脆性混凝土材料、其制备方法及其应用与流程

1.本公开涉及隧道工程及混凝土材料技术领域，具体涉及一种混凝土材料、其制备方法及其应用，可用于任何可能因为边界条件变化而发生较大变形的隧道工程抗断结构中。


背景技术：

2.随着建筑行业的不断发展与需求的不断增加，多孔混凝土，例如泡沫混凝土、沥青混凝土等具有质轻、低弹、吸能等特点，在工程中被广泛应用于多个领域，例如路基、隧道等的沉降控制、抗震结构中。
3.随着隧道建设的日益增多，隧道穿越活动断层的结构稳定与安全也逐渐成为关注的焦点。中国专利申请cn 113153356 a中描述了一种隧道抗错断结构，将多孔脆性填充材料充填于断层破碎带范围内的超挖段，当断层发生错动时，填充材料脆性破坏后发生较大压缩，从而对衬砌结构起缓冲作用。类似的设计还有在断层破碎带范围内增设泡沫混凝土缓冲层作为抗错断填充材料。
4.然而泡沫混凝土多是使用能产生气泡的各种发泡剂或发气剂与浆料拌和以在混凝土中形成孔隙。受限于制备方法，混凝土中由气泡产生的孔洞尺寸较小，多在亚毫米级别。这些具有微小孔隙的多孔混凝土材料在隔热保温、轻质、透水、吸能等方面存在优势，并有较多应用。但这些材料仍然较为致密，压缩性能一般，但当断层错动量较大时，其体积压缩量无法完全消纳断层的位错，因而抗错断作用有限。
5.因此需要设计一种能够应用于隧道抗错断结构的脆性混凝土填充材料，当材料受到外力被破坏时具有较大的体积压缩率，从而具有良好的抗错断作用。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本公开提供一种大孔径多孔脆性混凝土材料及其制备方法，所述脆性混凝土材料具有较大的孔隙率，在材料受到外力时能够产生较大的体积压缩，以提供良好的抗错断作用。
7.一方面，本公开实施方式提供一种混凝土材料，包括以重量份数计的以下组分：硫铝酸盐水泥100～120份、成孔剂50～150份、减水剂0.1～0.3份、增稠剂0.1～0.3份；其中所述成孔剂的直径不小于2mm。
8.在一个实施方式中，所述成孔剂为吸水后的饱和吸水珠。
9.在一个实施方式中，所述成孔剂占所述混凝土材料总体积的体积分数不超过74％。
10.在一个实施方式中，所述饱和吸水珠与硫铝酸盐水泥的质量比不超过1:1.2且不小于1:2.4。
11.在一个实施方式中，所述增稠剂选自纤维素醚、黄原胶、温轮胶，优选地为羟丙基甲基纤维素。
12.另一方面，本公开实施方式还提供一种制备上述混凝土材料的方法，包括以下步骤：
13.将以下各组分混合得到混合物：
14.100～120份硫铝酸盐水泥；
15.0.1～0.3份减水剂；和
16.0.1～0.3份增稠剂；
17.在所述混合物中加入50～150份水拌和形成水泥浆；和
18.将50～150份成孔剂加入所述水泥浆中混合均匀后进行浇注。
19.另一方面，本公开实施方式还提供上述混凝土材料在隧道抗错断结构中的应用。本公开提供的大粒径多孔脆性混凝土材料在成型之后具有孔径较大的孔洞，并且脆性显著，在材料破坏之后可发生较大的体积压缩。此外，本公开提供的大粒径多孔脆性混凝土材料的孔径大小、孔隙率、强度均可控，并且强度可以满足隧道抗错断结构对填充材料的性能要求，保证穿越活动断层隧道的抗错断效果。
20.本公开提供的大粒径多孔脆性混凝土材料的制备方法首先确定了各组分的配比和搅拌时间，保证材料的力学性能，并且通过减水剂与增稠剂调节稠度，改善材料的易和性。在形成水泥浆之后再加入成孔剂，例如吸水珠，可以避免吸水珠在混凝土材料搅拌前期失水过多，难以保证成孔大小的问题；后加入成孔剂可以保证混凝土材料中最终形成的孔径大小与加入的吸水珠的尺寸基本一致，进一步保证了材料孔径大小和孔隙率的可控性。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为由本公开的实施例制备的混凝土试样的剖面照片；
