一种隧道二衬钢纤维混凝土及制备方法
阅读说明：本技术 一种隧道二衬钢纤维混凝土及制备方法 (Tunnel secondary lining steel fiber concrete and preparation method thereof ) 是由 吴玉友 刘长江 黄小川 陈松 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种隧道二衬钢纤维混凝土及制备方法。所述隧道二衬钢纤维混凝土的原料包括胶凝材料、钢纤维、碎石、水、砂、氧化石墨烯和聚羧酸高性能减水剂,所述胶凝材料由水泥和粉煤灰组成。氧化石墨烯先经过聚羧酸高性能减水剂的改性,在调控作用下使水化产物更加规整,从根源上改善了混凝土的固有缺陷,所以能够获得力学性能和耐久性都有大幅提升的效果。所述制备方法包括氧化石墨烯的分散处理、混凝土拌合物的制备、养护步骤。本制备方法使用改性后的氧化石墨烯和钢纤维作为掺杂料,纯粹通过物理手段提升混凝土的强度,使得其韧性、延性、密实度都得到了提升,且无需通过繁琐复杂的制备流程即可制得适用于隧道二次衬砌的混凝土。(The invention discloses a tunnel secondary lining steel fiber concrete and a preparation method thereof. The raw materials of the tunnel secondary lining steel fiber concrete comprise a cementing material, steel fibers, broken stones, water, sand, graphene oxide and a polycarboxylic acid high-performance water reducing agent, wherein the cementing material is composed of cement and fly ash. The graphene oxide is modified by the polycarboxylic acid high-performance water reducing agent, so that the hydration product is more regular under the regulation and control action, the inherent defect of the concrete is radically improved, and the effect of greatly improving the mechanical property and the durability can be obtained. The preparation method comprises the steps of dispersion treatment of graphene oxide, preparation of concrete mixture and maintenance. According to the preparation method, the modified graphene oxide and the steel fiber are used as the doping materials, the strength of the concrete is improved purely by a physical means, so that the toughness, the ductility and the compactness of the concrete are improved, and the concrete suitable for the secondary lining of the tunnel can be prepared without a complicated preparation process.)
技术领域
本发明涉及水、废水或污水的处理技术领域，特别涉及一种隧道二衬钢纤维 混凝土，以及该混凝土的制备方法。
背景技术
