CN117886575B - 一种低回弹高强度喷射混凝土材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及建筑材料领域，尤其涉及一种低回弹高强度喷射混凝土材料及其制备方法。低回弹高强度喷射混凝土材料，以质量百分比计，原料包括：水泥12~20%，机制砂25~45%，石子料15~25%，减水剂0.1~1%，速凝剂0.5~1.5%，改性添加剂1~3%，功能助剂0.5~3%，水补充余量。本申请提供的一种低回弹高强度喷射混凝土材料及其制备方法，所得到的喷射混凝土材料能够在保证其具有优异的低回弹率和高强度的同时，还具有优异的耐久性、稳定性、流动性且能有效避免泌水现象。
Description
技术领域
本申请涉及建筑材料领域，尤其涉及一种低回弹高强度喷射混凝土材料及其制备方法。
背景技术
随着我国经济建设的不断发展，以及基础设施的投资建设规模不断变大，高速公路也迎来全面发展的崭新局面，同时受制于我国山脉纵横的地理环境，公路隧道工程应运而生。公路隧道多采用矿山法或新奥法进行施工，隧道的围岩支护一般分为初期支护和二次衬砌。其中初期支护通常采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护的单独或组合使用。
目前隧道工程中喷射混凝土回弹量普遍在30%左右，并且在施工过程中同时普遍存在施工效果差、流动性差、强度较低、物料分离以及泌水等问题，严重影响工程质量与造价。而这些问题主要是现有的喷射混凝土的材料选择、材料配合比以及水泥施工工艺问题导致的。目前，为了解决上述问题，对于喷射混凝土材料的研究方向主要集中在原料改进以及施工工艺的优化方面。
现有技术，专利公告号：CN102219433B提供了一种低回弹高强度喷射混凝土用的速凝剂，通过特定速凝剂的使用进而有效提高喷射混凝土的强度，降低其回弹率的同时，还能够加快其凝结时间，但并未进一步考虑混凝土的耐久性、稳定性等性能，以及是否能够有效防范泌水现象。
因此，为了解决上述问题，本申请提供了一种低回弹高强度喷射混凝土材料及其制备方法，所得到的喷射混凝土材料能够在保证其具有优异的低回弹率和高强度的同时，其还具有优异的耐久性、稳定性、流动性且能有效避免泌水现象。
发明内容
为了解决上述问题，本申请第一方面提供了一种低回弹高强度喷射混凝土材料，以质量百分比计，原料包括：水泥12~20%，机制砂25~45%，石子料15~25%，减水剂0.1~1%，速凝剂0.5~1.5%，改性添加剂1~3%，功能助剂0.5~3%，水补充余量。
作为一种优选的方案，所述水泥为普通硅酸盐水泥。
作为一种优选的方案，所述水泥的强度等级为42.5R。
作为一种优选的方案，所述机制砂的平均粒径为0.5~10mm。
作为一种优选的方案，所述机制砂的平均粒径为1~5mm。
作为一种优选的方案，所述机制砂为平均粒径3~4.75mm的岩石颗粒。
作为一种优选的方案，所述机制砂的细度模数为2.4~3。
作为一种优选的方案，所述石子料为5~10mm的连续级配石子。
作为一种优选的方案，所述减水剂为聚羧酸减水剂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述减水剂的减水率为22~28%。
作为一种优选的方案，所述减水剂的减水率为23~26%。
作为一种优选的方案，所述速凝剂为无碱速凝剂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述速凝剂为硫酸铝类液体无碱速凝剂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述改性添加剂为改性聚丙烯酰胺添加剂。
作为一种优选的方案，所述改性聚丙烯酰胺添加剂的制备方法包括以下步骤：S1：将丙烯腈，甲基丙烯酸甲酯加入至丙烯酰氯溶液中，通入氮气，加入引发剂，加热反应生成聚合产物；S2：将S1所得产物中加入丙烯酰胺，去离子水和引发剂，氮气充分置换反应体系气体后，反应得到改性产物；S3：加入丙酮清洗均聚物，即得。
