所属技术领域
本发明技术属于混凝土领域,具体涉及一种隧道高地温干热环境专用喷射混凝土材料。
背景技术：
“多、长、大、深”，即数量多、长度大、大断面、大埋深已经成为我国隧道工程发展的趋势。深埋长大隧道在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交通工程运行质量等方面具有不可替代的作用。随着设计理论和施工技术的进步，铁路、公路、水电、跨流域调水及矿产资源等领域将会修建更多的深埋长大隧道，伴随而来的高地温问题也日益突出。隧道高地温主要以两种形式出现，一种是干热，即在地质构造较好的地方，地质层内部热量通过岩石传到隧道表面。另一种是湿热，即在断裂破碎、断裂转折复合及岩石破碎地段，裂隙发育程度高，地下热水富集形成温泉。其中，干热环境主要源于火山辐射地热(地下热水通过岩石辐射热)、放射性元素裂变辐射热、地球地幔对流热，对隧道工程造成危害的主要是前两者。
实际工程调研表明，在高地温隧道中，干热环境普遍存在。在干热环境下，喷射混凝土快速升温与失水，导致水泥基材料微细观结构劣化，这种劣化与混凝土物化收缩及界面非均匀温度效应共同作用，使得喷射混凝土粘结力损伤机理更加复杂。高地温环境对喷射混凝土性能的影响是从喷射混凝土喷到岩面，即开始影响胶凝材料的水化性能及强度的发展，从而影响到喷射混凝土的粘结强度及回弹量。普通喷射混凝土主要由水泥、普通砂石及速凝剂组成，在高地温干热环境中，普通喷射混凝土回弹量显著增大，粘结力损失严重，甚至脱粘开裂，对围岩的支护作用失效，成为影响高地温喷射混凝土性能的关键要素，至今还未有有效的解决方案。
技术实现要素：
鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是，提供一种性能更为良好，适合隧道高地温干热环境应用的喷射混凝土。
本发明的目的是通过如下的手段实现的。
隧道高地温干热环境专用喷射混凝土材料，混凝土按每立方米计胶凝材料总量为400～420kg，胶凝材料按重量百分比分别含普通硅酸盐水泥83％～89％，硫铝酸盐水泥10％～15％，纳米二氧化硅1％～2％；钢纤维按照体积比0.4％～0.6％掺加；减缩剂按照胶凝材料重量的5％加入；速凝剂按胶凝材料重量的3～5％加入；减水剂掺量按胶凝材料重量的0.8％～1.5％加入；胶骨比1:4.0～1:4.5；水胶比不大于0.50。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种隧道高地温干热环境专用喷射混凝土材料，因钢纤维具有导热快，掺加钢纤维后，混凝土在高地温环境下更快地达到内部温度的均匀一致，从而减少温度梯度产生的内部应力，减少内部损伤，同时，借助端钩型钢纤维界面上的粘着力、摩阻力、机械咬合力，阻止或阻滞原有裂缝的开展，可以显著改善界面性能，提高粘结强度。掺加纳米氧化硅，由于其具有极高的表面积，因而具备强烈的微集料效应和火山灰效应，并且还有成核效应，从而可以促进喷射混凝土在高地温环境失水过快的严峻情况下，迅速水化和凝结，提高早龄期强度，减少回弹。掺加一定量硫铝酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥，可以调整凝结时间，提高早龄期强度，同时硫铝酸盐水泥具有微膨胀性，可以减小干热环境下混凝土收缩，进一步降低回弹率，适量掺加能够在优化配合比的同时也兼顾平衡经济性。掺加减缩剂，可以减少高地温干热环境下喷射混凝土过快失水导致的干缩变形，限制开裂，增强稳定性，提高喷射混凝土-岩石界面粘结性能。
具体实施方式
下面结合具体实施对本发明作进一步描述。
本发明的一种高地温隧道干热环境专用喷射混凝土材料，混凝土按每立方米计胶凝材料总量为400～420kg；胶凝材料按重量百分比含普通硅酸盐水泥83％～89％，硫铝酸盐水泥10％～15％，纳米二氧化硅1％～2％；钢纤维按照体积比0.4％～0.6％掺加；减缩剂按照胶凝材料重量的5％加入；混凝土配制时速凝剂按胶凝材料重量的3～5％加入；减水剂掺量按胶凝材料重量的0.8％～1.5％加入；胶骨比1:4.0～1:4.5；水胶比不大于0.50。
在本发明实施例中，硫铝酸盐水泥为42.5强度等级。纳米二氧化硅中纳米二氧化硅含量≥98.5％，比表面积≥450m2/g。钢纤维为端钩型，抗拉强度≥1100mpa，直径0.7～0.8mm，长度30～35mm。减缩剂为无机减缩剂，收率比≤90％，抗压强度比≥105％。减水剂为高性能减水剂，减水率≥28％。
