一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土及其配制方法与流程

1.本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土及其配制方法。


背景技术：

2.喷射混凝土作为隧道及地下工程支护的主要形式之一，随着基础建设的进一步发展，喷射混凝土的用量随着工程项目的增加急剧增加，与此同时，我国现有喷射混凝土施工中，由于配比不合理、喷射机控制参数不明确，喷射过程中回弹率过大，造成材料的大量浪费，影响喷射混凝土的质量还对喷射手造成一定的安全隐患，同时还造成不必要的材料循环运输，不仅影响施工效率，材料浪费还对环境造成极大压力。随着支护及加固工程中喷射混凝土使用范围的不断扩大，进一步提高喷射混凝土的质量，降低喷射混凝土施工过程中的回弹率，尤其在我国公路隧道现有的技术设备和管理水平下，对低回弹喷射混凝土技术研究，具有现实意义。
3.影响喷射混凝土的回弹率有以下三个因素：（1）从原材料角度，掺加掺合料、掺加纤维、提高掺合料细度、降低骨料最大粒径等措施均可降低混凝土在喷射传输过程中的分散性，降低回弹率。（2）从配合比角度，增加胶凝材料用量、提高混凝土稠度、调整适宜的坍落度和凝结时间等措施均可提高喷射混凝土的粘附效率，降低回弹率。（3）从施工工艺角度，适当提高一次喷射厚度、取直角作为喷射角、控制合理的工作风压等措施均可显著降低回弹率。
4.目前，国内外研究者们对降低喷射混凝土的回弹率做了大量研究，但从材料改性角度出发的研究较少。因此，急需对普通喷射混凝土材料进行改性，以解决喷射混凝土回弹率大、混凝土抗渗性差等问题，在提升隧道衬砌混凝土性能的同时降低原材料的浪费，保障施工人员的健康，提高社会经济效。


技术实现要素：

5.针对上述不足，本发明公开了一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土及其配制方法，生产配制得到回弹率低的喷射混凝土，减少材料浪费，提高喷射混凝土施工效率。
6.本发明是采用如下技术方案实现的：一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、乳化沥青70～100份、水175～215份、河砂787.5～1050份、石灰岩700～962.5份、速凝剂35份、矿物掺合料24～40份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述乳化沥青为阴离子型乳化沥青，所述速凝剂为硫酸铝、氟化钠中的一种或两种组合，所述矿物掺合料为一级粉煤灰、微硅灰和超细石灰石粉中的一种或多种组合。
7.进一步的，所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的原料中还包括重量份数为2～6份的高强度高模量纤维，所述高强度高模量纤维为聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、pe纤维中的一种或多种组合。
8.进一步的，所述聚乙烯醇纤维的长度3～5μm。
9.进一步的，所述阴离子型乳化沥青为磺酸盐型乳化沥青、羧酸盐型乳化沥青、硫酸酯盐乳化沥青中的一种或多种组合。
10.进一步的，所述矿物掺合料为微硅灰和超细石灰石粉的组合，所述微硅灰和超细石灰石粉的质量比为2:1，所述微硅灰的粒径为0.1～0.2μm，所述超细石灰石粉粒径为30～35μm。
11.进一步的，所述速凝剂为硫酸铝和氟化钠的组合，所述硫酸铝和氟化钠的质量比5:1。
12.上述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法，其包括以下步骤：（1）按比例称取各原料组分，将河砂和石灰岩混合过筛，筛网的孔径为4.75～9.5mm，并置于搅拌锅中，然后加入水泥混合均匀后，加入水在搅拌速度为60～80r/min的条件下搅拌2min，接着加入乳化沥青后在搅拌速度为120～150r/min的条件下快速搅拌反应3min，最后加入矿物掺合料和/或高强度高模量纤维在120～150r/min的条件下快速搅拌1.5min，得到混合物a；（2）将步骤（1）中得到的混合物a从搅拌锅中倒出，并倒入湿喷机的料斗中，再将速凝剂倒入速凝剂管，随后启动机器，混合物a通过压浆泵送至喷射机的喷嘴处并与速凝剂融合，再用压缩空气进行喷灌。