作为一种优选的方案，所述引发剂为过硫酸钾。
作为一种优选的方案，所述丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酰氯的质量比为（1~2）：（7~8）：（10~11）。
作为一种优选的方案，所述丙烯腈，甲基丙烯酸甲酯和丙烯酰氯的质量比为1：8：10。
本申请中，通过对于聚丙烯酰胺的改性能够有效提高喷射混凝土的力学强度，降低回弹率并且同时提高混凝土的粘聚性和流动性。
这主要是因为，当通过本申请中改性后的聚丙烯酰胺，其包含的甲基丙烯酸甲酯的分子链可以通过丙烯腈分子在水分体系中的引导作用在混凝土中尽可能伸展，从而在吸附水泥颗粒的同时提供可靠的空间位阻阻力，避免了水泥分子的过度聚集团聚，进而扩大水泥颗粒的在体系中分子链上的分散效果，同时所伸出的长链分子可以相互交错缠结形成具有一定强度的凝胶网络，限制水分子的运动，从而大幅提高混凝土的各项性能。
作为一种优选的方案，所述功能助剂为气密剂和有机粉料。
作为一种优选的方案，所述气密剂和有机粉料的质量比为（1~3）：（1~3）。
作为一种优选的方案，所述有机粉料为直链淀粉和支链淀粉。
作为一种优选的方案，所述直链淀粉和支链淀粉的质量比为（2~3）：（0.5~1）。
作为一种优选的方案，所述直链淀粉和支链淀粉的质量比为（2~2.5）：（0.8~1）。
作为一种优选的方案，所述直链淀粉和支链淀粉的质量比为2.2：0.8。
本申请中，通过采用多种类型分子链淀粉与改性添加剂共同作用，能够有效提高喷射混凝土的力学性能以及粘聚性，进而增强其耐久性，耐腐蚀性以及稳定性，并且有效防止泌水现象。
这主要是因为，本申请中通过采用直链淀粉和支链淀粉的复合加入，能够实现通过携带有水泥分子的聚丙烯酰胺分子链分别与具有螺旋式卷曲结构的直链淀粉和多分支短链的支链淀粉的快速缠结，在混凝土内部形成致密的交错网状体系，从而在分散完全后形成稳定的均匀分散体系，另一方面，网状体系的缠结可以帮助混凝土形成坚固且均匀的细微孔体系，从而在外力作用时，帮助即将开裂的裂口通过微孔作用重新转化为银纹状态，从而明显提高其体系强度。
本申请第二方面提供了一种上述低回弹高强度喷射混凝土材料的制备方法，制备方法包括以下步骤：S1：将水泥，机制砂，石子料以及功能助剂干拌预混1~3min，得到干混料；S2：将干混料与减水剂，改性添加剂，功能助剂以及水混合搅拌3~5min得到拌合料，使用时，通过混凝土湿喷机将拌合料与速凝剂混合后喷出，即得低回弹高强度喷射混凝土材料。
本申请具有的有益效果：
1、本申请中提供的一种低回弹高强度喷射混凝土材料，其能够在保证其具有优异的低回弹率和高强度的同时，还具有优异的耐久性、稳定性、流动性且能有效避免泌水现象，具有十分优异的市场前景，并且有效提高了公路隧道工程的建设质量。
2、本申请中提供的一种低回弹高强度喷射混凝土材料，其通过对于聚丙烯酰胺的改性能够有效提高喷射混凝土的力学强度，降低回弹率并且同时提高混凝土的粘聚性和流动性，改性后的添加剂其包含的甲基丙烯酸甲酯的分子链可以通过丙烯腈分子在水分体系中的引导作用在混凝土中尽可能伸展，从而在吸附水泥颗粒的同时提供可靠的空间位阻阻力，避免了水泥分子的过度聚集团聚，进而扩大水泥颗粒的在体系中分子链上的分散效果。
3、本申请中提供的一种低回弹高强度喷射混凝土材料，其通过采用多种类型分子链淀粉与改性添加剂共同作用，能够有效提高喷射混凝土的力学性能以及粘聚性，进而增强其耐久性，耐腐蚀性以及稳定性，并且有效防止泌水现象，通过携带有水泥分子的聚丙烯酰胺分子链分别与具有螺旋式卷曲结构的直链淀粉和多分支短链的支链淀粉的快速缠结，在混凝土内部形成致密的交错网状体系，从而在分散完全后形成稳定的均匀分散体系，另一方面，网状体系的缠结可以帮助混凝土形成坚固且均匀的细微孔体系，进而增强其力学性能。
4、本申请中提供的一种低回弹高强度喷射混凝土材料，其制备和施工使用方法简单，不涉及更多的施工设备的使用，避免了施工成本的增加。
具体实施方式
