一种自防火的地下结构加固用超高性能混凝土及应用的制作方法

本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种自防火的地下结构加固用超高性能混凝土及应用。

背景技术：

目前，常用的地上结构加固方法主要有增大截面法、改变受力体系法、体外预应力法、外包钢法、外部粘钢法、置换混凝土法、喷射混凝土法、化学灌浆法和纤维增强复合材料(fiberreinforcedpolymer，简称frp)加固法等。

对比地上结构，地下结构由于其复杂的服役环境(封闭性、非对称性，地下水环境特点等)，给既有加固方法提出更高要求。以隧道结构为例，目前主要有内贴frp或碳纤维布加固法、内张钢圈加固法、型钢加固法、纤维布和钢环联合加固法以及纤维编织网增强混凝土加固法等。这些方法已在地下结构加固中发挥重要作用。但是，上述加固方法更多是单一的力学性能加固，尚未考虑加固材料或者加固界面在火灾下(地下结构封闭特点导致温度升高更快)的退化影响。

超高性能混凝土(ultrahighperformanceconcrete，简称uhpc)这个名称是de.larrand与sedran在1994年首次提出的，后被大众接受并沿用至今天。超高性能混凝土(uhpc)由于其良好的力学、工作和耐久性能等，已成为一种理想的结构材料。与传统的混凝土相比，超高性能混凝土具有极佳的抗渗性、抗碳化能力，能在高腐蚀恶劣环境下保持良好的性能，不仅如此超高性能混凝土还具有轻质、高强、良好的韧性等特点。近年来已有学者将其用于桥梁结构的加固，国内将uhpc首次应用于实际工程的是位于北京五环路斜拉桥隔离带，采用的是无配筋的rpc空心预制板。由于uhpc的28天抗压强度可达150mpa以上，可媲美铸铁，其与钢筋的充分锚固长度可以缩短至4倍的钢筋直径，保证与植筋钢筋的充分锚固，从而与桥墩受损区形成一个整体，同时其优异的耐久性可保证修补部分与桥墩同寿命，因此在2016年上海市中环事故桥墩抢修中uhpc也发挥了重要的作用。此外，我国青藏铁路多年冻土区桥梁上也应用了活性粉末混凝土材料。

目前uhpc已经较为成功地应用在了桥梁结构加固领域，但很少有关uhpc加固地下结构的报告，更未见有自防火uhpc用于地下结构加固的报告。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种自防火的地下结构加固用超高性能混凝土及应用，为推动地下结构主动防火和力学加固一体化发展提供支撑。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种自防火的地下结构加固用超高性能混凝土，所述超高性能混凝土包括胶凝材料、石英砂、外加剂、增强增韧纤维、自防火有机纤维和水，所述胶凝材料的重量份含量为700-1500份，所述石英砂的重量份含量为800-1000份，所述外加剂的重量份含量为胶凝材料重量份含量的0.1-1％，所述增强增韧纤维的重量份含量为80-160份，所述自防火有机纤维的重量份含量为10-20份，所述水的重量份含量为胶凝材料重量份含量的17-20％。

优选地，所述超高性能混凝土还包括早强组分，所述早强组分的重量份含量为胶凝材料重量份含量的0-2％，但不为0。

优选地，所述胶凝材料包括水泥和矿物掺合料，所述水泥的重量份含量为700-1100份，所述矿物掺合料的重量份含量为0-400份，但不为0。

优选地，所述水泥为硅酸盐水泥，尤其是水泥标号为52.5的硅酸盐水泥；所述矿物掺合料选自硅灰、矿粉或石英粉中的一种或多种。

优选地，所述石英砂选自细石英砂或粗石英砂中的一种或多种，所述细石英砂的目数为70-100目，所述粗石英砂的目数为30-70目。

优选地，所述早强组分选自亚硝酸盐、铬酸盐、三乙醇胺、甲酸钙或尿素中的一种或多种，该早强组分能够提高水泥水化速度，加速水化产物早期结晶和沉淀，从而促进超高性能混凝土的早期强度发展。

优选地，所述外加剂选自聚羧酸系高效减水剂、萘系高效减水剂、三聚氰胺系高效减水剂或氨基磺酸盐高效减水剂中的一种或多种；所述增强增韧纤维选自钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维或陶瓷纤维中的一种或多种；

