：一种轻质复合混凝土材料，所述材料主要由以下质量份数的原料制备得到：
水泥15-70份，粉煤灰5-25份，聚丙烯泡沫颗粒1-12份，发泡剂3-20份和速凝剂1-12份。
本发明采用的水泥与粉煤灰通过特定比例的调配，显著降低水泥基浆液的析水率，促进初期水化并改善其整体的流变性质，从而提高浆液的稳定性以及结石率，保证能够提升混凝土的密实度，提高减水效果，同时粉煤灰具有火山灰效应，提升混凝土结构的耐久性，此外，粉煤灰为工业废弃料，以其代替少量水泥还可以废物利用，节约成本。聚丙烯泡沫颗粒起到了混凝土中的骨料作用，相较于常规骨料，可以使混凝土材料同时具备轻质、低热传导率、与隧道围岩协同变形等优势性能。根据实际需要混合加入发泡剂和速凝剂可以使水泥结石后期不收缩，并且明显改善水泥浆液和易性，缩短初凝时间，加速施工进度，提高工程质量。按照本发明制备出来的混凝土材料的孔隙结构整体上被大幅优化，粒径较大的水化产物周围的空隙以及钙矾石AFt建立起的孔隙大量被胶状产物填充密实；二次水化反应的时间与初次水化建立起来较好的时空关系，使得结构物内部的层次感更为细化，内部空间密实度进一步提升，不同颗粒间的裂隙间距及结构孔隙进一步减小，进而可以提升强度和抗水溶蚀性及抗冻耐久性。
作为优选地，所述材料主要由以下质量份数的原料制备得到：
水泥30-45份，粉煤灰10-15份，聚丙烯泡沫颗粒2-8份，发泡剂5-10份和速凝剂2-8份。
作为优选地，所述材料主要由以下质量份数的原料制备得到：
水泥38份，粉煤灰13份，聚丙烯泡沫颗粒6份，发泡剂8份和速凝剂6份。
粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的工业废渣之一。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。但粉煤灰可资源化利用，如作为混凝土的掺合料等。粉煤灰的活性主要来自活性SiO2(玻璃体SiO2)和活性Al2O3(玻璃体Al2O3)在一定碱性条件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f-CaO(游离氧化钙)都是活性的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。粉煤灰中的钙含量在3％左右，它对胶凝体的形成是有利的。国外把CaO含量超过10％的粉煤灰称为C类灰，而低于10％的粉煤灰称为F类灰。C类灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F类灰常作混凝土掺和料，它比C类灰使用时的水化热要低。粉煤灰中少量的MgO、Na2O、K2O等生成较多玻璃体，在水化反应中会促进碱硅反应。但MgO含量过高时，对安定性带来不利影响。粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一种惰性物质不仅对粉煤灰的活性有害，而且对粉煤灰的压实也不利。过量的Fe2O3对粉煤灰的活性也不利。粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。
聚丙烯泡沫颗粒，聚氨酯硬质泡沫是以异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物。聚氨酯泡有软泡和硬泡两种。软泡为开孔结构，硬泡为闭孔结构；软泡又分为结皮和不结皮两种。聚氨酯软泡的主要功能是缓冲。聚氨酯软泡常用于沙发家具、枕头、坐垫、玩具、服装和隔音内衬。聚氨酯硬泡体是一种具有保温与防水功能的新型合成材料，其导热系数低，仅0.022～0.033W/(m*K)，相当于挤塑板的一半，是所有保温材料中导热系数最低的。硬质聚氨酯泡沫塑料主要应用在建筑物外墙保温，屋面防水保温一体化、冷库保温隔热、管道保温材料、建筑板材、冷藏车及冷库隔热材等。用途：1.高效节能，填充后无缝隙，固化后粘结强固。2.防震抗压，固化后不开裂，不腐化，不脱落。3.具有超低温热传导率，耐热保温。4.高效绝缘，隔音，固化后防水防潮。5.本填缝剂可粘附在混凝土，涂层，墙体，木材及塑料表面。
一种轻质复合混凝土材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥、粉煤灰、聚丙烯泡沫颗粒、发泡剂和速凝剂混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与溶剂混匀后，获得成品。
作为优选地，所述步骤A中，发泡剂包括无机发泡剂和有机发泡剂。
作为优选地，所述无机发泡剂为碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠、硅酸钠、碳化硅和碳黑中的任意一种；
所述有机发泡剂为偶氮化合物、磺酰肼类化合物和亚硝基化合物中的任意一种。
作为优选地，所述步骤A中，速凝剂为碱土金属碳酸盐、碱土金属的氢氧化物、硅酸钠、硅酸钾、铝酸钠、铝酸钾和铝酸盐中的任意一种。