23.图2为由本公开的实施例制备的混凝土试样和传统泡沫混凝土试样的应变应力曲线对比图。
具体实施方式
24.为了便于理解本公开，现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式将使得本公开全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
25.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。
26.应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关
所列项目的任何及所有组合。
27.为了使多孔脆性混凝土材料受压破坏后产生较大的体积压缩，材料本身应具有较大的孔隙率。传统多孔混凝土的制备方法通常使用各种发泡剂、发气剂与混凝土拌和，通过发泡剂、发气剂在混凝土材料中产生起泡所形成孔隙粒径较小，通常仅能达到亚毫米级别，难以形成厘米级大孔洞，因此材料整体仍然比较致密，受压后体积压缩量较小。此外，不同抗错断结构对于多孔脆性混凝土填充材料的抗压强度有不同要求外，对其可压缩量也有不同的需求，而多孔混凝土的压缩量主要与孔隙率相关，因此为了在适应不同抗错断结构的要求，材料的孔隙率、孔径大小等性能需要具有便于调整的特点。
28.基于此，本发明人提出一种大粒径多孔脆性混凝土材料，包括以重量份数计的以下组分：硫铝酸盐水泥100～120份、成孔剂50～150份、减水剂0.1～0.3份和增稠剂0.1～0.3份，其中成孔剂的直径不小于2mm。
29.在本实施方式中，硫铝酸盐水泥的等级可以根据强度需要进行选择。硫铝酸盐水泥硬化时间短，即单位时间内强度增长快，可以适应本公开的隧道施工要求。在一个优选实施方式中，所述硫铝酸盐的初凝时间为5～10分钟，例如可以选择42.5级或者52.5级硫铝酸盐水泥，但不限于此。
30.在本实施方式中，成孔剂用于在混凝土材料中形成大粒径孔洞。成孔剂具有体积可变的特点，在混凝土材料混合的前期，成孔剂占据较大的空间，并且能够保持体积大体不变化，在混凝土材料成型过程中或成型之后，成孔剂的体积大幅减小甚至消失，成孔剂在混凝土材料中占据的空间形成孔洞。由此，孔洞的形状和尺寸基本与成孔剂的形状和尺寸保持一致。因此，在混凝土材料制备中能够大体保持形状的成孔剂是优选的。举例来说，成孔剂可以是吸水凝胶，吸水橡胶等，这类材料在吸水饱和之后体积膨胀，失水后体积缩小，可以用于形成孔洞。成孔剂还可以是在混凝土材料中可降解的材料，例如可降解塑料球，在混凝土材料成型后，成孔剂降解形成孔洞。成孔剂甚至可以是气泡球，例如空心玻璃珠、小气球，在混凝土成型过程中气泡球占据一定体积以形成孔洞。本公开的实施方式对此不作具体限定。
31.本发明人发现成孔剂占整个多孔脆性混凝土材料件的体积分数最多为74％。当成孔剂为规则球体时，规则球体的最高填充率约为74％，也就是说，当成孔剂占据的体积分数大于74％时，水泥浆将不能填满成孔剂之间的空隙，并且所制得的多孔脆性混凝土材料力学性质难以满足隧道工程的需求。以成孔剂为吸水珠为例来说，将吸水珠的体积分数换算成重量分数，吸水珠与硫铝酸盐水泥的质量比不超过1:1.2；此外，作为抗错断填充材料，本公开的多孔脆性混凝土材料需要保证一定的体积压缩率，若多孔脆性混凝土材料的体积压缩率太小，当发生破坏产生的错动量较大时，混凝土材料不能完全消纳所产生的位错，因此本公开提供的多孔脆性混凝土材料中，成孔剂与硫铝酸盐水泥的质量比不小于1:2.4。
