一种纳米回弹抑制剂及其制备方法和在喷射混凝土中的应用与流程

1.本发明涉及混凝土助剂技术领域，尤其涉及一种纳米回弹抑制剂及其制备方法和在喷射混凝土中的应用。


背景技术：

2.喷射混凝土是用喷射法施工的混凝土，喷射混凝土有干喷和湿喷两种施工法，其中干喷法较为常用。干喷法是将水泥、砂、骨料和助剂等按一定比例拌合后，装入喷射机，用压缩空气将干混合料沿管路输送至喷头处，与水混合并高速喷射至作业面上。湿喷法则是将原材料预先加水拌和后喷射。喷射混凝土常用于灌筑隧道内衬、墙壁、天棚等薄壁结构等。
3.回弹是喷射混凝土施工过程中的常见现象，通常采用回弹率表示回弹的具体程度，回弹率为喷射到受喷面后反弹溅落的混凝土质量占喷射时所用混凝土的总质量的百分比。
4.目前，喷射混凝土在隧道施工过程中，容易出现富水区段的湿喷不上，普通段回弹率高(30％以上)的问题，不但原材料浪费较大，作业时间长，而且会导致施工现场空气中粉尘含量过高，容易威胁到施工人员的健康和安全。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种纳米回弹抑制剂及其制备方法和在喷射混凝土中的应用。本发明提供的纳米回弹抑制剂能够有效降低喷射混凝土的回弹率，解决富水区段的湿喷不上的问题，减少喷射混凝土的浪费，提高工作效率。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.一种纳米回弹抑制剂，包括以下质量百分数的组分：
8.高分子增粘剂0.03～15％，增稠剂7～15％，激发剂0.5～5％，混凝土早强剂1.5～3％，聚乙烯醇0.05～0.08％，余量为去离子水；所述激发剂为聚羧酸减水剂母液；所述聚乙烯醇的分子量为12～15万；所述增稠剂为有机碳水化合物。
9.优选的，所述高分子增粘剂为羟丙基甲基纤维素。
10.优选的，所述增稠剂为麦芽糊精。
11.优选的，所述混凝土早强剂为三乙醇胺。
12.所述聚羧酸减水剂母液中的聚羧酸减水剂为通用型聚羧酸高性能减水剂；所述聚羧酸减水剂母液的含固量为30～50wt％。
13.本发明还提供了上述方案所述纳米回弹抑制剂的制备方法，包括以下步骤：
14.将部分水和聚乙烯醇进行第一混合，得到聚乙烯醇水溶液；
15.将剩余水和所述聚乙烯醇水溶液进行第二混合，将所得第二混合料与混凝土早强剂、激发剂、高分子增粘剂和增稠剂进行第三混合，得到所述纳米回弹抑制剂。
16.优选的，所述第一混合包括：将部分水加热至87～93℃，然后加入聚乙烯醇，在保
温条件下搅拌2～3h。
17.优选的，所述第二混合包括：将水加热至47～53℃，然后在搅拌条件下加入所述聚乙烯醇溶液进行混合。
18.优选的，所述第三混合包括：将所述第二混合料的温度控制在47～53℃，然后在搅拌状态下依次加入混凝土早强剂、激发剂、增稠剂和高分子增粘剂，加入完毕后持续搅拌1～3h。
19.本发明还提供了上述方案所述纳米回弹抑制剂或上述方案所述制备方法制备的纳米回弹抑制剂在喷射混凝土中的应用。
20.本发明提供了一种纳米回弹抑制剂，包括以下质量分数的组分：高分子增粘剂0.03～15％，增稠剂7～15％，激发剂0.5～5％，混凝土早强剂1.5～3％，聚乙烯醇0.05～0.08％，余量为去离子水；所述激发剂为聚羧酸减水剂母液；所述聚乙烯醇的分子量为12～15万；所述增稠剂为有机碳水化合物。本发明采用多种高分子有机化合物作为原料，提供减水、增强、防腐、耐磨、保塌等性能，并且各个高分子有机化合物的性能相辅相成、互补促进，最终所得纳米回弹抑制剂可有效提高喷射硷的早期强度、工作性、耐久性、极大降低回弹率，达到减少混凝土喷射浪费，缩短作业时间，改善作业环境的目的。将本发明的纳米回弹抑制剂应用于喷射混凝土中，达到的有益效果具体如下：
