CN114988813A - 一种用于盾构管片的抗裂混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种用于盾构管片的抗裂混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于盾构管片的抗裂混凝土及其制备方法，属于高性能混凝土领域，本发明混凝土配料按重量份数计包括：硅酸盐水泥430‑450份、粉煤灰50‑58份、砂540‑560份、碎石1140‑1160份、水120‑140份、浸胶结构型玄武岩纤维100‑110份、减水剂20‑23份；利用该种混凝土制成的盾构管片的各强度均有提高，且其抗裂能力强，既保证了盾构管片的抗裂性能又提高了隧道衬砌结构的承载能力。

Description

一种用于盾构管片的抗裂混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于高性能混凝土领域，尤其涉及一种用于盾构管片的抗裂混凝土及其制备方法。
背景技术
盾构管片是隧道衬砌结构的主要组成部分，但因盾构隧道所处岩土赋存条件复杂，随着服役年限增加，逐渐出现各类病害，主要表现为管片混凝土开裂导致渗漏水、螺栓和钢筋锈蚀以及管径收敛变形等。管片的破损和裂缝都使得整个衬砌结构发生整体性破坏，这对控制工程安全质量指标是很大的挑战。若研发出一种高抗裂性混凝土用于盾构管片，可增强结构的耐久性，同时避免很多不可控的病害。
目前用于盾构管片的纤维混凝土主要有钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土以及碳纤维混凝土，但钢纤维混凝土自重大，易沉淀，易腐蚀等缺陷目前还无法克服，这些缺陷致使盾构管片的耐久性能降低；聚丙烯纤维混凝土强度低、易性差、不适用于抗裂；碳纤维混凝土成本高，分散性差、易成团致使混凝土孔隙率高。故研发出一种分散性好、耐腐蚀、强度高且性价比高的抗裂混凝土用于盾构管片来提高衬砌结构整体的耐久性和承载性能是十分有必要的。
发明内容
本发明提供了一种用于盾构管片的抗裂混凝土及其制备方法，利用该种混凝土制成的盾构管片的强度高，抗裂性能强，保证了衬砌结构的防裂性能和防水性能，提高了整体结构的耐久性能。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于盾构管片的抗裂混凝土，按重量计包括：水泥430-450份、粉煤灰50-58份、砂540-560份、碎石1140-1160份、水120-140份、浸胶结构型玄武岩纤维100-110份、减水剂20-23份。
以上所述组分中，所述减水剂为聚羧酸类高性能减水剂，是羧酸类接枝多元共聚物与其它有效助剂的复配产品；
所述浸胶结构型玄武岩纤维的直径为1mm，长度为25-30mm，密度为2.0g/cm2；
所述浸胶结构型玄武岩纤维由纯天然的火山岩(含玄武岩)矿石经高温1500℃热熔后移入池窑机，再向池窑机中加入浸润剂对未成型的玄武岩进行浸润，后将未成型的玄武岩纤维放入拉丝机中进行拉挤成型得到玄武岩纤维原丝，最后将原丝进行加捻成型即可；
所述水泥的细度级数为376(m2/kg)，烧失量为4％，三氧化硫含有率为3％，碱含量为0.5％，初凝时间为50-60min，终凝时间为500-600min，28d抗压强度≥42.5MPa，28d抗折强度≥6.5MPa；
所述砂的细度模数为2.5，表观密度为2900kg/m3，松散堆积密度为1400kg/m3，含泥量(按质量计)为1.0％，泥块含量(按质量计)为0.4％，砂含水率为0.00％，硫化物及硫酸盐含量(按SO3质量计)为0.38％，氯化物(以Cl离子质量计)含量为0.01％，空隙率为37％，碱骨料反应(膨胀率)为0.06％；
所述碎石为5-25mm级数碎石，所述碎石的表观密度为2950kg/m3，松散堆积密度为1626kg/m3，含泥量或粉尘含量(按质量计)为0.6％，泥块含量(按质量计)为0.00％，针片状颗粒含量(按质量计)为3.8％，有机物含量为合格，坚固性指标的质量损失量为0.33％，空隙率为24％，吸水率为1％，碱骨料反应(膨胀率)为1％，岩石抗压强度/混凝土强度≥2MPa。
一种用于盾构管片的抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：取水泥，粉煤灰、砂和浸胶结构型玄武岩纤维倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为50s-60s；
S2：取5-25mm级数的碎石、水以及减水剂倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为110s-120s
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
有益效果：本发明提供了一种用于盾构管片的抗裂混凝土及其制备方法，与现有技术相比，具有以下优势：
1、本发明制备得到的用于盾构管片抗裂的混凝土较普通用于盾构管片的混凝土来说，其测试所得到的抗压强度、抗拉强度以及抗折强度均有较大幅度的提升。从而提高了整个隧道衬砌结构的承载力；
2、浸胶结构型玄武岩纤维与普通玄武岩纤维及其他纤维不同，其直径偏大，且经过加捻等特殊工艺制造而成，其性能优良，具有强度高、韧性强、分散性好、性价比高的优点，与混凝土基体有着更好的结合性。其在结构性能上远高于普通玄武岩纤维、可增强管片混凝土的抗拉强度和延性；
3、浸胶结构型玄武岩纤维参与水泥的水化反应，在水泥水化反应中会产生更多的凝胶聚合物，协同纤维和混凝土基体材料共同受力构成三维网状结构，有效构成一个整体，从而提高混凝土的密实度，降低混凝土内部孔洞率，有效阻止混凝土早期初裂现象，以及在受力过程中有效阻止裂缝的产生和开展。另外因浸胶玄武岩纤维参与水化反应，使得各基本骨料与纤维的粘结性能增加，提高了混凝土的强度，在一定程度上改善了混凝土的脆性，提高了整个结构的承载能力。
4、本发明采用聚羧酸系高性能减水剂，掺量低、减水率高，凝结时间可提早2小时、气泡少可提高混凝土外观质量、减少混凝土孔隙率，且混凝土强度提高30％左右；
