CN114907072A - 高原隧道喷射混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高原隧道喷射混凝土及其制备方法，该混凝土包括：包括2447.1～2497.1质量份的基料、30质量份的所述超细改性硅灰、50～100质量份的所述改性火成岩粉和所述改性聚丙烯纤维，其中，所述基料包括370～420质量份的水泥、913质量份的细集料、913质量份的粗集料、180质量份的水、3.6质量份的减水剂、36质量份的速凝剂和31.5质量份的气密剂，所述改性聚丙烯纤维的掺量为0.1％。本发明解决了传统混凝土应用于高原地区隧道，存在回弹率高且性能不佳的问题。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种高原隧道喷射混凝土及其制备方法。
背景技术
在海拔高度高于3500m的地区，建筑施工不仅要面对恶劣的自然气候条件，还面临着施工材料短缺、所用材料要求较高等困难。应用于高原地区隧道喷射的传统混凝土，存在回弹率高且性能不佳的问题。
发明内容
为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种高原隧道喷射混凝土及其制备方法，以解决传统混凝土再高原地区隧道喷射施工存在回弹率高且性能不佳的问题。
为实现上述目的，提供一种高原隧道喷射混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将加密硅粉、火山灰和锆英砂精按质量比16：1：3混合搅拌均匀获得混合料；
将所述混合料与碳按质量比10：1混合搅拌均匀后放置于加热电弧炉中，并升温至1650℃以获得超细改性硅灰，所述超细改性硅灰的二氧化硅含量大于98％、所述超细改性硅灰的比表面积为15000～25000m2/kg；
将火成岩粉、95级半加密硅灰、水泥熟料、硫酸钠和明矾石混合研磨获得改性火成岩粉，所述改性火成岩粉的比表面积400～900m2/kg；
将聚丙烯纤维进行抗紫外线处理获得改性聚丙烯纤维；
提供2447.1～2497.1质量份的基料，所述基料包括水泥、细集料、粗集料、水、减水剂、速凝剂和气密剂，将30质量份的所述超细改性硅灰、50～100质量份的所述改性火成岩粉、所述改性聚丙烯纤维加入基料中混合搅拌均匀制得高原隧道喷射混凝土，其中，所述改性聚丙烯纤维的掺量为0.1％。
进一步的，所述加密硅粉是微硅粉通过液压压块机进行加压获得。
进一步的，所述火成岩粉的活性Si02、活性Al203以及活性Fe2O3的含量高于70％。
进一步的，，以所述改性火成岩粉的质量为100％计，所述改性火成岩粉包括80％的火成岩粉、10％的95级半加密硅灰、4％的水泥熟料、0.3％的硫酸钠和0.7％的明矾石。
进一步的，所述聚丙烯纤维的长度为10～16mm。
本发明提供一种高原隧道喷射混凝土，包括2447.1～2497.1质量份的基料、30质量份的所述超细改性硅灰、50～100质量份的所述改性火成岩粉和所述改性聚丙烯纤维，其中，所述基料包括370～420质量份的水泥、913质量份的细集料、913质量份的粗集料、180质量份的水、3.6质量份的减水剂、36质量份的速凝剂和31.5质量份的气密剂，所述改性聚丙烯纤维的掺量为0.1％。
本发明的有益效果在于，本发明的高原隧道喷射混凝土，用电子显微镜法对超细改性硅灰和水泥进行粒径测量时发现，超细改性硅灰的粒径为0.3微米左右，约为水泥的1/50。根据填充效应，超细改性硅灰与水泥颗粒的粒径差，正好能大量填充水泥颗粒的间隙，改善胶材的级配和水泥胶体的密实度，产生了良好的填充效应。改性火成岩粉和超细改性硅灰中还有的大量活性SiO2，高活性的SiO2与水泥溶液中的Ca(OH)2发生反应，形成了硅酸钙水合矿物且占比远高于70％，使得混凝土的粘性增强，再加聚丙烯纤维的抗裂性，本发明的高原隧道喷射混凝土粘性有较大增强。
另一方面，在混凝土搅拌过程中，极小的圆球形改性火成岩粉和超细改性硅灰颗粒的表面所包覆的表面活性物，与一般混凝土粒子和其他矿物的掺料粒子一样，在粒子之间形成了静电驱动斥力，因为球状的改性火成岩粉和超细改性硅灰颗粒远远低于混凝土粒子，就这样由于他们在混凝土粒子内部产生了“滚珠”的效应，从而导致混凝土体的流动性大大提高，这就导致泵送变得比较容易，从而使得喷射混凝土的增强效应得到了有效体现。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供了一种高原隧道喷射混凝土，包括2447.1～2497.1质量份的基料、30质量份的超细改性硅灰、50～100质量份的改性火成岩粉和改性聚丙烯纤维。
