[發明專利]一種混凝土隧道襯砌材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010064181.X
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111233397B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 祝斯月;秦先濤;鄒祖緒;段嚴;毛振新;黃振凌;蘭虎;童文昊
• 申請（專利權）人: 武漢輕工大學
• 主分類號: C04B28/04
• 分類號: C04B28/04;B33Y70/10;C04B111/34
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 王和平

本發明公開了一種的混凝土隧道襯砌材料，該材料由水泥、粉煤灰、聚乙烯短切纖維、聚丙烯異型纖維、纖維分散粘結助劑、水化調節劑、聚羧酸減水劑、水和砂制備而成，且無配筋并可借助3D打印設備進行施工。本發明還公開了上述材料的制備方法。該材料可借助3D打印設備在隧道開挖后迅速完成初次襯砌的施工，襯砌混凝土具有無配筋、超薄且韌性抗裂等特征，施工自動化程度高、材料變異性小、內輪廓面平整光滑，與隧道原始開挖面接觸緊密、無空隙，Ⅱ級(含)以上圍巖中可直接作為永久襯砌，Ⅱ級以下圍巖中可與防水夾層及二次襯砌共同形成復合襯砌，從而為隧道運營空間的長期安全性和舒適性提供保障。

技術領域

本發明涉及隧道襯砌結構和材料領域，特別涉及一種混凝土隧道襯砌材料及其制備方法。

背景技術

隨著鐵路和公路的發展，隧道的數量和長度均在快速增加。同時，由于鐵路和公路隧道的技術要求逐漸變高、隧道修建逐步向西部復雜地質環境中延伸等客觀現實，現代隧道運營環境面臨的挑戰也越來越大。因此，作為開挖后支持和維護隧道長期穩定的永久結構物，隧道襯砌的質量要求也不斷提高。然而，受地質環境的復雜性和不確定性、隧道施工人員的素質不一、隧道襯砌施工工藝水平參差不齊、施工設備差異較大等因素影響，隧道襯砌的施工質量難以始終保持高水平，從而影響后期運營安全和維護周期，甚至縮短隧道的使用壽命。

目前，國內外常用的隧道襯砌材料有：混凝土及鋼筋混凝土、片石混凝土、料石或混凝土預制塊，以及噴射混凝土等。上述各種襯砌材料均具有明顯的優缺點，例如混凝土及鋼筋混凝土襯砌的強度高、整體性強，但需要提前架設模板，因此存在支護不及時的弊端，不能在隧道開挖后迅速制止圍巖變形的發展。另外，采用片石混凝土、料石或混凝土預制塊修建的隧道襯砌雖然技術難度較低，對施工人員技術水平和施工設備的要求不高，但襯砌與開挖面間可能存在較多的空隙，為圍巖進一步松動變形提供了空間，容易出現應力集中現象，進而引起開裂、滲水等問題。噴射混凝土襯砌有效改善了支護不及時的問題，但襯砌施工時不能控制襯砌外表面輪廓線，大多數情況下只能根據經驗目測操作，因此，噴射混凝土襯砌與二次襯砌間的接觸面容易出現不平整的現象；同時，受材料和設備水平等限制，目前噴射混凝土層的厚度十分有限，而且噴射混凝土質量可控性較差。

發明內容

針對目前常規隧道襯砌材料存在的弊端，本發明所要解決的技術問題為提供一種具有韌性抗裂特征且施工質量一致性較高的無配筋混凝土隧道襯砌材料。

為解決上述技術問題，本發明所設計的技術方案為：

一種混凝土隧道襯砌材料，該混凝土隧道襯砌材料由水泥、粉煤灰、聚乙烯短切纖維、聚丙烯異型纖維、纖維分散粘結助劑、水化調節劑、聚羧酸減水劑、水和砂按如下比例制備而成：水泥21.8～30.9重量份、粉煤灰10.5～19.2重量份、聚乙烯短切纖維0.03～0.05重量份、聚丙烯異型纖維0.02～0.04重量份、纖維分散粘結助劑0.5～1.1重量份、水化調節劑0.22～0.41重量份、聚羧酸減水劑0.1～0.3重量份、水10.3～18.5重量份、砂40.2～65.9重量份，且各組分之和為100重量份；所述混凝土隧道襯砌材料無配筋且可借助3D打印設備進行施工。

所述水泥為強度等級為52.5MPa的普通52.5硅酸鹽水泥，粉煤灰為一級粉煤灰。

所述聚乙烯短切纖維的長度為1.5～2.5cm，直徑為25～35μm，抗拉強度為2800～3000MPa，密度為0.98g/cm³。所述聚丙烯異型纖維的長度為4～6cm，直徑為0.8～1.2mm，抗拉強度為550～650MPa，密度為0.90g/cm³。

所述纖維分散粘結助劑由聚乙烯吡咯烷酮和超細沸石粉按照1：10的重量比配制而成。其中，聚乙烯吡咯烷酮粉狀顆粒物的固含量大于96％，超細沸石粉的細度為200～400目。

所述水化調節劑由三乙醇胺和酒石酸按照1：(2.1～3.7)的重量比混合而成。

所述三乙醇胺、酒石酸和聚羧酸減水劑均為商品添加劑。