一种断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂喷射混凝土的制作方法

1.本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂喷射混凝土。


背景技术：

2.随着国家基础设施建设的快速发展，公路、铁路、地铁等交通路网不断扩大，隧道在路线占比也越来越大，穿越油气盆地、煤系地层等围岩破碎、易变形又存在瓦斯积聚的隧道也越来越多，在上述特殊地层中进行隧道工程施工，岩体内部赋存的瓦斯会不断地从掌子面裸露岩面、气密性低或开裂的初期支护喷射混凝土结构层释放出来，在隧道内积聚的不同浓度的瓦斯将会引起施工人员中毒、窒息，甚至发生燃烧和爆炸等灾难性后果，对隧道施工安全带来严重威胁。
3.鉴于在施工过程中瓦斯主要在掌子面未做支护的裸露岩面以及气密性低或开裂的初期支护喷射混凝土结构层上释放出来的特点，在设计和施工阶段往往会结合衬砌结构设计瓦斯封排措施，采用气密性喷射混凝土快速封闭掌子面围岩，达到阻止瓦斯释放进行下一步安全施工的目的。
4.但我国由于湿喷混凝土起步晚，技术水平低，同时国内原材料质量差，无碱速凝剂、湿喷机械手技术不成熟，导致喷射混凝土回弹率高（经调查统计，现在隧道工程中喷射混凝土回弹量普遍在15%以上）、气密性差、受早期围岩变化易开裂等工作性能较差、综合成本较高等问题，而这类问题在断层破碎段瓦斯隧道显得尤为突出，回弹大裸露围岩无法快速封闭、气密性差以及易开裂问题均可导致瓦斯大量释放造成安全事故的风险，因此，亟需提供一种针对断层破碎段瓦斯隧道的喷射混凝土，用以提高断层破碎段瓦斯隧道工程的工作性。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂喷射混凝土，其解决了现有喷射混凝土的回弹量较高、气密性差、易开裂的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂喷射混凝土，包括以下重量份的原料组分：水泥340-400份；掺合料46-92份；细骨料机制砂874-957份；粗骨料碎石693-776份；减水剂3.68-5.06份；水184-198份；速凝剂23.0-32.2份；玄武岩纤维0.6-1.5份；气密剂23.0-36.8份；其中：所述掺合料为f类ⅱ级粉煤灰；所述粗骨料碎石的粒径为4.75-9.5mm；细骨料机制砂为由机械破碎、筛分制成的粒径为小于4.75mm的岩石颗粒，细度模数为2.5-3.1，机制砂石粉含量为5.0%~15.0%，且mbv值低于1.4；所述减水剂为早强型聚羧酸系高性能减水剂，减水率≥25%，含气量＞3%；所述速凝剂为无碱速凝剂；所述气密剂为抗腐气密共效的 fs-kq 抗腐蚀气密混凝土泵送剂，
主要成分为硅灰、粉煤灰、高效减水剂等材料复合而成。
7.所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
8.所述水泥强度等级为42.5r。
9.所述玄武岩纤维公称长度为15mm~30mm，公称直径为9~25μm。
10.制备所述断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂喷射混凝土的方法，具体步骤为：先采用全自动计量强制式搅拌机的称量系统按比例将称量好的粗骨料碎石、细骨料机制砂、水泥、掺合料、气密剂混合，称量好玄武岩纤维上料，干拌预混合60s，将玄武岩纤维充分分散形成均匀的干混料，再加水和减水剂后继续混合搅拌90-120s得到喷射混凝土拌合物；使用时，喷射混凝土拌合物通过喷射机喷嘴将拌合物和速凝剂在空中混合后直接喷射到受喷面。
11.本发明还提供了另外一种制备所述断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂喷射混凝土的方法，具体步骤为：先采用全自动计量强制式搅拌机的称量系统按比例将称量好的粗骨料碎石、水泥、掺合料、气密剂混合，称量好玄武岩纤维上料，将上述材料进行干拌预混合60s，将玄武岩纤维充分分散形成均匀的干混料，再加细骨料机制砂、水和减水剂后继续混合搅拌120-150s得到喷射混凝土拌合物；使用时，喷射混凝土拌合物通过喷射机喷嘴将拌合物和速凝剂在空中混合后直接喷射到受喷面。
12.本发明所述的水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥的一种，强度等级宜为42.5r的水泥。
