CN115536300A - 一种喷射混凝土用功能性掺合料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种喷射混凝土用功能性掺合料及其制备方法和应用，所述喷射混凝土用功能性掺合料包括第一组分、第二组分和第三组分，第一组分包括高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸，第二组分包括硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁、硅酸钠，第三组分包括氧化钙。本发明采用高性能超塑化剂、聚乙烯醇、硼酸调节喷射混凝土的和易性，保证混凝土喷射前的和易性，减少回弹率；采用硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅作为物理激发剂，填充水泥孔隙；采用硫酸镁、硅酸钠作为化学激发剂，提高混凝土早期强度；采用氧化钙作为膨胀剂，抑制混凝土开裂风险，同时硅灰还可以降低混凝土的水化温升，与水泥发生二次水化反应，调节混凝土长期耐久性。

Description

一种喷射混凝土用功能性掺合料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及混凝土掺合料技术领域，具体涉及一种喷射混凝土用功能性掺合料及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国高铁、海底隧道等基础建设的大力发展，喷射混凝土技术得到了大规模的应用。其中喷射混凝土施工方法又分为干喷和湿喷法。干喷法是以混凝土组分和粉剂速凝剂预先混合，随后加入一定质量的水，喷射至岩层表面。干喷法得到的喷射混凝土其水灰比不易控制，施工过程中粉尘污染严重，且回弹量大。随着喷射设备的不断进步，喷射混凝土逐渐由干喷法转变为湿喷法；湿喷法回弹量低，将液体速凝剂和预拌混凝土混合后喷至受喷面，加入液体速凝剂可以实现喷射混凝土的快速凝结硬化，但大部分无碱液体速凝剂引入氟化物，其早期强度较低。同时，喷射混凝土配合比一般采用水泥作为单一胶凝材料组分，可以保证混凝土的后期强度，但忽略了混凝土的长期耐久性能。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种喷射混凝土用功能性掺合料及其制备方法和应用，旨在提供一种能够同时兼顾喷射混凝土早期强度以及长期耐久性能的混凝土掺和料。

为实现上述目的，本发明提出一种喷射混凝土用功能性掺合料，包括第一组分、第二组分和第三组分，所述第一组分包括高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸，所述第二组分包括硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁、硅酸钠，所述第三组分包括氧化钙。

可选地，所述第一组分、第二组分和第三组分的质量比为3～5:8～10:5。

可选地，所述第一组分中：所述高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸的质量比为0.8～1.2:0.8～1.2:2。

可选地，所述第二组分中：所述硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁和硅酸钠的质量比为30～32:39～41:9～11:4.5～5.5:5。

可选地，所述硅灰的比表面积大于1000m²/kg。

可选地，所述超细二氧化硅的比表面积大于1000m²/kg。

可选地，所述高性能超塑化剂的减水率大于25％。

为实现上述目的，本发明还提出一种如上所述的喷射混凝土用功能性掺合料的制备方法，包括以下步骤：

将高性能超塑化剂、聚乙烯醇、硼酸、硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁、硅酸钠和氧化钙混合搅拌均匀，制得功能性掺合料。

进一步地，本发明还提出一种喷射混凝土，包括掺合料和胶凝材料，所述掺合料为如上所述的喷射混凝土用功能性掺合料。

可选地，所述掺合料和所述胶凝材料的质量比为10～15:90～85。

本发明提供的技术方案中，混凝土掺合料包括第一组分、第二组分和第三组分，所述第一组分包括高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸，所述第二组分包括硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁、硅酸钠，所述第三组分包括氧化钙；其中，所述第一组分的主要作用是调节混凝土喷射前的和易性，采用高性能超塑化剂和硼酸作为保证混凝土工作性能的组分，引入聚乙烯醇作为增稠、保塌组分，以及与第二组分中的硅灰搭配，可以在混凝土中起到稳定作用，减少混凝土的离析泌水，从而保证混凝土喷射前的和易性，减少回弹率；所述第二组分的主要作用是调节混凝土的早期强度，以硅灰和超细二氧化硅作为物理激发剂，可在水泥水化早期填充水泥孔隙，加快水泥早期水化进程，同时引入硅酸三钙，在水泥水化过程中生成水化硅酸钙凝胶，掺入硫酸镁和硅酸钠作为化学激发剂，参与水泥水化反应，从而增强早期强度，降低回弹率；所述第三组分的主要作用是调节混凝土的长期耐久性能，采用氧化钙作为膨胀剂，降低混凝土的开裂风险；同时，所述第二组分中的硅灰属于火山灰材料，可以降低混凝土的水化温升，与水泥水化产物发生二次水化反应，进一步提高混凝土的长期耐久性能。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前喷射混凝土普遍存在以下问题：(1)早期强度低，由于湿喷法多采用无碱液体速凝剂，其中，又以氟化物作为其主要成分，引入氟化物可以实现对水泥的快速凝结硬化，但其中氟离子又与水泥中的钙离子结合生成难溶性氟化钙沉淀，抑制水泥矿物熟料水化，导致喷射混凝土早期强度上不去，回弹率增大。(2)长期耐久性不佳，喷射混凝土施工配合比一般以水泥为单一胶凝材料组分，由于水泥有调控凝结时间的石膏，导致水泥在水化几个小时以后才可以开始凝结硬化，早期混凝土强度低，使得回弹率增大，易出现安全问题，且容易对混凝土长期耐久性造成损害，引起混凝土开裂、抗氯离子渗透等一系列耐久性能出现问题。(3)混凝土喷射前的和易性难以保证，其中出现的运输距离长导致坍落度损失大等一系列问题，均会导致喷射过程回弹率增大，混凝土喷不上去的情况。