所述自防火有机纤维包括有机纤维和防火介质，所述有机纤维选自聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯睛纤维、聚酞胺纤维、芳纶纤维、奥纶纤维、聚醋纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维或聚酞亚胺纤维中的一种或多种，当内部温度超过有机纤维的熔点(通常为数百摄氏度)时，纤维会熔化从而形成孔道；所述防火介质包括高温触发阻燃材料和相变储能材料，所述高温触发阻燃材料选自脱水成炭催化剂、发泡剂或成炭剂中的一种或多种，所述相变储能材料选自六水氯化钙、聚乙二醇或石蜡中的一种或多种。所述脱水成炭催化剂、发泡剂或成炭剂的具体组成可详见于相关文章的报道。

一种自防火的地下结构加固用超高性能混凝土在地下结构的自防火中的应用，将所述超高性能混凝土浇筑于地下结构的下方。

优选地，所述超高性能混凝土的浇筑方法具体包括以下步骤：

(a)确定地下结构的待加固部位，对该待加固部位进行前期处理，在待加固部位的下方设置模板，模板与待加固部位之间形成可浇筑超高性能混凝土的腔室，并在模板上设置多个预留孔，该预留孔设置于模板的侧面上侧，优选为在模板和待加固部位的连接处，在现场分析确定待加固部位，对待加固部位做表面处理，如凿毛等；

(b)按配比称量所述超高性能混凝土的各组分，先将水和外加剂混合均匀，后加入胶凝材料进行第一次搅拌，再加入石英砂进行第二次搅拌，最后加入增强增韧纤维和自防火有机纤维进行第三次搅拌，待纤维分散均匀后得到超高性能混凝土浆液，并根据需要加入早强组分，并将早强组分与水、外加剂相混合；

(c)将步骤(b)得到的超高性能混凝土浆液通过预留的预留孔入模成型，待预留孔中填充满所述的超高性能混凝土浆液后停止浇筑，之后进行养护；

(d)养护结束后拆除模板，超高性能混凝土浆液凝结成型，并在空气中静置至相应的龄期后才能脱模，根据超高性能混凝土的早强特征，一般4-12h后可以拆除模板。

优选地，步骤(b)中的第一次搅拌的时间为3-5min，第二次搅拌的时间为3-5min，第三次搅拌的时间为3-5min。

uhpc材料的设计理论是最大堆积密度理论(densifiedparticlepacking)，其组成材料的不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，因此uhpc具有极高的强度，其28天抗压强度可达150mpa，且内部十分致密，具有极高的耐久性，能够抵抗各种侵蚀环境，同时也具有优异地抗冲击、抗疲劳等特性。另外，uhpc材料与既有结构具有更好的界面相容性，能够保证加固层与既有结构的良好粘结性能。

uhpc材料具有极低的水胶比与极高的致密性，因此具有优异的强度和耐久性，是一种绝佳的修补加固材料，但通常的超高性能混凝土的耐高温性较差，加固材料或者加固界面在火灾下(地下结构封闭特点导致温度升高更快)的性能退化严重。

因此本发明在uhpc材料中同时掺入具有增强增韧效果的增强增韧纤维与用于提升防火性能的有机纤维。在高温情况下，只要温度超过了有机纤维的熔点，混凝土内的有机纤维就会熔化继而挥发逸出，并在混凝土中留下相当于有机纤维所占体积的孔道，而且有机纤维是均匀乱向地分布在混凝土中，因此所留下的孔道也是均匀分布的，这对于混凝土内由于温度升高所产生的水蒸气和热量的排出都是很有利的，可以降低孔压力，由此也就改善了混凝土的防火性能与抗爆裂性能，并且uhpc内部的增强增韧纤维能增加其抗拉能力，能最大限度地降低高温下的力学性能损失。

