高地热环境用混凝土热损伤抑制材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于建筑材料用功能添加剂，具体来讲，公开了一种高地热环境用混凝土热损伤抑制材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，我国西部地区的交通设施建设迎来了一个新的发展高潮，然而该地区海拔较高，并且地形以山地、丘陵为主，一些地区由于地层岩性等因素，形成高地热、高岩温环境。一般当岩温超过30℃时即可称为高岩温，而部分隧道施工过程中将遇到80℃左右的高温。

2、高地热使混凝土的力学性能和耐久性能在隧道工程中难以得到保证。在高地热环境下，混凝土的工作性能将发生较大改变，混凝土的塌落度损失显著加大、可工作时间减少，给施工带来不便，容易出现浇筑不密实等缺陷。混凝土浇筑后，水分蒸发速率较快，初期水化速度提高、初凝和终凝提前、水化产物微观结构发生较大改变，早期强度提高、后期强度降低，同时混凝土内部密实性下降、孔隙率增加，降低了混凝土的耐久性能。喷射混凝土受高地热环境影响最为显著，从喷射混凝土喷到岩面开始，高地热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。在高地热环境中，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，成为影响高地热喷射混凝土性能的关键要素。

3、提升混凝土耐地热性能重点在于保障混凝土在高地热环境下的强度均匀发展，避免早期水化速率过快，导致后期强度发展停滞甚至倒缩现象。同时由于混凝土早期密实程度较低，在高温作用下，混凝土内拌合用水蒸发，导致内部水泥水化可用水减少，从而进一步抑制了混凝土强度的发展，通过抑制水分蒸发也是提升混凝土在高地热条件下力学性能的措施之一。

4、目前有针对上述高地热环境用混凝土的诸多研究，如一种抗高温混凝土及其制备方法，其通过凹凸棒土、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、纳米四氧化三铁和有机硅之间进行了协同作用，使得该混凝土在高温条件下水泥水化反应速率和水分蒸发速率提升较少，减缓了水泥浆的强度的下降，从而使制得的混凝土具有优异的抗冲击性能和抗高温性能。但是，聚对苯二甲酸丁二醇酯与有机硅的掺入对混凝土工作性能会产生不利影响。

5、又如一种高地温隧道用高强喷射混凝土及其制备方法的报道中采用水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、粗骨料、玻化微珠、pva纤维、钢纤维、改性橡胶、减水剂、速凝剂和水制备混凝土。通过使用水玻璃进行养护，水玻璃与水泥水化生成的氢氧化钙反应，生成了硅酸钙凝胶，防止养护时水分的散失。但使用水玻璃进行养护工艺复杂，导致工程建设成本增加。

6、再如一种隧道高地温干热环境专用喷射混凝土材料，其通过掺加纳米氧化硅，利用其微集料效应、火山灰效应和成核效应，从而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。但纳米材料的应用会对混凝土工作性能产生一定影响，导致混凝土在施工浇筑过程中流动性能的降低。此外纳米材料易团聚、分散性较差，掺入到混凝土中易形成结团、影响其作用效果。

7、另外，一种高地应力高地温隧道开挖初期支护用混凝土的技术，也通过使用玄武岩纤维和再分散乳胶粉提高混凝土的施工性能，使混凝土具有较强的粘附性，能很好地与围岩紧密结合。但是通过使用该方法主要目的在于提升喷射混凝土抗开裂性能，对其高温作用下抗压强度的保持和水分蒸发的抑制并未提供相关研究效果。

8、可见，目前针对高地热环境下混凝土易出现的技术问题，尚不能得到很好的解决，仍需对该应用环境下混凝土的性能改善进行研究。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高地热环境用混凝土热损伤抑制材料。该混凝土热损伤抑制材料具有优异的抗地热性能，应用其的混凝土在高地热作用下力学性能提升明显，且水分蒸发速率降低。

2、为了实现上述目的，本发明具体采用了下述技术方案：

3、一种高地热环境用混凝土热损伤抑制材料，其包括下述按质量百分数混合均匀的各组分：

4、

5、

6、其中，矿物掺合料为粉煤灰和矿粉中的任意一种或两种的混合物，且性能均满足相关国家标准要求，如gb t 1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》、以及gb t 18046《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》等。

