本发明涉及一种隧道用耐高温混凝土管片材料及其制备方法，属于建筑材料制备领域。
背景技术：
隧道工程往往还要受到多种破坏因素的交互作用，既有来自内部空气环境的侵蚀，又有来自外部止壌环境的侵蚀，且由于地下水中含有很多侵蚀性介质，这就要求管片不仅具有较好的为学、防水性能，还要求具有较好的耐久性。当今我国对高速铁路隧道的耐髙温性能高度重视，防火灾导致管片力学性能劣化而直接影响到隧道使用的安全性。特别是当施王路段地下水位较髙、粘止层丰富，对隧道管片形成附压，使其有效承载力明显降低，则火灾时期隧道管片应为变化将更加复杂。
混凝土是地下交通工程建设使用量最大的建筑材料之一，其性能与地下交通工程的服役寿命和结构稳定性密切相关。虽然混凝土本身具有不燃烧与导热系数低的特点，但随着受火温度的增加，混凝土自身将发生物理与化学变化，最终导致原有性能的劣化，从而造成了混凝土的破坏，并最终影响到钢筋混凝土结构的稳定性与耐久性，对于交通隧道工程中的钢筋混凝土结构而言，混凝土高温性能劣化，不仅影响到隧道结构的完整性与稳定性，而且还关系到人员的救援与逃生，故混凝土的高温性能具有重要意义。混凝土在高温作用后承载能力的劣化主要是混凝土自身物理化学性质经受高温作用而发生了负面变化，导致水泥砂浆与骨料的体积变形、孔结构发生劣化，所以制备一种可以具有良好耐高温性能的混凝土管片材料很有必要。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题：针对现有隧道用混凝土在高温环境下高温作用而发生了负面变化，导致水泥砂浆与骨料的体积变形、孔结构发生劣化，降低管片材料力学性能的问题，提供了一种隧道用耐高温混凝土管片材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：
一种隧道用耐高温混凝土管片材料，由下列重量份物质组成：10～15份硅灰、5～10份粉煤灰、45～50份硅酸盐水泥、13～15份粒径4～5mm碎石、15～18份河砂、15～20份改性填充纤维、5～10份减水剂和40～45份水，所述的改性填充纤维具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、55～60份无水乙醇、30～35份正硅酸乙酯、3～5份甲基三甲氧基硅烷冰水浴处理并调节ph至3.0，搅拌混合得混合液，在45～65℃下，按质量比1:5，将乙醇溶液滴加至混合液中，静置得改性混合液，调节混合液ph为8.0后，搅拌混合，制备得涂覆凝胶液；
（2）按质量比1:10，将涂覆凝胶液均匀涂覆至玄武岩纤维表面，真空干燥得表面改性玄武岩纤维，将表面改性玄武岩纤维置于管式气氛炉中，通氮气排除空气后，预烧处理并升温裂解，自然冷却至室温得改性填充纤维。
所述的减水剂为聚羧酸减水剂2000hcja或聚羧酸减水剂325c中的一种。
步骤（1）所述的乙醇溶液滴加时间为10～15min。
步骤（2）所述的玄武岩纤维长度为20～25mm。
步骤（2）所述的预烧处理温度为120～130℃。
步骤（2）所述的升温裂解温度为1200～1300℃。
一种隧道用耐高温混凝土管片材料制备步骤为：按重量份数计，分别称量10～15份硅灰、5～10份粉煤灰、45～50份硅酸盐水泥、13～15份粒径4～5mm碎石、15～18份河砂、15～20份改性填充纤维、5～10份聚羧酸减水剂2000hcja和40～45份水置于搅拌机中，搅拌混合得浆料，浇注至模具中，干燥得坯料后养护，即可制备得一种隧道用耐高温混凝土管片材料。