13.本发明采用乳化沥青对喷射混凝土进行改性，在反应初期，由于水泥颗粒与沥青颗粒之间存在静电吸引力和范德华力，沥青颗粒会聚集在水泥颗粒表面，这些沥青颗粒大多都是在水泥颗粒附近形成絮状结构；随着水泥水化作用与乳化沥青破乳的进行，沥青颗粒会逐渐吸附到水泥颗粒表面上；在乳化沥青完全破乳后，体系内沥青
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水界面张力逐渐向沥青
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水泥界面张力过渡，此时沥青颗粒恢复粘结力，使其可以粘附周围的水泥颗粒，从而增大粘结力，达到降低喷射混凝土的回弹率的目的。
14.同时由于混凝土属于连续的颗粒堆积体系，强度是靠胶凝材料将各粒径集料粘结在一起共同发挥的，混凝土在硬化过程中不可避免的会发生产生空隙而影响混凝土的抗压强度，所以本发明加入微硅灰和超细石灰石粉等次级配颗粒，以此会降低混凝土中的空隙率，使混凝土结构更加致密，在一定程度上提高了混凝土的强度，而且微硅灰具有很强火山灰效应，可与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化反应形成凝胶产物，填充水泥石结构，提高混凝土的力学性能；而超细石灰石粉能促进水泥的水化反应，与水泥中含铝矿物发生反应生成碳铝酸钙，对混凝土强度发展有一定贡献。
15.本发明加入高强度高模量纤维，因为在喷射混凝土受荷初期，水泥基料与纤维共同承受外力，而前者是外力的主要承受者；当基料发生开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。在混凝土硬化过程中，纤维能够改变混凝土的内部结构，减少了混凝土的塑性裂纹和内部微裂纹的数量和尺寸，提高了混凝土材料介质的连续性，从而改善了混凝土的综合性能；在纤维混凝土受力过程中纤维改变了混凝土基体的应力场，从而提高了混凝土的力学性能。
16.本技术方案与现有技术相比较具有以下有益效果：本发明采用乳化沥青作为改性材料，通过物理共混制备了一种回弹率低的喷射混凝土材料，该材料在凝结固化后具有良好的力学性能与较大的粘结力，在隧道建设初期的
衬砌支护工程中，可以有效粘结到隧道壁上，降低喷射混凝土的回弹率并增大抗渗性，从而有效提高其对结构物的防护能力，而且本发明所述喷射混凝土的配制方法简单，操作方便，适合各种隧道及地下工程等支护工程施工。
具体实施方式
17.以下通过实施例进一步说明本发明，但不作为对本发明的限制。下列实施例中未注明的具体实验条件和方法，所采用的技术手段通常为本领域技术人员所熟知的常规手段。
18.实施例1：一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、乳化沥青100份、水175份、河砂787.5份、石灰岩962.5份、速凝剂35份、矿物掺合料30份、高强度高模量纤维5份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述乳化沥青为十二烷基硫酸钠乳化沥青，所述速凝剂为氟化钠，所述矿物掺合料为微硅灰，所述微硅灰的粒径为0.1～0.2μm；所述高强度高模量纤维为聚乙烯醇纤维，且聚乙烯醇纤维长度为3μm
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5μm。
19.本实施例所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法，其包括以下步骤：（1）按比例称取各原料组分，将河砂和石灰岩混合过筛，筛网的孔径为4.75mm，并置于搅拌锅中，然后加入水泥混合均匀后，加入水在搅拌速度为60r/min的条件下搅拌2min，接着加入乳化沥青后在搅拌速度为120r/min的条件下快速搅拌反应3min，最后加入矿物掺合料和高强度高模量纤维在120r/min的条件下快速搅拌1.5min，得到混合物a；（2）将步骤（1）中得到的混合物a从搅拌锅中倒出，并倒入湿喷机的料斗中，再将速凝剂倒入速凝剂管，随后启动机器，混合物a通过压浆泵送至喷射机的喷嘴处并与速凝剂融合，再用压缩空气进行喷灌。
