一种高性能自密实混凝土组合物及其制备方法与流程

本发明属于土木工程材料的，更具体地，涉及一种高性能自密实混凝土组合物及其制备方法。

背景技术：

1、近年来山区高速公路改扩建工程日渐增多，运营20～30年的隧道存在不同程度的衬砌开裂、剥落、渗漏水、衬砌强度以及部分衬砌厚度不足等问题，需要进行结构加固处治。现阶段旧隧道常见加固方式主要如下：

2、钢板带加固：采用钢板带加固一般适用于运营期快速加固，但耐久性和美观性较差。

3、钢拱架加固：钢拱架加固施工工艺相对简单快速，但外观和耐久性较差，对建筑限界空间要求较高。

4、拆换二衬：拆换二衬施工周期长、施工风险高、造价高，同时极容易造成既有防水系统的破坏且难以有效恢复，造成防水效果差等问题。

5、套拱加固：采用厚度较薄、强度较高的套拱作为永久性加固方式，其加固效果、美观性、耐久性均较好。但若采用普通高强混凝土作为加固材料，虽然造价较低，但工作性能一般，流动性和通过性均较差，难以兼顾力学性能和工作性能要求，在较密配筋且厚度较薄的套拱施工中不易振捣，易形成空洞、蜂窝；同时抗裂性能和抗渗性能均较差。若采用超高性能混凝土（uhpc）作为套拱加固材料，虽然强度和工作性能好，但所用原材料的价格昂贵，且配合比设计和生产工艺要求高；施工要求严苛，同时对施工、预拌设备和人员技术水平及工作经验要求较高；结构物应用难普及，经济性不高，难以大面积推广。

技术实现思路

1、本发明针对旧隧道存在的衬砌结构裂缝、强度或厚度不足以及渗漏水等问题，提供一种高性能自密实混凝土组合物及其制备方法，具有无需振捣，工作性能稳定、强度和抗渗性优异的特点。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种高性能自密实混凝土组合物，按重量份数包括以下组分：

4、胶凝材料，所述胶凝材料包括水泥396-441份、复合抗裂剂29-32份和微硅粉57-65份；

5、所述复合抗裂剂由纳米sio2、粉末状减缩剂和温敏膨胀微胶囊按质量比(10-15):(8-12):(6-10)组成，其中所述温敏膨胀微胶囊的壳材为聚甲基丙烯酸甲酯，芯材为月桂酸；

6、钢纤维28-32份；

7、中砂851-880份；

8、碎石818-845份，粒径5-20mm连续级配；

9、拌合水，其用量与胶凝材料的水胶比为0.35-0.38；和

10、聚羧酸系复合减水剂，掺量为胶凝材料总质量的1.3-1.5%。

11、作为本发明的一种优选技术方案，所述温敏膨胀微胶囊的平均粒径为10-50μm，膨胀起始温度为40-50℃。

12、作为本发明的一种优选技术方案，所述微硅粉为sf90级微硅粉。

13、作为本发明的一种优选技术方案，所述钢纤维为端钩型钢纤维，长度为12-14mm，直径为0.21-0.23mm，长径比为58-62。

14、其中，所述端钩型钢纤维的抗拉强度≥1000mpa，具有增加混凝土韧性的作用。

15、作为本发明的一种优选技术方案，所述中砂的细度模数为2.6-2.9，亚甲蓝值mb≤1.0。

16、作为本发明的一种优选技术方案，所述碎石经5mm筛孔累计筛余为0%-10%，经10mm筛孔累计筛余为30%-60%，经16mm筛孔累计筛余为70%-90%。进一步优选地，所述碎石为反击破碎石。

17、作为本发明的一种优选技术方案，所述复合抗裂剂中，所述纳米sio2为气相纳米二氧化硅，比表面积≥200m2/g。

18、作为本发明的一种优选技术方案，所述温敏膨胀微胶囊的芯壳质量比为(1.5-2.5):1。

19、作为本发明的一种优选技术方案，所述温敏膨胀微胶囊通过原位聚合法制备，制备方法包括以下步骤：在45-55℃水浴中，将预热熔化后的月桂酸、甲基丙烯酸甲酯单体及引发剂混合，得到油相；将乳化剂分散于去离子水中，形成水相；伴随搅拌操作，将油相持续性滴入水相中，滴加完毕后升温至65-75℃聚合3-5小时，随后经离心、洗涤干燥，得到温敏膨胀微胶囊。

20、进一步地，所述引发剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化苯甲酰、过硫酸钾中的至少一种，用量为甲基丙烯酸甲酯单体质量的1.0%-3.0%；所述乳化剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、吐温80、司盘80、甜菜碱中的至少一种，用量为水相质量的0.2%-1.0%。