同时，本发明不仅可以抑制高温爆裂的发生，而且自防火层还可实现良好的隔热。自防火有机纤维内部填充有高温触发阻燃材料和相变储能材料等防火介质，火灾高温引发有机纤维熔化后，内部防火介质被释放，并通过有机纤维形成的网状通路溢出，达到自防火隔热的效果，并且由于uhpc加固材料与既有结构界面温度上升缓慢等因素，相比普通结构，本发明加固结构的温控和耐火能力更好，能有效地削弱热量向被加固结构传递，因而能更好地实现防爆裂与隔热的同步、防火与承载的协同作用以及火灾热触发下的智能防火，耐久性好，长期经济效益高，适合地下结构修复加固。

除此之外，在uhpc中加入一定掺量的早强组分，能够提高水泥水化速度，促进混凝上早期强度的发展，对开放时间较短的地下结构工程极为适用。

本发明地下结构加固用uhpc的制备方法的步骤与普通混凝土相似，操作简便，通过实验发现，先将外加剂、早强组分等与胶凝材料搅拌成水泥净浆，再加入细骨料搅拌均匀，最后加入各类纤维等便能有效的提高uhpc的工作性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)与现有的防火水泥基材料相比，本发明将防火组分与超高性能混凝土结合，通过使用多尺度增强增韧纤维、早强组分、低水胶比等措施，提高了延性，可避免混凝土在荷载作用下发生脆性破坏，并且提高混凝土的密实度，降低混凝土的孔隙率，制备出适用于地下工程以及对防火性能有较高要求的高强、高韧，具有良好的抗渗性、耐久性的超高性能混凝土。

(2)通过在基体材料中添加含有防火介质的自防火有机纤维和增强增韧纤维等手段，能够使得uhpc本体具有较好的耐高温与防火特性，以及具有较高的延性，能够避免在荷载作用下发生脆性破坏，也能够较好地减少火灾对加固材料、加固界面和地下结构本体的影响，且形成的自防火层和防火材料在不改变结构尺寸、不降低结构强度的条件下，通过“吸热+散热+隔热”的方式实现结构主动式防火，确保结构防火与外力承载的协同作用。

(3)本发明采用早强组分措施，使自防火uhpc加固材料具有较高的早期强度，其4小时强度能达到10-25mpa，12小时强度达到30-40mpa，1天强度甚至能达到70mpa以上，极好地满足了地下结构快速加固需求；

(4)相比普通修复加固材料，uhpc材料由于能够做到自防火以及与基体具有良好的界面相容性，因此其界面温度上升较慢，在火灾情况下能够最大限度地保护结构的安全，采用本发明的地下结构加固用超高性能混凝土用于地下结构的加固，能够与既有结构(即地下结构)一起具备较好的协同工作性，抵抗各类外界环境条件的侵蚀，且具有较好的抗高温性。

如上所述，本发明的超高性能混凝土不仅具有高早强、高韧性、防火的特点，同时还具有高抗渗性、高耐久性等特点，是超高性能混凝土和自防火材料的有机结合，能够兼顾力学加固与火灾等恶劣环境下的耐久性加固，十分适用于地下结构混凝土的修复加固。

附图说明

图1为超高性能混凝土浇筑于地下结构下方的结构示意图；

图2为在加热情况下超高性能混凝土与地下结构的结构示意图；

图3为待加固部位、设置于待加固部位下方的模板以及设于模板上的预留孔的结构示意图。

图中：1-地下结构；2-超高性能混凝土；3-增强增韧纤维；4-自防火有机纤维；5-孔道；6-待加固部位；7-预留孔；8-模板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种自防火的地下结构加固用超高性能混凝土，该超高性能混凝土2包括胶凝材料、石英砂、外加剂、早强组分、增强增韧纤维3、自防火有机纤维4和水，其中，胶凝材料的重量份含量为1100份，胶凝材料包括水泥和矿物掺合料，水泥的重量份含量为700份，矿物掺合料的重量份含量为400份，石英砂的重量份含量为1000份，外加剂的重量份含量为1.1份，增强增韧纤维3的重量份含量为80份，自防火有机纤维4的重量份含量为10份，早强组分的重量份含量为11份，水的重量份含量为187份。

其中，水泥为52.5p.ⅱ水泥，矿物掺合料为硅灰，石英砂为细石英砂和粗石英砂的混合物，细石英砂的重量份占石英砂总重量份的30％(目数为70-100目)，粗石英砂的重量份占石英砂总重量份的70％(目数为30-70目)。早强组分为亚硝酸盐。外加剂为聚羧酸系高效减水剂。增强增韧纤维3为钢纤维。

