專利名稱：一種隧道用高性能混凝土膠凝材料及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混凝土膠凝材料，特別涉及一種隧道用高性能混凝土的混凝土膠凝材料。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)90年代以后，由于許多大型結(jié)構(gòu)物尤其是高層建筑物和大跨度橋梁的興建，混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)提高，大劑量高效減水劑以及礦物摻·合料的復(fù)合應(yīng)用，使水灰比(水膠比)可以大幅度降低，配制生產(chǎn)出來的拌合物強(qiáng)度發(fā)展迅速，滿足了工程施工對(duì)混凝土的需求。這一時(shí)期，水泥混凝土技術(shù)還發(fā)生了一系列重大的變化，包括水泥中的硅酸三鈣(早強(qiáng)礦物)增多、粉磨細(xì)度加大，使活性大幅度提高；以散裝運(yùn)輸車大包裝方式運(yùn)送和儲(chǔ)存水泥的發(fā)展，使水泥進(jìn)入混凝土攪拌機(jī)時(shí)的溫度明顯升高，尤其在炎熱的夏季可達(dá)90-100°C ；混凝土中水泥用量的增大，進(jìn)一步加劇了水化溫升。水化溫升導(dǎo)致混凝土自身收縮增大，由于混凝土自生收縮增大，尤其是混凝土早期強(qiáng)度和彈性模量增長(zhǎng)迅速，徐變能力很快降低，使混凝土早期變形受約束產(chǎn)生的彈性拉應(yīng)力明顯增大，且得不到松弛，因此在外界的荷載和環(huán)境條件下引起的干縮、溫度收縮疊加作用下就容易出現(xiàn)開裂。盡管許多時(shí)候出現(xiàn)的裂縫尚在O. 20mm以內(nèi)，但是這種被認(rèn)為是對(duì)結(jié)構(gòu)承載力無害的裂縫，從耐久性的角度來說，正是外界侵蝕性的介質(zhì)進(jìn)入混凝土的通道，給混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成隱患。在隧道施工和其它一些特殊混凝土施工環(huán)境中，需要進(jìn)行噴射混凝土施工，當(dāng)混凝土被噴至目標(biāo)位置時(shí)，由于重力和彈力或者其它作用的力的共同作用，使得混凝土回彈，傳統(tǒng)混凝土的回彈率在15%左右，甚至更大，造成了物料的浪費(fèi)和施工人員工作環(huán)境的惡化。如何提高混凝土的耐久性和降低噴射混凝土回彈率一直是隧道用混凝土膠凝材料研究的熱門方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了克服現(xiàn)有混凝土耐久性不足、水泥用量過大、噴射回彈率高的缺點(diǎn)，提供一種隧道用高性能混凝土膠凝材料。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種混凝土膠凝材料，包括水泥和娃溶膠；所述硅溶膠為二氧化硅顆粒在水中的分散體系，硅溶膠失水后的二氧化硅與水泥的質(zhì)量比為O. 3 3 :100。優(yōu)選的，所述硅溶膠失水后的二氧化硅與水泥的質(zhì)量比為O. 5 I :100。硅溶膠可以有效降低噴射混凝土的回彈率，可以將混凝土噴射回彈率最低降至4. 1% ;并且，納米級(jí)二氧化硅可以明顯降低水泥漿體的結(jié)構(gòu)缺陷，改善微觀結(jié)構(gòu)，提高水泥硬化漿體的密實(shí)度和強(qiáng)度。硅溶膠中相對(duì)于混凝土的活性成分是二氧化硅水合物，所以用硅溶膠失水后的二氧化硅來限定硅溶膠。優(yōu)選的，所述混凝土膠凝材料還包括納米碳酸鈣，所述納米碳酸鈣的粒徑為I 60nm，所述納米碳酸鈣、硅溶膠失水后的二氧化硅和水泥的質(zhì)量比為O. 3 3 :0. 3 3 :100。納米碳酸鈣在水泥漿的水化過程中，參與水化反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣，阻礙或延緩鈣礬石AFt向AFm的轉(zhuǎn)化。納米碳酸鈣的加入使得水泥漿中鈣礬石AFt的數(shù)量提高，并出現(xiàn)低碳型水化碳鋁酸鈣3Ca0 · Al2O3 · CaCO3 · IlH2O,其結(jié)構(gòu)密實(shí)，可利于混凝土抗?jié)B性能提高。納米碳酸鈣還可以起到潤(rùn)滑作用，其摻加有利于大幅度提高相應(yīng)拌和物的窄口通過能力。隨著納米碳酸鈣摻入，C-S-H凝膠可在納米碳酸鈣表面形成并鍵合，鈣礬石也可在碳酸鈣表面生成，均可形成以納米碳酸鈣為核心的刺猬狀結(jié)構(gòu)。形成以納米礦粉為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，鍵合更多納米級(jí)的C-S-H凝膠，并鍵合成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可提高混凝土的早期強(qiáng)度，并且可以大大地提高水泥硬化漿體的物理力學(xué)性能和耐久性。 