隧道是一种埋置在地层中的工程建筑物，它的开挖会破坏地层的初始应力平 衡，导致地层松动，围岩失稳以及洞室变形。为了约束围岩变形，增加结构的稳 定性，在隧道开挖后一般会立即对其进初期支护。待到初期支护的变形收敛后， 需要继续设置的衬砌结构，称为二次衬砌，其主要材料是混凝土。设置二次衬砌 的目的主要有：(1)基于围岩的不稳定性，“二衬”能够增加结构物的安全系数； (2)为了应对支护材料的劣化，“二衬”能够提升支护结构的耐久性；(3)当各 种如水压、上覆荷载发生时，“二衬”能够给予一定支持；(4)当围岩出现位移 和变形时，“二衬”能够给予隧道一定的约束力。同时，“二衬”对隧道结构也具 有一定的美观的功能。“二衬”不仅需要承担围岩压力与上覆荷载，而且要防 止地下水以及腐蚀离子对隧道的侵蚀，因此，二衬混凝土设计上必须满足相关力 学性能和耐久性的要求。但作为一层薄壁结构并且处于隧道的最外层，二衬混凝 土暴露在各种恶劣的环境下，往往会出现开裂、渗漏水等现象，最终缩减衬砌结 构的服役寿命并严重威胁隧道的安全运营。
混凝土是由胶凝材料和骨料胶结而成的一种不均质复合材料。作为当下最普 遍的一种建筑材料，它被广泛应用于土木工程。混凝土有众多优点，例如价格低 廉，可塑性好，强度较高等；但是缺点也十分明显，如自重大，韧性低，耐蚀性 较差。当前关于增强混凝土性能的技术方案主要有两个方向：
第一种是通过掺加其他材料研制新型高性能混凝土，第二个技术方向是通过 混凝土外加剂提升混凝土性能。但外加剂的制备工艺复杂。现有的混凝土外加剂 成分较多，往往需要复杂的工艺来进行处理，同时各种化学试剂之间的相容性也 需要解决。除此之外，某些化学试剂的价格较高，导致成本压力很大。并且外加 剂的功能较为单一。现有的混凝土外加剂大多是致力于解决混凝土某个缺陷，而 对其他方面的影响较小或者具有负面效果。例如早强剂对于混凝土的后期强度和 耐久性基本没有改善作用，并且会影响到混凝土的施工性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种隧道二衬钢纤维混凝土及制备方法，以解决现有技 术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
一种隧道二衬钢纤维混凝土，原料包括胶凝材料、钢纤维、碎石、水、砂、 氧化石墨烯和聚羧酸高性能减水剂，所述胶凝材料由水泥和粉煤灰组成，按质量 份计各原料的配比为：所述水泥282.3-331.1份，所述粉煤灰35.3-76.8份，所述 钢纤维39.3-117.8份，所述碎石1154.3份，所述水与所述胶凝材料的质量比为 0.47:1，所述砂与所述胶凝材料的质量比为2.02:1，所述氧化石墨烯为所述水泥 重量的0.01％-0.07％，所述聚羧酸高性能减水剂的固量为所述胶凝材料质量的 0.21％-0.24％。
本技术方案所使用的混凝土基准配比经过优化，从钢纤维掺量、粉煤灰掺量、 水胶比及砂率四个因素着手，优选出坍落度、粘聚力、保水性、抗压强度、劈裂 抗拉强度较佳的配比，再掺入改性的氧化石墨烯实现提供一种隧道二衬钢纤维混 凝土。氧化石墨烯良好分散在中，能够提高其力学性能和耐久性。其原因在于氧 化石墨烯先经过聚羧酸高性能减水剂的改性，在调控作用下使水化产物更加规 整，从根源上改善了混凝土的固有缺陷，所以能够获得力学性能和耐久性都有大 幅提升的效果。同时，钢纤维在混凝土中的桥接作用能提升混凝土的韧性和延性， 结合氧化石墨烯的填充效应和调控作用改善混凝土的微观结构，提高基体的密实 度。本技术方案的改性方式本质上都是物理手段，没有硅灰、矿渣、磷渣粉等辅 助材料参与反应，能更好地控制混凝土的反应过程。
在一些优选的实施方式中，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，表观密度为2600 kg/m3。
在一些优选的实施方式中，所述砂的细度模数为2.67，表观密度为2757 kg/m3，堆积密度为1457kg/m3。
在一些优选的实施方式中，所述钢纤维长约32mm，直径1.2mm，抗拉强度 738MPa。
在一些优选的实施方式中，所述碎石5-20mm连续级配，碎石堆积密度为 1750kg/m3，表观密度为2782kg/m3。
在一些优选的实施方式中，所述水泥为普通硅酸盐水泥；优选地，所述水泥 牌号为P.O.42.5。
在一些优选的实施方式中，所述聚羧酸高性能减水剂的减水率30-40％，总 氯离子含量≤0.1％，氯化钠含量≤2.0％。
本发明另一方面还公开了所述隧道二衬钢纤维混凝土的制备方法，包括步 骤：
氧化石墨烯的分散处理：向水中加入聚羧酸高性能减水剂，搅拌均匀，然后 加入氧化石墨烯搅拌均匀，经超声分散得到氧化石墨烯分散液；
混凝土拌合物的制备：将水泥、粉煤灰和砂加入到搅拌锅中干拌1-5min， 再加入钢纤维搅拌1-5min，后将氧化石墨烯分散液注入并搅拌1-5min，最后加 入碎石继续搅拌1-5min，获得混凝土拌合物；
