一種用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料的製作方法

2024-02-28 03:54:15

專利名稱：一種用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的水泥基修補材料，延長鹽侵蝕條件下既有隧道襯砌混凝土結構服役壽命。
背景技術：
隧道是一類埋於(巖)土層下的腔型結構物，外部處於圍巖(土)以及巖層內的水、離子介質的作用；內部結構臨空，受相對封閉的大氣環境的作用；同時，在運營狀態下， 也受到行人、車輛等運行的影響。隧道這類特殊的結構型式與一般的混凝土構築物存在明顯的不同，主要體現在襯砌混凝土結構內外均受到環境介質的作用，損傷劣化嚴重。襯砌結構物背面與巖土、環境水直接接觸，受所處巖層、土體中侵蝕性物質的影響，如S042_、Cl_、HC03_、C032_、H+、Mg2+、NH4+ 等介質在壓力梯度、濃度梯度的作用下的滲透、擴散作用，使得土層中水、侵蝕性離子介質遷移至混凝土內並發生物理、化學作用；襯砌結構內表面臨空，暴露於一個相對封閉的大氣環境中，在運營過程中，受頻繁風壓的影響，導致內部相對溼度變化，在毛細虹吸、蒸發作用下，進一步加速了圍巖中水、離子在混凝土內的遷移過程，而且由於隧道襯砌噴射混凝土強度等級較低、密實性較差等，使得隧道極易發生滲漏，出現「無隧不漏」的怪現象。滲漏的結果，使得混凝土內部水化產物不斷流失，最終導致混凝土破壞，但這個過程較為緩慢；若是巖層中水溶液還含有硫酸鹽類侵蝕性離子，則進入襯砌混凝土內的硫酸根離子不僅與混凝土發生化學腐蝕作用，還在隧道襯砌內表面(臨空面)出現硫酸鹽結晶作用，導致襯砌混凝土快速破壞。我國存在廣泛的鹽害環境，特別是在西北、西南地區廣泛存在硫酸鹽類環境，這些地區修建的公路、鐵路隧道絕大部分遭受嚴重的硫酸鹽侵蝕破壞，有些隧道需長年維護才能保持運營，如我國修建較早的成昆鐵路沿線隧道等，大多數隧道襯砌存在嚴重的硫酸鹽腐蝕，整個襯砌混凝土表層覆蓋一層厚厚的鹽結晶體，混凝土發生嚴重劣化。針對隧道襯砌混凝土在硫酸鹽侵蝕下侵蝕破壞嚴重的現象，許多專業人士進行了不懈的努力，發展了一些修補技術，如採用抗硫酸鹽水泥、聚合物、專用防腐劑等對隧道襯砌混凝土硫酸鹽侵蝕病害進行修補。然而，由於諸多原因，目前大部分修補技術及修補材料的綜合技術經濟效果欠佳，隧道結構陷入頻繁修補怪圈。鹽侵蝕環境下，隧道襯砌混凝土結構處於多重侵蝕下的極端苛刻的服役環境中， 實現既有隧道襯砌混凝土硫酸鹽侵蝕病害的徹底根除是一件非常困難的事情，必須徹底掌握此條件隧道襯砌混凝土破壞的原因才能針對相應的病害提供有效的防治修補修補材料。 根據現場調研和室內試驗分析，適用於隧道襯砌混凝土硫酸鹽侵蝕病害修補的材料，應至少具有如下技術特性(1)修補材料處於侵蝕性鹽類、水的包圍，修補材料應對水、離子介質很低的吸附、 滲透特性；(2)由於蒸發作用以及累積作用，混凝土表層常常處於高濃度鹽溶液的侵蝕作用，因此修補材料應能抵抗高濃度鹽的化學侵蝕作用(如硫酸鹽的侵蝕)；(3)隧道襯砌表層(臨空面)、排水側溝等位置極易產生鹽結晶膨脹破壞作用，修補材料應具有優異的抗鹽結晶破壞作用性能。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種減少鹽侵蝕條件下既有隧道襯砌混凝土的破壞及其維修工作，有效延長鹽侵蝕條件下既有隧道襯砌混凝土結構的服役壽命的用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料。