掺合料作为混凝土走向高性能化的又一组分，替代部分水泥，可以提高混凝土的和易性、耐久性等性能。喷射混凝土用水泥作为单一胶凝材料组分，增大了混凝土开裂的危害，且早期强度偏低，引入部分功能性掺合料，替代喷射混凝土中部分胶凝材料，可以保证混凝土的和易性，有效提高混凝土早期强度，降低回弹率，减少二次衬砌时间，提高混凝土后期耐久性。

鉴于此，本发明提出一种喷射混凝土用功能性掺合料，包括第一组分、第二组分和第三组分，所述第一组分包括高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸，所述第二组分包括硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁、硅酸钠，所述第三组分包括氧化钙。

掺合料作为喷射混凝土的又一组分，目前存在的难点问题主要有：在预拌混凝土进入喷射设备***时保持其和易性，在喷射混凝土中加入含氟液体速凝剂降低其早期强度的同时，提高其小时强度，同时提高喷射混凝土在服役期间的长期耐久性能。

本发明提供的技术方案中，所述功能性掺合料包括第一组分、第二组分和第三组分，所述第一组分包括高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸，所述第二组分包括硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁、硅酸钠，所述第三组分包括氧化钙；其中，所述第一组分的主要作用是调节混凝土喷射前的和易性，采用高性能超塑化剂和硼酸作为保证混凝土工作性能的组分，引入聚乙烯醇作为增稠、保塌组分，以及与第二组分中的硅灰搭配，可以在混凝土中起到稳定作用，减少混凝土的离析泌水，从而保证混凝土喷射前的和易性，减少回弹率；所述第二组分的主要作用是调节混凝土的早期强度，以硅灰和超细二氧化硅作为超细粉，可在水泥水化早期填充水泥孔隙，加快水泥早期水化进程，同时引入硅酸三钙，在水泥水化过程中生成水化硅酸钙凝胶，掺入硫酸镁和硅酸钠作为化学激发剂，参与水泥水化反应，从而增强早期强度，降低回弹率；所述第三组分的主要作用是调节混凝土的长期耐久性能，采用氧化钙作为膨胀剂，降低混凝土的开裂风险；同时，所述第二组分中的硅灰属于火山灰材料，可以降低混凝土的水化温升，与水泥水化产物发生二次水化反应，进一步提高混凝土的长期耐久性能。

在本发明的一些实施例中，所述第一组分、第二组分和第三组分的质量比为3～5:8～10:5。

在本发明的一些实施例中，所述第一组分中的所述高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸的质量比为0.8～1.2:0.8～1.2:2。

在本发明的一些实施例中，所述第二组分中的所述硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁和硅酸钠的质量比为30～32:39～41:9～11:4.5～5.5:5。

在本发明的一些实施例中，所述硅灰的比表面积大于1000m²/kg。

在本发明的一些实施例中，所述超细二氧化硅的比表面积大于1000m²/kg。

在本发明的一些实施例中，所述高性能超塑化剂的减水率大于25％。

进一步地，基于本发明上述提供的喷射混凝土用功能性掺合料，本发明还提出一种喷射混凝土用功能性掺合料的制备方法，包括以下步骤：

将高性能超塑化剂、聚乙烯醇、硼酸、硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁、硅酸钠和氧化钙混合搅拌均匀，制得功能性掺合料。

本发明提供的制备方法简便易操作，在本发明的一些实施例中，物料的混合搅拌可以在带有计量装置的搅拌装置中进行，也可以在球磨机中进行，搅拌混合时间优选为100～150min。