21.(1)喷射混凝土的流动性好、流动过程快，在用水量不变的情况下，坍落度增大、扩展度好，可大大降低主泵压力，提高施工速度；具体的，在水灰比为0.3～0.45的前提下，喷射塌落度可达到200～220mm，扩展度可达到500～530mm，解决堵管及坍落度损失问题，明显提高工效，在边界条件相同的情况下，深道内时工按满环时间可节约0.51小时/环。
22.(2)可大大减少喷射的回弹率，经试验，添加本发明的纳米回弹抑制剂后，喷射混凝土的粘结力可达2.5～3.8mpa(与纳米回弹抑制剂的掺量有关)，是普通喷射混凝土的的1.5～2.5倍，这一特点对降低回弹率、提高抗渗性非常有益，根据现场试验，回弹率可控制在8.5％以内，有效减少浪费，是节能减排的重要举措；并且，由于混凝土的粘度高，喷射后能够与围岩全面粘结，防止松动石块滑移和坠落，提高围岩的稳定性和承载力。
23.(3)可解决涌、滴、喷水情况下的喷大量掉块现象。
24.(4)喷射速度快，不掉块；由于粘结强度高，在提高密实度的前提下，一次喷层厚度可达40～70cm(与纳米回弹抑制剂的掺量有关)，平整度好，避免空洞现象的发生，可在一定程度上加快施工速度，提高工作效率。
25.(5)在速凝剂用量减小的情况下，凝结速度快，35min内可以终凝，早期强度高1.5～3倍，可以及时有效的对围岩封闭加固，提高围岩的承载力，加快作业循环。
26.(6)各龄期强度高。根据掺量的不同，使用本发明的纳米回弹抑制剂的混凝土8h强度达到1mpa以上，1d强度可达到15mpa，28d强度可达50mpa。
27.(7)富水区支护使用效果好，掺本发明产品制作标准试块，28d龄期抗渗等级可达p12，而且强度不受影响。可解决常规喷射混凝在渗水洞段无法完成的喷射工艺，同时可对低压水区或采取辅助措施下的散水起到封堵效果。
具体实施方式
28.本发明提供了一种纳米回弹抑制剂，包括以下质量百分数的组分：
29.高分子增粘剂0.03～15％，增稠剂7～15％，激发剂0.5～5％，混凝土早强剂1.5～3％，聚乙烯醇0.05～0.08％，余量为去离子水；所述激发剂为聚羧酸减水剂母液；所述聚乙烯醇的分子量为12～15万；所述增稠剂为有机碳水化合物。
30.如无特殊说明，本发明采用的各个原料均为市售。
31.以质量百分数计，本发明提供的纳米回弹抑制剂包括高分子增粘剂0.03～15％，优选为0.05～12％。在本发明中，所述高分子增粘剂优选为羟丙基甲基纤维素(hpmc，cas号：9004-65-3)，在本发明的具体实施例中，优选采用20万粘度的羟丙基甲基纤维素；所述羟丙基甲基纤维素能够通过水合膨胀而增稠，其体系表现明显的假塑性流变形态，羟丙基甲基纤维素是水溶性的聚合物具有极好的表面活性，而且能够起到胶体保护剂的作用，能有效阻止聚合粒子产生凝聚；此外，羟丙基甲基纤维素还具有以下特性：保水性，能够改善水泥过快干燥和水合不够引起的硬化不良、开裂等现象；作业性，增加砂浆可塑性，改善施工馒涂的工业性，提高工作效率；粘结性，由于砂浆可塑性提高，能更好粘结基材及被粘接物；抗滑移，由于其增粘作用，能防止施工时砂浆及被粘结物出现滑移现象。
32.以质量百分数计，本发明提供的纳米回弹抑制剂包括增稠剂7～15％，优选为8～13％。在本发明中，所述增稠剂优选为麦芽糊精(分子式：c6h
12
o6，cas号：9050-36-6)；所述麦芽糊精具有良好的乳化和增稠效果，用于增加粘稠度，增强产品分散性和溶解性。
