CN114477843A - 一种喷射混凝土用抗热掺合料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种喷射混凝土用抗热掺合料及其应用，属于混凝土技术领域。一种喷射混凝土用抗热掺合料，其原料包括以下质量百分比的各组分：早强组分15～40％，早强型减水组分0.5～2.5％，硅灰3～15％，微珠3～15％，羧甲基纤维素钠0.1～2.5％，缓凝组分0.5～4％，余量为超细矿粉；早强组分由硫酸铝、氧化钙、硝酸钙、超细矿粉和五水偏硅酸钠按质量比1：(1.0～1.5)：(0.2～0.6)：(0.6～1.0)：(0.4～0.7)复配后粉磨而成。本发明的抗热掺合料由于各组分的配合作用，能够加快水泥水化、提升早期强度并且对混凝土进行内部保水，使得喷射混凝土在60℃干养条件下，前期强度迅速增长，且28d的混凝土抗压强度损失降低至15％以下。

Description

一种喷射混凝土用抗热掺合料及其应用

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种喷射混凝土用抗热掺合料及其应用。

背景技术

喷射混凝土是在高压缩空气作用下，将经过管道运输的混凝土均匀喷射在受喷面上，自动压实并快速产生强度的一种特殊混凝土。与现浇混凝土相比，机喷施工具有凝结时间短，施工便捷，缩短工期，成本节约的优点，广泛应用于隧道衬砌、矿井巷道支护、基坑支护等工程。当喷射混凝土应用于隧道施工时存在如下问题：隧道开挖后，由于开挖岩面温度高，达60℃以上，高温环境下水分散失很快，导致水泥水化可利用的水分逐渐减少，严重影响混凝土中水泥的水化进程，同时在高温环境下，水泥石脱水，导致混凝土内部孔隙率增加，结构疏松，强度降低。且喷射混凝土后混凝土物理性质和破坏形式改变，常常造成混凝土后期强度低。

为了解决上述技术问题，中国专利CN110510954A公开了一种高地温隧道用高强喷射混凝土，该混凝土包含以下原料组分：水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、粗骨料、玻化微珠、PVA纤维、钢纤维、改性橡胶、减水剂、速凝剂和水。该发明采用PVA纤维与钢纤维的双纤维掺杂，在低温时增强混凝土强度，在高温时，随着PVA纤维的溶解，钢纤维增强起主要作用，且溶解的PVA为钢纤维提供了桥联作用，能够起到阻止裂纹扩展的作用，大大增强混凝土的后期强度。但是该发明采用常规掺合料粉煤灰和矿渣粉，仅靠纤维增强混凝土强度，纤维成本高；且在高温干燥的条件下，混凝土中水分散失较快，混凝土在成型一周后抗压强度基本不增长，混凝土早期强度增长缓慢不利于混凝土的最终抗压强度；因此溶解的PVA对混凝土后期强度损失率的降低效果不明显，后期强度低。

因此，提供一种喷射混凝土用抗热掺合料，能够解决高温环境混凝土强度损失快、后期强度低的问题，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一是提供一种喷射混凝土用抗热掺合料，解决在60℃左右高温施工环境条件下喷射混凝土强度损失快，后期强度增长不明显的技术问题。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种喷射混凝土用抗热掺合料，其原料包括以下质量百分比的各组分：

早强组分15～40％，早强型减水组分0.5～2.5％，硅灰3～15％，微珠3～15％，羧甲基纤维素钠0.1～2.5％，缓凝组分0.5～4％，余量为超细矿粉；

所述早强组分由硫酸铝、氧化钙、硝酸钙、超细矿粉和五水偏硅酸钠按质量比1：(1.0～1.5)：(0.2～0.6)：(0.6～1.0)：(0.4～0.7)复配后粉磨而成。

本发明的早强组分中，硫酸铝和氧化钙能促进混凝土快速凝结硬化，且对混凝土的早期抗压强度提升也具有一定的作用；硝酸钙与五水偏硅酸钠配合使用可以提高混凝土的早期强度；超细矿粉在混凝土中起填充和润滑作用，使混凝土更加密实，混凝土的早期强度更高，并且还能减少混凝土中水分的散失；通过硫酸铝、氧化钙、硝酸钙、五水偏硅酸钠和超细矿粉在特定比例下的配合作用，早强组分可以使混凝土在快速凝结硬化的同时提高早期强度。硅灰和微珠为球状多孔结构，比表面积大，起保水作用，能够减少水分在高温条件下的损失，为水泥的水化提供更多的自由水；同时硅灰和微珠能够填充水泥颗粒间的孔隙，发挥其滚珠效益和强度增强效益，能提高喷射混凝土的密实度，减少孔隙率，增强喷射混凝土的强度。羧甲基纤维素钠具有促凝和增粘效果，可以提高混凝土的粘度，有效降低喷射混凝土施工过程中的回弹。缓凝组分能够保证混凝土在喷射施工前具有良好的工作性能。