本发明上述提供的掺合料可以适用于任何场景下用于湿喷的喷射混凝土，尤其适用于隧道用喷射混凝土，抗开裂以及长期耐久性能良好。基于此，本发明还提出一种喷射混凝土，包括掺合料和胶凝材料，所述胶凝材料包括但不限于为水泥，所述掺合料的组成及其制备方法参照本发明上述提供的喷射混凝土用功能性掺合料及其制备方法的实施例。可以理解的是，由于本发明提供的喷射混凝土采用了本发明上述喷射混凝土用功能性掺合料及其制备方法的全部技术方案，因此至少具有以上实施例所带来的全部有益效果，在此不再一一赘述。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述掺合料和所述胶凝材料的质量比为10～15:90～85。

所述喷射混凝土可通过以下方式制备：将水泥、粗骨料、细骨料、掺合料在带有计量装置的混凝土搅拌机中均匀搅拌5min，然后加入水和减水剂搅拌2min，出机即得。此外，所述喷射混凝土在湿喷时，还添加有无碱液体速凝剂，掺量为胶凝材料质量的8％，在喷嘴处添加。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，喷射混凝土所用原材料中的胶凝材料为海螺P.0.42.5水泥，水为自然水，细骨料为细度模数为2.7～3.0的机制砂，粗骨料为石粉含量为5～8％、级配为5～10mm的小碎石，减水剂为早强型聚羧酸高性能减水剂，其减水率大于25％，速凝剂为无碱液体速凝剂，在喷嘴处添加。另外，所用硅灰和超细二氧化硅的比表面积大于1000m²/kg，高性能超塑化剂的减水率大于25％。

实施例1

分别称取第一组分、第二组分和第三组分，控制第一组份中高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸的质量比为1:1:2，控制第二组分中硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁和硅酸钠的质量比为31:40:10:5:5，控制第一组分、第二组分和第三组分的质量比为4:9:5，将所有原材料加入至球磨机中球磨120min，制得喷射混凝土用功能性掺合料。

实施例2

分别称取第一组分、第二组分和第三组分，控制第一组份中高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸的质量比为0.8:0.8:2，控制第二组分中硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁和硅酸钠的质量比为30:39:9:4.5:5，控制第一组分、第二组分和第三组分的质量比为3:8:5，将所有原材料加入至球磨机中球磨100min，制得喷射混凝土用功能性掺合料。

实施例3

分别称取第一组分、第二组分和第三组分，控制第一组份中高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸的质量比为1.2:1.2:2，控制第二组分中硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁和硅酸钠的质量比为32:41:11:5.5:5，控制第一组分、第二组分和第三组分的质量比为5:10:5，将所有原材料加入至球磨机中球磨150min，制得喷射混凝土用功能性掺合料。

实施例4

喷射混凝土的配合比如下表1所示，将水泥、砂、石、掺合料(实施例2制得，掺量为水泥质量的10％)在带有计量装置的混凝土搅拌机中均匀搅拌5min，然后加入水和减水剂(减水剂掺量为水泥质量的1％)搅拌2min，出机，制得用于湿喷的喷射混凝土；无碱液体速凝剂的掺量为水泥质量的8％，在喷嘴处添加。

表1喷射混凝土配合比

水泥

水

掺合料

砂

石

速凝剂

减水剂

480

175

48

900

850

8％

1％

经测试，喷射混凝土的各项性能如下：初凝时间1min50s，终凝时间3min45s；1天抗压强度为11.6Mpa；其混凝土10小时强度为5.8Mpa，1天强度为16.8Mpa，28天强度为45.3Mpa；边墙回弹率为8％，拱顶回弹率为15％；其28天电通量为1630C，56天电通量为1350C；其坍落度为135mm，1小时坍落度为120mm；粘聚性好，保水性、流动性好。

实施例5

喷射混凝土的配合比如下表2所示，将水泥、砂、石、掺合料(实施例3制得，掺量为水泥质量的12％)在带有计量装置的混凝土搅拌机中均匀搅拌5min，然后加入水和减水剂(减水剂掺量为水泥质量的1％)搅拌2min，出机，制得用于湿喷的喷射混凝土；无碱液体速凝剂的掺量为水泥质量的8％，在喷嘴处添加。

表2喷射混凝土配合比

水泥

水

掺合料

砂

石

速凝剂

减水剂

480

175

57.6

900

850

8％

1％

经测试，喷射混凝土的各项性能如下：初凝时间1min50s，终凝时间3min45s；1天抗压强度为11.6Mpa；其混凝土10小时强度为7.5Mpa，1天强度为20.5Mpa，28天强度为48.3Mpa；边墙回弹率为6％，拱顶回弹率为13％；其28天电通量为1510C，56天电通量为1280C；其坍落度为140mm，1小时坍落度为125mm；粘聚性好，保水性、流动性好。