33.以质量百分数计，本发明提供的纳米回弹抑制剂包括激发剂0.5～5％，优选为3～4％；所述激发剂优选为聚羧酸减水剂母液，所述聚羧酸减水剂母液中的聚羧酸减水剂优选为通用型聚羧酸高性能减水剂；所述聚羧酸减水剂母液的含固量优选为30～50wt％，更优选为45wt％；本发明对所述聚羧酸高性能减水剂没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售通用型聚羧酸减水剂母液即可，具体如spc-100聚羧酸高性能减水剂。
34.以质量百分数计，本发明提供的纳米回弹抑制剂包括混凝土早强剂1.5～3％，优选为1.8～2.1％。在本发明中，所述混凝土早强剂优选为三乙醇胺。
35.以质量百分数计，本发明提供的纳米回弹抑制剂包括聚乙烯醇0.05～0.08％，优选为0.06～0.07％；所述聚乙烯醇的分子量优选为12～15万；所述聚乙烯醇能够促进混凝土中胶凝材料和粗细骨料相互粘结，有利于增加混凝土和易性，是一种高质量的促粘剂。
36.以质量百分数计，本发明提供的纳米回弹抑制剂包括余量的水。在本发明中，所述水优选为去离子水；在本发明的具体实施例中，使用的是采用环氧树脂过滤后的去离子水。
37.本发明还提供了上述方案所述纳米回弹抑制剂的制备方法，包括以下步骤：
38.将部分水和聚乙烯醇进行第一混合，得到聚乙烯醇水溶液；
39.将剩余分水和所述聚乙烯醇水溶液进行第二混合，将所得第二混合料与混凝土早强剂、激发剂、高分子增粘剂和增稠剂进行第三混合，得到所述纳米回弹抑制剂。
40.本发明将部分水和聚乙烯醇进行第一混合，得到聚乙烯醇水溶液。在本发明中，所述第一混合优选包括：将部分水加热至87～93℃(即90
±
3℃)，然后加入聚乙烯醇，在保温条件下搅拌2～3h；所述聚乙烯醇优选缓慢加入，并在10min内加入完毕；所述部分水和聚乙烯醇的质量比优选为10:1。
41.得到聚乙烯醇水溶液后，本发明将剩余水和所述聚乙烯醇水溶液进行第二混合，将所得第二混合料与混凝土早强剂、激发剂、高分子增粘剂和增稠剂进行第三混合，得到所述纳米回弹抑制剂。在本发明中，所述第二混合优选包括：将剩余部分水加热至47～53℃
(即50
±
3℃)，然后在搅拌条件下加入所述聚乙烯醇溶液进行混合；所述聚乙烯醇溶液优选在30min内加完；所述剩余水和所述聚乙烯醇水溶液的质量比优选为10:1。
42.在本发明中，所述第三混合优选包括：将所述第二混合料的温度控制在47～53℃(即50
±
3℃)，然后在搅拌状态下依次加入混凝土早强剂、激发剂、增稠剂和高分子增粘剂，加入完毕后持续搅拌1～3h；本发明优选在混凝土早强剂后搅拌10～20min，优选搅拌15min，使混凝土早强剂充分溶解，然后再加入激发剂，加入激发剂后，优选搅拌1h，之后加入高分子增粘剂和增稠剂，加入完毕后保持温度持续搅拌1～3h，优选搅拌2h；所述增稠剂的加入时间优选控制在30min内，所述增粘剂的加入时间优选控制在10min内。
43.本发明还提供了上述方案所述纳米回弹抑制剂或上述方案所述制备方法制备的纳米回弹抑制剂在喷射混凝土中的应用。在本发明中，所述纳米回弹抑制剂的添加量优选为喷射混凝土中胶凝材料质量的4～6％；本发明对所述纳米回弹抑制剂的制备方法没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方法应用即可；在本发明的具体实施例中，将本发明的纳米回弹抑制剂添加到混凝土中，然后进行喷射施工即可。
44.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.实施例1
46.将过滤后的去离子水1000kg加入反应釜中升温至90
