一种预制衬砌管片用混凝土及其制备方法与流程

本技术涉及建筑材料，更具体地说，它涉及一种预制衬砌管片用混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、随着城市交通的日益拥堵，建设地铁已成为缓解城市交通压力的主要途径。目前，我国各主要城市基本都建设有地铁，而且我国的地铁建设已步入快速发展阶段。混凝土预制衬砌管片作为隧道支撑体系和隧道结构的重要部分，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用，其质量直接关系到隧道的整体质量和安全。

2、在工程实践中，混凝土衬砌管片的缺陷也逐渐凸显，主要包括：1、容易破损和产生裂缝，使得混凝土衬砌管片的整体性被破坏，发生渗漏和腐蚀现象，对隧道结构的安全性和耐久性产生不利影响；2、抗火性能差，传统的钢筋混凝土管片均没有考虑过火灾因素，而一旦发生火灾，混凝土管片容易产生爆裂，使内部钢筋裸露，从而使局部甚至整体结构发生破坏。

3、目前为了提高混凝土衬砌管片的抗裂性能，通常采用的方法是提高混凝土的强度等级，但这种方法只是单纯的提高了混凝土的强度，而且会使混凝土的脆性增大，反而会影响混凝土的抗裂性，使混凝土经受高温时易出现爆裂。

4、针对上述中的相关技术，亟待提供一种高强抗裂，且防火抗爆裂的混凝土衬砌管片。

技术实现思路

1、为了提高衬砌管片的抗裂和防火能力，本技术提供一种预制衬砌管片用混凝土及其制备方法。

2、第一方面，本技术提供一种预制衬砌管片用混凝土，采用如下的技术方案：

3、一种预制衬砌管片用混凝土，包括以下重量份的原料：380-400份水泥、720-750份砂子、1135-1200石子、130-150份水、50-60份粉煤灰、5.16-5.5份外加剂、90-100份改性多晶莫来石纤维、45-50份多孔填料；

4、所述改性多晶莫来石纤维包括多晶莫来石纤维和其表面负载的氧化铝纳米线气凝胶，多晶莫来石纤维和氧化铝纳米线气凝胶的质量比为1:0.2-0.4。

5、通过采用上述技术方案，多孔填料由于其内部具有空隙，能改变混凝土的孔隙结构和分布，这些孔隙能在一定程度上减少内部的应力集中，有助于提高混凝土的抗裂性，而改性多晶莫来石纤维能在一定程度上避免因多孔填料的使用对混凝土抗拉强度产生不利影响，而且多孔填料中的大量孔隙可以降低混凝土的导热系数，从而提高混凝土的隔热效果，降低混凝土受热爆裂的可能性。

6、改性多晶莫来石纤维中含有氧化铝纳米线气凝胶，纳米线气凝胶是一种由一维纳米材料构建的三维结构气凝胶，具有低导热率、高比表面积和高热稳定性的优点，而且氧化铝纳米线气凝胶具有很强的纳米活性，对水泥水化有一定的促进作用，因此能改善混凝土的抗压强度，而且多晶莫来石纤维的导热系数在常温下仅为0.12w/(m·k)，导热系数低，具有较好的隔热效果，能减缓混凝土在高温时发生爆裂，多晶莫来石纤维在高温环境下，若部分纤维分解，则留下的孔隙有利于水蒸气的散发，减少混凝土爆裂的可能性，另外一部分纤维则继续留在混凝土中提高混凝土的抗裂性能，因此改性多晶莫来石纤维能在混凝土内相互搭接，形成网状结构，改善混凝土的抗拉伸强度，降低脆性，改善混凝土的受热膨胀，提高防火耐高温能力。

7、可选的，所述改性多晶莫来石纤维的制法如下：

8、将氧化铝纳米线气凝胶加入到其质量1-1.5倍的苯基硅树脂中，混匀后喷涂在多晶莫来石纤维表面，干燥。

9、通过采用上述技术方案，苯基硅树脂因为含有独特的苯基硅氧链节化学结构，在力学性能、热弹性、粘结性等方面具有较好的作用，因此利用苯基硅树脂的粘附性，将氧化铝纳米线气凝胶粘附在多晶莫来石纤维表面，从而进一步改善多晶莫来石纤维的抗拉伸效果，另外苯基硅树脂在混凝土温度过高时即在达到350-450℃时，能形成大量的si-c键，结合o元素形成二氧化硅层，阻隔热量，降低混凝土的受热膨胀。

