CN103224364B - 低碳高性能隧道喷射专用系列混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一系列低碳高性能隧道喷射混凝土，通过掺入不同种类矿物掺合料及不同掺量，以及采用低水胶比、高效减水剂和无碱速凝剂。所配制的混凝土性能达到密实度高、工作性和耐久性好，能满足不同围岩级别对喷混凝土早期强度的要求。本发明根据环境综合等级确定喷射混凝土的密实度，再由密实度指标选用胶凝材配方；设计和施工人员可根据不同环境等级和围岩级别选用不同的胶凝材配方和混凝土配合比，混凝土材料具有水化热低、密实度高、工作性好等特点，还具有减少环境污染、改善工作环境、降低回弹率和节约工程成本等功效、节约能源、减少碳排放和环境污染，大大节约了工程成本。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料，具体说是一种专用于不同环境综合等级、围岩级别的隧道初期支护结构中的喷射混凝土材料。
背景技术
目前，山岭隧道结构绝大多数采用复合式衬砌，少数隧道结构采用单层衬砌的结构形式，隧道结构不论采用复合式衬砌还是单层衬砌，均以喷射混凝土为主要支护手段。隧道开挖后，以“最快的”速度向围岩喷射混凝土，其目的是可以在“最短的”时间内，抑制住围岩的松弛或变形。要使喷射混凝土发挥支护作用，要求其在“短时间”内达到一定的强度，这就是喷射混凝土的早期强度。同时，喷混凝土应具有很好的粘着力，以便与围岩密贴共同受力，还要求其回弹率小，确保混凝土的质量并尽可能的降低成本。
世界各国在喷射混凝土配方和施工工艺方面存在较大差别，由于工艺复杂且在围岩尚未稳定时施做，喷混凝土的质量难以保证，隧道结构存在重大安全隐患。我国隧道结构中采用喷射混凝土起步较晚，故在喷射工艺和混凝土配方方面与日本和欧洲一些发达国家差距较大，隧道喷射混凝土施工绝大多数情况下采用干喷工艺，粉尘大、回弹多、配合比难于控制；多数情况下使用有碱速凝剂，对工人皮肤伤害较大，且混凝土在地下水作用下溶蚀严重；胶凝材采用单一的P.O52.5硅酸盐水泥且水泥用量大，单方混凝土水泥用量超过500kg，既不经济也不环保。为此，有必要研究一种新型喷射混凝土材料，这种材料可满足既节约能源、低碳环保，又能改善工人工作环境，还能提高混凝土的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一系列不同配合比和胶凝材配方的高性能喷射混凝土，可以适应不同环境类型和围岩级别，降低工程成本，延长隧道结构使用寿命。该混凝土材料普遍具有水化热低、密实度高、工作性好等特点，还具有减少环境污染、改善工作环境、降低回弹率以及节约工程成本等功效。
本发明的低碳高性能喷射混凝土材料是这样实现的：根据环境综合等级确定喷射混凝土的密实度，再由密实度指标选用胶凝材配方；根据围岩级别确定喷射混凝土的强度等级，再由强度等级选用混凝土配合比。混凝土材料在隧道内采用强制式搅拌机拌合，湿喷工艺喷射。
根据环境对隧道结构作用造成的危害程度，将环境综合等级划分为A、B、C、D、E五级，其中E级环境最差、A级环境最好。隧道环境综合等级与喷射混凝土的密实度等级和密实度指标的关系见表1，围岩级别与喷射混凝土的强度等级和强度指标的关系见表2。
表1环境综合等级与喷射混凝土密实度指标的关系
表2围岩级别与喷射混凝土强度指标的关系
低碳高性能隧道喷射专用系列混凝土，根据不同的环境综合等级和围岩级别确定隧道喷射高性能混凝土的配方，并采用如下的步骤获得：
(1)根据隧道环境综合等级和围岩级别确定隧道衬砌混凝土设计参数指标，不同密实度指标确定衬砌混凝土胶凝材中掺入矿物掺合料种类和掺量，胶凝材采用配送站模式或拌合站模式生产，各粉体材料按比例进行物理均化，所述中复合胶凝材根据不同密实度指标确定喷射混凝土胶凝材配方详见表3：
表3不同密实度指标对应喷射混凝土胶凝材配方
表3是由喷射混凝土电通量值测试结果，确定不同密实度指标对应喷射混凝土胶凝材配方。
表中胶凝材各粉体材料的要求是：水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积＞500kg/m2；粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，比表面积750kg/m2左右；矿粉：S105级矿粉，比表面积≥500kg/m2；硅灰比表面积≥20000kg/m2；石灰石粉比表面积≥600kg/m2。
(2)根据不同强度指标采用(1)所得喷射混凝土胶凝材为主要原料，加配粗细骨料混合后得到目标系列混凝土，其配合比详见表4：
表4不同强度度指标对应喷射混凝土配合比
表4是由喷射混凝土抗压强度测试结果，确定不同强度指标对应喷射混凝土的配合比。
表中混凝土配合比选取必须考虑以下基本原则：