±
3℃，达到要求温度后，缓慢加入聚乙烯醇(分子量为15万)10kg，同时进行搅拌(控制在10min内加完)，加完聚乙烯醇后保持温度在90
±
3℃，继续搅拌2h，直至物料溶解均匀，得到聚乙烯醇溶液；
47.将过滤后的去离子水1000kg加入反应釜中升温至50
±
3℃，达到要求温度后，缓慢加入上述步骤制备得到的聚乙烯醇溶液100kg，同时进行搅拌(控制在30min内加完)，加完后保持温度在50
±
3℃，加入三乙醇胺25kg，搅拌15min后加入通用型聚羧酸高性能减水剂(型号为spc-100)母液30kg(含固量为40wt％)并搅拌1h，直至物料溶解均匀。保持温度在50
±
3℃，缓慢加入麦芽糊精100kg(控制在30min内加完)并搅拌；保持温度在50
±
3℃，缓慢加入20万粘度的羟丙基甲基纤维素0.5kg(控制在30min内加完)并搅拌；加完上述物料后保持温度50
±
3℃，进行恒温反应2h，得到纳米回弹抑制剂。
48.应用例1
49.混凝土的成分为：水泥(型号为华润po425)500kg，机制砂(细度模数2.7)853kg，细石(5mm-10mm)315kg，碎石(10mm-20mm)472kg，水165kg，聚羧酸高性能减水剂缓凝型7.5kg，实施例1制备的纳米回弹抑制剂20kg。
50.按照tb/t 3275-2018的方式对混凝土进行性能测试，按照gb/t8077-2012中的方式对纳米回弹抑制剂进行氯离子含量测试，测试结果见表1。
51.表1检测结果
[0052][0053]
由表1中的数据可以看出，掺加本发明的纳米回弹抑制剂后，混凝土的各方面指标均符合国标和铁标要求。
[0054]
抗渗等级试验：根据jc474-2008《混凝土防水剂》中的方法测试抗渗等级，制备掺加实施例1制备的回弹抑制剂(掺量4％)的混凝土试块(混凝土配方使用应用例1)6个(150mm
×
150mm)；28d龄期基准混凝土试块6个(150mm
×
150mm)；不透水仪水压设定1.2mpa；达到设定水压并保持1h后，基准试块渗水5块，掺加本发明回弹抑制剂的试块还未渗水，由此可得出掺本发明回弹抑制剂使混凝土抗渗等级增高，抗渗等级为p12。
[0055]
应用例2
[0056]
将实施例1制备的纳米回弹抑制剂掺加到喷射混凝土中，掺加量分别为胶凝材料质量的4％、6％，喷射混凝土的配比为：华润po425水泥420kg，机制砂(细度模数2.7)881kg，细石(粒径5mm～10mm)881kg，水168kg，聚羧酸高性能减水剂缓凝型5kg，采用的喷射方法为湿喷，喷射施工时采用的速凝剂为无碱液体速凝剂，速凝剂的用量为胶凝材料质量的7％。
[0057]
按照jgj/t372-2016《喷射混凝土应用技术规程》中喷射混凝土回弹率试验中的方法测定回弹率，同时对塌落度、扩展度、一次喷层厚度进行测试，并对添加有纳米回弹抑制剂的混凝土的终凝时间、早期强度、粘结力等进行测试，测试结果见表2。
[0058]
表2测试结果
[0059][0060]
根据表2中的结果可看出，喷射混凝土中掺本发明回弹抑制剂4～6％后，混凝土坍落度和扩展度变化不大，能保持混凝土的施工状态。经湿喷施工后，混凝土凝结时间明显加快，抗压强度及粘结力明显增强，此作用效果可以加快施工进度和保障混凝土质量指标完全合格。
[0061]
实施例2
[0062]
其他条件和实施例1一致，仅将其中羟丙基甲基纤维素的用量修改为0.8kg。
[0063]
实施例3
[0064]
其他条件和实施例1一致，仅将其中聚羧酸高性能减水剂母液的用量修改为8kg，麦芽糊精的用量修改为150kg。
[0065]