優(yōu)選的，所述納米碳酸鈣、硅溶膠失水后的二氧化硅和水泥的質(zhì)量比為O. 5 I :O. 5 I :100。優(yōu)選的，所述的納米碳酸鈣為膏狀納米碳酸鈣。膏狀納米碳酸鈣可以使得納米碳酸鈣加入施工更加容易。優(yōu)選的，所述的納米碳酸I丐粒徑為15 40nm。優(yōu)選的，所述混凝土膠凝材料還包括微珠，所述微珠、納米碳酸鈣、硅溶膠失水后的二氧化娃、水泥的質(zhì)量比為4 25 :0. 3 3 :0. 3 3 75 95 ;所述微珠為表面光滑的玻璃體，主要包括以下質(zhì)量百分比組分二氧化硅50 55%，三氧化二鋁25 26%，三氧化二鐵5 7%，氧化鈣5 6%，平均粒徑I. O I. 2 μ m，密度2. 52g/cm3，表觀密度O. 8-1. Og/cm3，球體抗壓強(qiáng)度彡800MPa，含水量彡O. 1%。微珠的加入可以改善混凝土的工作性能，并且能提高混凝土膠凝材料活性，水化產(chǎn)物更致密，進(jìn)一步提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。優(yōu)選的，所述混凝土膠凝材料還包括粉煤灰，所述微珠、粉煤灰、納米碳酸鈣、硅溶膠失水后的二氧化硅、水泥的質(zhì)量比為4 12 :15 40 :0. 3 3 :0. 3 3 50 80。粉煤灰可以替代部分水泥，可以降低成本并減少碳排放，能有效降低混凝土水化熱，粉煤灰有利于提聞混凝土工作性，密實(shí)性，進(jìn)一步提聞混凝土的耐久性。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述粉煤灰為一級(jí)粉煤灰。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述微珠、粉煤灰、納米碳酸鈣、硅溶膠失水后的二氧化硅、水泥的質(zhì)量比為6 12 20 40 :0· 5 I :0· 5 I :55 80。所述硅溶膠、納米碳酸鈣、微珠、粉煤灰按比例同時(shí)使用，能夠使得采用本發(fā)明提供的混凝土膠凝材料制備的混凝土的綜合性能提高。所述的混凝土膠凝材料應(yīng)用于混凝土。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果采用本發(fā)明提供的混凝土膠凝材料，納米材料能明顯降低水泥漿體的結(jié)構(gòu)缺陷，改善微觀結(jié)構(gòu)，提高水泥硬化漿體的密實(shí)度和強(qiáng)度。硅溶膠可以有效降低噴射混凝土的回彈率，可以將其最低降至4. 1%;并且，納米級(jí)二氧化硅可以明顯降低水泥漿體的結(jié)構(gòu)缺陷，改善微觀結(jié)構(gòu)，提高水泥硬化漿體的密實(shí)度和強(qiáng)度。納米碳酸鈣在水泥漿的水化過程中，參與水化反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣，阻礙或延緩鈣礬石AFt向AFm的轉(zhuǎn)化。納米碳酸鈣的加入使得水泥漿中鈣礬石AFt的數(shù)量提高，并出現(xiàn)低碳型水化碳鋁酸鈣3CaO-A1203 -CaC03 · 11H20，其結(jié)構(gòu)密實(shí)，可利于混凝土抗?jié)B性能提高。納米碳酸鈣還可以起到潤(rùn)滑作用，其摻加有利于大幅度提高相應(yīng)拌和物的窄口通過能力。隨著納米碳酸鈣摻入，C-S-H凝膠可在納米碳酸鈣表面形成并鍵合，鈣礬石也可在碳酸鈣表面生成，均可形成以納米碳酸鈣為核心的刺猬狀結(jié)構(gòu)。形成以納米礦粉為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，鍵合更多納米級(jí)的C-S-H凝膠，并鍵合成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可大大地提高水泥硬化漿體的物理力學(xué)性能和耐久性。微珠的加入可以改善混凝土的工作性能，并且微珠超細(xì)的特點(diǎn)能提高混凝土膠凝材料活性，水化產(chǎn)物更致密，進(jìn)一步提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。粉煤灰與微珠同時(shí)配合硅溶膠和膏狀納米碳酸鈣，硅溶膠和膏狀納米碳酸鈣這兩種非粉體納米材料通過拌合用水帶入混凝土拌和物中，充分發(fā)揮納米材料活性，可以顯著提高混凝土耐久性。與此同時(shí)，粉煤灰與微珠兩種活性礦物摻合料部分取代水泥，可大幅度降低水泥用量，減少碳排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合試驗(yàn)例及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)驗(yàn)例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。