自防火有机纤维4包括有机纤维和防火介质，有机纤维为聚丙烯纤维，防火介质包括高温触发阻燃材料和相变储能材料，高温触发阻燃材料为脱水成炭催化剂，相变储能材料为六水氯化钙。得到的自防火的地下结构加固用超高性能混凝土，4小时强度能够达到10～25mpa，28天强度为150mpa，耐火性为优异，800～1000℃不出现爆裂现象，抗渗等级能达到p10，韧性能够达到普通加固材料的2～3倍，耐久性极佳，能抵抗地下结构中的各类有害离子侵蚀，cl^-扩散系数<2×10^-12mm/s。

实施例2

如图1所示，一种自防火的地下结构加固用超高性能混凝土，该超高性能混凝土2包括胶凝材料、石英砂、外加剂、早强组分、增强增韧纤维3、自防火有机纤维4和水，其中，胶凝材料的重量份含量为1200份，胶凝材料包括水泥和矿物掺合料，水泥的重量份含量为800份，矿物掺合料的重量份含量为400份，石英砂的重量份含量为900份，外加剂的重量份含量为6份，增强增韧纤维3的重量份含量为80份，自防火有机纤维4的重量份含量为15份，早强组分的重量份含量为12份，水的重量份含量为204份。

其中，水泥为52.5p.ⅱ水泥，矿物掺合料为硅灰和石英粉的混合物，硅灰的重量份含量为100份，石英粉的重量份含量为300份，石英砂为细石英砂和粗石英砂的混合物，细石英砂的重量份占石英砂总重量份的25％(目数为70-100目)，粗石英砂的重量份占石英砂总重量份的75％(目数为30-70目)。早强组分为甲酸钙。外加剂为萘系高效减水剂。增强增韧纤维3为玻璃纤维。自防火有机纤维4包括有机纤维和防火介质，有机纤维为聚乙烯醇纤维，防火介质包括高温触发阻燃材料和相变储能材料，高温触发阻燃材料为发泡剂，相变储能材料为聚乙二醇。得到的自防火的地下结构加固用超高性能混凝土，4小时强度能够达到10～25mpa，28天强度为150mpa，耐火性为优异，800～1000℃不出现爆裂现象，抗渗等级能达到p10，韧性能够达到普通加固材料的2～3倍，耐久性极佳，能抵抗地下结构中的各类有害离子侵蚀，cl^-扩散系数<2×10^-12mm/s。

实施例3

如图1所示，一种自防火的地下结构加固用超高性能混凝土，该超高性能混凝土2包括胶凝材料、石英砂、外加剂、早强组分、增强增韧纤维3、自防火有机纤维4和水，其中，胶凝材料的重量份含量为1300份，胶凝材料包括水泥和矿物掺合料，水泥的重量份含量为1000份，矿物掺合料的重量份含量为300份，石英砂的重量份含量为800份，外加剂的重量份含量为10份，增强增韧纤维3的重量份含量为100份，自防火有机纤维4的重量份含量为20份，早强组分的重量份含量为14份，水的重量份含量为252份。

其中，水泥为52.5p.ⅱ水泥，矿物掺合料为硅灰、矿粉和石英粉的混合物，石英粉的重量份含量为100份，矿粉的重量份含量为100份，硅灰的重量份含量为100份，石英砂为细石英砂和粗石英砂的混合物，细石英砂的重量份占石英砂总重量份的20％(目数为70-100目)，粗石英砂的重量份占石英砂总重量份的80％(目数为30-70目)。早强组分为铬酸盐。外加剂为三聚氰胺系高效减水剂。增强增韧纤维3为碳纤维。自防火有机纤维4包括有机纤维和防火介质，有机纤维为尼龙纤维，防火介质包括高温触发阻燃材料和相变储能材料，高温触发阻燃材料为成炭剂，相变储能材料为石蜡。得到的自防火的地下结构加固用超高性能混凝土，4小时强度能够达到15～25mpa，28天强度为150mpa，耐火性为优异，800～1000℃不出现爆裂现象，抗渗等级能达到p10，韧性能够达到普通加固材料的2～3倍，耐久性极佳，能抵抗地下结构中的各类有害离子侵蚀，cl^-扩散系数<2×10^-12mm/s。

