一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的超高性能混凝土及制备方法

1.本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种可用于薄层修补隧道裂损衬砌的高韧性超高性能混凝土材料。


背景技术：

2.截止2020年底，我国建成铁路隧道共16798座，总长约19630km；建成公路隧道共19067座，总长约18966km；建成城市轨道交通总里程7655km，其中地铁里程为6483km。其中部分隧道因为建成时间长、环境恶劣等因素，造成衬砌结构不同程度的破坏。针对存在的问题，需要选择优异的材料进行修补加固。
3.超高性能混凝土作为一种新型的建筑材料，具有更加优异的力学性能和耐久性能，是一种极佳的修补加固隧道裂损衬砌的材料，但因为高昂的材料成本，严重限制了其在修补加固工程中的应用。因此，需要开发一种高韧性超高性能混凝土，采用薄层修补裂损隧道衬砌结构并满足施工所需力学性能，进而间接降低超高性能混凝土的成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的超高性能混凝土，其抗折强度高，则在承载同等抗折强度的条件下，可以减少超高性能混凝土的使用厚度。
5.本发明采用以下技术方案：一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的超高性能混凝土，包括以下按重量份计的组分：水泥624-780份，硅灰52-130份，石灰石粉208-286份，河砂954-1032份，钢纤维234-312份，减水剂7.20-7.32份，纯丙-丙烯酸复合乳液5.2-10.4份，水202-208份；；其中：聚合物复合乳液：由纯丙乳液和丙烯酸乳液按质量比6:4复合并混合均匀制得。
6.进一步地，该纯丙乳液固含量为50％，粘度为500mpa.s，玻化温度16-22℃；同时，丙烯酸乳液固含量为40％，粘度为35mpa.s，玻化温度10-12℃。
7.进一步地，该水泥为52.5硅酸盐水泥，水泥平均粒径为12.83μm。
8.进一步地，该硅灰的平均粒径为3.07μm；烧失量不大于6％。
9.进一步地，该石灰石粉的碳酸钙含量不小于99％；平均粒径为11.90μm；烧失量不小于40％。
10.进一步地，该河砂的细度模数为2.6且含泥量不大于0.5％。
11.进一步地，该钢纤维为镀铜圆直钢纤维，钢纤维的长度为12-14mm，直径为0.18-0.22mm，抗拉强度不小于2800mpa。
12.进一步地，该减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂固含量为50％。
13.本发明还公开了上述的一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的超高性能混凝土的制备方法，该制备方法如下：
14.步骤s1.将水泥、硅灰、石灰石粉、河砂混合并搅拌均匀；
15.步骤s2.将质量含量50％的水与质量含量80％的减水剂混合均匀并倒入步骤s1中的混合料中搅拌均匀；
16.步骤s3.将质量含量30％的水与纯丙-丙烯酸复合乳液混合均匀并装入喷洒器中，然后对搅拌中的混合料进行均匀喷洒混合，得湿混料；
17.步骤s4.向步骤s3中的湿混料中匀速添加钢纤维，混合；
18.步骤s5.将剩余质量含量的水与剩余质量含量的减水剂混合均匀，倒入步骤s4中的混合料中，搅拌得到超高性能混凝土。
19.进一步地，步骤s3中的纯丙-丙烯酸复合乳液的制备如下：
20.将纯丙乳液与丙烯酸乳液混合并搅拌均匀，得混合乳液；将混合乳液超声分散；将超声分散之后的混合乳液在10℃水浴锅中磁力搅拌，得到纯丙-丙烯酸复合乳液。