(1)表中配合比只适用于湿喷工艺，当隧道处于冻融环境下胶凝材用量取上限，水胶比取下限；
(2)采用表中配合比必须使用减水率≥25%高效减水剂和无碱速凝剂，同时保证减水剂和速凝剂与胶凝材有很好的相容性；
(3)当隧道处于冻融环境下且地下水发育，喷射混凝土若采用复合胶凝材时，应选用引气型减水剂。
混凝土采用骨料的要求是：
(1)粗骨料选用5～15mm豆石，压碎指标≤8%，针、片状颗粒总含量≤4%，含泥量≤0.5%，紧密空隙率≤40%；
(2)细骨料选用细度模数2.7～3.2中粗河砂，含泥量≤2.0%，泥块含量≤0.5%。
以上胶凝材配方及各粉体材料的细度指标和混凝土配合比参数及粗细骨料、外加剂的性能指标可保证本发明的高性能喷射混凝土具有良好的力学性能、密实性能和耐久性能，也能与隧道所处环境等级和围岩级别相适应，满足隧道结构的使用寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：混凝土采用低水胶比、高效减水剂和无碱速凝剂以及胶凝材中掺入矿物掺合料后混凝土的工作性能、密实性能和力学性能得到显著提高，对减少混凝土回弹、降低水化热和节能降耗效果显著，使之应用于隧道结构中既可以提高结构耐久性，又可以改善工人的作业环境、降低作业强度，还有利于环保、降低成本，是一项利国利民的技术。
具体实施方式
本发明低碳高性能隧道喷射混凝土可分别达到C20、C25、C30、C35、C40强度等级，满足处于不同环境类型和不同围岩级别条件下隧道结构使用寿命要求。以下给出具体实施方案。
1、复合胶凝材可通过配送站模式或拌合站模式实现，具体做法是先将复合胶凝材中水泥、粉煤灰、矿粉和石灰石粉等分别粉磨至规定的细度，制成成品，然后根据隧道结构性能需求确定胶凝材组分，按设计胶凝材配方比例进行配制，生成高品质复合胶凝材。
对组分复杂的高性能混凝土来说，将混凝土所需的复合胶凝材料放到配送站或拌合站生产，将各自单独粉磨的粉体材料进行预均化，就可以保证不增加现行混凝土搅拌时间而大大提高混凝土的均质性，有利于保证工程质量和耐久性能。
2、混凝土搅拌易采用水泥裹砂分步搅拌法，具体实施步骤是先将配制好的胶凝材、砂子和1/3用水量投入搅拌机预拌30s；然后将高效减水剂加入到剩余用水量中拌匀，将其和全部粗骨料投入搅拌机中搅拌90s。
大量试验证明，喷射混凝土采用水泥裹砂分步搅拌法效果显著，混凝土各项性能均有显著提高，说明此搅拌工艺可以充分激发矿物掺合料的活性，特别是后期活性，提高混凝土的力学和耐久性能。
3、混凝土施做应采用湿喷工艺，要求喷射混凝土的塌落度达到18cm左右，喷射时将速凝剂从喷嘴处加入，严格控制速凝剂的掺量。
实践证明，喷混凝土施做采用湿喷技术，极大地改善作业环境，降低回弹物料量，混凝土配合比容易控制，混凝土的性能稳定，均匀性好，提高了混凝土的喷射质量。
Claims (3)
1.低碳高性能隧道喷射专用系列混凝土制备方法，根据不同的环境综合等级和围岩级别确定隧道喷射高性能混凝土配方，并采用如下的步骤获得：
(1)根据环境综合等级确定喷射混凝土的密实度，再由密实度指标选用胶凝材配方，胶凝材采用配送站模式生产，各粉体材料按比例进行物理均化，根据环境对隧道结构作用造成的危害程度，将环境综合等级划分为A、B、C、D、E五级，其中E级环境最差、A级环境最好；所述隧道环境综合等级与喷射混凝土的密实度等级和密实度指标的关系：
由喷射混凝土电通量值测试结果，确定不同密实度指标对应喷射混凝土胶凝材配方详见下表：
(2)根据不同强度指标采用步骤(1)所得喷射混凝土复合胶凝材为主要原料，加配粗细骨料混合后得到目标系列混凝土，围岩级别与喷射混凝土强度指标的关系：
由喷射混凝土抗压强度测试结果，确定不同强度指标对应喷射混凝土的配合比：
2.根据权利要求1所述的低碳高性能隧道喷射专用系列混凝土制备方法，其特征是：胶凝材各粉体材料的要求是：水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积＞500kg/m2；粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，比表面积750kg/m2左右；矿粉：S105级矿粉，比表面积≥500kg/m2；硅灰比表面积≥20000kg/m2；石灰石粉比表面积≥600kg/m2。
3.根据权利要求1所述的低碳高性能隧道喷射专用系列混凝土制备方法，其特征是：所述骨料为粗骨料和细骨料，且：(1)粗骨料选用5～15mm豆石，压碎指标≤8％，针、片状颗粒总含量≤4％，含泥量≤0.5％，紧密空隙率≤40％；(2)细骨料选用细度模数2.7～3.2中粗河砂，含泥量≤2.0％，泥块含量≤0.5％。
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