按照应用例1～2的方法对实施例2～3制备的纳米回弹抑制剂进行性能检测，结果和实施例1相似。
[0066]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种纳米回弹抑制剂，其特征在于，包括以下质量百分数的组分：高分子增粘剂0.03～15％，增稠剂7～15％，激发剂0.5～5％，混凝土早强剂1.5～3％，聚乙烯醇0.05～0.08％，余量为去离子水；所述激发剂为聚羧酸减水剂母液；所述聚乙烯醇的分子量为12～15万；所述增稠剂为有机碳水化合物。2.根据权利要求1所述的纳米回弹抑制剂，其特征在于，所述高分子增粘剂为羟丙基甲基纤维素。3.根据权利要求1所述的纳米回弹抑制剂，其特征在于，所述增稠剂为麦芽糊精。4.根据权利要求1所述的纳米回弹抑制剂，其特征在于，所述混凝土早强剂为三乙醇胺。5.根据权利要求1所述的纳米回弹抑制剂，其特征在于，所述聚羧酸减水剂母液中的聚羧酸减水剂为通用型聚羧酸高性能减水剂；所述聚羧酸减水剂母液的含固量为30～50wt％。6.权利要求1～5任意一项所述纳米回弹抑制剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将部分水和聚乙烯醇进行第一混合，得到聚乙烯醇水溶液；将剩余水和所述聚乙烯醇水溶液进行第二混合，将所得第二混合料与混凝土早强剂、激发剂、高分子增粘剂和增稠剂进行第三混合，得到所述纳米回弹抑制剂。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一混合包括：将部分水加热至87～93℃，然后加入聚乙烯醇，在保温条件下搅拌2～3h。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第二混合包括：将水加热至47～53℃，然后在搅拌条件下加入所述聚乙烯醇溶液进行混合。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第三混合包括：将所述第二混合料的温度控制在47～53℃，然后在搅拌状态下依次加入混凝土早强剂、激发剂、增稠剂和高分子增粘剂，加入完毕后持续搅拌1～3h。10.权利要求1～5任意一项所述纳米回弹抑制剂或权利要求6～9任意一项所述制备方法制备的纳米回弹抑制剂在喷射混凝土中的应用。

技术总结
本发明涉及混凝土助剂技术领域，提供了一种纳米回弹抑制剂及其制备方法和在喷射混凝土中的应用。本发明提供的纳米回弹抑制剂的组分包括高分子增粘剂、增稠剂、激发剂、混凝土早强剂、聚乙烯醇和水。本发明采用多种高分子有机化合物作为原料，提供减水、增强、防腐、耐磨、防塌等性能，并且各个高分子有机化合物的性能相辅相成、互补促进，最终所得纳米回弹抑制剂可有效提高喷射砼的早期强度、工作性、耐久性、极大降低回弹率，达到减少混凝土喷射浪费、缩短作业时间、改善作业环境的目的。改善作业环境的目的。


技术研发人员：丁文云 闫乐 郭永发 卓建成 李贵民 王勇
受保护的技术使用者：中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司 中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司 中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司 四川铁拓科技有限公司 四川新广建新材料科技有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/20