CN114671644B

CN114671644B - 一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN114671644B
Application number: CN202210294941.5A
Authority: CN
Inventors: 陈本稳; 甘杰忠; 王靖淳; 杜新康; 郑春扬
Original assignee: Chengdu Aolaite Times New Material Co ltd; Jiangsu China Railway ARIT New Materials Co Ltd
Current assignee: Chengdu Aolaite Times New Material Co ltd; Jiangsu China Railway ARIT New Materials Co Ltd
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2042-03-24
Also published as: CN114671644A

Abstract

本发明公开了一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土及其制备方法，其配比：水泥350‑470份、自制掺合料22‑90份、砂800‑900份，石子800‑900份、水150‑200份、减水剂4‑8份、无碱速凝剂27‑40份；方法为：将水泥、自制掺合料、砂、石子、水及减水剂混合搅拌得拌合料，将拌合料运输至施工位置，通过混凝土湿喷机将拌合料和无碱速凝剂混合后喷出，制得喷射混凝土；具有优良工作性能，喷浆料可保坍两小时，添加无碱速凝剂喷出后，水泥、掺合料和速凝剂的协同作用使混凝土快速凝结硬化，隧道湿喷回弹率大大降低，综合回弹率可控制在10%以内，满足高性能喷射混凝土设计要求。

Description

一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及喷射混凝土领域，具体涉及一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土及其制备方法。

背景技术

喷射混凝土是在空气压力作用下，通过充气软管或管道，将混凝土高速喷射到受喷面且瞬时凝固压密的混凝土。目前已被广泛应用于隧道及巷道的初期或永久支护、基坑边坡支护、结构加固维修等领域。速凝剂是一种能促进混凝土迅速凝结硬化的外加剂，是喷射混凝土重要的组成材料。早期的速凝剂多以粉体或有碱液体速凝剂为主，该类速凝剂具有掺量小、凝结时间快等优点，但是其具有较大腐蚀性，整体回弹率较高，且过高的碱含量极易造成混凝土强度倒缩、收缩开裂、发生碱集料反应，严重影响了喷射混凝土的耐久性。随着国标GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》等标准的陆续施行，无碱液体速凝剂逐渐获得市场的认可，但目前市面上的无碱速凝剂质量参差不齐，含氟类如氢氟酸、氟硅酸体系无碱速凝剂大行其道，此类速凝剂碱含量指标虽然合格，凝结时间较快，但同样存在原材料有毒有害、腐蚀性强、早期强度发展缓慢等问题。而喷射混凝土早期强度过低，不仅导致回弹率增加，而且不能及时发挥初期支护作用，容易产生围岩变形沉降甚至垮塌事故。随着国家战略性工程新川藏铁路等项目的开工建设，传统的喷射混凝土已经无法满足铁路隧道施工期与服役期的要求。因此，开发一种早期强度高，喷射回弹率低的高性能喷射混凝土势在必行。

现有技术公开号为：CN110282936A公开了一种高性能喷射混凝土及拌和方法，配料包括有凝胶材料、粗集料、细集料、减水剂、速凝剂和水；利用超微硅粉与水泥一样作为胶凝材料，提高了混凝土的抗渗性、抗化学侵蚀性和早期强度。但是还是存在：其早期强度发展不够迅速，3h抗压强度及8h抗压强度均未提及，24h抗压强度最高只有16MPa，难以满足川藏铁路等重点工程项目早高强喷射混凝土的指标要求的问题。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

针对上述技术问题，本发明提供一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土及其制备方法，其具有优良工作性能，喷浆料可保坍两小时，添加无碱速凝剂喷出后，水泥、掺合料和速凝剂的协同作用使混凝土快速凝结硬化，隧道湿喷回弹率大大降低，综合回弹率可控制在10%以内。同时，早期小时强度迅速提升，3h抗压强度可达5MPa以上，8h抗压强度可达15MPa以上，24h抗压强度可达25MPa以上，且后期强度不倒缩，可满足高性能喷射混凝土设计要求。

2.技术方案：

一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土，其特征在于：按重量份数计，包括：

水泥350-470份、自制掺合料22-90份、砂800-900份，石子800-900份、水150-200份、减水剂4-8份、无碱速凝剂27-40份；所述自制掺合料按质量百分比计，具体包括：硫铝酸钙30%-60%、石灰石粉10%-30%、超细硅灰10%-20%、偏高岭土10%-20%、乳酸铝1%-3%、碳酸锂1%-3%、酒石酸0.5%-1%。

