一种富水隧道喷射混凝土及其制备方法和应用

本发明涉及了喷射混凝土的，具体涉及了一种富水隧道喷射混凝土及其制备方法和应用。

背景技术：

1、某高速隧道地质条件复杂，围岩等级高，在隧道开挖过程中，开挖断面出现较大的水流量，且引流难度高，在对隧道岩体表面进行喷射混凝土时，采用常规的喷射混凝土，在水流冲刷(岩体节理裂隙发育，股流水直径≤3cm)作用下，喷射混凝土与岩体粘结性能差，回弹量大，一次喷射掉块严重，初支喷射混凝土完整性差，多次补喷仍存在局部掉块严重的现象，不仅影响隧道混凝土的外观效果，也影响隧道的质量。

2、因此，对于较大量的流动性水体冲刷的岩体表面进行喷射混凝土时，研究出一种能稳定附于岩石表面，减少或避免补喷的喷射混凝土具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术对于较大量的流动性水体冲刷的岩体表面进行喷射混凝土时存在喷射效果差，会出现掉块严重的问题，提供一种富水隧道喷射混凝土及其制备方法和应用，本发明提供的混凝土在面对岩体表面存在较大流量的流动性水条件下，依然能实现喷射混凝土表面较光滑平整，无掉块的效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种富水隧道喷射混凝土，按重量份计包括以下原料制备而成的，水泥380～409份、粉煤灰46～60份、纳米微硅粉18～22份、砂910～920份、小石740～750份、改性聚丙烯多锚点纤维38～42份、速凝剂26～30份、减水剂6～8份；水180～190份；

4、其中，所述速凝剂按重量份计包括以下原料制备得到的，40～50份十八水硫酸铝，5～10份无定形纳米氧化铝，1～3份硫酸钙，0.5～1份edta，1～5份三乙醇胺，10～15份硫酸溶液，5～10份硝酸溶液，3～5份甲酸，5～10份硝酸铝，20～50份水；

5、所述速凝剂的初凝时间≤4min，终凝时间≤7min；

6、所述纳米微硅粉中sio2含量≥95％，平均粒径≤0.1μm，比表面积≥18000m2/kg，需水量比≤105％；

7、所述改性聚丙烯多锚点纤维为表面有压痕的改性聚丙烯pp纤维，比重0.90-0.98g/cm3；长度：20-30mm；直径≥0.15mm；断裂强度大于等于450mpa；耐碱性能≥96％。

8、本发明提供的富水隧道喷射混凝土，主要由水泥、粉煤灰、纳米微硅粉、砂、小石、改性聚丙烯多锚点纤维、速凝剂、减水剂和水制备得到的，通过向原料种加入特定的速凝剂、特定规格的纳米微硅粉以及特定规格的改性聚丙烯多锚点纤维并针对性的调整原料配比，使得本发明提供的混凝土在面对岩体表面存在较大流量的流动性水条件下，依然能实现喷射混凝土表面较光滑平整，强度发展快、整体性好，无掉块问题，便于推广应用。

9、通过实验探究发现，改变速凝剂的特性，改变纳米微硅粉的规格以及改变改性聚丙烯多锚点纤维的特定规格，均会使得制备的混凝土无法满足较大量的流动性水体冲刷的岩体表面的喷射效果。

10、其中，本技术提供的速凝剂主要是由十八水硫酸铝，无定形纳米氧化铝，硫酸钙，edta，三乙醇胺，硫酸，硝酸，甲酸，硝酸铝和水制备得到的，制备得到的速凝剂具有快凝早强增韧的作用，能缩减混凝土凝结时间、增加水化产物之间的桥接性并促进早期强度发展。

11、本技术原料中添加的纳米微硅粉能够增加混凝土粘度与微结构密实度，增强与岩体的连接性能。

12、本技术原料中添加的改性聚丙烯多锚点纤维能够提高混凝土抗拉强度与韧性，增强混凝土的整体性，避免局部水流冲刷溃散而掉块。

13、进一步的，按重量份计包括以下原料制备而成的，水泥395～409份、粉煤灰55～60份、纳米微硅粉20～22份、砂915～920份、小石745～750份、改性聚丙烯多锚点纤维40～42份、速凝剂27～30份、减水剂6～8份、水180～185份。研究发现，特定的速凝剂、纳米微硅粉以及改性聚丙烯多锚点纤维超过本技术提供的配方范围，制备的混凝土效果会明显下降，各个原料相互配合下，才能实现本技术富水隧道喷射的效果。

