一种轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料及其制备方法

本发明涉及隧道工程材料，尤其涉及一种轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料及其制备方法。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、随着隧道结构服役时间的增加，越来越多的隧道进入带病害服役阶段，目前对隧道结构脱空病害的研究相对较少。空洞严重影响隧道衬砌结构的承载力，导致衬砌结构承载不均匀产生应力集中现象，致使二次衬砌开裂，二次衬砌开裂则将进一步引起渗漏水、冻害和钢筋锈蚀等一系列危害，还可能诱发围岩松弛或失稳脱落，严重时会发生突发性崩塌事故；而且隧道空洞隐蔽性潜在危害较大。

3、专利cn 115626789 b(授权公告日：2023.09.05)公开了一种用于tbm隧道衬砌背后充填的低碳抗渗注浆材料及其制备方法，其由普通硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰、炉渣、膨润土和生物质灰作为基体材料，以硅灰、纳米sio2、消泡剂和向日葵秆灰作为专用增密剂。该专利的结石体在经过28d的养护之后抗压强度低于20mpa，早期强度和后期强度均比较低；而且形成的结石体密度均较大，这会增加隧道结构的自重荷载，同时水泥基材料的导热系数一般较高，易引起建筑围护结构热量增益，对隧道结构稳定性和运行安全性起到不利影响。

4、因此，如何提供一种轻质、高强、热导率低且适用于隧道脱空病害水泥基修复材料是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料及其制备方法，解决了现有技术中隧道脱空病害修复材料强度低、密度大且热导率高的问题，且固化时间短，与结构原有界面相容性好。

2、第一方面，本发明提供了一种轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料，由以下质量份数的原料制成：水280～320份、胶凝材料850～950份、超细粉煤灰漂珠320～450份、减水剂4～6份、减缩剂8～12份；所述胶凝材料包括水泥和硅灰，所述硅灰占胶凝材料的质量分数为5～10wt％。

3、优选的，所述水泥为等级不低于52.5的普通硅酸盐水泥。

4、进一步的，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，其与普通硅酸盐水泥具有良好的界面相容性。

5、优选的，所述超细粉煤灰漂珠的平均颗粒密度为800～920kg/m3。超细粉煤灰漂珠具有坚硬的外壳，内部中空，因此具有较低的密度和低导热性。在本发明中，超细粉煤灰漂珠的添加量较大，能够确保最终的产品具有低密度和低导热性，以减轻修复材料的自重以及有效减少建筑围护结构的热量增益，避免对既有衬砌结构稳定性产生不利影响。

6、优选的，所述超细粉煤灰漂珠的粒径为10～300μm；所述超细粉煤灰漂珠中sio2、al2o3和cao的总质量分数在90％以上。超细粉煤灰漂珠中玻璃态的sio2和al2o3可以与水泥水化生成的氢氧化钙和水发生水化反应，生成具有水硬性特点的水化硅酸钙、水化铝酸钙等，并填充于毛细孔隙内。由于超细粉煤灰的粒径小，其中的sio2和al2o3的活性高，水化反应能力强。

7、优选的，所述减缩剂包括丙三醇、聚丙烯醇、新戊二醇或二丙基乙二醇中的一种或多种。减缩剂能够降低水的表面张力，进而降低材料中夹带的空气含量，进而提高修复材料的性能。

8、优选的，所述硅灰占胶凝材料的质量分数为8wt％。硅灰的掺入能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能，可降低成本，提高耐久性。

9、优选的，所述原料中的水胶比为0.32～0.45，进一步优选为0.32～0.35。水胶比是水与胶凝材料的质量比，其对修复材料的力学性能影响较大，如果水胶比过大，会导致修复材料内部空隙增多，从而导致其力学性能严重下降；如果水胶比过小，将导致拌合物过于干稠，流动性差，增加施工难度，同时还会导致材料出现较多的蜂窝、孔洞，同样也会导致强度降低。

10、第二方面，本发明提供了上述轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料的制备方法，包括如下步骤：

11、按质量份数称取水、水泥、硅灰、超细粉煤灰漂珠、减水剂和减缩剂；

12、将水泥、超细粉煤灰漂珠和硅灰一次性加入搅拌机中，搅拌3～5min，得混合物；

13、将减水剂、减缩剂和水加入搅拌机中拌合均匀，即得。

14、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

15、(1)本发明提供的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料的原料中引入了较大质量份数的具有中空颗粒结构的超细粉煤灰漂珠，使最终的修复材料具有低密度和低热导率，自重小，对既有衬砌结构附加荷载较小，较低的热导率有效减少建筑围护结构的热量增益，确保了在隧道结构脱空病害整治过程中既有衬砌结构的稳定性，提高了安全性。

16、(2)本发明的胶凝材料中硅灰的引入能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能；减缩剂的引入减少了空气引入的空隙带来的不良影响，合适的水胶比确保修复材料具有较高的力学性能；因此本发明得到的修复材料具有轻质高强、低导热、低收缩率的性能，同时与既有衬砌结构界面相容性好，可以有效对隧道结构空洞进行整治。

技术特征：

1.一种轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料，其特征在于，由以下质量份数的原料制成：水280～320份、胶凝材料850～950份、超细粉煤灰漂珠320～400份、减水剂4～6份、减缩剂8～12份；所述胶凝材料包括水泥和硅灰，所述硅灰占胶凝材料的质量分数为5～10wt％。

2.如权利要求1所述的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料，其特征在于，所述水泥为等级不低于52.5的普通硅酸盐水泥。

3.如权利要求2所述的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。

4.如权利要求1所述的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料，其特征在于，所述超细粉煤灰漂珠的平均颗粒密度为800～920kg/m3。

5.如权利要求1所述的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料，其特征在于，所述超细粉煤灰漂珠的粒径为10～300μm。

6.如权利要求1所述的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料，其特征在于，所述超细粉煤灰漂珠中sio2、al2o3和cao的总质量分数在90％以上。

7.如权利要求1所述的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料，其特征在于，所述减缩剂包括丙三醇、聚丙烯醇、新戊二醇或二丙基乙二醇中的一种或多种。

8.如权利要求1所述的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料，其特征在于，所述硅灰占胶凝材料的质量分数为8wt％。

9.如权利要求1所述的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料，其特征在于，所述原料中的水胶比为0.32～0.45。

10.如权利要求1～9任一项所述的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料及其制备方法，属于隧道工程材料技术领域。本发明提供的轻质高强水泥基隧道脱空病害修复材料由以下质量份数的原料制成：水280～320份、胶凝材料850～950份、超细粉煤灰漂珠320～400份、减水剂4～6份、减缩剂8～12份；所述胶凝材料包括水泥和硅灰，所述硅灰占胶凝材料的质量分数为5～10wt％。本发明得到的修复材料具有轻质高强、低导热、低收缩率的性能，同时与既有衬砌结构界面相容性好，可以有效对隧道结构空洞进行整治。技术研发人员：张峰领,汤敏,李景龙,崔玉鹏,孟翔宇,庞锴,郑秀芳,苏同春受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5