將硅溶膠(或者硅溶膠和納米碳酸鈣)加入至混凝土拌合用水，攪拌均勻，將其與水泥、骨料(或者包括微珠、粉煤灰、水泥、骨料)拌合均勻，摻入其它外加劑時(shí)，應(yīng)根據(jù)外加劑的狀態(tài)和技術(shù)使用要求，制定合理的混合步驟，同時(shí)確定攪拌時(shí)間，得到隧道用高性能混凝土。攪拌時(shí)間和骨料、水灰比(水膠比)不屬于本發(fā)明的技術(shù)方案內(nèi)容，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)相應(yīng)條件毫無異義確定上述實(shí)驗(yàn)條件。以下實(shí)驗(yàn)例均采用上述方法制得隧道用高性能混凝土 ；對(duì)比例只采用水泥作為混凝土膠凝材料制得混凝土。實(shí)施例中，實(shí)施例I 3采用固含量40%的硅溶膠，實(shí)施例4 6采用30%的硅溶膠。表I各實(shí)驗(yàn)例混凝土膠凝材料配方
權(quán)利要求
1.一種混凝土膠凝材料，其特征在于，所述混凝土膠凝材料包括水泥和硅溶膠； 所述硅溶膠為二氧化硅顆粒在水中的分散體系，硅溶膠失水后的二氧化硅與水泥的質(zhì)量比為O. 3 3 :100。
2.如權(quán)利要求I所述的混凝土膠凝材料，其特征在于，所述硅溶膠失水后的二氧化硅與水泥的質(zhì)量比為O. 5 I :100。
3.如權(quán)利要求I所述的混凝土膠凝材料，其特征在于，所述混凝土膠凝材料還包括納米碳酸鈣，所述納米碳酸鈣的粒徑為I 60nm，所述納米碳酸鈣、硅溶膠失水后的二氧化硅和水泥的質(zhì)量比為O. 3 3 :0· 3 3 =IOO0
4.如權(quán)利要求3所述的混凝土膠凝材料，其特征在于所述納米碳酸鈣、硅溶膠失水后的二氧化硅和水泥的質(zhì)量比為O. 5 I :0. 5 I :100。
5.如權(quán)利要求3或者4所述的混凝土膠凝材料，其特征在于，所述納米碳酸鈣為膏狀納米碳酸鈣。
6.如權(quán)利要求3或者4所述的混凝土膠凝材料，其特征在于，所述納米碳酸鈣粒徑為15 40nmo
7.如權(quán)利要求5所述的混凝土膠凝材料，其特征在于，所述納米碳酸鈣粒徑為15 40nmo
8.如權(quán)利要求3、5、6、7任一所述的混凝土膠凝材料，其特征在于，所述混凝土膠凝材料還包括微珠，所述微珠、納米碳酸鈣、硅溶膠失水后的二氧化硅、水泥的質(zhì)量比為4 25 :0. 3 3 :0. 3 3 75 95 ;所述微珠為表面光滑的玻璃體，主要包括以下質(zhì)量百分比組分二氧化硅50 55%，三氧化二鋁25 26%，三氧化二鐵5 7%，氧化鈣5 6%，平均粒徑I. O I. 2 μ m,密度2. 52g/cm3,表觀密度O. 8-1. Og/cm3,球體抗壓強(qiáng)度> 800MPa,含水量< O. 1%。
9.如權(quán)利要求8所述的混凝土膠凝材料，其特征在于，所述的膠凝材料還包括粉煤灰，所述微珠、粉煤灰、納米碳酸鈣、硅溶膠失水后的二氧化硅、水泥的質(zhì)量比為4 12 15 40 :0. 3 3 :0. 3 3 50 80。
10.如權(quán)利要求8所述的混凝土膠凝材料，其特征在于，所述的粉煤灰為一級(jí)粉煤灰。
11.如權(quán)利要求9或者10所述的混凝土膠凝材料，其特征在于，所述微珠、粉煤灰、納米碳酸鈣、硅溶膠失水后的二氧化硅、水泥的質(zhì)量比為6 12 20 40 :0. 5 I :0. 5 I :55 80。
12.如權(quán)利要求I 11任一所述的混凝土膠凝材料，其特征在于，所述混凝土膠凝材料應(yīng)用于混凝土。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混凝土膠凝材料，所述混凝土膠凝材料包括水泥和硅溶膠。本發(fā)明還公開了一種采用本發(fā)明提供的混凝土膠凝材料制備的隧道用高性能混凝土，且適用于噴射混凝土、模筑混凝土及其它。采用本發(fā)明提供的混凝土膠凝材料或者隧道用高性能混凝土，應(yīng)用于噴射混凝土，可有效降低回彈率，最低降至4.1%；而且其工作性能好，得到的混凝土成品早期強(qiáng)度高，抗凍性好、防水性能和耐久性都得到提高，可以降低水泥用量，減少碳排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。
文檔編號(hào)C04B28/00GK102838323SQ201210350200
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者孫亞婷, 梅志榮, 馬士偉, 李蓉, 杜俊, 李傳富 申請(qǐng)人:中鐵西南科學(xué)研究院有限公司