实施例6

喷射混凝土的配合比如下表3所示，将水泥、砂、石、掺合料(实施例1制得，掺量为水泥质量的15％)在带有计量装置的混凝土搅拌机中均匀搅拌5min，然后加入水和减水剂(减水剂掺量为水泥质量的1％)搅拌2min，出机，制得用于湿喷的喷射混凝土；无碱液体速凝剂的掺量为水泥质量的8％，在喷嘴处添加。

表3喷射混凝土配合比

水泥

水

掺合料

砂

石

速凝剂

减水剂

480

175

72

900

850

8％

1％

经测试，喷射混凝土的各项性能如下：初凝时间1min50s，终凝时间3min45s；1天抗压强度为11.6Mpa；其混凝土10小时强度为8.9Mpa，1天强度为22.5Mpa，28天强度为50.3Mpa；边墙回弹率为4％，拱顶回弹率为11％；其28天电通量为1410C，56天电通量为1190C；其坍落度为135mm，1小时坍落度为115mm；粘聚性好，保水性、流动性好。

对比例1

喷射混凝土的配合比如下表4所示，将水泥、砂、石在带有计量装置的混凝土搅拌机中均匀搅拌5min，然后加入水和减水剂(减水剂掺量为水泥质量的1％)搅拌2min，出机，制得用于湿喷的喷射混凝土；无碱液体速凝剂的掺量为水泥质量的8％，在喷嘴处添加。

表4喷射混凝土配合比

水泥	水	砂	石	速凝剂	减水剂
						480	175	900	850	8％	1％

经测试，喷射混凝土的各项性能如下：初凝时间1min50s，终凝时间3min45s；1天抗压强度为11.6Mpa；其混凝土10小时强度为3.6Mpa，1天强度为13.5Mpa，28天强度为42.6Mpa；边墙回弹率为10％，拱顶回弹率为18％；其28天电通量为1850C，56天电通量为1480C；其坍落度为140mm，1小时坍落度为110mm；粘聚性一般，保水性、流动性一般。

由实施例1-3与对比例1比较可知，掺入本发明实施例所制得的功能性掺合料之后，其混凝土早、后期强度均有提高，回弹率降低，其28天、56天电通量均降低，抗氯离子渗透性能提高。其中，当掺合料掺量达到水泥质量的15％时，喷射混凝土的早、后期力学性能最佳，其混凝土10小时强度为8.9MPa，相较于对比例1提高了147％，1天抗压强度为22.5Mpa，相较于对比例1提高了67％，边墙与拱顶的回弹率最低，边墙回弹率为4％，相较于对比例1降低了6％；拱顶回弹率为11％，相较于对比例1降低了7％；抗氯离子渗透性能最佳，其28天电通量为1410C，56天电通量为1190C，相对于对比例1而言，加入本发明实施例制得的功能性掺合料后，喷射混凝土的坍落度损失降低，工作性能提高，粘聚性、保水性和流动性较佳，可以较好的满足工程实际应用。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种喷射混凝土用功能性掺合料，其特征在于，包括第一组分、第二组分和第三组分，所述第一组分包括高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸，所述第二组分包括硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁、硅酸钠，所述第三组分包括氧化钙。

2.如权利要求1所述的喷射混凝土用功能性掺合料，其特征在于，所述第一组分、第二组分和第三组分的质量比为3～5:8～10:5。

3.如权利要求1所述的喷射混凝土用功能性掺合料，其特征在于，所述第一组分中：所述高性能超塑化剂、聚乙烯醇和硼酸的质量比为0.8～1.2:0.8～1.2:2。

4.如权利要求1所述的喷射混凝土用功能性掺合料，其特征在于，所述第二组分中：所述硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁和硅酸钠的质量比为30～32:39～41:9～11:4.5～5.5:5。

5.如权利要求1所述的喷射混凝土用功能性掺合料，其特征在于，所述硅灰的比表面积大于1000m²/kg。

6.如权利要求1所述的喷射混凝土用功能性掺合料，其特征在于，所述超细二氧化硅的比表面积大于1000m²/kg。

7.如权利要求1所述的喷射混凝土用功能性掺合料，其特征在于，所述高性能超塑化剂的减水率大于25％。

8.一种如权利要求1至7中任意一项所述的喷射混凝土用功能性掺合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将高性能超塑化剂、聚乙烯醇、硼酸、硅灰、硅酸三钙熟料、超细二氧化硅、硫酸镁、硅酸钠和氧化钙混合搅拌均匀，制得功能性掺合料。

9.一种喷射混凝土，其特征在于，包括掺合料和胶凝材料，所述掺合料为如权利要求1至7中任意一项所述的喷射混凝土用功能性掺合料。

10.如权利要求9所述的喷射混凝土，其特征在于，所述掺合料和所述胶凝材料的质量比为10～15:90～85。