為了解決既有隧道襯砌混凝土在鹽侵蝕作用下腐蝕劣化嚴重的問題，本發明針對隧道結構特點以及自然環境中典型侵蝕性鹽類對水泥基材料的侵蝕機理，運用水泥混凝土科學、物理化學等知識，提出以修補材料自身抵抗侵蝕性鹽類化學腐蝕性能改善、鹽類結晶壓力的有效釋放以及材料韌性的提高等抗鹽侵蝕病害的技術原理。本發明提供的用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料，組成包括普通矽酸鹽水泥、矽鋁質礦物組分、膨脹組分、橡膠基聚合物組分、聚丙烯腈纖維和凝結調節組分，其質量比為60 30 8 O 3) 0. 3 (2 4)。所述的普通矽酸鹽水泥為P0. 42. 5及以上等級水泥，且所摻混合材為非石灰石粉，C3A含量小於7% ；所述的矽鋁質礦物組分為I級粉煤灰、S95級礦渣和矽灰按質量比5 3 2混合而成的3組份混合物；所述的膨脹組分為硫鋁酸鈣型膨脹劑；所述的橡膠基聚合物組分以再生橡膠粉顆粒、乙烯基共聚物乳膠粉為主要成分， 為粉末狀固體，粒度在20 40目之間。所述的凝結調節組分具有促凝功能，所述的凝結調節組分由熟石膏、草酸按質量比1 1組成。可根據具體施工條件添加，若現場採用支模澆注振搗密實施工，凝結調節組分按下限添加，若實際按噴射施工，凝結調節組分按上限添加。本發明可配製成漿體或混凝土進行工程施工應用，配製成漿體的應用方法是將所述的水泥基修補材料與水按質量比1 0.32混合攪拌均勻進行噴射施工；配製成混凝土的應用方法是將所述水泥基修補材料與中砂、5 IOmm碎石、水按質量比1 2 2 0. 4混合攪拌均勻，噴射或者支模澆築於既有襯砌結構物表面，其攪拌、澆築、養護等施工與普通混凝土相同。噴射或支模澆注施工前，需對既有襯砌結構基底層用高壓水搶清除腐蝕破損層，清潔、潤溼基面。本發明是基於發明人對鹽侵蝕環境下隧道襯砌混凝土破壞模式的深刻認識，以及對襯砌混凝破壞機理深入分析和掌握，通過優化混凝土組成獲得抗鹽侵蝕的物相，並通過引入特性組分釋放膨脹破壞應力和提高體系韌性技術，從而獲得最優修補材料的組成與結構，最終形成了本發明。因而本發明的依據充分，科學性強。本發明的優點及積極效果是1.本修補材料對侵蝕性鹽類介質的毛細吸附、滲透作用小，具有優異的抗典型侵蝕性鹽類(硫酸鹽)的化學侵蝕性、物理結晶侵蝕破壞性能，特別是抗高濃度硫酸鹽的化學侵蝕性能強，顯著提高隧道襯砌混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。
2.本修補材料適用性強，操作簡單，應用方便。3.該修補材料價廉易得，經濟效應好。綜上所述，本發明為一種防治隧道襯砌結構鹽侵蝕病害的修補材料，該修補材料能夠顯著提高隧道襯砌結構抗鹽侵蝕性能，有效延長既有結構的服役壽命，並具有性價比高、操作簡單、應用方便的特點。


圖1為試驗試樣的對比例和實施例混凝土的抗氯離子滲透性能(按ASTM C 1202 方法)對比結果；圖2為試驗試樣的對比例和實施例混凝土在5 % Na2SO4溶液下的毛細吸附性能 (20°C環境下)對比結果；圖3為試驗試樣的對比例和實施例混凝土抗硫酸鹽物理結晶侵蝕性能(按GB/ T50082-2009的乾濕循環方法)的質量損失率的對比結果；圖4為試驗試樣的對比例和實施例混凝土抗硫酸鹽物理結晶侵蝕性能(按GB/ T50082-2009的乾濕循環方法)的抗折強度損失率的對比結果；圖5為試驗試驗的對比例和實施例混凝土抗高濃度硫酸鹽化學侵蝕性能的質量損失率的對比結果(採用10% Na2SO4溶液全浸泡，20士2°C環境條件)；圖6試驗試驗的對比例和實施例混凝土抗高濃度硫酸鹽化學侵蝕性能的抗折強度損失率的對比結果(採用10% Na2SO4溶液全浸泡，20士2°C環境條件)。
