一种高海拔高寒地区用抗冻早强型喷射混凝土及其使用方法

本发明属于隧道衬砌混凝土，具体来讲，涉及一种高海拔高寒地区用抗冻早强型喷射混凝土及其使用方法。

背景技术：

1、随着我国港珠澳大桥沉管隧道、乌尉天山胜利公路隧道、以及川藏铁路易贡隧道等超长世纪隧道工程的深入推进，我国隧道修建技术在隧道里程长度、断面跨度及隧道复杂建设或服役环境等方面取得了里程碑式的突破创新。钻爆法作为山体隧道工程的常见施工方式，具有硬质岩体适应性好、设备损耗及动力要求小、可多工序分段掘进等优点，其中典型初期支护结构以锚杆、喷射混凝土与钢拱架或钢筋网面为主，其中作为核心组分的喷射混凝土材料，主要通过与围岩直接接触、形成一体化封闭曲面结构，在围岩-支护承载体系中起到承载、封闭及稳固围岩的作用。然而我国地域幅员辽阔，以横断山脉、西藏高原为典型山地特性的西南部地区隧道建设具有昼夜温差大、海拔及山体埋深较高以及软弱地层偏多等特点，以目前在建设中的川藏铁路雅林段为例，其冬季施工期间昼夜温差可达30℃以上。因此对高海拔高寒地区隧道衬砌混凝土而言，高海拔低气压条件及高寒负温环境容易带来混凝土引气性能下降、冻融破坏加剧、凝结硬化缓慢以及支护强度降低等混凝土质量问题，影响隧道整体结构的施工及运营安全。其中对于与围岩直接接触的喷射混凝土材料而言，高寒环境更容易影响其速凝硬化性能，造成喷射回弹率增大、无碱速凝剂结晶沉淀以及早期支护强度低，不利于控制围岩开挖沉降变形性能，因此针对提升高海拔高寒区域喷射混凝土的抗冻性能及早期支护强度对改善该区域内隧道衬砌混凝土施工性能具有重要意义。

2、现有研究在防冻引气组分改性喷射混凝土用液体速凝剂开发及冬季保温施工方面研究较多，但对喷射混凝土材料自身抗冻性能及早期小时强度提升关注较少，并且在高海拔喷射混凝土引气性能方面尚未涉及，所述冬季保温施工方法在实际喷射施工过程中容易造成混凝土拌合物运输工作性能下降以及服役强度下降等。

3、如专利号cn110002781a“一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料”，公开了一种液体速凝剂改性材料。所述改性材料中掺入乙二醇或丙三醇类的防冻剂与气相二氧化硅及硫酸锂的早强剂，但所述小分子醇类防冻剂容易造成混凝土强度下降并且锂盐及气相二氧化硅市售价格较高，并且仅对液体速凝剂进行抗冻及早强提升，而对喷射混凝土的抗冻和早强性能提升效果尚未可知。

4、专利号cn110734242a“一种高寒地区用喷射混凝土无碱液体速凝剂及制备方法”，公开了一种高寒地区用液体无碱速凝剂，采用速凝剂防冻组分及混凝土防冻组分进行体系抗冻性提升，但混凝土防冻组分为甲醇，具有一定延缓水化作用，不利于其早期强度提升。同时混凝土中掺入偶氮二甲酰胺作为引气组分，但针对部分高寒高海拔区域的低气压环境，其引气效果尚未可知。

5、专利号cn112479621a“一种防冻引气型无碱液体速凝剂及其制备方法”，公开了一种液体无碱速凝剂，采用防冻引气组分对液体速凝剂进行功能改性，但所述引气组分为椰子油脂肪酸二乙醇酰胺，松香酸钠，三萜皂苷中的两种或三种，并未涉及在高海拔低气压条件下对喷射混凝土的抗冻性提升效果，此外，速凝剂中还引进了一定量的含氟酸，易造成喷射混凝土的早期强度下降，不利于早期支护效果提升。

6、专利号cn101619656a“铁路多年冻土隧道支护方法”，掺入聚丙烯纤维与复合防冻剂制备喷射混凝土，并采用物理加热液体速凝剂及拌合水水温，但混凝土复合抗冻剂的掺入对喷射混凝土凝结时间及后期强度影响较大，所制备喷射混凝土大板及钻芯强度均低于30mpa，不利于高寒区域喷射混凝土支护强度及速凝低回弹性能提升。