21、其中，甲基丙烯酸甲酯单体聚合生成聚甲基丙烯酸甲酯，在反应过程中因界面张力作用自发向油滴外层迁移，月桂酸与聚甲基丙烯酸甲酯相容性有限，从而形成月桂酸为芯材，聚甲基丙烯酸甲酯为壳材的温敏膨胀微胶囊。

22、进一步地，所述油相占反应体系总质量的10-12%；所述洗涤干燥是指，采用去离子水洗涤2-4次，随后在55-65℃真空干燥至恒重。

23、进一步地，所述复合抗裂剂由纳米sio2、粉末状减缩剂和温敏膨胀微胶囊按质量比(12-14):(9-11):(7-9)组成。

24、进一步地，所述复合抗裂剂的制备方法为：按质量比将纳米sio2、粉末状减缩剂和温敏膨胀微胶囊混合，得复合抗裂剂。

25、进一步地，所述混合的转速为25-35r/min，时间为15-25分钟。

26、进一步地，本技术方案的聚羧酸复合减水剂和粉末状减缩剂均可商购，所述聚羧酸复合减水剂的减水率≥30%，且包含保坍组分以维持30分钟工作性稳定（坍落度损失率＜10%），其形态为粉末状。所述粉末状减缩剂的主要成分为烷基聚氧乙烯醚类聚醚化合物。

27、一种如上述高性能自密实混凝土组合物的的制备方法，包括以下步骤：

28、s1、将水泥、微硅粉和复合抗裂剂投入搅拌机，干拌1-3分钟；

29、s2、加入中砂及碎石，继续干拌1-3分钟；

30、s3、分2-4批次加入钢纤维，每批次搅拌0.5-1分钟，得干拌混合料；

31、s4、将聚羧酸系复合减水剂和拌合水混合，制成水溶液，再加入干拌混合料中，进行湿拌3-8分钟，得高性能自密实混凝土组合物。

32、进一步地，步骤s1中，干拌的转速为25-35r/min；步骤s2中，继续干拌的转速为30-40r/min；步骤s3中，搅拌的转速为30-40r/min。

33、具体地，步骤s3中，在干拌阶段加入钢纤维，利用骨料颗粒对纤维的剪切-碰撞作用实现空间分散；30-40r/min的低速搅拌可避免纤维缠绕搅拌轴，同时防止高速导致的纤维定向排列。

34、进一步地，步骤s4中，湿拌的转速为40-50r/min；所制得的高性能自密实混凝土组合物在出料后，持续保持8-12r/min的转速搅拌，且在浇筑前的5-8分钟，调整转速为45-55r/min进行搅拌。

35、进一步地，步骤s4中，所制得的高性能自密实混凝土组合物的出料温度为15-25℃。

36、一种旧隧道密配筋薄层套拱加固结构，所述套拱由上述的高性能自密实混凝土组合物浇筑成型，套拱厚度为15-25cm，钢筋网间距为80-100mm。

37、其中，薄层套拱加固的密配筋薄层指：施加于原隧道衬砌内侧表面，即面向隧道通行空间一侧。套拱加固是指隧道拱部（顶部弧形段）的加固。

38、本发明的有益效果：

39、（1）本发明加入由纳米sio2、粉末状减缩剂与温敏膨胀微胶囊组成的复合抗裂剂，纳米sio2填充微孔提升密实度，粉末状减缩剂降低收缩应力，温敏微胶囊在水化放热阶段定向膨胀补偿收缩；三者与端钩型钢纤维协同构建“化学减缩+物理补偿+微结构强化”三重抗裂机制，显著提升混凝土抗裂性与韧性，有效抑制薄层结构早期开裂。本发明采用5-20mm连续级配碎石与细度优化的中砂，配合合理砂率设计，显著改善混凝土流动性和间隙通过性，确保在密配筋薄层条件下无需振捣即可完全填充模板，避免空洞、蜂窝等缺陷。此外，微硅粉的火山灰效应与填充作用进一步提升混凝土密实度与抗渗性，与复合抗裂体系协同增强新旧混凝土界面粘结强度，有效防止套拱与原衬砌间剥离，保障加固结构整体工作性能。

40、（2）本发明将钢纤维于干拌阶段分批加入并控制低速搅拌，利用骨料颗粒的剪切-碰撞作用实现纤维均匀分散，有效解决了钢纤维结团难题；并配合出料后低速保稳与浇筑前高速复拌策略，维持工作性能稳定，适应隧道现场施工节奏。本发明混凝土在保证高流动性、高抗裂性与高粘结强度的同时，显著降低材料成本与施工难度，无需特殊设备即可实现高质量浇筑，为旧隧道密配筋薄层套拱加固提供了一种高性能、易施工、无需振捣、经济可行的绿色解决方案，兼具技术先进性与产业化推广价值。