速凝剂：掺入混凝土中能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。主要种类有无机盐类和有机物类。粉状固体，其掺用量仅占混凝土中水泥用量2％～3％，却能使混凝土在5min内初凝，速凝剂12min内凝结。以达到抢修或井巷中混凝土快速凝结的目的。是喷射混凝土施工法中不可缺少的添加剂。它们的作用是加速水泥的水化硬化，在很短的时间内形成足够的强度，以保证特殊施工的要求。常见的碱金属盐类有碳酸盐，碱金属的碳酸盐中，除碳酸锂外，其余均溶于水。其他碱金属都能形成固态碳酸氢盐。酸氢钠俗称小苏打，它的水溶液呈弱碱性。粉状的碱土金属碳酸盐或氢氧化物以前在喷射混凝土施工中很少应用。它们成为这类混凝土最常用的速凝剂，其常规掺量为水泥重量的2、5％至6％，它们主要是促进C3S的水化。一般加入少量的碳酸铝,可以影响水泥的凝结时间。但是，只有当大剂量掺入时，其影响才能被观察到。这种速凝剂与水泥的反应主要受水泥化学成分、细度和矿物添加剂以及环境温度的影响。硅酸碱(水玻璃)、硅酸钠、硅酸钾类速凝剂：主要用于湿拌喷射混凝土，它们通常都是液体，而且掺量很大(>10％胶凝材料重量)。可溶性的硅酸盐由于反应生成硅酸钙沉淀而加速凝结。当大剂量使用时，这些促凝剂降低了与基底的粘结力，最终，导致砼强度的下降和严重的干缩。一些报道说这些问题已被列入奥地利混凝土学会出版的“喷射混凝土南”中，规定这种速凝剂最大掺量不超过15％，最终的强度损失限制在30％以上。铝酸钠、铝酸钾铝酸盐类速凝剂：既可以用干混,又可以用于湿混喷射混凝土工程，常用剂量一般为2.5％～5.5％。铝酸钾比铝酸钠速凝剂有更好的效果，但价格也更高。它们主要是直接参与硅酸盐水泥水化而加速水泥的凝结，与石膏结合，阻止水泥颗粒表面形成钙矾石，而使C3A立即反应，产生大多数喷射混凝土所需要的初始强度。它们的作用通常受水泥的化学成分、细度以及所含的矿物添加剂的影响，但这种影响比所看到的碳酸盐类外加剂的影响要小。最终强度将损失为20％～25％。毫无疑问，铝酸盐速凝剂在湿混喷射混凝土工程中应用效果最好，对厚的衬板甚至顶板都具有好的施工效果。但是其高碱含量，在地下施工对健康的危害是限制其应用的主要因素。另外，它们在含硫酸根的工程和含活性集料的工程应用中都存在问题，后者可能发生碱集料反应。速凝剂主要用于矿山井巷、铁路隧道、引水涵洞、地下工程。
作为优选地，所述步骤B中，固体混合材料与溶剂的质量份数比为1：20-30wt％。
一种轻质复合混凝土材料的应用，采用权利要求1-3任一所述的轻质复合混凝土材料或权利要求4-8任一所述的轻质复合混凝土材料的制备方法获得的成品材料在寒区隧道衬砌空洞初期支护前，喷射成保温防冻层中的应用。
作为优选地，所述保温防冻层厚度为10-25cm。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种轻质复合混凝土材料，该轻质复合混凝土材料是应用在寒区隧道衬砌空洞结构中，用于解决因衬砌结构冻融作用造成的寒区隧道空洞出现冻裂或是裂缝情况。
由上述该轻质复合混凝土材料喷射获得的保温防冻层，是运用了轻质喷射复合混凝土材料的导热系数小，在隧道衬砌结构与围岩之间形成一层防冻保温层，提高了隧道衬砌结构的抗冻融破坏能力。此外，轻质喷射复合混凝土材料凝固后与衬砌混凝土形成整体，提高隧道衬砌结构承载能力。
该种轻质复合混凝土材料的制备工序简单，操作简便。经过试验，使用本保温防冻轻质复合喷射混凝土材料及保温防冻层，保护了隧道衬砌结构未产生冻融破坏，使用效果良好，适宜推广使用。
附图说明
图1为寒区隧道空洞喷射该实施例9的轻质复合混凝土材料后的结构示意图。
图中：1-隧道轻质复合喷射混凝土材料保温防冻层；2-初期支护；3-二次衬砌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步阐释。本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。所用试剂均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种轻质复合混凝土材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥1500克、粉煤灰500克、聚丙烯泡沫颗粒100克、碳酸钙300克和碱土金属碳酸钠100克混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与水750克混匀后，获得成品。
在寒区隧道施作初期支护前，采用轻质复合混凝土材料在隧道开挖轮廓线上喷射形成10cm保温防冻结构。
实施例2：
一种轻质复合混凝土材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥7000克、粉煤灰2500克、聚丙烯泡沫颗粒1200克、碳酸镁2000克和碱土金属的氢氧化钠1200克混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与水2780克混匀后，获得成品。
在寒区隧道施作初期支护前，采用轻质复合混凝土材料在隧道开挖轮廓线上喷射形成25cm保温防冻结构。
实施例3：
一种轻质复合混凝土材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥3000克、粉煤灰1000克、聚丙烯泡沫颗粒200克、碳酸氢钠500克和硅酸钠200克混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与水1470克混匀后，获得成品。
在寒区隧道施作初期支护前，采用轻质复合混凝土材料在隧道开挖轮廓线上喷射形成10cm保温防冻结构。
实施例4：
一种轻质复合混凝土材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥4500克、粉煤灰1500克、聚丙烯泡沫颗粒800克、硅酸钠1000克和硅酸钾800克混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与水1720克混匀后，获得成品。
在寒区隧道施作初期支护前，采用轻质复合混凝土材料在隧道开挖轮廓线上喷射形成25cm保温防冻结构。
实施例5：
一种轻质复合混凝土材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥3800克、粉煤灰1300克、聚丙烯泡沫颗粒600克、碳化硅800克和铝酸钠600克混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与水1420克混匀后，获得成品。