32.在一个优选实施方式中，所述成孔剂为吸水饱和后的吸水珠。本公开采用吸水珠作为成孔剂，吸水珠在吸水达到饱和之后通常可以获得厘米级的直径，加入到混凝土材料中，吸水珠会在混凝土材料成型过程中失水，成型之后吸水珠占据的位置形成孔洞，并且形成的孔洞性质形状和尺寸基本与所加入的饱和吸水珠的形状和尺寸一致，具有良好的保形性，从而得到具有大粒径的多孔脆性混凝土材料。在本公开的实施方式中，所加入的吸水珠为市售吸水珠，可以选择形状尺寸均匀的吸水珠，所形成的多孔脆性混凝土中孔洞分布以
及形状尺寸都较为均匀；也可以根据实际需求选择不同形状和尺寸的吸水珠，以获得不同形状和尺寸的孔洞，吸水珠的形状和尺寸可以根据实际需求进行选择，在此不做具体限定。
33.在一个优选实施方式中，所述成孔剂的直径不小于2mm。本公开对所述成孔剂的直径的上限没有特别限定，可根据需要选择适当大小。例如，所述成孔剂的直径可在50mm以下，但不限于此。举例来说，成孔剂的直径可以为2mm、5mm、7mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，但不限于此。以成孔剂为吸水珠为例来说，市售直径为1mm的吸水珠，在吸水饱和之后直径可达7mm，加入混凝土材料中作为成孔剂可以获得孔径约7mm的孔洞；市售直径为2-3mm的吸水珠，吸水饱和之后直径可达14.5mm左右，在混凝土材料中能够获得约14.5mm的孔洞。可以使用两种或更多种不同直径的成孔剂，以获得期望的孔隙率和强度。成孔剂的直径可以根据工程的实际需求进行选择，在此不做具体限定。本公开的实施方式可以通过控制成孔剂的尺寸，有效控制孔洞达到厘米级，以满足较大的压缩量要求。
34.在一个优选实施方式中，多孔脆性混凝土材料成型后的孔隙率为40％-60％。传统泡沫混凝土通过调整发泡剂以控制所形成的空隙数量，但是整体孔隙率变化范围较小，所得到的的发泡混凝土材料整体仍较为致密。本公开提供的多孔脆性混凝土材料通过调整成孔剂的尺寸和用量以调整多孔脆性混凝土材料整体的孔隙率，因此，本公开提供的多孔脆性混凝土材料的空隙率可调节的范围非常大，从而可以满足不同工程对于填充材料的压缩性能的需求。
35.本实施方式提供的多孔脆性混凝土材料具有明显高于传统泡沫混凝土的体积压缩率，作为抗错断填充材料时，能够消纳更大的位错量。此外，多孔混凝土的体积压缩量主要与孔隙率相关，本公开提供的大粒径多孔脆性混凝土的压缩率可以通过调整成孔剂的形状和尺寸进行较大范围的调整，因此其体积压缩率也相应地可以进行调整，以适应不同的抗错断结构的需求。
36.本实施方式提供的多孔脆性混凝土相对于传统泡沫混凝土的优势在于，泡沫混凝土在受到荷载后孔洞不断被压密，整体表现为延性，孔洞被压密后便会丧失让压能力，而本实施方式提供的多孔脆性混凝土在受到荷载后会破碎散开，呈现为脆性，可以消纳更大的位错量。
37.在一个实施方式中，减水剂选自聚羧酸减水剂、木质素磺酸盐类、萘系减水剂、氨基磺酸盐系、脂肪族系减水剂。
38.在一个实施方式中，增稠剂选自纤维素醚、黄原胶、温轮胶，更优选地，增稠剂为羟丙基甲基纤维素。在本实施方式中，混凝土材料可以通过增稠剂调整其和易性，以便于混凝土材料中各组分充分混合，获得适用于隧道工程的混凝土浆料。