本发明利用早强组分加快水泥水化进程，避免高温环境下水泥水化所需的水分被快速蒸发损失，同时早强组分还能提升早期强度，利用硅灰和微珠进行保水和提高密实度，并利用缓凝组分调整混凝土的工作性能；通过各组分的相互作用，加快水泥水化、提升早期强度并且对混凝土进行内部保水，使喷射混凝土在60℃干养条件下，前期强度迅速增长，且能有效避免混凝土在高温环境下的强度损失，使混凝土的后期抗压强度损失降低至15％以下。

优选的，所述喷射混凝土用抗热掺合料的原料包括以下质量百分比的各组分：早强组分30％，早强型减水组分2.5％，硅灰8％，微珠8％，羧甲基纤维素钠0.5％，缓凝剂2％，超细矿粉49％。

优选的，所述早强型减水组分为由早强型减水剂和超细矿粉按质量比1:4混合后，经过烘干、研磨后得到的粉体。更优选的，所述早强型减水组分的制备方法如下：将早强型减水剂与超细矿粉按照质量比1:4混合，然后在105℃下烘干48h，再经过研磨处理得到粉体。

优选的，所述早强型减水剂的减水率为25～30％。

优选的，所述硅灰为SiO₂含量≥90.0％，堆积密度为600-900kg/m²的全加密硅灰。

优选的，所述缓凝组分包括葡萄糖酸钠、蔗糖、柠檬酸钠或硼酸中的至少一种。

本发明的另一目的是提供所述喷射混凝土用抗热掺合料的制备方法，包括以下步骤：

P1、将所述硫酸铝、氧化钙、硝酸钙、超细矿粉和五水偏硅酸钠混合，再研磨至粒径小于0.15mm的粉体，得到所述早强组分。

P2、将步骤P1的所述早强组分与早强型减水组分、硅灰、微珠、羧甲基纤维素钠、缓凝剂、超细矿粉混合，搅拌均匀后，即得到所述喷射混凝土用抗热掺合料。

本发明的再一目的是提供所述抗热掺合料在喷射混凝土中的应用，所述抗热掺合料的掺量为胶凝材料质量的8～16％。

优选的，其应用方法包括以下步骤：

S1、将所述抗热掺合料与胶凝材料、骨料、水和减水剂搅拌均匀，得到混凝土浆料；

S2、将步骤S1的混凝土浆料装入喷射机中，混凝土浆料通过喷射管道被运送至喷头处，并在喷头处与速凝剂混合形成喷射混凝土，从喷头处高速喷至受喷面上。

步骤S2中的混凝土浆料与速凝剂混合后，速凝剂可以加快混凝土的初步凝结硬化，避免高温条件下水泥水化过程中的水分蒸发损失。此外，在进行喷射施工时，速凝剂中的硫酸铝等促凝成分可与早强组分中的氧化钙反应生成多硫型钙矾石，使混凝土迅速凝结硬化的同时能固定更多的自由水，且混凝土硬化后能一定程度地减少混凝土内部自由水从混凝土表面散失，为后续混凝土强度的发展提供更多的水分，促进混凝土后期的强度发展。

优选的，所述速凝剂的质量为胶凝材料的6～8％。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明利用早强组分加快水泥水化进程，避免高温环境下水泥水化所需的水分被蒸发损失，同时提升早期强度；利用硅灰和微珠进行保水和提高密实度，并利用缓凝组分调整混凝土的工作性能；本发明的抗热掺合料由于各组分的配合作用，能够加快水泥水化、提升早期强度并且对混凝土进行内部保水，使得喷射混凝土在60℃干养条件下，前期强度迅速增长，且28d的混凝土抗压强度损失降低至15％以下。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例及对比例中，早强型减水组分的制备方法为：将早强型减水剂与超细矿粉按照质量比1:4混合，然后在105℃下烘干48h，再经过研磨处理得到粒径小于0.075mm的粉体；其中早强型减水剂为武汉三源特种建材有限公司生产的早强型减水剂UJOIN-M43，减水率为26.5％。超细矿粉的堆积密度为300～400kg/m²；硅灰为SiO₂含量≥90.0％，堆积密度为600-900kg/m²的全加密硅灰；缓凝组分为葡萄糖酸钠、蔗糖、柠檬酸钠或硼酸中的至少一种。