具體實施例方式以下實施例旨在說明本發明而不是對本發明的進一步的限定。實施例表1抗硫酸鹽侵蝕性能試驗用不同試樣的配合比示例
P. 042. 5硫鋁酸本發明&卜T=T/h W水泥鹽水泥修補材料7JVVJf-U對比例a1000. 422對比例b0100. 422實施例A0010. 422實施例B0010. 422實施例C0010. 422實施例D0010. 422實施例E0010. 400實施例F0010. 300表1中1)實施例A修補材料為普通矽酸鹽水泥、矽鋁質礦物組分、膨脹組分、橡膠基聚合物組分、聚丙烯腈纖維、凝結調節組分質量比為60 30 8 1 0. 3 4 ；2)實施例B修補材料為普通矽酸鹽水泥、矽鋁質礦物組分、膨脹組分、橡膠基聚合物組分、聚丙烯腈纖維、凝結調節組分質量比為60 30 8 2 0.3 4；3)實施例C修補材料為普通矽酸鹽水泥、矽鋁質礦物組分、膨脹組分、橡膠基聚合物組分、聚丙烯腈纖維、凝結調節組分質量比為60 30 8 3 0.3 4；4)實施例D修補材料為普通矽酸鹽水泥、矽鋁質礦物組分、膨脹組分、橡膠基聚合物組分、聚丙烯腈纖維、凝結調節組分質量比為60 30 8 4 0.3 4；5)實施例E修補材料為普通矽酸鹽水泥、矽鋁質礦物組分、膨脹組分、橡膠基聚合物組分、聚丙烯腈纖維、凝結調節組分質量比為60 30 8 3 0. 3 2 ；6)實施例F修補材料為普通矽酸鹽水泥、矽鋁質礦物組分、膨脹組分、橡膠基聚合物組分、聚丙烯腈纖維、凝結調節組分質量比為60 30 8 3 0.3 4；普通矽酸鹽水泥為P0. 42. 5及以上等級水泥，且所摻混合材為非石灰石粉，C3A含量小於7% ；矽鋁質礦物組分為I級粉煤灰、S95級礦渣和矽灰按質量比5:3:2混合而成的3組份混合物；膨脹組分為硫鋁酸鈣型膨脹劑；橡膠基聚合物組分以再生橡膠粉顆粒、乙烯基共聚物乳膠粉為主要成分，為粉末狀固體，粒度在20 40目之間。凝結調節組分具有促凝功能，所述的凝結調節組分由熟石膏、草酸按質量比1 1 組成，可根據具體施工條件添加，若現場採用支模澆注振搗密實施工，凝結調節組分按下限添加，若實際按噴射施工，凝結調節組分按上限添加。結合如表1所示的典型試驗配比，比較研究了不同原材料組成試樣的氯離子滲透性能(如圖1)、在5% Na2SO4條件下的毛細吸附性能(如圖2)、乾濕循環條件下的抗硫酸鹽結晶侵蝕性能(圖3、圖)以及高濃度硫酸鹽全浸泡條件下的抗化學侵蝕性能(圖5、圖 6)，從各圖所示結果可知，本發明修補材料具有優異的抗鹽侵蝕性能。在此基礎上獲得本發明既有隧道襯砌混凝土硫酸鹽侵蝕病害的專用水泥基修補材料的最佳組成。因此，本發明具有充足的試驗研究基礎和依據，有效性和可行性好。按照所述購置相應原材料並做好其他準備工作，以本發明所述配合比準確稱量相應的所需原材料，為了比較本發明的積極效果，本實施過程中採用常用的傳統的技術措施進行了兩組對比例試驗(如表1所示)。