21.本发明的有益效果是：1、纯丙-丙烯酸复合乳液中的高分子聚合物颗通过填充效应可以减小超高性能混凝土的孔隙率并细化其孔径尺寸，聚合成膜所形成的三维网状结构可以更好地束缚uhpc中水泥石、骨料及钢纤维等组分，进而强化各组分之间的界面过渡区，增强了超高性能混凝土uhpc中水泥石、骨料及钢纤维等组分的结合状态，大幅度提高超高性能混凝土的韧性，其中，相比较于普通超高性能混凝土，本发明超高性能混凝土基体28天的抗折强度最高达34mpa，提升了18.9％。2、与普通超高性能混凝土相比，本发明超高性能混凝土薄层试件的抗折强度最高达29.4mpa，对比组薄层试件抗折强度最高达22.8mpa，通过计算得知，本发明中的薄层抗折强度提升了28.9％。
具体实施方式
22.下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
23.本发明公开了一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的超高性能混凝土，包括以下按重量份计的组分：水泥624-780份，硅灰52-130份，石灰石粉208-286份，河砂954-1032份，钢纤维234-312份，减水剂9.15-10.9份，纯丙-丙烯酸复合乳液5.2-10.4份，水202-208份；其中：
24.聚合物复合乳液：由纯丙乳液和丙烯酸乳液按质量比6:4复合并混合均匀制得。纯丙乳液固含量为50％，粘度为500mpa.s，玻化温度16-22℃；同时，所述丙烯酸乳液固含量为40％，粘度为35mpa.s，玻化温度10-12℃。水泥为52.5硅酸盐水泥，水泥平均粒径为12.83μm。硅灰的平均粒径为3.07μm；烧失量不大于6％。减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂固含量为50％。
25.上述石灰石粉的碳酸钙含量不小于99％；平均粒径为11.90μm；烧失量不小于40％。河砂的细度模数为2.6且含泥量不大于0.5％。
26.上述钢纤维为镀铜圆直钢纤维，钢纤维的长度为12-14mm，直径为0.18-0.22mm，抗拉强度不小于2800mpa。
27.上述的一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的超高性能混凝土的制备方法如下：
28.步骤s1.将水泥、硅灰、石灰石粉、河砂混合并搅拌90s；
29.步骤s2.将质量含量50％的水与质量含量80％的减水剂混合均匀并倒入所述步骤s1中的混合料中搅拌2min至均匀；
30.步骤s3.将质量含量30％的水与纯丙-丙烯酸复合乳液混合均匀并装入喷洒器中，然后对搅拌中的混合料进行均匀喷洒混合，并在4-5min内完成，得湿混料；
31.步骤s4.喷洒完毕后，向所述步骤s3中的湿混料中匀速添加钢纤维，并在3min内完成，并混合；
32.步骤s5.将剩余质量含量的水与剩余质量含量的减水剂混合均匀，倒入步骤s4中的混合料中，继续搅拌1-2min，得到超高性能混凝土。
33.上述步骤s3中的纯丙-丙烯酸复合乳液的制备如下：
34.将纯丙乳液与丙烯酸乳液混合并搅拌均匀，得混合乳液；将所述混合乳液超声分散；将超声分散之后的混合乳液在10℃水浴锅中磁力搅拌，得到纯丙-丙烯酸复合乳液。
35.表1各实施例超高性能混凝土原料配合比
[0036][0037]
上述各实施例中的一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的超高性能混凝土的制备方法如下：
[0038]
实施例1
[0039]
本实施例公开了本发明一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的高韧性超高性能混凝土的制备方法，具体为：
[0040]
步骤1.称取52.5硅酸盐水泥624g、硅灰130g、石灰石粉286g、河砂954g倒入砂浆搅拌机干混搅拌90s。
[0041]
步骤2.称取104g的水与5.86g的减水剂混合均匀并倒入干混料中搅拌2min。
[0042]
步骤3.称取62.4g的水与5.2g纯丙-丙烯酸复合乳液混合均匀并装入喷洒器中，然后对搅拌中的混合料进行均匀喷洒，并在4-5min内完成。
[0043]