下文将以具体实施方案的方式对本申请上述发明内容中的技术方案做更进一步的说明和展示。且下述实施例仅为实际的实例用于说明和解释说明书中技术方案的内容，不应限制本申请所要保护的权利要求范围。凡是基于本申请发明内容所述的技术方案的技术产物均应该涵盖在本申请所要保护的范围之中。
在以下实施例中，除有特殊说明之外，原料均为可以获得的市售产品，或者可以以本领域技术人员的所熟知的方法进行制备。
实施例1
实施例1第一方面提供了一种低回弹高强度喷射混凝土材料，以质量百分比计，原料包括：水泥16%，机制砂45%，石子料24%，减水剂0.2%，速凝剂1%，改性添加剂2.5%，功能助剂2.8%，水补充余量。
水泥为普通硅酸盐水泥P.O-42.5R，购买自郑州市中泰水泥有限公司。
机制砂为平均粒径4.75mm的岩石颗粒，细度模数为2.8，购买自石家庄沣铭矿产品有限公司出售的平均粒径4.75mm级岩石颗粒产品。
石子料为5~10mm的连续级配石子，购买自康诚石矿（湖州）有限公司出售的5~10mm精品石料级连续级配石子。
减水剂为早强型聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%，购买自济南晴天化工科技有限公司出售的早强型聚羧酸减水剂产品。
速凝剂为硫酸铝液体无碱速凝剂，购买自广东博芳环保科技有限公司。
改性添加剂为改性聚丙烯酰胺添加剂，以质量份计，制备方法包括以下步骤：S1：将1份丙烯腈，8份甲基丙烯酸甲酯加入至10份丙烯酰氯溶液中，通入氮气，加入0.1份引发剂，加热至60℃反应生成聚合产物；S2：将S1所得产物中加入20份丙烯酰胺，100份去离子水和0.1份引发剂，氮气充分置换反应体系气体后，反应得到改性产物；S3：加入丙酮清洗均聚物，即得。
引发剂为过硫酸钾。
功能助剂为气密剂和有机粉料，质量比为1:2；气密剂为FS-KQ气密剂。
有机粉料为直链淀粉和支链淀粉；直链淀粉和支链淀粉的质量比为2.2：0.8。
直链淀粉和支链淀粉购买自武汉华翔科洁生物技术有限公司出售的直链淀粉（直链含量70%）和支链淀粉（型号DW3432）产品。
本实施例第二方面提供了一种上述低回弹高强度喷射混凝土材料的制备方法，制备方法包括以下步骤：S1：将水泥，机制砂，石子料以及功能助剂干拌预混2min，得到干混料；S2：将干混料与减水剂，改性添加剂，功能助剂以及水混合搅拌4min得到拌合料，使用时，通过混凝土湿喷机将拌合料与速凝剂混合后喷出，即得低回弹高强度喷射混凝土材料。
实施例2
实施例2第一方面提供了一种低回弹高强度喷射混凝土材料，以质量百分比计，原料包括：水泥18%，机制砂43%，石子料24%，减水剂0.3%，速凝剂1%，改性添加剂2.2%，功能助剂3%，水补充余量。
水泥为普通硅酸盐水泥P.O-42.5R，购买自郑州市中泰水泥有限公司。
机制砂为平均粒径4.75mm的岩石颗粒，细度模数为2.8，购买自石家庄沣铭矿产品有限公司出售的平均粒径4.75mm级岩石颗粒产品。
石子料为5~10mm的连续级配石子，购买自康诚石矿（湖州）有限公司出售的5~10mm精品石料级连续级配石子。
减水剂为早强型聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%，购买自济南晴天化工科技有限公司出售的早强型聚羧酸减水剂产品。
速凝剂为硫酸铝液体无碱速凝剂，购买自广东博芳环保科技有限公司。
改性添加剂为改性聚丙烯酰胺添加剂，以质量份计，制备方法包括以下步骤：S1：将1份丙烯腈，8份甲基丙烯酸甲酯加入至10份丙烯酰氯溶液中，通入氮气，加入0.1份引发剂，加热至60℃反应生成聚合产物；S2：将S1所得产物中加入20份丙烯酰胺，100份去离子水和0.1份引发剂，氮气充分置换反应体系气体后，反应得到改性产物；S3：加入丙酮清洗均聚物，即得。
引发剂为过硫酸钾。
功能助剂为气密剂和有机粉料，质量比为1:2；气密剂为FS-KQ气密剂。
有机粉料为直链淀粉和支链淀粉；直链淀粉和支链淀粉的质量比为2.2：0.8。
直链淀粉和支链淀粉购买自武汉华翔科洁生物技术有限公司出售的直链淀粉（直链含量70%）和支链淀粉（型号DW3432）产品。