5、本发明粉煤灰采用来自燃煤先进工艺，不使用高钙灰，要求粉煤灰品质稳定、配料均匀，搅拌过程中降低碳化热，降低混凝土孔隙率，从而减少应力集中的发生。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：
实施例1
一种用于盾构管片的抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：取PⅡ-52.5级硅酸盐水泥43kg，粉煤灰5kg、砂54kg和浸胶结构型玄武岩纤维10kg倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为53s，本次拌和所用纤维直径为1mm，长度为35mm
S2：取5-25mm级数的碎石114kg、水12kg以及减水剂2kg倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为120s
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
实施例2
一种用于盾构管片的抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：取PⅡ-52.5级硅酸盐水泥43kg，粉煤灰5kg、砂54kg和浸胶结构型玄武岩纤维10kg倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为50s，本次拌和所用纤维直径为1mm，长度为35mm
S2：取5-25mm级数的碎石114kg、水12kg以及减水剂2.3kg倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为113s
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
实施例3
一种用于盾构管片的抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：取PⅡ-52.5级硅酸盐水泥45kg，粉煤灰5.8kg、砂56kg和浸胶结构型玄武岩纤维10kg倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为51s，本次拌和所用纤维直径为1mm，长度为35mm
S2：取5-25mm级数的碎石114kg、水12kg以及减水剂2kg倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为115s
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
实施例4
一种用于盾构管片的抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：取PⅡ-52.5级硅酸盐水泥45kg，粉煤灰5.8kg、砂56kg和浸胶结构型玄武岩纤维10kg倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为50s-60s，本次拌和所用纤维直径为1mm，长度为35mm
S2：取5-25mm级数的碎石114kg、水14kg以及减水剂2kg倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为115s
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
实施例5
一种用于盾构管片的抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：取PⅡ-52.5级硅酸盐水泥44kg，粉煤灰5.1kg、砂55kg和浸胶结构型玄武岩纤维10.2kg倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为60s，本次拌和所用纤维直径为1mm，长度为35mm
S2：取5-25mm级数的碎石116kg、水13kg以及减水剂2.05kg倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为120s
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
实施例6
一种用于盾构管片的抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：取PⅡ-52.5级硅酸盐水泥44kg，粉煤灰5.1kg、砂55kg和浸胶结构型玄武岩纤维10.6kg倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为60s，本次拌和所用纤维直径为1mm，长度为35mm
S2：取5-25mm级数的碎石116kg、水13kg以及减水剂2.2kg倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为118s
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
对比例1
S1：取PⅡ-52.5级硅酸盐水泥43kg，粉煤灰5kg、砂54kg倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为53s
S2：取5-25mm级数的碎石114kg、水12kg以及减水剂2kg倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为120s
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
对比例2
S1：取PⅡ-52.5级硅酸盐水泥45kg，粉煤灰5.8kg、砂56kg倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为51s