在寒区隧道施作初期支护前，采用轻质复合混凝土材料在隧道开挖轮廓线上喷射形成10cm保温防冻结构。
实施例6：
一种轻质复合混凝土材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥3800克、粉煤灰1300克、聚丙烯泡沫颗粒600克、碳黑800克和铝酸钾600克混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与水2130克混匀后，获得成品。
在寒区隧道施作初期支护前，采用轻质复合混凝土材料在隧道开挖轮廓线上喷射形成25cm保温防冻结构。
实施例7：
一种轻质复合混凝土材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥3800克、粉煤灰1300克、聚丙烯泡沫颗粒600克、偶氮化合物800克和铝酸钾600克混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与水2130克混匀后，获得成品。
在寒区隧道施作初期支护前，采用轻质复合混凝土材料在隧道开挖轮廓线上喷射形成10cm保温防冻结构。
实施例8：
一种轻质复合混凝土材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥3800克、粉煤灰1300克、聚丙烯泡沫颗粒600克、磺酰肼类化合物800克和碱土金属碳酸钾600克混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与水1420克混匀后，获得成品。
在寒区隧道施作初期支护前，采用轻质复合混凝土材料在隧道开挖轮廓线上喷射形成25cm保温防冻结构。
实施例9：(如图1所示)
一种轻质复合混凝土材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥3800克、粉煤灰1300克、聚丙烯泡沫颗粒600克、亚硝基化合物800克和碱土金属的氢氧化钾600克混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与水1420克混匀后，获得成品。
在寒区隧道施作初期支护前，采用轻质复合混凝土材料在隧道开挖轮廓线上喷射形成10cm保温防冻结构。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，均属于本发明的保护范围。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本领域的普通技术人员应当理解，在不背离本发明的范围下，可对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，与此同时这些修改或者替换，并不会使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种轻质复合混凝土材料，其特征在于，所述材料主要由以下质量份数的原料制备得到：
水泥15-70份，粉煤灰5-25份，聚丙烯泡沫颗粒1-12份，发泡剂3-20份和速凝剂1-12份。
2.根据权利要求1所述的一种轻质复合混凝土材料，其特征在于，所述材料主要由以下质量份数的原料制备得到：
水泥30-45份，粉煤灰10-15份，聚丙烯泡沫颗粒2-8份，发泡剂5-10份和速凝剂2-8份。
3.根据权利要求2所述的一种轻质复合混凝土材料，其特征在于，所述材料主要由以下质量份数的原料制备得到：
水泥38份，粉煤灰13份，聚丙烯泡沫颗粒6份，发泡剂8份和速凝剂6份。
4.一种如权利要求1-3任一所述的轻质复合混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
A、按照相应比例选取水泥、粉煤灰、聚丙烯泡沫颗粒、发泡剂和速凝剂混匀后，获得固体混合材料；
B、将上述固体混合材料与溶剂混匀后，获得成品。
5.根据权利要求4所述的一种轻质复合混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，发泡剂包括无机发泡剂和有机发泡剂。
6.根据权利要求5所述的一种轻质复合混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述无机发泡剂为碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠、硅酸钠、碳化硅和碳黑中的任意一种；
所述有机发泡剂为偶氮化合物、磺酰肼类化合物和亚硝基化合物中的任意一种。
7.根据权利要求4所述的一种轻质复合混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，速凝剂为碱土金属碳酸盐、碱土金属的氢氧化物、硅酸钠、硅酸钾、铝酸钠、铝酸钾和铝酸盐中的任意一种。
8.根据权利要求4所述的一种轻质复合混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，固体混合材料与溶剂的质量份数比为1：20-30wt％。
9.一种轻质复合混凝土材料的应用，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述的轻质复合混凝土材料或权利要求4-8任一所述的轻质复合混凝土材料的制备方法获得的成品材料在寒区隧道衬砌空洞初期支护前，喷射成保温防冻层中的应用。
10.根据权利要求9所述的一种轻质复合混凝土材料的应用，其特征在于，所述保温防冻层厚度为10-25cm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211228 |
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