20.实施例2：一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、乳化沥青75份、水215份、河砂787.5份、石灰岩962.5份、速凝剂35份、矿物掺合料30份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述速凝剂为硫酸铝，所述乳化沥青为十二烷基硫酸钠乳化沥青，所述矿物掺合料为一级粉煤灰。
21.本实施例所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法，其包括以下步骤：（1）按比例称取各原料组分，将河砂和石灰岩混合过筛，筛网的孔径为5.5mm，并置于搅拌锅中，然后加入水泥混合均匀后，加入水在搅拌速度为70r/min的条件下搅拌2min，接着加入乳化沥青后在搅拌速度为130r/min的条件下快速搅拌反应3min，最后加入矿物掺合料在120r/min的条件下快速搅拌1.5min，得到混合物a；（2）将步骤（1）中得到的混合物a从搅拌锅中倒出，并倒入湿喷机的料斗中，再将速凝剂倒入速凝剂管，随后启动机器，混合物a通过压浆泵送至喷射机的喷嘴处并与速凝剂融合，再用压缩空气进行喷灌。
22.实施例3：一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、乳化沥青100份、水175份、河砂787.5份、石灰岩962.5份、速凝剂35份、矿物掺合料30份、高强度高模量纤维3份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述乳化沥青为十二烷基硫
酸钠乳化沥青，所述速凝剂为硫酸铝，所述矿物掺合料为以一级粉煤灰和超细石灰石粉的组合，所述一级粉煤灰和超细石灰石粉的质量比为2:1，所述超细石灰石粉粒径为30～35μm；高强度高模量纤维为聚丙烯纤维。
23.本实施例所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法，其包括以下步骤：（1）按比例称取各原料组分，将河砂和石灰岩混合过筛，筛网的孔径为7.5mm，并置于搅拌锅中，然后加入水泥混合均匀后，加入水在搅拌速度为80r/min的条件下搅拌2min，接着加入乳化沥青后在搅拌速度为140r/min的条件下快速搅拌反应3min，最后加入矿物掺合料和高强度高模量纤维在130r/min的条件下快速搅拌1.5min，得到混合物a；（2）将步骤（1）中得到的混合物a从搅拌锅中倒出，并倒入湿喷机的料斗中，再将速凝剂倒入速凝剂管，随后启动机器，混合物a通过压浆泵送至喷射机的喷嘴处并与速凝剂融合，再用压缩空气进行喷灌。
24.实施例4：一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、乳化沥青75份、水215份、河砂787.5份、石灰岩962.5份、速凝剂35份、矿物掺合料30份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述乳化沥青为十二烷基硫酸钠乳化沥青，所述速凝剂为硫酸铝和氟化钠的组合，所述硫酸铝和氟化钠的质量比为5∶1，所述矿物掺合料为超细石灰石粉，所述超细石灰石粉粒径为30～35μm。
25.本实施例所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法，其包括以下步骤：（1）按比例称取各原料组分，将河砂和石灰岩混合过筛，筛网的孔径为9.5mm，并置于搅拌锅中，然后加入水泥混合均匀后，加入水在搅拌速度为80r/min的条件下搅拌2min，接着加入乳化沥青后在搅拌速度为150r/min的条件下快速搅拌反应3min，最后加入矿物掺合料和/或高强度高模量纤维在150r/min的条件下快速搅拌1.5min，得到混合物a；（2）将步骤（1）中得到的混合物a从搅拌锅中倒出，并倒入湿喷机的料斗中，再将速凝剂倒入速凝剂管，随后启动机器，混合物a通过压浆泵送至喷射机的喷嘴处并与速凝剂融合，再用压缩空气进行喷灌。
26.实施例5：一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、乳化沥青100份、水175份、河砂787.5份、石灰岩962.5份、速凝剂35份、矿物掺合料30份、高强度高模量纤维2～6份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述乳化沥青为十二烷基硫酸钠乳化沥青，所述速凝剂为硫酸铝和氟化钠的组合，所述硫酸铝和氟化钠的质量比为5∶1，所述矿物掺合料为微硅灰和超细石灰石粉的组合，所述微硅灰和超细石灰石粉的质量比为2:1，所述微硅灰的粒径为0.1～0.2μm，所述超细石灰石粉粒径为30～35μm，所述高强度高模量纤维为聚乙烯醇纤维，且聚乙烯醇纤维长度为3μm