7、专利号cn108947390b“一种高寒地区边坡锚喷支护保温施工方法”，公开了锚喷支护保温施工方法，所述保温施工方法采用防冻剂制备锚杆注浆砂浆，并采用物理加热拌合水及砂石骨料至30-60℃的措施改善高寒地区锚喷性能，其防冻剂的掺量占锚杆砂浆胶凝材料的3-11％，并且以粉体形式掺入，可能存在分散不均匀及使用掺量偏高的问题；此外，并未涉及锚喷结构中核心混凝土材料—喷射混凝土自身水化早强方面的性能提升。

8、因此，亟需研发适用于高海拔高寒地区引气抗冻性能优良、小时支护强度高的喷射混凝土材料，以保障隧道初期支护在高海拔及高寒环境下的施工及服役性能。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术存在的高海拔环境喷射混凝土引气适应性不足、高寒条件下喷射混凝土抗冻性能差、速凝硬化延缓及早期支护强度低等问题，旨在于提高喷射混凝土材料在高海拔及高寒环境下的施工及服役性能，本发明提供一种高海拔高寒地区用抗冻早强型喷射混凝土及其使用方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种海拔高寒地区用抗冻早强型喷射混凝土，包括胶凝材料、粗骨料、细骨料、低气压引气稳泡组分、液体无氟无碱速凝剂、液体复合防冻组分及水，各组分含量以每立方喷射混凝土计：

4、

5、液体复合防冻组分用量占胶凝材料质量的1-5％，

6、水胶比为0.36～0.40；

7、所述胶凝材料由质量分数75-85％的水泥与质量分数15-25％的高分散早强粉末组成；

8、所述高分散早强粉末为磨细超细水泥、煅烧钙镁熟料、无机铝化合物与粉体分散剂的混合物，其中磨细超细水泥、煅烧钙镁熟料与无机铝化合物质量比为1：0.2～0.5：0.05～0.15，粉体分散剂占其余三种组分质量之和的0.5～1.5％；

9、所述液体复合防冻组分由防冻组分、醇铝、链烷醇胺及水组成，固含量为25～35％；所述液体复合防冻组分中防冻组分、醇铝与链烷醇胺质量比为1：0.2～0.5：0.1～0.5；

10、所述防冻组分选自硫氰酸钠、硫氰酸钾、亚硝酸钙、尿素中的任意一种，优选为硫氰酸钠或硫氰酸钾；所述醇铝选自乙醇铝、叔丁醇铝、异丙醇铝中的任意一种；所述链烷醇胺选自二乙醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺中的任意一种，优选为三乙醇胺；

11、所述低气压引气稳泡组分为引气剂与稳泡剂的混合物，其中引气剂与稳泡剂的质量之比为1:0.2～0.5。

12、本发明所述高海拔高寒地区用抗冻早强型喷射混凝土材料，首先通过设计液体复合防冻组分与适应性较好的引气稳泡组分来提升喷射混凝土的引气抗冻性能以及降低高寒低温环境中混凝土自由水冻结而产生的冻胀应力，其次掺入分散适应性较好的活性高分散早强粉末，以提高低温环境下的喷射混凝土凝结硬化速率以及提高无碱速凝剂与胶凝体系的速凝水化适应性，促进喷射混凝土的早期强度发展以控制围岩早期变形沉降位移情况。最后，配套开发适应于高寒区域的喷射混凝土材料应用方法，综合实现喷射混凝土在高海拔高寒区域下的施工效率及服役强度性能提升。

13、进一步地，本发明所述粗骨料为5-16mm粒径的连续级配碎石，压碎指标值小于5％，吸水率小于1％，松散堆积空隙率小于40％；所述细骨料为天然河砂，细度模数2.7-3.2，含泥量小于1％，云母含量小于0.5％。

14、进一步地，本发明所述水泥选自普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥中的任意一种；水泥强度等级不低于42.5，优选为42.5。

15、进一步地，本发明所述高分散早强粉末中磨细超细水泥的比表面积大于600m2/kg，水泥等级为52.5，最大粒径不大于0.045mm；所述煅烧钙镁熟料为煅烧氧化钙或煅烧氧化镁的一种，其中氧化镁或氧化钙质量分数大于92％，1.18mm方孔筛余小于0.5％；所述无机铝化合物选自氢氧化铝、硝酸铝、硫酸铝、草酸铝、磷酸二氢铝、非结晶铝酸钙中的任意一种；所述粉体分散剂为粉体聚羧酸减水剂，减水率大于30％，比表面积大于350m2/kg。