13.所述的掺合料为f类ⅱ级粉煤灰。粉煤灰是一种火山灰质材料，是燃煤电厂排放出的主要固体废物。粉煤灰可以与混凝土中的ca(ho)2进行二次反应，生成难溶于水的水化硅酸钙凝胶，填充了混凝土内部的孔隙，对混凝土的强度、密实性都有提高作用，同时因其形貌效应粉煤灰的加入可以增加喷射混凝土的和易性，减少混凝土的需水量，降低混凝土的早期干燥收缩，使密实性大大提高。
14.所述粗骨料碎石的粒径为4.75-9.5mm；细骨料的粒径为0-4.75mm的机制砂，细度模数为2.5-3.1，机制砂石粉含量为5.0%~15.0%且mbv值低于1.4。粗细骨料级配均良好，充分利用机制砂中的石粉可以改善骨料级配和孔隙率，提高新拌混凝土的浆体量，改善喷射混凝土的工作性。
15.所述速凝剂为无碱速凝剂，掺加正常用量速凝剂的水泥净浆初凝时间不应大于3min ，终凝不应大于12min ，采用无碱速凝剂可以有效避免碱骨料反应，大幅提高喷射混凝土后期强度和抗渗性，可以显著改善工程质量，同时避免人员皮肤、眼睛灼伤等碱伤害，保证作业人员生命健康。
16.所述减水剂为早强型聚羧酸系高性能减水剂规格型号为pce-a-l-jg/t 223-2017，减水率≥25%，含气量＞3%。
17.所述玄武岩纤维公称长度为15mm~30mm，公称直径为9~25μm。采用玄武岩纤维可以大幅增强混凝土的抗弯拉性能和抗裂性能，提高喷射混凝土的抗渗漏性能。
18.所述气密剂为抗腐气密共效的 fs-kq 抗腐蚀气密混凝土泵送剂，主要成分为硅灰、粉煤灰、高效减水剂等材料复合而成。
19.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：1、采用粉煤灰替代部分水泥，在降低成本的情况下，有效提高喷射混凝土的工作
性能，降低喷射机泵送管堵塞的概率，提高初期支护裸露围岩封闭速度，降低瓦斯泄露量。
20.2、通过利用早强水泥和早强型高性能聚羧酸减水剂的协同作用，可有效提高喷射混凝土初期支护的早期强度，1天抗压强度可达到14mpa以上，28天抗压强度可达35mpa，满足各种隧道对初期支护混凝土的强度要求。
21.3、在喷射混凝土中加入粉煤灰和气密剂，混凝土外观质量明显密实，同时玄武岩纤维的加入可以有效抑制初期支护喷射混凝土结构层的裂纹发展，提高混凝土的抗裂性、抗弯拉性、抗渗性能，显著增强初支混凝土的气密性。
22.4、可大大提高一次性喷射混凝土厚度，一般瓦斯段喷射混凝土厚度设计为 200～300mm，采用本发明提供的技术方案可实现一次性喷射250mm，施工速度远高于传统的分层喷射施工工艺 。
23.5、在喷射混凝土中加入适量的玄武岩纤维，增强了拌合物的黏结性，有效降低初期支护喷射混凝土回弹率，可使ⅲ级、ⅳ级围岩拱顶回弹率降低至4％以下，边墙处回弹甚至低于1%，大幅降低施工成本、提高施工速度，加快瓦斯隧道围岩封闭。
24.6、由于回弹率大幅度降低，空气中污染和伤害人体的碱性水泥粉尘大幅度减少，进一步保护了环境以及作业工人的身心健康。
具体实施方式
25.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，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
26.除非另有定义，所有在此使用的技术和科学术语，和本发明所属领域内的技术人员所通常理解的意思相同，在此公开引用及他们引用的材料都将以引用的方式被并入。
27.本领域技术人员意识到的通过常规实验就能了解到的描述的特定实施方案的等同技术，都将包含在本技术中。
28.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的仪器设备，如无特殊说明，均为实验室常规仪器设备；下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均为由常规生化试剂商店购买得到的。
29.实施例1：本实施例提供了一种断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂喷射混凝土，各组分重量份数如下：水泥340份；粉煤灰92份；细骨料892份；粗骨料759份；减水剂4.60份；水189份；速凝剂27.6份；玄武岩纤1.0份；气密剂27.6份。其中，砂为人工机制砂，规格为ⅱ类中砂，细度模数为2.9，石粉量为7.1%，mbv值为0.8，级配良好；碎石的粒径为5~10 mm，级配良好；水泥为p.o 42.5r；减水剂为早强型聚羧酸高性能减水剂；粉煤灰f类ⅱ级粉煤灰，28天活性指数为80%，速凝剂为无碱速凝剂，初凝时间为2min：13s，终凝时间为6min:42s；玄武岩纤维平均公称长度为20mm，平均公称直径为12.5μm，气密剂为抗腐气密共效的 fs-kq 抗腐蚀气密混凝土泵送剂，本实施例所制备的喷射混凝土强度等级为c25气密，透气系数＜1