进一步地，所述硫铝酸钙的氧化钙含量≥40%，氧化铝含量≥20%。

进一步地，所述超细硅灰的二氧化硅含量≥95%，比表面积≥20000 m2/kg；所述石灰石粉的碳酸钙含量≥95%，比表面积≥1800 m2/kg；所述偏高岭土的二氧化硅含量≥50%，氧化铝含量≥40%，活性指数≥110%；乳酸铝为工业级，纯度≥99%；所述碳酸锂为工业级，纯度≥99%。

进一步地，所述酒石酸为DL-酒石酸、D-酒石酸或L-酒石酸中的任意一种，纯度≥99% 。

进一步地，所述砂为中粗砂，细度模数为2.5~3.2，级配区为2区以上，含泥量小于1%。

进一步地，所述碎石的粒径为5~10mm；所述水泥的强度等级达到P.O 42.5以上。

进一步地，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

进一步地，所述所述无碱速凝剂为初凝时间≤5min，终凝时间≤12min，胶砂6h抗压强度≥1.0MPa，胶砂1d抗压强度≥10.0MPa的速凝剂。

一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土的制备方法，用于制备上述的高性能喷射混凝土混凝土，将如上述的配比的水泥、自制掺合料、砂、石子、水、减水剂进行混合搅拌均匀制得拌合料；将拌合料运输至施工位置，通过混凝土湿喷机将拌合料和无碱速凝剂混合后喷出，即制得所述高性能喷射混凝土。

3.有益效果：

（1）本发明提供的高性能喷射混凝土采用的自制掺合料中，硫铝酸钙占比较大，其在水泥水化体系中首先与二水石膏迅速反应，生成大量钙钒石和铝胶，而钙钒石的快速形成可以为水泥浆体提供骨架结构，促进浆体的凝结并提高早期强度，同时，利用硫铝酸钙与速凝剂的协同作用，二者经湿喷机高压风喷出，在喷头接触后可迅速凝结硬化并产生强度，可大幅度降低喷射回弹率。

（2）自制掺合料中的石灰石粉作为主要填料，通过合理的粒径分布及配比，可以提高混凝土的密实度；而超细硅灰和偏高岭土都是活性掺合料，掺入水泥中能与水泥水化产物发生二次水化反应，生成CSH凝胶，并且二者本身粒度小，比表面积大，可以填充在水泥石的颗粒空隙中，使整体微观结构更加致密，因此其高火山灰活性和微集料填充效应能有效提高早期强度；

（3）自制掺合料中的乳酸铝在碱性条件下凝结性好，在水泥水化体系中提供有效的铝离子，其与速凝剂发挥协同作用，有效促进水泥水化；碳酸锂作为早强剂，亦可提升混凝土早期强度。酒石酸在水泥水化体系中易与钙结合，生成相应的钙盐，使水泥水化产物时钙离子浓度降低，硬化产物减少，硬化过程相应推迟，具有一定缓凝效果。适量掺入酒石酸，一方面在添加速凝剂前保证喷射混凝土的施工性能，避免坍损过快，另一方面在加入速凝剂后不影响其凝结硬化效果。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土，按重量份数计，包括：

水泥390份，自制掺合料60份，砂870份，石子830份，水167份，减水剂5份，无碱速凝剂36份；

其中，自制掺合料按质量分数计包括：硫铝酸钙50%，石灰石粉20%，超细硅灰15%，偏高岭土10%，乳酸铝3%，碳酸锂1.5%，酒石酸0.5%；所述无碱速凝剂为符合国铁QCR 807-2020《隧道喷射混凝土用液体无碱速凝剂》的速凝剂。