养护：混凝土拌合物浇注后，每隔两小时喷洒水雾，且保持内部温度不超过 60℃，混凝土内部与表面的温差、表面与环境的温差不超过20℃，养护用水温 度与混凝土表面的温差不超过15℃。养护不当可能会导致水泥颗粒不能充分水 化，不能转化为稳定的结晶，最终影响混凝土的耐久性和整体性。
已知的通过外加剂增强混凝土性能的制备工艺较为复杂，常见的外加剂均致 力于解决单一问题且对其他方面的影响较小或具有负面影响，因此要考虑不同外 加剂之间的相容性问题，更需要复合调配且应用特定工艺才能混合均匀。
本技术方案使用改性后的氧化石墨烯和钢纤维作为掺杂料，纯粹通过物理手 段提升混凝土的强度，使得其韧性、延性、密实度都得到了提升，且无需通过繁 琐复杂的制备流程即可制得适用于隧道二次衬砌的混凝土。
在一些优选的实施方式中，所述氧化石墨烯的分散处理步骤中的搅拌是以每 分钟800-1000转的转速进行；进一步优选，加入聚羧酸高性能减水剂后搅拌 2min；更进一步优选，加入氧化石墨烯后搅拌5min。
在一些优选的实施方式中，所述氧化石墨烯的分散处理中超声分散的超声功 率为75W，超声时间为10min。
附图说明
图1是实施例1所述基准混凝土坍落度正交试验柱状图；
图2是实施例1所述基准混凝土抗压强度正交试验柱状图；
图3是实施例1所述基准混凝土劈裂抗拉强度正交试验柱状图；
图4是实施例2所述混凝土试件抗压强度柱状图；
图5是实施例2所述混凝土试件抗压强度提升率折线图；
图6是实施例2所述混凝土试件抗折强度柱状图；
图7是实施例2所述混凝土试件抗折强度提升率折线图；
图8是实施例2所述混凝土试件劈裂抗拉强度柱状图；
图9是实施例2所述混凝土试件劈裂抗拉强度提升率折线图；
图10是实施例2所述混凝土试件渗水高度折线图；
图11是实施例2所述混凝土试件氯离子渗透深度柱状图；
图12是实施例2所述混凝土试件氯氯离子迁移系数折线图；
图13是实施例2所述混凝土试件侵蚀试件抗压强度柱状图；
图14是实施例2所述混凝土试件对照试件抗压强度柱状图；
图15是实施例2所述混凝土试件耐蚀系数折线图；
图16是实施例2所述混凝土试件质量损失率折线图；
图17是实施例2所述混凝土试件相对动弹性模量损失率折线图；
图18是实施例2所述混凝土试件SFRC的电镜图；
图19是实施例2所述混凝土试件SFRC-1的电镜图；
图20是实施例2所述混凝土试件SFRC-3的电镜图；
图21是实施例2所述混凝土试件SFRC-5的电镜图；
图22是实施例2所述混凝土试件SFRC-7的电镜图；
图23是实施例2所述二衬钢纤维混凝土养护28天的水化产物电镜图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，基准混凝土配比优化设计
根据围岩的地质情况，隧道二衬混凝土的强度等级一般在C25～C35之间。 根据《混凝土泵送施工技术规程》规定，当在最大泵送高度不超过50m的情况 下，混凝土的入泵坍落度应在100mm～140mm之间。考虑到隧道工程对抗裂防 渗性能的要求以及拌合物的施工要求，本论文所设计的二衬混凝土强度等级为 C35，坍落度为140mm。本研究的混凝土配合比是根据《钢纤维混凝土》 (JGT472-2015)(2015)和《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)(2011) 计算所得。SFRC的配合比设计方法也是采用假定质量法或者体积法计算材料用 量，唯一不同之处在于需要考虑钢纤维的体积掺量。
本论文采用假定质量法来计算材料用量，具体计算过程如下：
(1)配置强度的确定
本研究的混凝土设计强度为C35，配置强度按下式(3-1)所示：
fcu,0≥fcu,k+1.645σ (3-1)
式中：
fcu,0---混凝土配置强度(MPa)；
fcu,k---抗压强度标准值(MPa)；
σ---标准差(MPa)。
σ按照表1取值：
表1
混凝土强度标准差
≤C20
C25～C45
C50～C55
σ
4.0
5.0
6.0
(2)水胶比确定按下式(3-2)计算：
式中：
W/B---混凝土水胶比；
αa、αb---回归系数(根据标准规定，分别取值0.53和0.2)；
fb---28天胶砂强度(MPa)。
(3)fb的取值由下式(3-3)确定：
fb＝γfγsfce (3-3)
式中：
γf、γs---粉煤灰和粒化高炉矿渣粉影响系数，本试验只掺加15％的粉煤灰， 因此系数γf取值0.8，γs取1.0；
fce---28天胶砂抗压强度(MPa)。
(4)fce的取值按下式(3-4)确定：
fce＝γcfce,g (3-4)
式中：
γc---水泥强度等级值的富余系数，依照标准规定，本试验取值1.16；
fce,g---水泥强度等级值。
(5)混凝土用水量和砂率根据坍落度、碎石粒径分别按照标准规定来确定。