39.在一个实施方式中，本公开提供的多孔脆性混凝土材料包括以质量份数计的以下各组分：硫铝酸盐水泥100～120份、减水剂0.1～0.3份、水30～40份、饱和吸水珠50～150份、羟丙基甲基纤维素(hpmc)0.1～0.3份。本公开的实施方式提供的多孔脆性混凝土具有较大的空隙率，在材料发生破坏后能产生较大的体积压缩，并且相对于传统泡沫混凝土，本发明所制备多孔脆性混凝土的脆性更加显著，更能满足抗错断填充材料的变形要求。
40.另一方面，本公开还提供一种制备大粒径多孔脆性混凝土材料的方法，包括以下步骤：
41.将以下各组分混合得到混合物：
42.100～120份硫铝酸盐水泥；
43.0.1～0.3份减水剂；和
44.0.1～0.3份增稠剂；
45.在所述混合物中加入50～150份水拌和形成水泥浆；和
46.将50～150份成孔剂加入所述水泥浆中混合均匀后进行浇注。
47.本公开的实施方式提供的大粒径多孔脆性混凝土材料的制备方法中，首先确定了各组分的配比，将除吸水珠之外的其他组分混合搅拌，能够保证材料的力学性能稳定，通过减水剂和增稠剂调节稠度，能够改善水泥浆的和易性。在形成水泥浆之后再加入饱和吸水珠，可以避免吸水珠在前期因水泥水化等作用失水严重的问题，从而保证最终吸水珠所形成的孔洞的尺寸。通过本公开提供的方法制得的大粒径多孔脆性混凝土材料中，吸水珠在形成孔洞过程中保形性较好，所形成的的孔洞尺寸基本与吸水珠一致，因为具有较大的孔径及孔隙率，当材料发生破坏时，产生的体积压缩较大，并且相较于传统泡沫混凝土，本公开的方法制备的混凝土材料具有更显著的脆性。
48.另一方面，本公开实施例还提供上述混凝土材料在隧道抗错断结构中的应用。
49.以下通过对比例和实施例来进一步详细描述本公开，其目的仅仅是说明性的，而不是旨在限制本公开的范围。
50.实施例
51.根据本公开的脆性混凝土材料，原料为以下以重量份数计的各组分：九七建材生产的硫铝酸盐水泥100份、聚羧酸高效减水剂0.2份、水30份、饱水后直径15mmsap集料100份、寇格牌羟丙基甲基纤维素0.3份。该多孔脆性混凝土材料通过以下方法制备：
52.称取2000g的硫铝酸盐水泥、4g减水剂、6g hpmc并搅拌均匀得到混合物；
53.称取600g水，将水加入所述混合物进行拌合，形成水泥浆；
54.称取2000g饱和吸水珠，将其加入所述水泥浆中继续搅拌，搅拌均匀后即可进行浇筑得到150mm
×
150mm
×
150mm的立方体试样。
55.本实施例中采用的吸水珠为市售吸水珠，吸水珠在吸水前的直径约为2mm，吸水饱和后吸水珠的直径为15mm。
56.制得的混凝土试样的剖面照片如图1所示。其中明显可见由吸水珠形成的均匀分布的孔洞。
57.对比例
58.对比例为市售泡沫混凝土。
59.本实施例提供的大粒径多孔脆性混凝土试样和市售泡沫混凝土制成的试样的力学性能示于表1。
60.表1大粒径多孔脆性混凝土的力学性能
[0061][0062]
从表1可以看出，当孔隙率及抗压强度相近时，本公开实施例提供的大粒径多孔脆性混凝土相较于传统泡沫混凝土具有更低的残余强度，说明其脆性更加显著，作为一种抗错断材料，更能够及时提供相应的适应性变形。并且本实施例提供的多孔脆性混凝土试样具有3.0mpa左右的抗压强度，能够满足隧道工程的要求。
[0063]
应力应变测试
[0064]
对实施例提供的多孔脆性混凝土试样和市售泡沫混凝土试样进行了应力应变测试，测试结果如图2所示。从图2的应力应变曲线的峰后部分可以看出，本实施例提供的多孔脆性混凝土的残余强度更低，且多孔脆性混凝土在应变足够大后曲线抬升出现时间更晚，说明其让压能力更好。