实施例1

本实施例的一种喷射混凝土用抗热掺合料，其原料包括以下质量百分比的各组分：

早强组分30％，早强型减水组分2.5％，硅灰8％，微珠8％，羧甲基纤维素钠0.5％，缓凝剂2％，超细矿粉49％。

早强组分中硫酸铝、氧化钙、硝酸钙、超细矿粉和五水偏硅酸钠的质量比为1:1.4:0.4:0.8:0.4。

本实施例的喷射混凝土用抗热掺合料的制备方法，包括以下步骤：

P1、将硫酸铝、氧化钙、硝酸钙、超细矿粉和五水偏硅酸钠混合，再研磨至粒径小于0.15mm的粉体，得到早强组分。

P2、将早强组分、早强型减水组分、硅灰、微珠、羧甲基纤维素钠、缓凝剂和超细矿粉混合，搅拌均匀后，即得到所述喷射混凝土用抗热掺合料。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，本实施例的一种喷射混凝土用抗热掺合料，其原料包括以下质量百分比的各组分：

早强组分30％，早强型减水组分2.5％，硅灰3％，微珠3％，羧甲基纤维素钠0.5％，缓凝剂2％，超细矿粉59％。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于，本实施例的一种喷射混凝土用抗热掺合料，其原料包括以下质量百分比的各组分：

早强组分30％，早强型减水组分2.5％，硅灰8％，微珠8％，羧甲基纤维素钠2.5％，缓凝剂4％，超细矿粉45％。

实施例4

实施例4与实施例1的区别在于，本实施例的一种喷射混凝土用抗热掺合料，其原料包括以下质量百分比的各组分：

早强组分15％，早强型减水组分2.5％，硅灰8％，微珠8％，羧甲基纤维素钠2.5％，缓凝剂2％，超细矿粉62％。

实施例5

实施例5与实施例1的区别在于，本实施例的一种喷射混凝土用抗热掺合料，早强组分中硫酸铝、氧化钙、硝酸钙、超细矿粉和五水偏硅酸钠的质量比为1:1:0.4:0.8:0.4。

对比例1

对比例1与实施例1的区别之处在于，本对比例的一种喷射混凝土用抗热掺合料不含早强组分，超细矿粉的质量百分比增加至79％。

对比例2

对比例2与实施例1的区别之处在于，本对比例的一种喷射混凝土用抗热掺合料不含微珠，超细矿粉的质量百分比增加至57％。

对比例3

对比例3与实施例1的区别之处在于，本对比例的一种喷射混凝土用抗热掺合料不含微珠和硅灰，超细矿粉的质量百分比增加至65％。

试验例

将本发明实施例1～6和对比例1～3的喷射混凝土用抗热掺合料按胶凝材料含量的8～16％加入混凝土中，混凝土的配合比如表1所示。

表1为喷射混凝土配合比(kg/m³)

水泥	河砂	碎石	水	减水剂	速凝剂
						450	830	830	175	4.5	31.5

其中，水泥为P·I 42.5硅酸盐水泥，河砂的细度模数为2.2，碎石为8～15mm连续级配碎石，减水剂为武汉源锦建材有限公司生产的减水剂成品UJOIN-PC，速凝剂为武汉源锦建材有限公司生产的早强型无碱液体速凝剂UJOIN-S12。

所述喷射混凝土用抗热掺合料的使用方法，包括以下步骤：

S1、将实施例和对比例的抗热掺合料与水泥、碎石、河砂、水和减水剂搅拌均匀，得到混凝土浆料，所述抗热掺合料的质量为水泥质量的8～16％；

S2、将步骤S1的混凝土浆料装入喷射机中，混凝土浆料通过喷射管道被运送至喷头处，并在喷头处与速凝剂混合形成喷射混凝土，从喷头处高速喷至受喷面上。

对实施例及对比例的混凝土在20℃和60℃下进行养护，按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的相关规定，检测混凝土的抗压强度，测试数据见表2。