(6)钢纤维掺量以及粗细骨料的用量根据下式(3-5)～(3-7)确定：
式中：
mf0、mc0、mg0、ms0、mw0和mcp---分别为1立方米混凝土里矿物掺合料 的用量、水泥的用量、粗骨料料的用量、细骨料的用量、水的用量以及1立方米 混凝土的假定质量(2350Kg/m3～2450Kg/m3)；
βs---砂率(％)；
---钢纤维体积率(％)。
(7)基准配合比如表2所示。
表2二衬钢纤维混凝土基准配合比
以钢纤维掺量、粉煤灰掺量、水胶比和砂率这四种因素进行正交试验，代号 分别为A、B、C和D，每个因素取三个水平值，即设计四因素三水平(L934) 的正交表，正交实验各因素水平取值表如表3所示。
表3
根据各因素与水平的组合，最终生成A3B2C3D1、A3B3C1D2、A2B1C3D2、 A2B3C2D1、A2B2C1D3、A1B3C3D3、A1B1C1D1、A3B1C2D3和A1B2C2D2 等9个处理结果。将其依次命名为方案1～9。依次浇筑出每组混凝土，在搅拌 的过程中，记录每组方案混凝土的坍落度。浇筑成型后，按照规范将试件养护 28d，之后研究每组混凝土的力学性能，对各种方案的结果进行分析和筛选，从 中评选出最优基准配合比。每组方案的具体配比如表4所示。
表4
方案
水泥
粉煤灰
砂
碎石
水
减水剂
钢纤维
水胶比
砂率
1
299.9
53.0
677.9
1154.3
172.9
0.77
117.8
0.49
37％
2
307.4
76.8
738.0
1154.3
172.9
0.77
117.8
0.45
39％
3
317.6
35.3
738.0
1154.3
172.9
0.77
78.5
0.49
39％
4
294.3
73.6
677.9
1154.3
172.9
0.77
78.5
0.47
37％
5
326.6
57.6
802.1
1154.3
172.9
0.77
78.5
0.45
41％
6
282.3
70.6
802.1
1154.3
172.9
0.77
39.3
0.49
41％
7
345.8
38.4
677.9
1154.3
172.9
0.77
39.3
0.45
37％
8
331.1
36.8
802.1
1154.3
172.9
0.77
117.8
0.47
41％
9
312.7
55.2
738.0
1154.3
172.9
0.77
39.3
0.47
39％
为了确定混凝土的工作性能，对各个方案的新拌混凝土进行了坍落度试验。 对SFRC的流动性评价以坍落度为主，同时观察浆体的粘聚力和保水性。结果如 图1所示，每一组试配混凝土的坍落度大相径庭。试验过程中发现钢纤维的掺量 对混凝土的流动性有显著影响。同时当SFRC中钢纤维掺量较大时，混凝土便难 以搅拌，出现浆体分离的现象。这也表明在实际过程中需要在满足泵送要求的前 提下确定钢纤维的掺量。现有研究表明，钢纤维的大量掺入，在混凝土浆料中交 错搭接，与碎石之间形成一种空间网状结构，这种结构形式在一定程度上对粗骨 料起了支撑作用，限制了混凝土浆料的流动性。这种情况需要更多的水泥浆体对 钢纤维进行包裹，或者调整砂率，改善混凝土的骨料级配，增强混凝土的和易性。 根据本试验的设计初衷，方案3、方案4、方案7和方案9的坍落度接近140mm， 而其他组的混凝土黏聚性或者保水性相对不理想。
优化试配方案混凝土养护28天的抗压强度结果如图2所示，劈裂抗拉强度 结果如图3所示。每组混凝土的抗压强度相对较为接近，在考虑尺寸效应的情况 下，基本都达到了C35强度等级。而隧道二衬混凝土作为一层薄壁结构，相比 之下，它的抗裂性能是更为重要的考量指标。正如图3，方案4的劈裂抗拉强度 相对其他方案更高，在结合前文混凝土工作性能的测试结果，初步可以确定方案 4是最佳方案。
实施例2，氧化石墨烯掺量优化试验
通过添加氧化石墨烯来对基准混凝土改性，选择0.00wt％、0.01wt％、 0.03wt％、0.05wt％和0.07wt％五个用量，研究不同掺量的氧化石墨烯对混凝土试 件力学性能和耐久性能的影响。氧化石墨烯改性的混凝土试件的配比如表5所 示。
表5氧化石墨烯改性二衬钢纤维混凝土配合比Kg/m3
表5中的配比还根据氧化石墨烯掺量的增加调整了减水剂的用量。这样处理 的原因是氧化石墨烯对混凝土的流动性有负面效果，并且这种效果会随着氧化石 墨烯用量的增多而变强。这就导致在其他材料相同的条件下，氧化石墨烯掺量越 高的混凝土流动性越差。相应的每组混凝土的水化环境因此发生改变，氧化石墨 烯掺量低的混凝土有更多的自由水参与反应，混凝土的实际水胶比已经发生了改 变。除此之外，因每组混凝土流动性不同，导致它们的振实效果也不一样，最终 的孔隙结构也受到额外的干扰。在这种情况下，比较混凝土的性能是没有意义的， 因为很难说明混凝土性能的改善是氧化石墨烯的原因还是实际水胶比不一样的 原因。