7、其中，纳米材料选自纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米二氧化钛中的任意一种或至少两种的混合，纳米材料的粒径如可以控制在50nm～300nm之间。纳米材料掺入到混凝土中能作为成核点，有利于c-s-h凝胶结晶成核。通过均匀分散的纳米材料，在水泥水化过程中c-s-h凝胶在混凝土内均匀成核、生长，避免由于高温作用导致的混凝土内c-s-h凝胶分布的不均匀，从而引起的强度发展不平衡，密实度降低等问题。

8、其中，石英砂的细度如可以控制在1500目～2000目之间，偏高岭土的粒径如可以控制在10μm～50μm之间。石英砂和偏高岭土具有潜在的碱活性，在高温和水泥水化生成的氢氧化钙作用下，激发石英砂和偏高岭土的碱活性，生成c-s-h凝胶，能增加基体密实度，补充后续混凝土高温下强度的降低。

9、其中，缓凝剂选自糖蜜缓凝剂、木质素磺酸盐和羟基羧酸类缓凝剂中的任意一种或至少两种的混合。缓凝剂具有延缓水泥水化速率的作用，由于高温作用下，水泥水化速率较快，从而生成的水化产物无法及时有效的分布，导致混凝土密实程度降低，同时不同位置处密实度的分布也不均匀。通过使用缓凝剂，延缓高温下水泥水化速率，有利于水化产物的分布，从而提升混凝土的均匀性和密实度。

10、其中，增稠剂选自甲基纤维素醚、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇中的任意一种或至少两种的混合。所述甲基纤维素醚的分子量优选控制在10万以上，聚丙烯酰胺和聚乙烯醇的分子量优选控制在500万以上，更大的分子量相较具有更好的效果。增稠剂可以通过亲水基团和长侧链与自由水分子发生吸附及固定的使其表观体积在溶胀作用下不断增大；同时增稠剂分子的侧链会相互吸引，促使凝胶网状结构开始形成并缠结，阻止了自由水发生迁移。此外，增稠剂会与浆体中的水泥颗粒之间发生表面吸附，增加混凝土基体的黏度，从而避免水分在高温下的移动和蒸发，保证高温作用下水泥水化具有充足的水分，有助于强度的进一步提升。

11、本发明的另一目的在于提供上述高地热环境用混凝土热损伤抑制材料的制备方法，按照含量的多少，由多至少添加并搅拌均匀即可。

12、如，可采用下述步骤进行：首先，将矿物掺合料、石英砂和偏高岭土加入混料机中搅拌均匀；然后，加入纳米材料继续搅拌均匀；最后，将增稠剂和缓凝剂加入到混料机中搅拌均匀后，即可出料，制备得到高地热环境用混凝土热损伤抑制材料。

13、一般地，上述搅拌过程中，以1500r/min～2000r/min的速率搅拌3min～5min左右即可实现混合均匀。

14、本发明提供的上述混凝土热损伤抑制材料，能够应用于混凝土中。具体来讲，在混凝土拌合过程中，将上述混凝土热损伤抑制材料等量取代混凝土拌合用胶凝材料，与胶凝材料混合一同制备混凝土即可。一般而言，所述隧道高地热环境混凝土热损伤抑制材料应用于混凝土中使用，掺量为胶凝材料质量的10％～30％。

15、本发明提供的混凝土热损伤抑制材料，采用建筑材料中的常规组分，通过合理搭配，综合考虑其应用至混凝土中时的水泥水化、水化产物分布、以及密实度提升等多方面的性能提升作用，综合保障了其对混凝土在高地热环境下应用的性能提升。该混凝土热损伤抑制材料能应用于高地热环境下混凝土施工，通过提升高地热环境下混凝土的密实度，保障了强度均匀发展、且降低了水分蒸发速率，避免高地温下结构的劣化；并且，该混凝土热损伤抑制材料还能有效避免高地热作用下混凝土后期强度降低和早期水化产物分布不均匀(易导致混凝土集体内部有薄弱点，从而宏观上表现为强度的降低)的问题，同时还提升了混凝土的耐久性能。