步骤4.当喷洒完毕后，向搅拌中的湿混料中匀速添加312g的钢纤维，并在3min内完成。
[0044]
步骤5.待钢纤维添加完毕后，称取41.6g的水与1.46g的减水剂混合均匀倒入湿混料中继续搅拌1-2min，得到超高性能混凝土。
[0045]
实施例2
[0046]
本实施例公开了本发明一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的高韧性超高性能混凝土的制备方法，具体为：
[0047]
步骤1.称取52.5硅酸盐水泥676g、硅灰104g、石灰石粉260g、河砂980g倒入砂浆搅
拌机干混搅拌90s。
[0048]
步骤2.称取103g的水与5.83g的减水剂混合均匀并倒入干混料中搅拌2min。
[0049]
步骤3.称取61.8g的水与7g纯丙-丙烯酸复合乳液混合均匀并装入喷洒器中，然后对搅拌中的混合料进行均匀喷洒，并在4-5min内完成。
[0050]
步骤4.当喷洒完毕后，向搅拌中的湿混料中匀速添加286g的钢纤维，并在3min内完成。
[0051]
步骤5.待钢纤维添加完毕后，称取41.2g的水与1.46g的减水剂混合均匀倒入湿混料中继续搅拌1-2min，得到超高性能混凝土。
[0052]
实施例3
[0053]
本实施例公开了本发明一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的高韧性超高性能混凝土的制备方法，具体为：
[0054]
步骤1.称取52.5硅酸盐水泥728g、硅灰78g、石灰石粉234g、河砂1006g倒入砂浆搅拌机干混搅拌90s。
[0055]
步骤2.称取102g的水与5.77g的减水剂混合均匀并倒入干混料中搅拌2min。
[0056]
步骤3.称取61.2g的水与8.7g纯丙-丙烯酸复合乳液混合均匀并装入喷洒器中，然后对搅拌中的混合料进行均匀喷洒，并在4-5min内完成。
[0057]
步骤4.当喷洒完毕后，向搅拌中的湿混料中匀速添加260g的钢纤维，并在3min内完成。
[0058]
步骤5.待钢纤维添加完毕后，称取40.8g的水与1.44g的减水剂混合均匀倒入湿混料中继续搅拌1-2min，得到超高性能混凝土。
[0059]
实施例4
[0060]
本实施例公开了本发明一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的高韧性超高性能混凝土的制备方法，具体为：
[0061]
步骤1.称取52.5硅酸盐水泥780g、硅灰52g、石灰石粉208g、河砂1032g倒入砂浆搅拌机干混搅拌90s。
[0062]
步骤2.称取101g的水与5.76g的减水剂混合均匀并倒入干混料中搅拌2min。
[0063]
步骤3.称取60.6g的水与10.4g纯丙-丙烯酸复合乳液混合均匀并装入喷洒器中，然后对搅拌中的混合料进行均匀喷洒，并在4-5min内完成。
[0064]
步骤4.当喷洒完毕后，向搅拌中的湿混料中匀速添加234g的钢纤维，并在3min内完成。
[0065]
步骤5.待钢纤维添加完毕后，称取40.4g的水与1.44g的减水剂混合均匀倒入湿混料中继续搅拌1-2min，得到超高性能混凝土。
[0066]
对比例1
[0067]
本实施例公开了一种混凝土的制备方法，具体为：
[0068]
步骤1.称取52.5硅酸盐水泥624g、硅灰130g、石灰石粉286g、河砂954g倒入砂浆搅拌机干混搅拌90s。
[0069]
步骤2.称取166.4g的水与7.32g的减水剂混合均匀并倒入干混料中搅拌2min。
[0070]
步骤3.向搅拌中的湿混料中匀速添加312g的钢纤维，并在3min内完成。
[0071]
步骤4.待钢纤维添加完毕后，称取41.6g的水与1.83g的减水剂混合均匀倒入湿混
料中继续搅拌1-2min，得到混凝土。
[0072]
对比例2
[0073]
本实施例公开了一种混凝土的制备方法，具体为：
[0074]
步骤1.称取52.5硅酸盐水泥676g、硅灰104g、石灰石粉260g、河砂980g倒入砂浆搅拌机干混搅拌90s。