在本发明实施例中，通过电热鼓风恒温干燥箱模拟隧道高地温干燥环境，并进行不同温度环境设置。将湿喷成型的喷射混凝土大板及喷射混凝土-岩石大板置于干热环境养护到规定龄期，开展喷射混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、喷射混凝土-围岩粘结强度及回弹率测定试验，并对比分析基准配合比工况和本发明试验结果，试验结果表明：在端钩型钢纤维、硫铝酸盐水泥、纳米氧化硅及减缩剂协同配合作用下，能够极好的应对高地温隧道干热环境混凝土失水过快、水化不充分、干缩大、温度不均匀效应等严酷问题。本发明专用喷射混凝土应用于高地温隧道干热环境，与相同强度等级普通喷射混凝土相比，抗压强度可提高约30％，抗拉强度提高约20％，粘结强度提高到2～4倍，回弹率减小到1/3～1/2。
下述实施中原材料使用情况如下：四川亚东水泥有限公司p.o42.5r普通硅酸盐水泥；四川嘉华企业(集团)股份有限公司42.5等级硫铝酸盐水泥；浙江弘晟材料科技股份有限公司纳米氧化硅，纳米二氧化硅含量≥98.5％，比表面积≥450m2/g；四川巨星新型材料有限公司jx-e3液体速凝剂，总碱量3.5％，初凝时间2min30s，终凝时间7min50s，1d抗压强度8.0mpa，28d抗压强度比87％；四川巨星新型材料有限公司jx-gbnhy2高性能聚羧酸减水剂，减水率28％；唐山北极熊建材有限公司cqjsj-b无机减缩剂，收缩率比90％；泰安铭颖复合材料有限公司端钩型钢纤维，长度30mm，直径0.75mm,抗拉强度大于1100mpa，密度为7850kg/m3。广汉河砂，级配ⅱ区，细度模数2.77，表观密度为2632kg/m3，堆积密度为1630kg/m3，含泥量为1.6％；广汉碎石，5～10mm连续粒级。
实施例1：100℃高地温干热环境
每立方米混凝土主要原材料应用情况及主要比例参数：
(1)胶凝材料总量420kg(83％普通硅酸盐水泥、15％硫铝酸盐水泥、2％纳米氧化硅)；
(2)石子775kg；
(3)钢纤维45kg；
(4)减缩剂掺量5％；
(5)减水剂jx-gbnhy2高性能聚羧酸掺量1.2％；
(6)速凝剂jx-e3液体掺量5％；
(7)胶骨比1:4.1；砂率0.55；水胶比0.45。
具体配合比如下表1(单位：kg)。
表1本实施例1每立方米混凝土主要原材料应用情况
技术指标测试包括：坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度、粘结强度及回弹率。本实施例1的混凝土测试结果与基准工况对比结果见下表2，其中，基准工况是指：相同水胶比，相同砂率，胶凝材料仅为普通硅酸盐水泥，且不掺加钢纤维及减缩剂，减水剂掺量根据本发明坍落度测试结果控制。坍落度测试结果为145mm。
表2本实施例1的混凝土测试结果与基准工况对比结果
实施例2：80℃高地温干热环境
每立方米混凝土主要原材料应用情况及主要比例参数：
(1)胶凝材料总量400kg(88％普通硅酸盐水泥、11％硫铝酸盐水泥、1％纳米氧化硅)；
(2)石子758kg；
(3)钢纤维40kg；
(4)减缩剂掺量5％；
(5)减水剂jx-gbnhy2高性能聚羧酸掺量1.2％；
(6)速凝剂jx-e3液体掺量5％；
(7)胶骨比1:4.3；砂率0.56；水胶比0.47。
具体配合比如下表2(单位：kg)。
表3本实施例2每立方米混凝土主要原材料应用情况
技术指标测试包括：坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度、粘结强度及回弹率。本实施例2的混凝土测试结果与基准工况对比结果见下表4，其中，基准工况是指：相同水胶比，相同砂率，胶凝材料仅为普通硅酸盐水泥，且不掺加钢纤维及减缩剂，减水剂掺量根据本发明坍落度测试结果控制。坍落度测试结果为140mm。
表4本实施例2的混凝土测试结果与基准工况对比结果
实施例3：60℃高地温干热环境
(1)胶凝材料总量400kg(89％普通硅酸盐水泥、10％硫铝酸盐水泥、1％纳米氧化硅)；
(2)石子758kg；
(3)钢纤维39kg；
(4)减缩剂掺量5％；
(5)减水剂jx-gbnhy2高性能聚羧酸掺量1.1％；
(6)速凝剂jx-e3液体掺量5％；
(7)胶骨比1:4.3；砂率0.56；水胶比0.48。
具体配合比如下表(单位：kg)
表5本实施例3每立方米混凝土主要原材料应用情况
技术指标测试包括：坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度、粘结强度及回弹率。本实施例3的混凝土测试结果与基准工况对比结果见下表6，其中，基准工况是指：相同水胶比，相同砂率，胶凝材料仅为普通硅酸盐水泥，且不掺加钢纤维及减缩剂，减水剂掺量根据本发明坍落度测试结果控制。坍落度测试结果为145mm。
表6本实施例3的混凝土测试结果与基准工况对比结果
采用本发明的基本方案，物料配比在前述发明内容的变化范围内，都有发明目的所追求的良好效果。
本发明的喷射混凝土，其抗压强度、抗拉强度、粘结强度及回弹率均能达到40～105℃高地温干热环境喷射混凝土的设计指标要求，为采用硫铝酸盐水泥、钢纤维、纳米氧化硅、减缩剂配制高地温隧道干热环境工程现场使用的喷射混凝土提供了有效的技术途径。