10、可选的，所述氧化铝纳米线气凝胶的制法：

11、利用氧化铝、冰乙酸和去离子水合成氧化铝纳米线湿凝胶；

12、将氧化铝纳米线湿凝胶老化，然后置于含有硅溶胶、pan纳米纤维和乙醇的混合液中，静置22-24h后用无水乙醇进行溶剂置换，超临界二氧化碳干燥，在氮气氛围下，在300-350℃下热处理6-8h。

13、通过采用上述技术方案，采用冰乙酸使氧化铝水解，催化效果更好且更加安全，获得氧化铝纳米线湿凝胶，经过老化后使其溶剂部分蒸发，湿凝胶略微收缩，便于将其与硅溶胶、pan纳米纤维和乙醇的混合溶液充分接触，然后进行溶剂置换、超临界干燥、热处理，从而获得表面光滑整洁、形态均一、强度高的氧化铝纳米线气凝胶。

14、经热处理后，氧化铝纳米线气凝胶中残存的部分溶剂和杂质随着温度的升高而蒸发，离开了氧化铝纳米线气凝胶的孔洞，使氧化铝纳米线气凝胶整体的比表面积增大，有利于混凝土受热时水蒸气在孔洞内扩散，降低混凝土受热膨胀爆裂的几率；而且在溶剂置换前将氧化铝纳米线湿凝胶加入到含有硅溶胶、pan纳米纤维和乙醇的混合液中，硅溶胶可以完全渗入到氧化铝纳米线湿凝胶内部，并均匀附着在氧化铝纳米线上经高温热处理后，硅溶胶表面的硅氧醇基发生脱水缩合反应，在高温作用下断键，并与氧化铝纳米线结合，在界面处与氧化铝纳米线强耦合，形成独特的化学键，从而紧密包裹的氧化铝纳米线周围，这种化学键合作用可以增强氧化铝纳米线之间的界面作用，将相邻的氧化铝纳米线进行粘结，而且硅溶胶的粘结作用也能将相邻的pan纳米纤维、相邻的pan纳米纤维和氧化铝纳米线进行粘结，增强界面粘结强度，使得氧化铝纳米线气凝胶的三维网络结构在负载下具有弹性和更高的机械强度，抗荷载能力强，抗裂强度高，因此利用硅溶胶交联氧化铝纳米线、pan纳米纤维之间的粘结作用，克服了氧化铝纳米线之间的范德华力脆性，使其具有良好的抵抗环境破坏的能力，氧化铝纳米线气凝胶拉伸力增强，而且氧化铝纳米线气凝胶内部的纳米线网络结构交织，使其具有杰出的压缩强度，可以更大限度的抵抗外力的破坏，同时硅溶胶对纳米线的粘结作用，使纳米线结构反抗应变的能力强度，抗裂能力增大，而且氧化铝纳米线气凝胶中由于内部交联密度较大，抵抗外界能力较强，具有较好的热稳定性，另外氧化铝纳米线气凝胶在混凝土中起到隔热作用，能降低热传导，减少混凝土衬砌管片的受热温度，在受热时不易产生膨胀爆裂。

15、pan纳米纤维在硅溶胶的粘结作用下，分散并黏附在氧化铝纳米线上，并相互搭接，形成网状结构，进一步改善了氧化铝纳米线的抗拉、抗裂性，而且pan纳米纤维在高温热处理时发生环化反应，pan线性结构逐渐转变为梯形聚合结构，从而使pan纳米纤维独特的不可熔性和耐热性，硅溶胶的粘结包覆作用，也能提高pan纳米纤维的热稳定性，pan本身为聚合物，提高自身的热稳定性可以避免掺入气凝胶时引入新的燃烧源。

16、可选的，所述氧化铝纳米线湿凝胶、硅溶胶和pan纳米纤维的质量比为10:1-2:1-2。

17、通过采用上述技术方案，以上用量比的湿凝胶、硅溶胶和pan纳米纤维，能获得高强度、抗拉伸、热稳定性强度的氧化铝纳米线气凝胶。

18、可选的，所述多孔填料为包含质量比为1:0.05-0.1的聚丙烯和粉煤灰的复合发泡材料。

19、通过采用上述技术方案，将聚丙烯和粉煤灰作为复合发泡材料的原料，利用粉煤灰作为聚丙烯分子链的骨架，使复合发泡材料的弹性和刚性增加，而且粉煤灰能充当成核剂，使聚丙烯的发泡效果增加，复合发泡材料具有较好的熔体弹性、缺口冲击强度增大，分散于混凝土中，能改善混凝土的抗裂性，在受热时，能缓解混凝土的受热膨胀，减少高温裂缝的产生，提高混凝土的耐久性。

