用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土及其制备方法

本发明涉及固体废弃物资源化利用和地聚合物材料制备，具体为用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、建筑材料发展至今，水泥基材料充当着不可替代的角色。然而随着建筑工程的不断扩大，建筑结构所处环境变得愈发复杂，使水泥基材料的应用范围受到极大限制。当前，节能降耗和废物利用已成为经济社会可持续、绿色发展的迫切要求。作为当前建筑领域用量最大的胶凝材料，水泥基材料具有价格低廉、污染低等优点，随着经济的进一步扩张，特别是在发展中国家，水泥消耗将持续增长。然而，水泥基材料体积干缩大、韧性及可弯曲性较差，是一种非均质、多孔的无机脆性材料，因而在外部环境和内部收缩的共同作用下容易产生多尺度裂缝。

2、地质聚合物是近年来迅速发展起来的一类以硅铝质原料在碱性激发剂作用下通过解聚、缩聚、重聚等反应形成三维结构的新型无机非金属胶凝材料，其具有凝结硬化快、早期强度高、耐高温、耐酸碱、渗透率低、耐久性优良等诸多优点。因此，随着工业化生产的不断加快，地质聚合物是促进火电厂、钢铁厂每年产生的大量固体废弃物资源化利用的有效途径，具有显著的环境、社会和经济效益。本发明的目的在于消纳工业生产产生的废渣，制备出应用于高温条件下高强度的地聚合物喷射混凝土，实现工业废渣的高附加值利用。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土及其制备方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

2、为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，更具体的说是用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土，包括粗骨料、细骨料、粉煤灰、矿渣、水、金属氢氧化物溶液、金属硅酸盐溶液。

3、根据本发明的另一个方面，用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土的制备方法，其特征在于，步骤如下：

4、s1、根据工程需求确定地聚合物喷射混凝土的坍落度值，地下工程衬砌喷射混凝土坍落度要求为80mm-200mm；

5、s2、调整碱激发剂溶液的模数，以公式1进行计算：

6、公式1

7、

8、式中：g为需向目标模数下的水玻璃溶液中加入的naoh质量，g；g1为目标模数下的水玻璃液体质量，g；n为待调整模数的液体中sio2百分含量，％；m1为水玻璃的初始模数，1；m2为目标模数，1；p为naoh的分析纯度，％；40为naoh的分子量，1；60为sio2的分子量，1；

9、s3、确定碱激发剂的用量，可根据公式2计算：

10、公式2：

11、

12、式中，100x为水玻璃的用量，g；m0为100g水玻璃中所含溶质含量，g；

13、m胶凝材料为混凝土胶凝材料用量，kg。

14、当碱胶比为例已知的情况下，所需水玻璃溶液的质量为0.1x kg，naoh的质量为gxg；

15、s4、确定粗、细骨料之间的比例关系：采用质心法进行地聚合物喷射混凝土配合比设计；

16、s5、确定粉煤灰和矿渣两种硅铝原料的用量：基于最小富余浆体理论计算地聚合物喷射混凝土中胶凝材料用量；

17、s6、粉煤灰和矿渣的用量可根据公式3、4计算：

18、公式3：

19、v总＝v填充+v包裹+v富余

20、公式4：

21、v总＝t(m粗s粗+m细s细)+v空隙

22、公式5：

23、

24、式中：v总为浆液总体积，m3；v填充为填充骨料间的空隙浆液，m3；v包裹为包裹在骨料颗粒表面的浆液，m3；v富余为除去包裹骨料与填充空隙的剩余浆液，m3；t为包裹骨料的浆液厚度，m；m粗m细为粗、细骨料用量，kg；s粗、s细为粗、细骨料比表面积，m2/kg；v空隙为填充骨料颗粒空隙的浆液体积，m3；m胶为单方混凝土的胶凝材料用量，kg；p浆为浆液密度，kg/m3；mw/mc为水胶比；