‑
5μm。
27.本实施例所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法，其包括以下步骤：（1）按比例称取各原料组分，将河砂和石灰岩混合过筛，筛网的孔径为5mm，并置于搅拌锅中，然后加入水泥混合均匀后，加入水在搅拌速度为60r/min的条件下搅拌2min，接着加入乳化沥青后在搅拌速度为130r/min的条件下快速搅拌反应3min，，最后加入矿物掺合料和高强度高模量纤维在120r/min的条件下快速搅拌1.5min，得到混合物a；（2）将步骤（1）中得到的混合物a从搅拌锅中倒出，并倒入湿喷机的料斗中，再将速
凝剂倒入速凝剂管，随后启动机器，混合物a通过压浆泵送至喷射机的喷嘴处并与速凝剂融合，再用压缩空气进行喷灌。
28.实施例6：一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、乳化沥青75份、水215份、河砂787.5份、石灰岩962.5份、速凝剂35份、矿物掺合料35份、高强度高模量纤维3份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述乳化沥青为十二烷基磺酸钠乳化沥青，所述速凝剂为硫酸铝和氟化钠的组合，所述硫酸铝和氟化钠的质量比为5∶1，所述矿物掺合料为微硅灰和超细石灰石粉的组合，所述微硅灰和超细石灰石粉的质量比为2:1，所述微硅灰的粒径为0.1～0.2μm，所述超细石灰石粉粒径为30～35μm，所述高强度高模量纤维为聚乙烯醇纤维，所述聚乙烯醇纤维的长度为为3μm
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5μm。
29.本实施例所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法，其包括以下步骤：（1）按比例称取各原料组分，将河砂和石灰岩混合过筛，筛网的孔径为8.0mm，并置于搅拌锅中，然后加入水泥混合均匀后，加入水在搅拌速度为70r/min的条件下搅拌2min，接着加入乳化沥青后在搅拌速度为140r/min的条件下快速搅拌反应3min，最后加入矿物掺合料和高强度高模量纤维在130r/min的条件下快速搅拌1.5min，得到混合物a；（2）将步骤（1）中得到的混合物a从搅拌锅中倒出，并倒入湿喷机的料斗中，再将速凝剂倒入速凝剂管，随后启动机器，混合物a通过压浆泵送至喷射机的喷嘴处并与速凝剂融合，再用压缩空气进行喷灌。
30.实施例7：一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、乳化沥青70份、水190份、河砂950份、石灰岩825份、速凝剂35份、矿物掺合料24份、高强度高模量纤维6份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述乳化沥青为十二烷基硫酸钠乳化沥青和十二烷基磺酸钠乳化沥青的等质量混合组合，所述速凝剂为硫酸铝，所述矿物掺合料为一级粉煤灰和超细石灰石粉中的等质量混合组合，所述超细石灰石粉粒径为30～35μm；所述高强度高模量纤维为聚丙烯纤维。
31.本实施例所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法，其包括以下步骤：（1）按比例称取各原料组分，将河砂和石灰岩混合过筛，筛网的孔径为6.0mm，并置于搅拌锅中，然后加入水泥混合均匀后，加入水在搅拌速度为70r/min的条件下搅拌2min，接着加入乳化沥青后在搅拌速度为150r/min的条件下快速搅拌反应3min，最后加入矿物掺合料和高强度高模量纤维在140r/min的条件下快速搅拌1.5min，得到混合物a；（2）将步骤（1）中得到的混合物a从搅拌锅中倒出，并倒入湿喷机的料斗中，再将速凝剂倒入速凝剂管，随后启动机器，混合物a通过压浆泵送至喷射机的喷嘴处并与速凝剂融合，再用压缩空气进行喷灌。