实施例4

如图1所示，一种自防火的地下结构加固用超高性能混凝土，该超高性能混凝土2包括胶凝材料、石英砂、外加剂、早强组分、增强增韧纤维3、自防火有机纤维4和水，其中，胶凝材料的重量份含量为1300份，胶凝材料包括水泥和矿物掺合料，水泥的重量份含量为900份，矿物掺合料的重量份含量为400份，石英砂的重量份含量为800份，外加剂的重量份含量为10份，增强增韧纤维3的重量份含量为160份，自防火有机纤维4的重量份含量为20份，早强组分的重量份含量为14份，水的重量份含量为247份。

其中，水泥为52.5p.ⅱ水泥，矿物掺合料为硅灰和矿粉的混合物，矿粉的重量份含量为300份，硅灰的重量份含量为100份，石英砂为细石英砂和粗石英砂的混合物，细石英砂的重量份占石英砂总重量份的30％(目数为70-100目)，粗石英砂的重量份占石英砂总重量份的70％(目数为30-70目)。早强组分为三乙醇胺。外加剂为氨基磺酸盐高效减水剂。增强增韧纤维3为硼纤维。自防火有机纤维4包括有机纤维和防火介质，有机纤维为聚醋纤维，防火介质包括高温触发阻燃材料和相变储能材料，高温触发阻燃材料为成炭剂，相变储能材料为六水氯化钙。得到的自防火的地下结构加固用超高性能混凝土，4小时强度能够达到15～25mpa，28天强度为150mpa，耐火性为优异，800～1000℃不出现爆裂现象，抗渗等级能达到p10，韧性能够达到普通加固材料的3～5倍，且耐久性极佳，能抵抗地下结构中的各类有害离子侵蚀，cl^-扩散系数<2×10^-12mm/s。

实施例5

一种自防火的地下结构加固用超高性能混凝土在地下结构的自防火中的应用，如图1所示，将超高性能混凝土2浇筑于地下结构1的下方，超高性能混凝土2中设有增强增韧纤维3和自防火有机纤维4，当将超高性能混凝土和地下结构处于火灾中等加热情况下，自防火有机纤维4中的有机纤维会熔化并挥发，形成孔道5，具体如图2所示。例如，此处地下结构1为隧道结构，聚丙烯纤维的熔点为165～170℃，分解温度为350℃，当隧道结构着火时，内部温度超过其熔点时，纤维熔化形成孔道5，有助于水蒸气等的排出，降低了其内部地蒸汽压，此时高温触发阻燃材料等防火介质也能发挥作用，极大地改善了其耐高温性和抗爆裂性，800～1000℃不出现爆裂现象。如图3所示，浇筑方法具体包括以下步骤：

(a)现场分析确定地下结构1的待加固部位6；

(b)对待加固部位6做表面处理(如凿毛等)；

(c)在待加固部位6的下方设置模板8；

(d)在模板8的侧面上侧设置预留孔7，该预留孔7设置于模板8和待加固部位6之间，超高性能混凝土2从预留孔7倒入到模板8中进行浇筑，多余的超高性能混凝土2也可从该预留孔7中流出；

(e)按配比称量超高性能混凝土2的各组分，先将水和外加剂混合均匀，后加入胶凝材料进行第一次搅拌3-5min，再加入石英砂进行第二次搅拌3-5min，最后加入增强增韧纤维3和自防火有机纤维4进行第三次搅拌3-5min，待纤维分散均匀后得到超高性能混凝土浆液，并根据需要加入早强组分，并将早强组分与水、外加剂相混合；

(f)将超高性能混凝土浆液通过预留孔7入模成型，可从预留孔7中观察超高性能混凝土浆液在模板8中的液位，观察到预留孔7中填充满超高性能混凝土浆液后停止浇筑；

(g)浇筑的超高性能混凝土浆液成型后，并在空气中静置至相应的龄期后脱模，对加固的超高性能混凝土2进行养护，并根据早强特征，(4-12)小时后可以拆除模板8。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。