其中，基料包括370～420质量份的水泥、913质量份的细集料、913质量份的粗集料、180质量份的水、3.6质量份的减水剂、36质量份的速凝剂和31.5质量份的气密剂。
改性聚丙烯纤维的掺量为0.1％。
基料中的水泥采用P.O42.5水泥。粗集料采用(5-10)mm的碎石，细集料采用(0-5)mm的机制砂。减水剂采用JHKT-02型聚羧酸系高性能减水剂。速凝剂采用JHKT-12型速凝剂。防腐气密剂采用JHKT-14型防腐气密剂。水采用的是工程所在地综合场站地下水。
本发明提供一种高原隧道喷射混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：将加密硅粉、火山灰和锆英砂精按质量比16：1：3混合搅拌均匀获得混合料。
加密硅粉是微硅粉通过液压压块机进行加压获得。其中的微硅粉，其来源通过在生产硅铁或金属硅中，电弧炉容器里含有的高纯石英、焦炭以及木屑发生还原而产生。
具体是在生产过程中，电炉产生的大量烟尘先用冷却器进行冷却，冷却至50℃以下，然后通过分离除尘器进行分离，此时粉尘和普通气体已经通过旋风分离，再通过设置位于分离器下方的收集布袋，即可得到初级的微硅粉。
在本实施例中，微硅粉的密度较大，需要对硅粉进行加密处理，采用液压压块机对硅粉进行加压，得到密度加大的加密微硅粉。将加密后的微硅粉与火山灰、锆英砂精按照质量比16：1：3进行混合，加入搅拌机中，搅拌25分钟，得到混合料。其中，火山灰的比表面积大于350m2/kg。锆英砂精研磨成粉，粒径小于0.1mm。
S2：将混合料与碳按质量比10：1混合搅拌均匀后放置于加热电弧炉中，并升温至1650℃以获得超细改性硅灰，超细改性硅灰的二氧化硅含量大于98％、超细改性硅灰的比表面积为15000～25000m2/kg。
具体的，将混合料与碳质量比10：1进行混合搅拌，搅拌20分钟后加入加热电弧炉中，升温至1650℃保温，此时产生了大量烟尘，先将烟尘进行降温，然后袋式收尘装置过滤烟尘，自然气体排出后，过滤装置上即可收集得超细改性硅灰，其二氧化硅含量大于95％，比表面积为15000～25000m2/kg为合格。
S3：将火成岩粉、95级半加密硅灰、水泥熟料、硫酸钠和明矾石混合研磨获得改性火成岩粉，改性火成岩粉的比表面积400～900m2/kg。
由于高海拔地区大多存在着较为丰富得火成岩，本发明考虑将其进行改性。具体为：先将火成岩原材料研磨成粉，所用火成岩在研磨成粉前含水量必须小于1％。火成岩粉的活性Si02、活性Al203以及活性Fe2O3的含量高于70％。
以改性火成岩粉的质量为100％计，改性火成岩粉包括80％的火成岩粉、10％的95级半加密硅灰、4％的水泥熟料、0.3％的硫酸钠和0.7％的明矾石。
S4：将聚丙烯纤维进行抗紫外线处理获得改性聚丙烯纤维。
聚丙烯纤维的长度为10～16mm。其中，抗紫外线处理包括于聚丙烯纤维中添加抗紫外添加剂，以令聚丙烯纤维涂覆于抗紫外线添加剂。
聚丙烯纤维具有化学稳定、抗酸碱性强，且具有较强的抗裂性。
S5：提供2447.1～2497.1质量份的基料，基料包括水泥、细集料、粗集料、水、减水剂、速凝剂和气密剂，将30质量份的超细改性硅灰、50～100质量份的改性火成岩粉、改性聚丙烯纤维加入基料中混合搅拌均匀制得高原隧道喷射混凝土，其中，改性聚丙烯纤维的掺量为0.1％。
本发明的高原隧道喷射混凝土，用电子显微镜法对超细改性硅灰和水泥进行粒径测量时发现，超细改性硅灰的粒径为0.3微米左右，约为水泥的1/50。根据填充效应，超细改性硅灰与水泥颗粒的粒径差，正好能大量填充水泥颗粒的间隙，改善胶材的级配和水泥胶体的密实度，产生了良好的填充效应。
改性火成岩粉和超细改性硅灰中还有的大量活性SiO2，发生如下化学反应：
Ca(OH)2+SiO2＝CaSiO3+H2O，在这过程中，高活性的SiO2与水泥溶液中的Ca(OH)2发生反应，在本发明的配比试验后，用透射电镜和扫描电镜发现，结合形成了硅酸钙水合矿物，也就是水化硅酸钙(C-S-H)，且占比远高于70％。水化硅酸盐的大量形成，表明混凝土的粘性增强，再加聚丙烯纤维的抗裂性，本发明的高原隧道喷射混凝土粘性有较大增强。
在本发明的高效减水剂的协同作用下(掺量1.0％时，减水率为28％),在混凝土搅拌过程中，极小的圆球形改性火成岩粉和超细改性硅灰颗粒的表面所包覆的表面活性物，与一般混凝土粒子和其他矿物的掺料粒子一样，在粒子之间形成了静电驱动斥力，因为球状的改性火成岩粉和超细改性硅灰颗粒远远低于混凝土粒子，就这样由于他们在混凝土粒子内部产生了“滚珠”的效应，从而导致混凝土体的流动性大大提高，这就导致泵送变得比较容易，同时短而质量差不大得对聚丙烯纤维阻碍效果也不大，从而使得喷射混凝土的增强效应得到了有效体现。