25、s7、确定粗、细骨料用量：结合步骤s4得到的粗骨料和细骨料的比例关系，以及步骤s5中得到的骨料的空隙体积，确定每立方地聚合物喷射混凝土中粗、细骨料的用量；

26、s8、根据上述步骤s2—步骤s7中计算地聚合物混凝土的各组分用量，首先按照各组分用量将所有固体成分干混均匀，包括粉煤灰、矿渣、粗骨料和细骨料，搅拌时间为3min，随后加入碱性激发剂和外加水，继续搅拌4min，确保搅拌均匀后，对地聚合物混凝土拌合物进行测试，检验地聚合物混凝土拌合物的工作性能与基本力学强度。

27、更进一步的，所述的步骤s2中硅酸钠溶液的模数为2.9-3.5。

28、更进一步的，作为一种优选方案，所述矿渣用量占硅铝原料的30％，所述粉煤灰用量占硅铝原料的70％，硅铝原料由30％的矿渣和70％的粉煤灰组成。

29、所述粉煤灰为i级粉煤灰；矿渣为粒化高炉矿渣，等级为s95级；硅酸钠溶液即为水玻璃，其原始模数约为3.2，波美度为40；氢氧化钠纯度大于99％的颗粒状氢氧化钠(naoh)固体；粗骨料为连续级配的碎石，粒径分布范围为0-12mm，其中大粒径(9.50-12mm)、中粒径(4.75-9.50mm)和小粒径(<4.75mm)的比例关系为20％、40％和40％；细骨料为粒径小于4.75mm的普通水洗河砂，细度模数为2.72。

30、本发明用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土及其制备方法的有益效果为：

31、本发明针对现有技术在配制地聚合物喷射混凝土时选择材料的盲目性通过改变碱激发剂用量、水胶比、胶骨比的方式来调整地聚合物喷射混凝土的工作性能和强度性能，依据骨料堆积理通过质心法对骨料级配进行优化，选出堆积密度最大且符合要求的粗、细骨料，并基于最小富余浆体理论计算胶凝材料用量，提出了一种可根据工程需求调整材料性能的规范化地聚合物喷射混凝土配合比设计方法。总体而言，本发明主要具有以下优点：(1)确定了调整碱激发剂溶液模数的一般公式，以及根据碱胶比确定了碱激发剂的用量；(2)建立了粗骨料的大粒径、中粒径、小粒径，以及砂之间的比例关系，能满足大多数工程对地聚合物喷射混凝土工作性的要求；(3)粉煤灰与矿渣的组合使用在高温养护条件下其强度较常温养护高，因此针对地下的高地温环境，高温正好有利于其强度的提升，消除了高温对普通混凝土的劣化作用，有利于地聚合物喷射混凝土在高温环境下的推广应用；(4)提出的地聚合物配合比设计方法总体思路清晰，设计步骤简洁且易于遵循，避免了因反复试配导致的材料、时间和人力等反面的浪费，具有良好的实用性和可操作性。

技术特征：

1.用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土，包括粗骨料、细骨料、粉煤灰、矿渣、水、金属氢氧化物溶液、金属硅酸盐溶液。

2.用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土的制备方法，其特征在于，步骤如下：

3.根据权利要求2所述的用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土的制备方法，其特征在于：所述的步骤s2中硅酸钠溶液的模数为2.9-3.5。

4.根据权利要求2所述的用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土的制备方法，其特征在于：作为一种优选方案，所述矿渣用量占硅铝原料的30％，所述粉煤灰用量占硅铝原料的70％，硅铝原料由30％的矿渣和70％的粉煤灰组成。

技术总结
本发明涉及固体废弃物资源化利用和地聚合物材料制备技术领域，且公开了用于高地温巷道支护的高强喷射混凝土及其制备方法，根据工程需求确定地聚合物喷射混凝土的坍落度值；调整碱激发剂溶液的模数；确定碱激发剂的用量；确定粗、细骨料之间的比例关系；确定粉煤灰和矿渣两种硅铝原料的用量；确定粗、细骨料用量；计算地聚合物混凝土的各组分用量。本发明满足众多工程对材料的强度要求，有利于推广地聚合物混凝土的应用，尤其是在高地温地下工程支护方面，有利于地聚合物喷射混凝土在高温环境下的推广应用，避免了因反复试配导致的材料、时间和人力等反面的浪费，具有良好的实用性和可操作性。

技术研发人员：范利丹,王树仁,徐峰,张纪云,余永强,苏洲虎,郭聪
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29