×
10-10
cm/s,抗弯拉强度＞3.4mpa，浆体坍落度在180~220mm范围内，满足喷射混凝土的泵送需求，和易性良好且喷射效果佳。
30.实施例2：本实施例提供了一种断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂
喷射混凝土，强度等级为c25，透气系数＜1
×
10-10
cm/s,抗弯拉强度＞3.4mpa，其与实施例1所提供的一种低回弹高气密性抗裂喷射混凝土组成材料基本相同，区别在于机制砂的细度模数为2.6，石粉量为14%，mbv值为1.2，将各组分重量份数调整如下：水泥355份；粉煤灰68份；细骨料880份；粗骨料781份；减水剂4.9份；水189份；速凝剂27.0份；玄武岩纤0.9份；气密剂27.0份。采用此实施例制备成的喷射混凝土浆体坍落度在180~220mm范围内，满足喷射混凝土的泵送需求，和易性良好且喷射效果佳。
31.实施例3：本实施例提供了一种断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂喷射混凝土，强度等级为c25，透气系数＜1
×
10-10
cm/s,抗弯拉强度＞3.4mpa，其与实施例1所提供的一种低回弹高气密性抗裂喷射混凝土组成基本相同，区别在于细骨料细度模数为3.0，石粉含量为5.3%，mbv值为0.9，各组分重量份数如下：水泥340份；掺合料92份；细骨料927份；粗骨料729份；减水剂4.60份；水184份；速凝剂25.3份；玄武岩纤1.0份；气密剂27.6份。采用此实施例制备成的喷射混凝土浆体坍落度在180~220mm范围内，满足喷射混凝土的泵送需求，和易性良好且喷射效果佳。
32.实施例4：本实施例提供了一种断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂喷射混凝土，强度等级为c25，透气系数＜1
×
10-10
cm/s,抗弯拉强度＞3.4mpa，其与实施例1所提供的一种低回弹高气密性抗裂喷射混凝土组成材料基本相同，区别在于细骨料为人工机制砂，规格为ⅱ类中砂，细度模数为2.8，石粉含量为11%，mbv值为1.0，将各组分重量份数调整如下：水泥359份；掺合料69份；细骨料873份；粗骨料774份；减水剂4.37份；水193份；速凝剂32.2份；玄武岩纤0.9份；气密剂32.2份。采用此实施例制备成的喷射混凝土浆体坍落度在180~220mm范围内，满足喷射混凝土的泵送需求，和易性良好且喷射效果佳。
33.实施例5：本实施例提供了一种断层破碎段瓦斯隧道施工用低回弹高气密性抗裂喷射混凝土，强度等级为c25，透气系数＜1
×
10-10
cm/s,抗弯拉强度＞3.4mpa，其与实施例1所提供的一种低回弹高气密性抗裂喷射混凝土组成材料基本相同，区别在于细骨料为人工机制砂，规格为ⅱ类中砂，细度模数为3.1，石粉含量为9%，mbv值为1.2，级配较差，将各组分重量份数调整如下：水泥350份；掺合料83份；细骨料905份；粗骨料741份；减水剂4.60份；水193份；速凝剂27.6份；玄武岩纤0.9份；气密剂27.6份。采用此实施例制备成的喷射混凝土浆体坍落度在180~220mm范围内，满足喷射混凝土的泵送需求，和易性良好且喷射效果佳。
34.为了检测实体喷混凝土的抗压强度、气密性、抗弯拉强度及黏结性等性能指标，在瓦斯段喷射施工前进行坍落度检测、在喷射作业过程中喷射特制大板，根据试验要求，喷射成不同厚度的大板，经切割磨平加工制成不同尺寸的混凝土样品进行各项检测。混凝土回弹率的计算方式为现场称取回弹掉落混凝土总量计算回弹率，回弹率的计算公式为：回弹率＝总回弹量/混凝土总量，其中，总回弹量通过现场施工时进行称量，混凝土总量在施工前进行称量计算得到。经规范检测，各项检测结果见表1，各项指标均满足设定要求。
35.表1设计强度等级c25气密喷射砼实体试喷检测结果
从以上实施例及其检测数据可以看出本发明制得的一种低回弹高气密性抗裂喷射混凝土大大提高了喷射混凝土的工作性，降低了混凝土回弹率，大幅度提高一次性喷射混凝土层厚度，有效提高初期支护裸露围岩封闭速度，降低瓦斯泄露量，同时有效抑制初期支护喷射混凝土结构层的裂纹发展，提高混凝土的抗裂性、抗弯拉性、抗渗性能，显著增强初支混凝土的气密性，还具有很好的耐腐蚀性和耐火性。本发明可直接应用到断层破碎段瓦斯隧道施工中，为断层破碎段瓦斯隧道施工开辟了新的技术途径，极大地改善混凝土的各项性能，提高施工速度，降低施工成本。
36.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。