14、进一步的，所述速凝剂按重量份计包括以下原料制备得到的，44～48份十八水硫酸铝，6～8份无定形纳米氧化铝，2～3份硫酸钙，0.8～1份edta，2～4份三乙醇胺，12～15份硫酸溶液，6～8份硝酸溶液，3～5份甲酸，6～8份硝酸铝，30～45份水。

15、进一步的，所述硫酸溶液是浓度为0.15～0.3mol/l的水溶液；所述硝酸溶液是浓度为0.8～1.5mol/l的水溶液。

16、进一步的，所述速凝剂包括以下步骤制备得到的：

17、s1、将硫酸、硝酸和甲酸混合，搅拌均匀，水浴加热至75℃～85℃，加入无定形纳米氧化铝和硝酸铝，搅拌30～60min，过滤去掉残渣，冷却至室温，得到硫铝酸盐络合物；

18、s2、将水加热至75℃～85℃，搅拌条件下，缓慢加入十八水硫酸铝和s1得到的硫铝酸盐络合物，搅拌至溶液基本澄清；

19、s3、搅拌条件下，将硫酸钙与edta缓慢加入s2得到的物料中，继续搅拌30～60min；

20、s4、向s3得到的物料中加入三乙醇胺，搅拌10～20min后，静置冷却至室温，得到速凝剂。

21、进一步的，所述砂的细度模数为2.7-3.1，石粉含量≤7％；所述小石的粒径为5-10cm；所述减水剂为高性能聚羧酸减水剂。优选地，所述砂为机制砂。

22、本发明的另一目的是提供上述富水隧道喷射混凝土的制备方法。

23、如上述述的富水隧道喷射混凝土的制备方法，包括以下步骤：

24、步骤1、将砂、小石、水泥、粉煤灰、改性聚丙烯多锚点纤维与纳米微硅粉进行搅拌混合均匀，得到第一物料；

25、步骤2、向所述第一物料内加入水和减水剂，搅拌混合均匀，得到第二物料；

26、步骤3、喷射施工前，向所述第二物料中加入速凝剂，得到富水隧道喷射混凝土。

27、本技术提供了富水喷射混凝土的制备方法，主要包括步骤1、将砂、小石、水泥、粉煤灰、改性聚丙烯多锚点纤维与纳米微硅粉进行搅拌混合均匀，得到第一物料；步骤2、向所述第一物料内加入水和减水剂，搅拌混合均匀，得到第二物料；步骤3、喷射施工前，向所述第二物料中加入速凝剂，得到富水隧道喷射混凝土；制备过程简单，成本较低。

28、本发明的又一目的是提高上述富水隧道喷射混凝土的应用。

29、一种上述的富水隧道喷射混凝土在喷射水流冲刷下的岩体表面中的应用。

30、进一步的，岩体表面股状水流直径≤3cm。更进一步的，岩体表面股状水流直径为1～3cm。

31、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

32、1、本发明提供的富水隧道喷射混凝土，主要由水泥、粉煤灰、纳米微硅粉、砂、小石、改性聚丙烯多锚点纤维、速凝剂、减水剂和水制备得到的，通过向原料种加入特定的速凝剂、特定规格的纳米微硅粉以及特定规格的改性聚丙烯多锚点纤维并针对性的调整原料配比，使得本发明提供的混凝土在面对岩体表面存在较大流量的流动性水条件下，依然能实现喷射混凝土表面较光滑平整，强度发展快、整体性好，无掉块问题，便于推广应用。

33、2、本技术提供的速凝剂主要是由十八水硫酸铝，无定形纳米氧化铝，硫酸钙，edta，三乙醇胺，硫酸，硝酸，甲酸，硝酸铝和水制备得到的，制备得到的速凝剂具有快凝早强增韧的作用，能缩减混凝土凝结时间、增加水化产物之间的桥接性并促进早期强度发展。纳米微硅粉能够增加混凝土粘度与微结构密实度，增强与岩体的连接性能。改性聚丙烯多锚点纤维能够提高混凝土抗拉强度与韧性，增强混凝土的整体性，避免局部水流冲刷溃散而掉块。

34、3、本技术提供了富水喷射混凝土的制备方法，主要包括步骤1、将砂、小石、水泥、粉煤灰、改性聚丙烯多锚点纤维与纳米微硅粉进行搅拌混合均匀，得到第一物料；步骤2、向所述第一物料内加入水和减水剂，搅拌混合均匀，得到第二物料；步骤3、喷射施工前，向所述第二物料中加入速凝剂，得到富水隧道喷射混凝土；制备过程简单，成本较低。

35、4、本发明还提供了富水隧道喷射混凝土在喷射水流冲刷下的岩体表面中的应用。