表2混凝土性能测试数据

由表2的数据可知，与空白组相比，在同样的养护条件下，本发明实施例的混凝土的抗压强度显著提高，且60℃干养条件下混凝土的抗压强度损失从24％降低至15％以下。其中实施例1的效果最佳，当掺合料掺量为16％时，60℃干养条件下28d抗压强度损失率仅为2％。与实施例1相比，实施例2降低了硅灰和微珠的质量，硅灰和微珠的保水效果减弱，其在60℃干养条件下28d的抗压强度损失率上升至8％；实施例3增加了缓凝剂的质量，延缓了水泥的水化，水分损失，影响其强度的增长，其在60℃干养条件下28d的抗压强度损失率上升至13％。实施例4在降低了早强组分的质量，其在60℃干养条件下早期强度略有下降，且28d的抗压强度损失率上升至13％。发明人发现，在实施例1的基础上，增加早强组分的用量，其抗压强度损失率降低不明显，同时会影响混凝土的施工状态；增加硅灰和微珠的用量，其抗压强度损失率降低不明显，同时会增加成本。与实施例1相比，实施例5降低了氧化钙的含量，凝结速度变慢，其在60℃干养条件下28d的抗压强度损失率上升至9％。

通过比较实施例1和对比例1的数据可以发现，对比例1的抗热掺合料不含有早强组分，其早期强度显著降低，且60℃干养条件下28d的抗压强度损失率上升至23％；通过比较实施例1和对比例3的数据可以发现，对比例3不含玻璃和硅灰，其在60℃干养条件下28d的抗压强度损失率上升至21％。说明本发明的早强组分与微珠、硅灰之间相互作用，在加快水泥水化、提升早期强度的同时对混凝土进行内部保水，使喷射混凝土在60℃干养条件下，前期强度迅速增长，且能有效避免混凝土在高温环境下的强度损失，使混凝土的后期抗压强度损失降低至15％以下。

从实施例1抗热掺合料不同掺量下的抗压强度数据可以看出，抗热掺合料的掺量越高，混凝土的常温及高温强度的改善效果越明显，同时成本也增加，实际使用时可根据强度要求选择合适的掺量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种喷射混凝土用抗热掺合料，其特征在于，其原料包括以下质量百分比的各组分：

早强组分15～40％，早强型减水组分0.5～2.5％，硅灰3～15％，微珠3～15％，羧甲基纤维素钠0.1～2.5％，缓凝组分0.5～4％，余量为超细矿粉；

所述早强组分由硫酸铝、氧化钙、硝酸钙、超细矿粉和五水偏硅酸钠按质量比1：(1.0～1.5)：(0.2～0.6)：(0.6～1.0)：(0.4～0.7)复配后粉磨而成。

2.根据权利要求1所述的一种喷射混凝土用抗热掺合料，其特征在于，其原料包括以下质量百分比的各组分：早强组分30％，早强型减水组分2.5％，硅灰8％，微珠8％，羧甲基纤维素钠0.5％，缓凝剂2％，超细矿粉49％。

3.根据权利要求1所述的一种喷射混凝土用抗热掺合料，其特征在于，所述早强型减水组分为由早强型减水剂和超细矿粉按质量比1:4混合后，经过烘干、研磨后得到的粉体。

4.根据权利要求3所述的一种喷射混凝土用抗热掺合料，其特征在于，所述早强型减水剂的减水率为25～30％。

5.根据权利要求1所述的一种喷射混凝土用抗热掺合料，其特征在于，所述硅灰为SiO₂含量≥90.0％，堆积密度为600-900kg/m²的全加密硅灰。

6.根据权利要求1所述的一种喷射混凝土用抗热掺合料，其特征在于，所述缓凝组分包括葡萄糖酸钠、蔗糖、柠檬酸钠或硼酸中的至少一种。

7.权利要求1～6任一项所述的抗热掺合料在喷射混凝土中的应用，其特征在于，所述抗热掺合料在喷射混凝土中的掺量为胶凝材料质量的8-16％。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，其应用方法包括以下步骤：

S1、将所述抗热掺合料与胶凝材料、骨料、水和减水剂搅拌均匀，得到混凝土浆料；

S2、将步骤S1的混凝土浆料装入喷射机中，混凝土浆料通过喷射管道被运送至喷头处，并在喷头处与速凝剂混合形成喷射混凝土，从喷头处高速喷至受喷面上。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述速凝剂的质量为胶凝材料的6～8％。