16、进一步地，本发明所述液体复合防冻组分的制备方法，包括以下步骤：

17、(1)将防冻组分与水混合，在45～60℃条件下搅拌溶解1.5h，得到澄清溶液；

18、(2)将醇铝颗粒缓慢加入至步骤(1)得到的溶液中，加料时间控制在1.0h，在55-65℃反应温度下待醇铝溶解完成后滴加链烷醇胺，滴加时间控制在20～30min，最终得到淡黄色澄清溶液，即为本发明所述液体复合防冻组分。

19、进一步地，本发明所述低气压引气稳泡组分中的引气剂为烷基聚醚硫酸盐，优先为十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸钠或脂肪酸醇聚氧乙烯醚硫酸钠；所述稳泡剂为烷基氧化胺或烷基甜菜碱，优选十二烷基二甲基氧化胺、十八烷基二甲基氧化胺、十二烷基二甲基甜菜碱中的任意一种。

20、进一步地，本发明所述液体无氟无碱速凝剂5℃净浆初凝时间小于5min，终凝时间小于12min，-18℃负温静置28d无结晶，ph值3-5之间，氟离子含量低于0.05％。

21、本发明的另一目的还在于提供一种上述抗冻早强型喷射混凝土的使用方法，其包括步骤如下：

22、(1)抗冻早强型喷射混凝土拌合物的制备：在强制式卧式搅拌机中依次加入粗骨料、细骨料、水泥、高分散早强粉末及水搅拌90s后，加入液体复合防冻组分与低气压引气稳泡组分，继续搅拌60s后获得抗冻早强型喷射混凝土拌合物；

23、(2)喷射混凝土施工前围岩面处理：采用0.6～1.0mpa风压及30～50℃高压水交替冲洗隧道受喷围岩面及松散碎石或黏土类物质，依次搭设格栅拱架、预应力涨壳式锚杆后，再次用30～50℃高压水冲洗拱架及岩面后保证受喷围岩面温度大于30℃；

24、(3)喷射混凝土的施工：将液体无氟无碱速凝剂加载至湿喷设备中的速凝剂管道中，喷射管道装置加装加热单元，使得液体速凝剂喷出温度大于30℃；加载步骤(1)所述抗冻早强型喷射混凝土拌合物，在喷嘴处与液体无氟无碱速凝剂混合后喷射至围岩面，在喷射距离0.8～1.5m，一次喷射厚度75～120mm的喷射参数控制下达到喷射设计厚度；

25、(4)喷射施工后的养护：待步骤(3)喷射完成后，采用双层土工布覆盖喷射混凝土后，洒水养护48h，水温不低于25℃。

26、本发明的有益技术效果为：

27、(1)通过合理的材料配置与应用方法，获得了一种适应于高海拔高寒地区的喷射混凝土材料。在材料配置方面，通过设计一种负温适应性良好的液体复合防冻组分来降低高寒环境中混凝土自由水冰点，缓解因水冻结而产生的冻胀应力，并通过掺入低气压适应性良好的引气稳泡组分来引入适当量、稳定的微小气泡改善高海拔区域喷射混凝土的抗冻性能；其次针对低温环境下喷射混凝土凝结硬化变慢、早期强度发展缓慢等性能需求，掺入高分散的早强活性粉末，明显提高喷射混凝土在低温环境下的凝结硬化速率，并改善无碱速凝剂与胶凝体系的速凝水化适应性；

28、(2)在施工方法方面，通过适当围岩加热处理及速凝剂管道保温等物理方式处理，促进喷射混凝土在施工环境下与速凝剂的良好作用以及与围岩的粘结效果，从而提高喷射施工效率及施工质量，应用方法的适应性良好且成本较低。

29、(3)本发明结合材料性能提升及配套应用方法改善，综合实现减少在低室外温度环境中，特别是在冬季或极寒地区隧道衬砌混凝土结构的施工周期；保护高性能喷射混凝土应对冻融破坏环境，延长高寒地域隧道衬砌结构整体寿命。所述抗冻早强型喷射混凝土抗冻性能在f300以上，冻融损伤质量小于1.0％，硬化混凝土气泡间距系数小于150mm，-5℃环境下6h强度大于6.0mpa，1d强度大于15.0mpa，28d钻芯试件强度大于40.0mpa，喷射回弹率小于10％。