所述的养护步骤为：在坯料表面包覆聚乙烯薄膜，以水蒸气养护并按10℃/h升温至55℃，恒温养护2～3h后，在按10℃/min降温至35℃，随后自然养护5～7天，即可制备得一种隧道用耐高温混凝土管片材料。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明以正硅酸乙酯和甲基三甲氧基硅烷为原料制备涂覆层，将其涂覆至玄武岩纤维表面后，再经高温裂解，使其内部形成贯通的孔洞结构，由于孔洞越多，孔洞间就越连通，这样对于碳热还原反应过程中所产生气体的排出越有利，可以有效地促进si-o-c涂覆层材料中碳热还原反应的快速进行，提高材料内部间高温稳定性能，降低材料内部孔隙结构劣化程度。
（2）本发明通过玄武岩纤维作为桥接纤维对材料内部进行改性，由于玄武岩纤维钢纤维能通过界面粘结横贯裂缝传递应力，使混凝土管片能承受更大的荷载，有效改善混凝土力学性能，减少混凝土中原有微裂纹的产生，从而在高温作用下，在管片材料中作为温稳定的骨料结构进行填充，提高材料高温下力学强度和耐高温稳定性能。
具体实施方式
按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、55～60份无水乙醇、30～35份正硅酸乙酯、3～5份甲基三甲氧基硅烷置于烧杯中，在0～5℃下冰水浴处理并用冰醋酸调节ph至3.0，搅拌混合25～30min后，得混合液，再在45～65℃下，按质量比1:5，将质量分数50％乙醇溶液滴加至混合液中，控制滴加时间为10～15min，待滴加完成后，静置1～2h得改性混合液，将质量分数8％氨水溶液滴加至改性混合液中，待滴加至ph为8.0后，搅拌混合并静置10～15min，制备得涂覆凝胶液；取长度为20～25mm玄武岩纤维，按质量比1:10，将涂覆凝胶液均匀涂覆至玄武岩纤维表面，控制涂覆厚度为0.1～0.2mm，待涂覆完成后，再在45～50℃下真空干燥，收集得表面改性玄武岩纤维，将表面改性玄武岩纤维置于管式气氛炉中，通氮气排除空气后，控制氮气通入速率为2～3ml/min，再在120～130℃下预烧20～30min，随后按10℃/min升温至1200～1300℃，保温裂解3～5h后，自然冷却至室温，制备得改性填充纤维；按重量份数计，分别称量10～15份硅灰、5～10份粉煤灰、45～50份硅酸盐水泥、13～15份粒径4～5mm碎石、15～18份河砂、15～20份改性填充纤维、5～10份聚羧酸减水剂2000hcja和40～45份水置于搅拌机中，在50～60r/min下搅拌混合，得浆料并浇注至模具中，随后自然干燥得坯料，在坯料表面包覆聚乙烯薄膜，以水蒸气养护并按10℃/h升温至55℃，恒温养护2～3h后，在按10℃/min降温至35℃，随后自然养护5～7天，即可制备得一种隧道用耐高温混凝土管片材料。
实例1
按重量份数计，分别称量45份去离子水、55份无水乙醇、30份正硅酸乙酯、3份甲基三甲氧基硅烷置于烧杯中，在0℃下冰水浴处理并用冰醋酸调节ph至3.0，搅拌混合25min后，得混合液，再在45℃下，按质量比1:5，将质量分数50％乙醇溶液滴加至混合液中，控制滴加时间为10min，待滴加完成后，静置1h得改性混合液，将质量分数8％氨水溶液滴加至改性混合液中，待滴加至ph为8.0后，搅拌混合并静置10min，制备得涂覆凝胶液；取长度为20mm玄武岩纤维，按质量比1:10，将涂覆凝胶液均匀涂覆至玄武岩纤维表面，控制涂覆厚度为0.1mm，待涂覆完成后，再在45℃下真空干燥，收集得表面改性玄武岩纤维，将表面改性玄武岩纤维置于管式气氛炉中，通氮气排除空气后，控制氮气通入速率为2ml/min，再在120℃下预烧20min，随后按10℃/min升温至1200℃，保温裂解3h后，自然冷却至室温，制备得改性填充纤维；按重量份数计，分别称量10份硅灰、5份粉煤灰、45份硅酸盐水泥、13份粒径4mm碎石、15份河砂、15份改性填充纤维、5份聚羧酸减水剂2000hcja和40份水置于搅拌机中，在50r/min下搅拌混合，得浆料并浇注至模具中，随后自然干燥得坯料，在坯料表面包覆聚乙烯薄膜，以水蒸气养护并按10℃/h升温至55℃，恒温养护2h后，在按10℃/min降温至35℃，随后自然养护5天，即可制备得一种隧道用耐高温混凝土管片材料。
