本發(fā)明涉及混凝土技術(shù)領域，尤其涉及一種無機高性能盾構(gòu)隧道管片。

背景技術(shù)：

我國近幾年在若干大城市開始了大規(guī)模的地下鐵路建設工作。由于盾構(gòu)隧道施工技術(shù)可以最大限度地減少對城市其它設施的影響，所以正逐漸成為地鐵隧道施工的主流技術(shù)。盾構(gòu)隧道施工是一種全機械化的施工方法，它是將盾構(gòu)機械在地中推進，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖石防止發(fā)生坍塌，同時在開挖面前方用切削裝置進行土體的開挖，通過出土機械運出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預制混凝土管片，從而形成盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)隧道中，管片環(huán)是一個鋼筋混凝土圓環(huán)，該圓環(huán)的內(nèi)徑是隧道的成型直徑，依據(jù)最大埋深、抗?jié)B能力、抗震能力等技術(shù)要點進行設計。由于整體的混凝土圓環(huán)是無法在隧道內(nèi)進行運輸、安裝的，解決的方法就是將混凝土圓環(huán)分解成多塊，也即是通過管片的組裝形成圓環(huán)。因此，管片是盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設計中較為關鍵的一環(huán)，管片的好壞直接關系到工程的安全。

盾構(gòu)隧道管片主要包括鋼材料和混凝土材料。如申請?zhí)枮?01520888999.8的實用新型專利公開了一種隧道鋼管片復合層防腐蝕結(jié)構(gòu)，其隧道鋼管片的防腐蝕部位包括作為基層的碳鋼板和作為復合層的防腐蝕金屬板，所述碳鋼板上附有防腐蝕金屬板，所述防腐蝕金屬板厚度占防腐蝕部位總厚度的0.1％～20％。雖然該實用新型對鋼管片作了一定的防腐蝕處理，但是鋼材料在復雜的地下環(huán)境中并不能保證長時間使用后管片不會遭受腐蝕，因此，即使其對鋼管片作了一定的處理，但是也不能滿足日益發(fā)展的隧道工程建設。對于混凝土材料，現(xiàn)階段主要以C50混凝土類別為主，其在使用過程存在以下問題：1、一般的混凝土管片設計厚度是圓環(huán)直徑的1/20，隨著隧道工程發(fā)展，圓環(huán)直徑不斷增大，管片結(jié)構(gòu)尺寸也越來越厚，重量也越來越大，給施工安裝造成很大的不便，同時也不斷擴大開挖外圍直徑，施工成本升高嚴重；2、混凝土材料為非均質(zhì)材料，管片本身制作過程中出現(xiàn)內(nèi)部微裂紋導致抗?jié)B性能不足，造成安裝使用后出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，因此大多數(shù)工程對管片外部注漿再進行二次砌襯或進行表面防水處理，以增加抗?jié)B性能；3、管片制作過程中出現(xiàn)收面開裂及施工安裝過程開裂，抵抗地下鹽堿等腐蝕介質(zhì)性能不足，需要特殊表面處理；4、本身材料抗火性能差，自身材料屬于脆性材料，局部抗爆、抗沖擊性能差，易出現(xiàn)坍塌破損。

因此，綜合以上因素，急需新型材料解決以上問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種重量輕，性能高的適用于隧道建設的盾構(gòu)隧道管片，該盾構(gòu)隧道管片具有高抗壓、抗彎曲、耐沖擊、耐久性能好、耐火、耐酸堿鹽等特點。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下方案實現(xiàn)：

一種無機高性能盾構(gòu)隧道管片，包括下述各原料組分澆筑而成：膠凝材料、礦物摻合料、填充料、水、分散劑和纖維；所述膠凝材料、礦物摻合料、填充料、水、分散劑和纖維的質(zhì)量比為1：0.3～0.5：1.2～1.5：0.10～0.18：0.03～0.05：0.25～0.5。

進一步的，所述膠凝材料為高鋁水泥和硅酸鹽水泥的混合物，所述高鋁水泥和硅酸鹽水泥的質(zhì)量比為1:5～10。

高鋁水泥又稱為耐火水泥，其以氯酸鈣為主，其在水化過程中生成氫氧化鋁凝膠，在混凝土顆粒表面形成保護膜，因此其具有較佳的抗腐蝕性能。高鋁水泥的早期強度增進率遠遠超過硅酸鹽水泥，但是其后期水化產(chǎn)物發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變而導致強度降低。當高鋁水泥和硅酸鹽水泥混合使用時，其能加速硅酸鹽水泥的凝結(jié)，緩解水化熱，并且，選擇合適的高鋁水泥添加量和硅酸鹽水泥添加量，可以使得混凝土獲得滿意的水化性能，既具有較高的早期強度，也保留了良好的后期強度。