32.实施例8：一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、乳化沥青70份、水200份、河砂1050份、石灰岩700份、速凝剂35份、矿物掺合料40份、高强度高模量纤维2份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述乳化沥青为十二烷基磺酸钠乳化沥青，所述速凝剂为硫酸铝和氟化钠的组合，所述硫酸铝和氟化钠的质量比为5∶1，所述矿物掺合料为微硅灰和超细石灰石粉的组合，所述微硅灰和超细石灰石粉的质量比为
2:1，所述微硅灰的粒径为0.1～0.2μm，所述超细石灰石粉粒径为30～35μm，所述高强度高模量纤维为聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维的等质量组合，所述聚乙烯醇纤维的长度3～5μm。
33.本实施例所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法，其包括以下步骤：（1）按比例称取各原料组分，将河砂和石灰岩混合过筛，筛网的孔径为6.5mm，并置于搅拌锅中，然后加入水泥混合均匀后，加入水在搅拌速度为80r/min的条件下搅拌2min，接着加入乳化沥青后在搅拌速度为120r/min的条件下快速搅拌反应3min，最后加入矿物掺合料和高强度高模量纤维在120r/min的条件下快速搅拌1.5min，得到混合物a；（2）将步骤（1）中得到的混合物a从搅拌锅中倒出，并倒入湿喷机的料斗中，再将速凝剂倒入速凝剂管，随后启动机器，混合物a通过压浆泵送至喷射机的喷嘴处并与速凝剂融合，再用压缩空气进行喷灌。
34.实施例9：一种乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、乳化沥青85份、水195份、河砂850份、石灰岩880份、速凝剂35份、矿物掺合料35份、高强度高模量纤维4份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述乳化沥青为十二烷基硫酸钠乳化沥青，所述速凝剂为硫酸铝和氟化钠的组合，所述硫酸铝和氟化钠的质量比为5∶1，所述矿物掺合料为微硅灰和超细石灰石粉的组合，所述微硅灰和超细石灰石粉的质量比为2:1，所述微硅灰的粒径为0.1～0.2μm，所述超细石灰石粉粒径为30～35μm，所述高强度高模量纤维为聚乙烯醇纤维，所述聚乙烯醇纤维的长度为为3μm
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5μm。
35.本实施例所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法，其包括以下步骤：（1）按比例称取各原料组分，将河砂和石灰岩混合过筛，筛网的孔径为5.5mm，并置于搅拌锅中，然后加入水泥混合均匀后，加入水在搅拌速度为60r/min的条件下搅拌2min，接着加入乳化沥青后在搅拌速度为130r/min的条件下快速搅拌反应3min，最后加入矿物掺合料和高强度高模量纤维在130r/min的条件下快速搅拌1.5min，得到混合物a；（2）将步骤（1）中得到的混合物a从搅拌锅中倒出，并倒入湿喷机的料斗中，再将速凝剂倒入速凝剂管，随后启动机器，混合物a通过压浆泵送至喷射机的喷嘴处并与速凝剂融合，再用压缩空气进行喷灌。
36.对比例1：一种喷射混凝土，其包括以下重量份数的原料组分：水泥435份、水200份、河砂850份、石灰岩820份、速凝剂35份、高强度高模量纤维4份；所述水泥为p.o42.5的硅酸盐水泥，所述速凝剂为硫酸铝和氟化钠的等质量混合组合，所述高强度高模量纤维为聚丙烯纤维。
37.本对比例所述喷射混凝土的配制方法与实施例1中所述乳化沥青改性的低回弹喷射混凝土的配制方法相同。
38.实验例：将按照实施例1～9和对比例1所述方法制得的喷射混凝土进行28d抗压强度和回弹率的检测，检测结果见表1。
39.表1 喷射混凝土的28d抗压强度和回弹率的检测结果
由表1可见，按照本发明所述方法添加矿物掺合料和乳化沥青可以提高喷射混凝土的抗压强度，并且降低回弹率。当矿物掺合料采用微硅灰和超细石灰石粉混合时，所得到喷射混凝土的抗压强度和回弹率明显优于单独使用一级粉煤灰、微硅灰或超细石灰石粉以及一级粉煤灰和超细石灰石粉的混合组合；而且添加了高强度高模量纤维可以有效提高喷射混凝土的抗压强度。
40.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。