实例2
按重量份数计，分别称量47份去离子水、57份无水乙醇、32份正硅酸乙酯、4份甲基三甲氧基硅烷置于烧杯中，在3℃下冰水浴处理并用冰醋酸调节ph至3.0，搅拌混合27min后，得混合液，再在55℃下，按质量比1:5，将质量分数50％乙醇溶液滴加至混合液中，控制滴加时间为13min，待滴加完成后，静置2h得改性混合液，将质量分数8％氨水溶液滴加至改性混合液中，待滴加至ph为8.0后，搅拌混合并静置13min，制备得涂覆凝胶液；取长度为23mm玄武岩纤维，按质量比1:10，将涂覆凝胶液均匀涂覆至玄武岩纤维表面，控制涂覆厚度为0.1mm，待涂覆完成后，再在42℃下真空干燥，收集得表面改性玄武岩纤维，将表面改性玄武岩纤维置于管式气氛炉中，通氮气排除空气后，控制氮气通入速率为3ml/min，再在125℃下预烧25min，随后按10℃/min升温至1250℃，保温裂解4h后，自然冷却至室温，制备得改性填充纤维；按重量份数计，分别称量12份硅灰、8份粉煤灰、47份硅酸盐水泥、14份粒径4mm碎石、17份河砂、17份改性填充纤维、8份聚羧酸减水剂2000hcja和47份水置于搅拌机中，在55r/min下搅拌混合，得浆料并浇注至模具中，随后自然干燥得坯料，在坯料表面包覆聚乙烯薄膜，以水蒸气养护并按10℃/h升温至55℃，恒温养护2h后，在按10℃/min降温至35℃，随后自然养护6天，即可制备得一种隧道用耐高温混凝土管片材料。
实例3
按重量份数计，分别称量50份去离子水、60份无水乙醇、35份正硅酸乙酯、5份甲基三甲氧基硅烷置于烧杯中，在5℃下冰水浴处理并用冰醋酸调节ph至3.0，搅拌混合30min后，得混合液，再在65℃下，按质量比1:5，将质量分数50％乙醇溶液滴加至混合液中，控制滴加时间为15min，待滴加完成后，静置2h得改性混合液，将质量分数8％氨水溶液滴加至改性混合液中，待滴加至ph为8.0后，搅拌混合并静置15min，制备得涂覆凝胶液；取长度为25mm玄武岩纤维，按质量比1:10，将涂覆凝胶液均匀涂覆至玄武岩纤维表面，控制涂覆厚度为0.2mm，待涂覆完成后，再在50℃下真空干燥，收集得表面改性玄武岩纤维，将表面改性玄武岩纤维置于管式气氛炉中，通氮气排除空气后，控制氮气通入速率为3ml/min，再在130℃下预烧30min，随后按10℃/min升温至1300℃，保温裂解5h后，自然冷却至室温，制备得改性填充纤维；按重量份数计，分别称量15份硅灰、10份粉煤灰、50份硅酸盐水泥、15份粒径5mm碎石、18份河砂、20份改性填充纤维、10份聚羧酸减水剂2000hcja和45份水置于搅拌机中，在60r/min下搅拌混合，得浆料并浇注至模具中，随后自然干燥得坯料，在坯料表面包覆聚乙烯薄膜，以水蒸气养护并按10℃/h升温至55℃，恒温养护3h后，在按10℃/min降温至35℃，随后自然养护7天，即可制备得一种隧道用耐高温混凝土管片材料。
将不添加改性填充纤维的混凝土材料作为空白对照组，同时将空白对照组和实例1，2，3中材料浇注至长宽高为100mm×100mm×100mm的模具中，养护完成并进行对比试验，将试件分别置于管片力学性能加荷试验机上，进行加载实验，采用预加载三次，先加载到80kn，持荷5分钟。加载速率为10kn/min。（试
验机的液压装置的限制使试验机的初始荷载不为零，约80kn左右。）
试验对比如下表1：
表1：混凝土材料耐高温性能对照表
由上表可知，本发明制备的管片材料具有优异的耐高温性能和良好的力学性能。