本发明的高原隧道喷射混凝土，为高海拔地区隧道喷射混凝土施工提供一种更优化的方案，通过对喷射砼的增塑效应及粘性的科学研究，得出高海拔环境下喷射混凝土性能提升和回弹率降低的科学内涵，并提供可在高原地区实际应用的高水平技术方案。
本发明的高原隧道喷射混凝土，提升了高原喷射混凝土强度和耐久性，大大降低回弹率。
本发明的高原隧道喷射混凝土在具体喷射施工时，可根据位置边墙和拱顶调整粗骨料的粒径，拱顶需要使用粒径更小。试验喷射采用河南省耿力工程设备有限公司生产的GHP3015E工程混凝土湿喷台车，生产能力30m3/h，发动机功率90KW，液压系统电机功率55KW，最大行驶速度20km/h，容许最大骨料直径15mm，料斗容量0.3立方米。
喷射采用湿喷机械手施工，风压控制在0.4～0.6％MPa之间、喷射距离控制在0.8～1.5m范围之内，喷射角度控制在45°角以内，每小时混凝土出机方量控制在厂家推荐值的80％以内、确保混凝内部密实质量可控。
通过以上配比进行隧道喷射，同时进行试验，试验检测项目为回弹率、7天强度、28天强度。试验结果如下表1和表2。
表1、回弹率试验结果
| 边墙喷射厚度 | 拱部喷射厚度 | 边墙回弹率 | 拱顶回弹率 |
| 15～20cm | 8～10cm | 8％～10％ | 15％～20％ |
表2、强度试验结果
| 期龄(天) | 抗压强度(MPa) | 抗弯强度(MPa) | 韧度系数(R30/10) |
| 7 | 38.6 | / | / |
| 28 | 49.0 | 5.5 | 63 |
由上试验结果可知，本发明的高原隧道喷射混凝土具有良好的降回弹作用，且对混凝土的强度发展有较大的帮助。
本发明的高原隧道喷射混凝土主要应用于海拔3500m以上的高海拔地区，专门考虑了川藏高原的特殊条件，在使用硅粉时还用速凝剂主要也考虑了高原地区地震的特殊自然条件。在进行施工时，改性火成岩粉和超细改性硅灰与水泥、骨料先进行干拌10s左右再加入外加剂和水，再搅拌同时加入聚丙烯纤维，速凝剂放在喷射时加入。在喷射施工后，需要极其注意混凝土的养护。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (6)
1.一种高原隧道喷射混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将加密硅粉、火山灰和锆英砂精按质量比16：1：3混合搅拌均匀获得混合料；
将所述混合料与碳按质量比10：1混合搅拌均匀后放置于加热电弧炉中，并升温至1650℃以获得超细改性硅灰，所述超细改性硅灰的二氧化硅含量大于98％、所述超细改性硅灰的比表面积为15000～25000m2/kg；
将火成岩粉、95级半加密硅灰、水泥熟料、硫酸钠和明矾石混合研磨获得改性火成岩粉，所述改性火成岩粉的比表面积400～900m2/kg；
将聚丙烯纤维进行抗紫外线处理获得改性聚丙烯纤维；
提供2447.1～2497.1质量份的基料，所述基料包括水泥、细集料、粗集料、水、减水剂、速凝剂和气密剂，将30质量份的所述超细改性硅灰、50～100质量份的所述改性火成岩粉、所述改性聚丙烯纤维加入基料中混合搅拌均匀制得高原隧道喷射混凝土，其中，所述改性聚丙烯纤维的掺量为0.1％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加密硅粉是微硅粉通过液压压块机进行加压获得。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述火成岩粉的活性Si02、活性Al203以及活性Fe2O3的含量高于70％。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，以所述改性火成岩粉的质量为100％计，所述改性火成岩粉包括80％的火成岩粉、10％的95级半加密硅灰、4％的水泥熟料、0.3％的硫酸钠和0.7％的明矾石。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯纤维的长度为10～16mm。
6.一种采用如权利要求1～5中任意一项所述的制备方法制备的高原隧道喷射混凝土，其特征在于，包括2447.1～2497.1质量份的基料、30质量份的所述超细改性硅灰、50～100质量份的所述改性火成岩粉和所述改性聚丙烯纤维，其中，所述基料包括370～420质量份的水泥、913质量份的细集料、913质量份的粗集料、180质量份的水、3.6质量份的减水剂、36质量份的速凝剂和31.5质量份的气密剂，所述改性聚丙烯纤维的掺量为0.1％。
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