本实施例第二方面提供了一种上述低回弹高强度喷射混凝土材料的制备方法，制备方法包括以下步骤：S1：将水泥，机制砂，石子料以及功能助剂干拌预混2min，得到干混料；S2：将干混料与减水剂，改性添加剂，功能助剂以及水混合搅拌4min得到拌合料，使用时，通过混凝土湿喷机将拌合料与速凝剂混合后喷出，即得低回弹高强度喷射混凝土材料。
实施例3
实施例3第一方面提供了一种低回弹高强度喷射混凝土材料，以质量百分比计，原料包括：水泥16%，机制砂45%，石子料24%，减水剂0.2%，速凝剂1%，改性添加剂2.5%，功能助剂2.8%，水补充余量。
水泥为普通硅酸盐水泥P.O-42.5R，购买自郑州市中泰水泥有限公司。
机制砂为平均粒径4.75mm的岩石颗粒，细度模数为2.8，购买自石家庄沣铭矿产品有限公司出售的平均粒径4.75mm级岩石颗粒产品。
石子料为5~10mm的连续级配石子，购买自康诚石矿（湖州）有限公司出售的5~10mm精品石料级连续级配石子。
减水剂为早强型聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%，购买自济南晴天化工科技有限公司出售的早强型聚羧酸减水剂产品。
速凝剂为硫酸铝液体无碱速凝剂，购买自广东博芳环保科技有限公司。
改性添加剂为改性聚丙烯酰胺添加剂，以质量份计，制备方法包括以下步骤：S1：将1.5份丙烯腈，7份甲基丙烯酸甲酯加入至11份丙烯酰氯溶液中，通入氮气，加入0.1份引发剂，加热至60℃反应生成聚合产物；S2：将S1所得产物中加入22份丙烯酰胺，100份去离子水和0.1份引发剂，氮气充分置换反应体系气体后，反应得到改性产物；S3：加入丙酮清洗均聚物，即得。
引发剂为过硫酸钾。
功能助剂为气密剂和有机粉料，质量比为1:2；气密剂为FS-KQ气密剂。
有机粉料为直链淀粉和支链淀粉；直链淀粉和支链淀粉的质量比为2.2：0.8。
直链淀粉和支链淀粉购买自武汉华翔科洁生物技术有限公司出售的直链淀粉（直链含量70%）和支链淀粉（型号DW3432）产品。
本实施例第二方面提供了一种上述低回弹高强度喷射混凝土材料的制备方法，制备方法包括以下步骤：S1：将水泥，机制砂，石子料以及功能助剂干拌预混2min，得到干混料；S2：将干混料与减水剂，改性添加剂，功能助剂以及水混合搅拌4min得到拌合料，使用时，通过混凝土湿喷机将拌合料与速凝剂混合后喷出，即得低回弹高强度喷射混凝土材料。
对比例1
本对比例的具体实施方式与实施例1基本相同，不同之处仅在于：改性聚丙烯酰胺添加剂的制备方法中，S1：将0.2份丙烯腈，3份甲基丙烯酸甲酯加入至10份丙烯酰氯溶液中，通入氮气，加入0.08份引发剂，加热至60℃反应生成聚合产物。
对比例2
本对比例的具体实施方式与实施例1基本相同，不同之处仅在于：改性聚丙烯酰胺添加剂的制备方法中，S1：将4份丙烯腈，5份甲基丙烯酸甲酯加入至10份丙烯酰氯溶液中，通入氮气，加入0.12份引发剂，加热至60℃反应生成聚合产物。
对比例3
本对比例的具体实施方式与实施例1基本相同，不同之处仅在于：有机粉料为直链淀粉。
对比例4
本对比例的具体实施方式与实施例1基本相同，不同之处仅在于：直链淀粉和支链淀粉的质量比为1：1。
对比例5
本对比例的具体实施方式与实施例1基本相同，不同之处仅在于：直链淀粉和支链淀粉的质量比为0.5：2。
性能评价
回弹率和强度：参考《喷射混凝土应用技术规程》JGJ/T 372-2016和《喷射混凝土回弹率试验方法》JSCE-F 563-2005对实施例和对比例制得喷射混凝土进行回弹率以及7d和28d强度测试，测得的数值取10次测试的平均值记入表1。
防腐蚀性能：参考《混凝土抗硫酸盐类侵蚀防腐剂》JC/T 1011-2006对实施例和对比例制得喷射混凝土进行抗蚀系数以及1d和28d膨胀率测试，测得的数值取10次测试的平均值记入表2。
表1
| 实施例 | 回弹率（%） | 7d强度（MPa） | 28d强度（MPa） |
| 实施例1 | 3.55 | 62.4 | 71.5 |