然後，將稱量好的砂、石、膠凝材料、外加劑等先後倒入強制式攪拌機內，啟動攪拌機將混合料攪拌15秒，再加入水，繼續攪拌約60 90秒，將攪拌均勻的拌合物出機，立即成型，成型好的試件置於標準環境條件下Id拆模，將混凝土試件繼續置於室內標準環境下養護至觀山按ASTM C1202方法，測試試樣的抗氯離子滲透性能；採用5% NaSO4溶液，按照水吸附試驗方法測試相應試件的毛細吸附性能；按GB/T50082-2009方法採用乾濕循環試驗測試試件的抗鹽結晶性能；採用10% NaSO4溶液全浸泡試驗方法測試試件的抗硫酸鹽化學侵蝕性能，試驗環境溫度均為(20 士 2)°C。性能測試結果為與普通水泥混凝土相比，修補材料抗氯離子滲透性能顯著提高， 在鹽溶液條件下的毛細吸附性能非常低，在乾濕循環條件下和高濃度硫酸鹽全浸泡條件下，本發明材料試樣的質量損失率、強度損失率均較小，抗硫酸鹽化學侵蝕和物理結晶侵蝕性能明顯好。本發明試樣抗侵蝕性能的改善主要得益於其內部微觀結構與物相的優化以及摻加的特性組分顯著提高抗硫酸鹽侵蝕作用性能的結果。
權利要求
1.一種用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料，其特徵是由普通矽酸鹽水泥、矽鋁質礦物組分、膨脹組分、橡膠基聚合物組分、聚丙烯腈纖維和凝結調節組分組成，其質量比為60 30 8 2 3 0. 3 2 4。
2.根據權利要求1所述的用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料，其特徵是所述的普通矽酸鹽水泥為P0. 42. 5及以上等級水泥，且所摻混合材為非石灰石粉，C3A 含量小於7%。
3.根據權利要求1所述的用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料，其特徵是所述的矽鋁質礦物組分為I級粉煤灰、S95級礦渣和矽灰按質量比5 3 2混合而成的3組份混合物。
4.根據權利要求1所述的用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料，其特徵是所述的膨脹組分為硫鋁酸鈣型膨脹劑。
5.根據權利要求1所述的用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料，其特徵是所述的橡膠基聚合物以再生橡膠粉顆粒、乙烯基共聚物乳膠粉為主要成分，為粉末狀固體，粒度在20 40目之間。
6.根據權利要求1所述的用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料，其特徵是所述的凝結調節組分具有促凝功能，所述的凝結調節組分由熟石膏、草酸按質量比 1 1組成，可根據具體施工條件添加，若現場採用支模澆注振搗密實施工，凝結調節組分按下限添加，若實際按噴射施工，凝結調節組分按上限添加。
全文摘要
本發明公開了一種用於防治隧道襯砌混凝土鹽侵蝕病害的修補材料，由普通矽酸鹽水泥、矽鋁質礦物組分、膨脹組分、橡膠基聚合物組分、聚丙烯腈纖維和凝結調節組分組成，其質量比為60∶30∶8∶2～3∶0.3∶2～4。本發明修補材料能夠有效對既有隧道襯砌結構鹽侵蝕病害進行修補防治，顯著提高既有病害隧道結構的耐久性能，延長服役壽命，並具有性價比高、操作簡單、適應性好的特點。
文檔編號C04B28/04GK102167555SQ20111000725
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者吳敏, 李小昆, 翁璧石, 謝友均, 龍廣成 申請人:中南大學