進一步的，所述礦物摻合料為礦渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的混合物，所述礦渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的質(zhì)量比為1:1～3:3～5:1～2。正如上所述高鋁水泥在后期強度有所降低，這其中重要的原因在于，高鋁水泥在水化初期或低溫下形成的產(chǎn)物為氫氧化鋁膠狀體，在混凝土表面形成保護膜且填充的晶體間起增強的作用，溫度提高后氫氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榫w三水鋁石，在這晶型的轉(zhuǎn)變過程中不僅降低了膠體的增強作用，而且還釋放出結(jié)晶水而使得孔隙率增大。因此發(fā)明人通過大量研究發(fā)現(xiàn)，通過礦渣、硅粉、陶瓷微粉和粉煤灰的結(jié)合，在混凝土制備過程中表現(xiàn)出膠凝性能，生成具有膠凝能力的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫酸鋁鈣等化合物，并在生成過程中與同樣具有膠凝能力的氫氧化鋁相互交織，形成一個高強度膠凝體系。這一個高強度的膠凝體系能防止在后期氫氧化鋁在晶型轉(zhuǎn)變時導致的孔隙率變大的缺點。此外，特定添加了陶瓷微粉，除了使得礦物摻合料能填充在混凝土的孔隙中，使得顆粒級配更加合理，達到較佳的密度狀態(tài)，進一步降低用水量，從而降低水灰比，提高混凝土的密實性和抗?jié)B性外，還實現(xiàn)了防止高鋁水泥和硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物在高溫和低溫反復變化過程中導致晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積不穩(wěn)定的弊病。

進一步的，所述填充料為河砂、碎玻璃、鋁礬土和陶瓷碎片機制砂的混合物，所述河砂、碎玻璃、鋁礬土和陶瓷碎片機制砂的質(zhì)量比為5:0～1:1～3:1～3。優(yōu)選的，河砂的粒徑為0.16～4.75mm，碎玻璃的粒徑為0.16～0.63mm，鋁礬土的粒徑為0.63～2.5mm，陶瓷碎片機制砂的粒徑為1～3mm。本發(fā)明采用具有較大粒徑范圍的河砂和陶瓷碎片機制砂和較小粒徑的碎玻璃和鋁礬土，兩種大小粒徑的骨料相結(jié)合形成混凝土骨架，借助大小顆粒間組成的結(jié)構(gòu)，以及其它組分的填充，既降低了單位體積內(nèi)的孔隙率，更因較大顆粒物料由較小顆粒物料包圍，整體形成一個高效率高強度的結(jié)構(gòu)，承受外力時能分散外力形成的應力集中，提升混凝土制品對外力的抵抗。

進一步的，所述分散劑為高效減水劑、引氣劑、甲醇和三乙醇胺的混合物，各組分的質(zhì)量比為1:0.00015～0.0003:0.002～0.005:0.02～0.04。分散劑能摻入混凝土的混合物中，對混凝土顆粒起分散的作用，從而改善混凝土的和易性，提高混凝土的密實度和強度，此外，雖然分散劑只是在混凝土凝結(jié)過程起著重要作用，對硬化的混凝土后期所起的作用不大，但是，發(fā)明人通過對上述分散劑的組合和用量的優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，通過上述手段，分散劑的添加還能促進高鋁水泥與其它組分反應生產(chǎn)含結(jié)合水的礦物，通過這一礦物的快速形成，可以使得混凝土內(nèi)部在短時間內(nèi)具有較低的殘余水，從而降低混凝土因水分蒸發(fā)而產(chǎn)生大的收縮，防止蒸發(fā)形成孔隙而降低混凝土內(nèi)部的粘結(jié)力。

進一步的，所述纖維為鋼纖維和PVA纖維的混合物，所述鋼纖維和PVA纖維的質(zhì)量比為1:0.015～0.030。優(yōu)選的，所述鋼纖維的直徑為0.1～0.5mm，長徑比50～100，抗拉強度大于1000兆帕，所述PVA纖維的長度為9～12mm。

進一步的，所述管片內(nèi)設置有鋼筋網(wǎng)，且主受力筋的間距為30～200mm，構(gòu)造筋的間距不大于200mm。由于制備的是隧道管片，是一個具有一定弧度的混凝土制品，因此發(fā)明人對鋼筋網(wǎng)的進行排布優(yōu)化，提高所制備的管片的力學性能表現(xiàn)。主受力筋即為沿管片圓周方向排布的鋼筋，構(gòu)造筋為與主受力筋中橫交錯的鋼筋，與主受力筋形成鋼筋網(wǎng)，可采用鋼筋Φ8～Φ16。