20、可选的，所述复合发泡材料的制法如下：

21、将聚丙烯和硅烷改性的粉煤灰混合，熔融纺丝，获得共混纤维；

22、将共混纤维和tpv弹性体混合，然后在145-160℃下热压10-15min，再进行超临界二氧化碳发泡，获得复合发泡材料，tpv弹性体和聚丙烯的质量比为0.1-0.15:1。

23、通过采用上述技术方案，经硅烷改性的粉煤灰与聚丙烯之间的相容性得到改善，能与聚丙烯紧密的结合，经共混纺丝后获得共混纤维，然后将共混纤维与tpv弹性体混合后热压、超临界发泡，使复合材料具有优异的回弹性和耐磨性，而且tpv弹性体的加入也进一步改善了发泡时泡孔的均匀性，减少了复合发泡材料的热传导，阻止热量的混凝土内部的传导，降低混凝土在经受高温时的脆性，使材料内部的温度梯度更加平缓，减少高温下的应力集中和开裂风险，而且超临界发泡产生的微孔结构还可以增加材料的表面积和相对柔韧性，提高了混凝土的抗冲击性，达到了增韧的效果，并有效阻止裂缝的扩展，改善断裂韧性。

24、可选的，所述超临界二氧化碳发泡温度为155-165℃，压力为20-28mpa，发泡时间为10-20min。

25、通过采用上述技术方案，以上超临界发泡参数，能使复合发泡材料中的微孔较为持续且均一。

26、可选的，所述石子包括质量比为2.3:9.05-9.7的石子a和石子b，石子a为粒径为5-10mm的级配碎石，石子b的粒径为10-20mm。

27、通过采用上述技术方案，采用两种不同粒径的石子，级配合理，与粉煤灰、水泥等相互填充，改善混凝土的抗压强度。

28、可选的，所述粉煤灰为f类i级粉煤灰，所述外加剂为引气型减水剂。

29、通过采用上述技术方案，i级粉煤灰的细度小，能填充于各原料颗粒之间，提高混凝土的密实度，减少混凝土的泌水和离析，提高流动性和填充性。

30、引气型减水剂能显著降低拌合用水的表面张力，改善混凝土的和易性，通过引入微小气泡，减少混凝土的泌水和离析现象，提高混凝土的均匀性和稳定性，改善抗渗和抗冻性，增强混凝土耐久性，延长使用寿命。

31、第二方面，本技术提供一种预制衬砌管片用混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

32、一种预制衬砌管片用混凝土的制备方法，包括以下步骤：

33、将外加剂加入到其质量20倍的水中，通入压缩空气，获得泡沫液；

34、将水泥、砂子、石子、粉煤灰、改性多晶莫来石纤维、多孔填料和余量的水混合，制得共混料；

35、将所述泡沫液加入到共混料中，搅拌均匀，制得预制衬砌管片用混凝土。

36、通过采用上述技术方案，将外加剂用水溶解，利用压缩空气使其发泡，将泡沫液再加入到共混料中，泡沫液能充分与各原料混合，利用其滚珠作用，改善混凝土浆液的和易性和流动性。

37、综上所述，本技术具有以下有益效果：

38、1、由于本技术采用在混凝土原料内使用改性多晶莫来石纤维和多孔填料，而且改性多晶莫来石纤维由莫来石纤维负载氧化铝纳米线气凝胶制成，多晶莫来石纤维具有很高的耐温性和力学性能，而且导热系数低，具有较好的缓解混凝土受热情况的效果，降低受热开裂，还能增强混凝土的抗压强度，而氧化铝纳米线气凝胶具有高比表面积和高热稳定性、低热导率，能改善混凝土的抗压强度，提高其耐热效果，降低受热爆裂的可能性。

39、2、本技术中优选在制备氧化铝纳米线气凝胶时添加硅溶胶、pan纳米纤维，能改善氧化铝纳米线之间的界面作用，增强机械强度和抗荷载能力，同时增加其隔热效果，降低热传导，增强混凝土的耐火效果。

40、3、本技术中优选采用聚丙烯、粉煤灰和tpv弹性体制备复合发泡材料，粉煤灰能增大聚丙烯的结晶度，改善其抗冲击强度，tpv弹性体则能改善共混纤维的力学强度，从而改善混凝土的抗折性能，另外还可以改善复合发泡材料的泡孔均匀性，改善混凝土的耐高温抗裂能力。