| 实施例2 | 4.21 | 61.5 | 70.5 |
| 实施例3 | 5.04 | 62.2 | 71.1 |
| 对比例1 | 15.62 | 52.6 | 67.1 |
| 对比例2 | 16.32 | 54.1 | 65.2 |
| 对比例3 | 14.98 | 54.9 | 66.9 |
| 对比例4 | 20.07 | 56.1 | 68.2 |
| 对比例5 | 19.65 | 55.8 | 66.7 |
表2
| 实施例 | 抗蚀系数（K） | 1d膨胀率（%） | 28d膨胀率（%） |
| 实施例1 | 1.14 | 0.01 | 0.33 |
| 实施例2 | 1.09 | 0.01 | 0.36 |
| 实施例3 | 1.12 | 0.01 | 0.34 |
| 对比例1 | 0.86 | 0.04 | 0.55 |
| 对比例2 | 0.84 | 0.03 | 0.60 |
| 对比例3 | 0.91 | 0.05 | 0.66 |
| 对比例4 | 0.89 | 0.03 | 0.59 |
| 对比例5 | 0.88 | 0.04 | 0.57 |
根据实施例和对比例以及表1和表2数据可以得知通过采用本申请中特殊限定技术方案的实施例1~3能够在获得优异的低回弹率、高强度性能的同时，还具有优异的耐腐蚀性和耐久性，并且保证了在施工过程中喷射水泥的施工流动性和稳定性最终可以有效提高建筑设备的各方面性能。而对比例1~5因为并未采用特殊限定的技术方案导致其制得的喷射混凝土在各性能测试方面都要明显差于实施例1~3，有力证明了本申请中所采用的技术方案的技术效果的是非显而易见的技术效果。
Claims (5)
1.一种低回弹高强度喷射混凝土材料，其特征在于：以质量百分比计，原料包括：水泥12~20%，机制砂25~45%，石子料15~25%，减水剂0.1~1%，速凝剂0.5~1.5%，改性添加剂1~3%，功能助剂0.5~3%，水补充余量；
所述水泥为普通硅酸盐水泥；
所述机制砂的平均粒径为0.5~10mm；所述机制砂的细度模数为2.4~3；
所述石子料为5~10mm的连续级配石子；
所述减水剂为聚羧酸减水剂中的至少一种；
所述减水剂的减水率为22~28%；
所述速凝剂为无碱速凝剂中的至少一种；
所述改性添加剂为改性聚丙烯酰胺添加剂；
所述改性聚丙烯酰胺添加剂的制备方法包括以下步骤：S1：将丙烯腈，甲基丙烯酸甲酯加入至丙烯酰氯溶液中，通入氮气，加入引发剂，加热反应生成聚合产物；S2：将S1所得产物中加入丙烯酰胺，去离子水和引发剂，氮气充分置换反应体系气体后，反应得到改性产物；S3：加入丙酮清洗均聚物，即得；
所述丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酰氯的质量比为（1~2）：（7~8）：（10~11）；
所述功能助剂为气密剂和有机粉料；所述气密剂和有机粉料的质量比为（1~3）：（1~3）；
所述有机粉料为直链淀粉和支链淀粉；
所述直链淀粉和支链淀粉的质量比为（2~3）：（0.5~1）。
2.根据权利要求1所述的低回弹高强度喷射混凝土材料，其特征在于：所述机制砂的平均粒径为1~5mm。
3.根据权利要求2所述的低回弹高强度喷射混凝土材料，其特征在于：所述速凝剂为硫酸铝类液体无碱速凝剂中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的低回弹高强度喷射混凝土材料，其特征在于：所述减水剂的减水率为23~26%。
5.一种根据权利要求1~4任一项所述的低回弹高强度喷射混凝土材料的制备方法，其特征在于：制备方法包括以下步骤：S1：将水泥，机制砂，石子料以及功能助剂干拌预混1~3min，得到干混料；S2：将干混料与减水剂，改性添加剂，功能助剂以及水混合搅拌3~5min得到拌合料，使用时，通过混凝土湿喷机将拌合料与速凝剂混合后喷出，即得低回弹高强度喷射混凝土材料。
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