[0075]
步骤2.称取164.8g的水与7.78g的减水剂混合均匀并倒入干混料中搅拌2min。
[0076]
步骤3.向搅拌中的湿混料中匀速添加286g的钢纤维，并在3min内完成。
[0077]
步骤4.待钢纤维添加完毕后，称取41.2g的水与1.94g的减水剂混合均匀倒入湿混料中继续搅拌1-2min，得到混凝土。
[0078]
对比例3
[0079]
本实施例公开了一种混凝土的制备方法，具体为：
[0080]
步骤1.称取52.5硅酸盐水泥728g、硅灰78g、石灰石粉234g、河砂1006g倒入砂浆搅拌机干混搅拌90s。
[0081]
步骤2.称取163.2g的水与8.24g的减水剂混合均匀并倒入干混料中搅拌2min。
[0082]
步骤3.向搅拌中的湿混料中匀速添加260g的钢纤维，并在3min内完成。
[0083]
步骤4.待钢纤维添加完毕后，称取40.8g的水与2.06g的减水剂混合均匀倒入湿混料中继续搅拌1-2min，得到混凝土。
[0084]
对比例4
[0085]
本实施例公开了一种混凝土的制备方法，具体为：
[0086]
步骤1.称取52.5硅酸盐水泥780g、硅灰52g、石灰石粉208g、河砂1032g倒入砂浆搅拌机干混搅拌90s。
[0087]
步骤2.称取161.6g的水与8.72g的减水剂混合均匀并倒入干混料中搅拌2min。
[0088]
步骤3.向搅拌中的湿混料中匀速添加234g的钢纤维，并在3min内完成。
[0089]
步骤4.待钢纤维添加完毕后，称取40.4g的水与2.18g的减水剂混合均匀倒入湿混料中继续搅拌1-2min，得到混凝土。
[0090]
对实施例1-4制得的一种薄层修补加固裂损隧道衬砌的超高性能混凝土和对比例1-4中制备的一种混凝土进行性能测试，如下：
[0091]
将新拌超高性能混凝土按照gb/t 2419—2005《水泥胶砂流动度测试方法》标准进行流动度试验。
[0092]
将新拌超高性能混凝土成型，试件养护采用标准养护制度(20
±
2℃，相对湿度为95％)，养护到3、7、28天龄期时规定龄期测试其物理力学性能。基体抗折强度采用40mm
×
40mm
×
160mm的棱柱体试件，加载速率为0.05mpa/s。薄层试件的尺寸为20mm
×
40mm
×
160mm的棱柱体试件，加载速率为0.05mpa/s。
[0093]
结果如下表所示：
[0094]
表2各实施例中混凝土测试
[0095][0096][0097]
由表2中数据可知，添加聚合物复合乳液可以提升超高性能混凝土的基体及薄层试件的抗折强度，抗折强度越高，其韧性越好；其中基体抗折强度最高达34mpa，对比组基体抗折强度最高为28.6mpa，通过计算得知，基体抗折强度提升了18.9％，薄层试件抗折强度最高达29.4mpa，对比组薄层试件抗折强度最高达22.8mpa，通过计算得知，本发明中的薄层抗折强度提升了28.9％。分析数据可知，聚合物复合乳液可以优化提升超高性能混凝土的韧性。在同等厚度的情况下，采用本技术中的超高性能混凝土的抗折强度更高，则在承载同等抗折强度的条件下，可以减少本技术中超高性能混凝土的厚度，减少超高性能混凝土的用量，以降低成本。
[0098]
上述纯丙-丙烯酸复合乳液中的高分子聚合物颗粒在超高性能混凝土中以未聚合成膜态(球型颗粒形态)、部分聚合成膜态及完全聚合成膜态等三种形式存在，其中，未聚合成膜态(平均粒径0.1μm)及部分聚合成膜态的高分子聚合物颗粒通过填充效应可以减小超高性能混凝土的孔隙率并细化其孔径尺寸；部分聚合成膜态及完全聚合成膜态的高分子聚合物通过膜结构对毛细管等缺陷的封堵会减小超高性能混凝土uhpc开孔孔隙率。其次，高分子聚合物颗粒聚合成膜所形成的三维网状结构可以更好地束缚uhpc中水泥石、骨料及钢纤维等组分，进而强化各组分之间的界面过渡区。纯丙-丙烯酸复合乳液中的高分子聚合物通过活性聚合物与ca
2+
离子、ca(oh)2固态颗粒或与骨料表面的硅酸盐发生反应而产生的化学键。因而，可以进一步增强超高性能混凝土uhpc中水泥石、骨料及钢纤维等组分的结合状态。