基于上述考虑，本实施例经过试验，确定了不同氧化石墨烯掺量对应的减水 剂用量。当氧化石墨烯掺量更高时，通过多加减水剂来释放氧化石墨烯吸附的水， 从而控制每组混凝土的坍落度与基准组大致相同，在此基础上再来讨论氧化石墨 烯对混凝土的影响。
对各混凝土试件进行了相关性能试验：
1、表6和图4-9所示为混凝土试件的力学性能结果，其表明氧化石墨烯和 钢纤维显著提升了混凝土的强度。混凝土试件SFRC-5的抗压强度最佳，28天抗 压强度达到53.3MPa，相比基准混凝土试件SFRC提升20.1％；混凝土试件SFRC-3 的抗折和劈裂抗拉强度最佳，28天时分别达到7.6MPa和4.63MPa，相比基准混 凝土试件SFRC分别提升29.8％和26.2％。
表6混凝土试件各龄期抗压、抗折及劈裂抗拉强度
2、表7和图10所示为混凝土试件在28天的抗水渗透性能，可以看到混凝 土试件SFRC-5的渗水高度最低，相比基准混凝土试件SFRC下降了47.8％。
表7混凝土试件抗水渗透性能
3、表8和图11、12为混凝土试件在28天和56天的抗氯离子渗透性能的对 比，结果表明混凝土试件SFRC-5的56天的抗氯离子渗透性能最佳，氯离子渗 透深度下降56.8％。
表8混凝土试件氯离子渗透深度
试件编号
28d渗透深度(mm)
下降率
56d渗透深度(mm)
下降率
SFRC
10.4
-
8.8
-
SFRC-1
9.4
9.6％
6.4
27.3％
SFRC-3
4.8
53.8％
4.3
51.1％
SFRC-5
6.2
40.4％
3.8
56.8％
SFRC-7
9.1
12.5％
6.2
29.5％
4、表9和图13-15所示为混凝土试件抗硫酸盐侵蚀的性能。能够发现，氧化 石墨烯显著改善了混凝土试件的耐蚀性。其中混凝土试件SFRC-3的耐蚀系数最 高。应该指出的是，氧化石墨烯表面上有大量的活性基团，它们可以参与水合过 程并调节水泥水合产物，从而在氧化石墨烯表面上形成致密而规则的结构。另外， 氧化石墨烯增强了浆料与骨料之间的界面粘附，修复了混凝土微观结构的缺陷和 界面薄弱区域，从而显着提高了混凝土的机械性能和耐腐蚀性。另外，氧化石墨 烯的超大比表面积和超柔性二维薄膜纳米层结构也是阻挡腐蚀离子的物理屏障。
表9混凝土试件耐蚀性
5、表10和图16、17所示为混凝土抗冻融的性能。可以看出，基准混凝土试 件SFRC的冻融损失相比加了氧化石墨烯的其他四组混凝土试件更大，在100次冻 融循环后，基准混凝土试件SFRC的质量损失高达20.7％，相对动弹性模量损失 58.9％，而掺入氧化石墨烯的混凝土试件的相对动弹性模量损失和质量损失率都 要低于基准混凝土试件SFRC，其中混凝土试件SFRC-5的冻融损失最低，100次 冻融循环后，质量损失和相对动弹模损失分别是4.5％和32.6％。
表10混凝土试件冻融损失率
6、图18-22所示依次为上述5组混凝土试件的28天微观形貌的对比。展示基 准混凝土试件SFRC的图18能够明显观察到微裂纹和孔隙。观察图19-22，不难发 现，氧化石墨烯的掺入减少了混凝土内部的微裂纹和孔隙(在3-5μm尺寸下可 观察到的微裂纹和孔隙明显少于图18)。同时调控了水化产物的聚集形态，使其 生长为致密规整的花状晶体(图20和21)，提高了混凝土的密实度，从根源上修 复了混凝土材料的固有缺陷。
从图23可以发现，钢纤维与混凝土的基体形成了良好的咬合，纤维与浆料之 间没有太过明显的界面过渡区。这得益于钢纤维的波纹面增加了纤维表面的持水 量，使得界面区的水胶比较水泥基质更大，水膜层厚度增大，水化产物的生长不 再受到任何约束，从而形成晶体富集层，加强基体与钢纤维之间的机械咬合力与 界面摩擦力。而通过钢纤维的表面放大图不难发现，由于氧化石墨烯对水化反应 的促进作用，钢纤维的表面覆盖着丰富致密的凝胶状水化产物，增强了浆体与钢 纤维表面的胶结力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而 且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发 明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性 的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要 求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。