本发明实施例还提供了一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土的制备方法，具体实施方式为：

将水泥、自制掺合料、砂、石子、水及减水剂混合搅拌均匀制得拌合料，将拌合料运输至施工位置，通过混凝土湿喷机将拌合料和无碱速凝剂混合后喷出，制得该高性能喷射混凝土。

实施例2

水泥360份，自制掺合料90份，砂850份，石子850份，水171份，减水剂5份，无碱速凝剂32份；

其中，自制掺合料按质量分数计包括：硫铝酸钙60%，石灰石粉15%，超细硅灰12%，偏高岭土10%，乳酸铝2%，碳酸锂0.5%，酒石酸0.5%。

制备方法参考实施例1。

实施例3

水泥405份，自制掺合料45份，砂830份，石子870份，水180份，减水剂4份，无碱速凝剂38份；

其中，自制掺合料按质量分数计包括：硫铝酸钙40%，石灰石粉25%，超细硅灰18%，偏高岭土14%，乳酸铝1%，碳酸锂1%，酒石酸1%。

制备方法参考实施例1。

实施例4

水泥427份，自制掺合料23份，砂860份，石子840份，水190份，减水剂6份，无碱速凝剂30份；

其中，自制掺合料按质量分数计包括：硫铝酸钙30%，石灰石粉30%，超细硅灰16%，偏高岭土20%，乳酸铝2%，碳酸锂1%，酒石酸1%。

制备方法参考实施例1。

对比例1

本对比例与实施例1的各原料组分基本一致，区别为用水泥取代自制掺合料。

制备方法参考实施例1。

对比例2

本对比例与实施例2的各原料组分基本一致，区别为用市售含氟类无碱速凝剂取代自制无碱速凝剂。

制备方法参考实施例1。

对比例3

本对比例与实施例3的各原料组分基本一致，区别为混凝土配合比用水量调整为240份，不使用减水剂。

制备方法参考实施例1。

应用例：

按上述实施例1-4及对比例1-3配制的喷射混凝土，于隧道现场进行试喷，收集回弹料测试回弹率，成型大板试模并测试混凝土3h、8h及1d抗压强度，测试结果见下表。

从上表的试验数据可以看出，采用本发明的实施例1-4制备的高性能喷射混凝土，在喷射回弹率及混凝土抗压强度数据方面均显著优于对比例1-3。其中，混凝土抗压强度方面，实施例1-4的3h抗压强度均达到4MPa以上，8h抗压强度均达到10MPa以上，1d抗压强度均达到20MPa以上，对比例1-3的3h抗压强度均未达到3MPa，最低的仅有1.8MPa，8h抗压强度均未达到10MPa，最低的仅有2.5MPa，1d抗压强度均未超过15MPa，最低的只有6.3MPa。现场喷射回弹率方面，实施例1-4的边墙回弹率均控制在5%以内，拱顶回弹率均控制在12%以内，远低于业内控制指标：边墙回弹率不超过15%，拱顶回弹率不超过25%。

而对比例1、2边墙回弹率有所增高，拱顶回弹率增高50%以上，主要原因为对比例1未添加自制掺合料，凝结时间延长且早期强度发展较慢，而对比例2替换含氟类无碱速凝剂，由于凝结时间较快，回弹率较对比例1更低，但由于其早期强度发展几乎停滞，喷出物料不能及时形成稳固结构，在自身自重下容易脱落，出现掉大块现象，因此整体回弹相较实施例明显增高。对比例3则由于未使用减水剂，只能依靠较大的水胶比试拌出合适的坍落度，而过高的水胶比对速凝剂的凝结效果和混凝土的强度发展不利，因此边墙及拱顶回弹率大幅度升高。

综上，本发明公开了一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土及其制备方法，其具有优良工作性能，喷浆料可保坍两小时，添加无碱速凝剂喷出后，水泥、掺合料和速凝剂的协同作用使混凝土快速凝结硬化，隧道湿喷回弹率大大降低，综合回弹率可控制在10%以内。同时，早期小时强度迅速提升，3h抗压强度可达5MPa以上，8h抗压强度可达15MPa以上，24h抗压强度可达25MPa以上，且后期强度不倒缩，可满足高性能喷射混凝土设计要求。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims

1.一种高早强低回弹的高性能喷射混凝土的制备方法，其特征在于：高早强低回弹的高性能喷射混凝土，按重量份数计，包括：

水泥350-470份、自制掺合料22-90份、砂800-900份，石子800-900份、水150-200份、减水剂4-8份、无碱速凝剂27-40份；所述自制掺合料按质量百分比计，具体包括：硫铝酸钙30%-60%、石灰石粉10%-30%、超细硅灰10%-20%、偏高岭土10%-20%、乳酸铝1%-3%、碳酸锂1%-3%、酒石酸0.5%-1%；

所述硫铝酸钙的氧化钙含量≥40%，氧化铝含量≥20%；

所述超细硅灰的二氧化硅含量≥95%，比表面积≥20000 m²/kg；所述石灰石粉的碳酸钙含量≥95%，比表面积≥1800 m²/kg；所述偏高岭土的二氧化硅含量≥50%，氧化铝含量≥40%，活性指数≥110%；所述乳酸铝为工业级，纯度≥99%；所述碳酸锂为工业级，纯度≥99%；

所述酒石酸为DL-酒石酸、D-酒石酸或L-酒石酸中的任意一种，纯度≥99%；

所述砂为中粗砂，细度模数为2.5~3.2，级配区为2区以上，含泥量小于1%；

所述石子的粒径为5~10mm；所述水泥的强度等级达到P.O 42.5以上；

所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂；

所述无碱速凝剂为初凝时间≤5min，终凝时间≤12min，胶砂6h抗压强度≥1.0MPa，胶砂1d抗压强度≥10.0MPa的速凝剂；

将上述配比的水泥、自制掺合料、砂、石子、水、减水剂进行混合搅拌均匀制得拌合料；将拌合料运输至施工位置，通过混凝土湿喷机将拌合料和无碱速凝剂混合后喷出，即制得所述高性能喷射混凝土。