S2：取5-25mm级数的碎石114kg、水12kg以及减水剂2kg倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为115s
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
对比例3
S1：取PⅡ-52.5级硅酸盐水泥44kg，粉煤灰5.1kg、砂55kg倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为60s
S2：取5-25mm级数的碎石116kg、水13kg以及减水剂2.05kg倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为120s
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
将以上实施例和对比例所制备的作为盾构管片抗裂作用的混凝土采用以下评价指标和检测方法进行相关测试：
混凝土和易性：根据《混凝土结构工程施工质量验收制约》(GB50204-2002)操作方法测得桶高与塌落后混凝土最高点高度的差值即为塌落度。
混凝土抗压强度：根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019中的测试方法分别测定标准试块的7天轴心抗压强度和28天的轴心抗压强度。
裂缝数量和宽度：根据《混凝土结构试验方法标准》GB/T 50152-2012借助刻度放大镜测量出裂缝的数量和宽度。
测得各实施例和对比例的各性能指标如下表1、2所示。
表1
性能测试指标 实例1 实例2 实例3 实例4 实例5 实例6
塌落度(mm) 40 51 42 45 36 34
7d轴心抗压强度(MPa) 55.6 52.6 56.6 57.8 58 53.5
28d轴心抗压强度(MPa) 57.8 56.2 59 60 62 61
试块裂缝数量(mm) 5 8 7 7 6 5
试块最大裂缝宽度(mm) 0.1 0.12 0.11 0.15 0.16 0.1
表2
性能测试指标 对比例1 对比例2 对比例3
塌落度(mm) 80 95 86
7d轴心抗压强度(MPa) 50.1 52 53.1
28d轴心抗压强度(MPa) 54 55.6 56
试块裂缝数量(mm) 15 25 20
试块最大裂缝宽度(mm) 1 试块塌落无法测量 2
由上表分析数据可知，所制备的作为盾构管片抗裂作用的混凝土的塌落度和抗压强度均有较明显幅度的提高，说明该种混凝土的和易性和承载能力均有一定程度的提高；
由上表分析数据可得：加入浸胶结构型抗裂纤维的混凝土的裂缝数量和裂缝宽度明显减少，说明其对于盾构管片的抗裂有显著效果，从而提高了盾构管片的耐久性能。
由实施例1、实施例2和对比例1可看出：聚羧酸系高性能减水剂的用量对混凝土的和易性和抗压强度有一定影响：减水剂越多，其混凝土离析率越大，抗压强度越低。
由实施例3、实施例4和对比例2可看出：用水量对混凝土的和易性有一定影响：一定范围内，用水量越大，该种混凝土和易性越好，但对抗裂混凝土影响不大。
以上仅是本发明的优选实施例，仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于盾构管片的抗裂混凝土，其特征在于，按重量计包括：水泥430-450份、粉煤灰50-58份、砂540-560份、碎石1140-1160份、水120-140份、浸胶结构型玄武岩纤维100-110份、减水剂20-23份。
2.根据权利要求1所述的用于盾构管片的抗裂混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸类高性能减水剂，是羧酸类接枝多元共聚物与其它有效助剂的复配产品。
3.根据权利要求1所述的用于盾构管片的抗裂混凝土，其特征在于，所述浸胶结构型玄武岩纤维的直径为1mm，长度为25-30mm，密度为2.0g/cm2。
4.根据权利要求1或3所述的用于盾构管片的抗裂混凝土，其特征在于，所述浸胶结构型玄武岩纤维的制备方法为：由纯天然的火山岩矿石经高温1500℃热熔后移入池窑机，再向池窑机中加入浸润剂对未成型的玄武岩进行浸润，后将未成型的玄武岩纤维放入拉丝机中进行拉挤成型得到玄武岩纤维原丝，最后将原丝进行加捻成型。
5.根据权利要求1所述的用于盾构管片的抗裂混凝土，其特征在于，所述水泥的细度级数为376，烧失量为4%，三氧化硫含有率为3%，碱含量为0.5%，初凝时间为50-60min，终凝时间为500-600min，28d抗压强度≥42.5MPa ，28d抗折强度≥6.5MPa。
6.根据权利要求1所述的用于盾构管片的抗裂混凝土，其特征在于，所述砂的细度模数为2.5，表观密度为2900kg/m³，松散堆积密度为1400kg/m³，含泥量按质量计为1.0%，泥块含量按质量计为0.4%，砂含水率为0.00%，硫化物及硫酸盐含量按SO3质量计为0.38%，氯化物以Cl离子质量计含量为0.01%，空隙率为37%，膨胀率为0.06%。
7.根据权利要求1所述的用于盾构管片的抗裂混凝土，其特征在于，所述碎石为5-25mm级数碎石。
8.根据权利要求1或7所述的用于盾构管片的抗裂混凝土，其特征在于，所述碎石的表观密度为2950kg/m³，松散堆积密度为1626kg/m³，含泥量或粉尘含量按质量计为0.6%，泥块含量按质量计为0.00%，针片状颗粒含量按质量计为3.8%，有机物含量为合格，坚固性指标的质量损失量为0.33%，空隙率为 24%，吸水率为1%，膨胀率为1%，岩石抗压强度/混凝土强度≥2MPa。
9.一种用于盾构管片的抗裂混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：取水泥，粉煤灰、砂和浸胶结构型玄武岩纤维倒入搅拌机内进行干拌，拌和时间为50s-60s；
S2：取5-25mm级数的碎石、水以及减水剂倒入搅拌机中进行湿拌，拌和时间为110s-120s；
S3：搅拌完毕后出料，将混凝土进行入模24h后出模，养护。
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