進一步的，所述管片的厚度為管片組裝成的管片環(huán)的直徑的1/40～1/80。

本發(fā)明采用常規(guī)的混凝土制備方法制備即可。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明具有高抗壓、抗彎曲、耐沖擊、耐久性能好、耐火、耐酸堿鹽等特點，材料抗壓強度在130～200兆帕，是普通混凝土的2～4倍，抗彎曲強度是16～30兆帕，是普通混凝土的6～10倍，斷裂能20KJ/m2，是混凝土的100倍左右，材料抗?jié)B可達到P30以上，碳化檢測深度為0，電通量為小于100庫倫，整體耐久性能非常好，耐酸堿鹽腐蝕，耐火檢測可達到A1類，明火溫度可達到800～1000度，因此是采用該材料可大幅度降低結(jié)構(gòu)設計厚度，提高盾構(gòu)隧道管片各種綜合性能。

具體實施方式

為了讓本領域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面對本發(fā)明作進一步闡述。

實施例1

一種無機高性能盾構(gòu)隧道管片，包括下屬各原料組分澆筑而成：膠凝材料、礦物摻合料、填充料、水、分散劑和纖維，所述膠凝材料、礦物摻合料、填充料、水、分散劑和纖維的質(zhì)量比為1：0.3：1.2：0.10：0.03：0.25。

所述膠凝材料為高鋁水泥和硅酸鹽水泥的混合物，所述高鋁水泥和硅酸鹽水泥的質(zhì)量比為1:5。

所述礦物摻合料為礦渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的混合物，所述礦渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的質(zhì)量比為1:1:3:1。

所述填充料為河砂、碎玻璃、鋁礬土和陶瓷碎片機制砂的混合物，所述河砂、碎玻璃、鋁礬土和陶瓷碎片機制砂的質(zhì)量比為5:1:1:1。所述河砂的粒徑為0.16～4.75mm，碎玻璃的粒徑為0.16～0.63mm，鋁礬土的粒徑為0.63～2.5mm，陶瓷碎片機制砂的粒徑為1～3mm。

所述分散劑為高效減水劑、引氣劑、甲醇和三乙醇胺的混合物，各組分的質(zhì)量比為1:0.00015:0.002:0.02。

所述纖維為鋼纖維和PVA纖維的混合物，所述鋼纖維和PVA纖維的質(zhì)量比為1:0.015。所述鋼纖維的直徑為0.1～0.5mm，長徑比50～100，抗拉強度大于1000兆帕，所述PVA纖維的長度為9～12mm。

所述管片內(nèi)設置有鋼筋網(wǎng)，且主受力筋的間距為30mm，構(gòu)造筋的間距150mm。

所述管片的厚度為管片組裝成的管片環(huán)的直徑的1/40。

實施例2

一種無機高性能盾構(gòu)隧道管片，包括下屬各原料組分澆筑而成：膠凝材料、礦物摻合料、填充料、水、分散劑和纖維，所述膠凝材料、礦物摻合料、填充料、水、分散劑和纖維的質(zhì)量比為1：0.5：1.5：0.18：0.05：0.5。

所述膠凝材料為高鋁水泥和硅酸鹽水泥的混合物，所述高鋁水泥和硅酸鹽水泥的質(zhì)量比為1:10。

所述礦物摻合料為礦渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的混合物，所述礦渣、陶瓷微粉、硅粉和粉煤灰的質(zhì)量比為1:3:5:2。

所述填充料為河砂、碎玻璃、鋁礬土和陶瓷碎片機制砂的混合物，所述河砂、碎玻璃、鋁礬土和陶瓷碎片機制砂的質(zhì)量比為5:1:3:3。所述河砂的粒徑為0.16～4.75mm，碎玻璃的粒徑為0.16～0.63mm，鋁礬土的粒徑為0.63～2.5mm，陶瓷碎片機制砂的粒徑為1～3mm。

所述分散劑為高效減水劑、引氣劑、甲醇和三乙醇胺的混合物，各組分的質(zhì)量比為1:0.0003:0.005:0.04。

所述纖維為鋼纖維和PVA纖維的混合物，所述鋼纖維和PVA纖維的質(zhì)量比為1:0.030。所述鋼纖維的直徑為0.1～0.5mm，長徑比50～100，抗拉強度大于1000兆帕，所述PVA纖維的長度為9～12mm。

所述管片內(nèi)設置有鋼筋網(wǎng)，且主受力筋的間距為200mm，構(gòu)造筋的間距150mm。

所述管片的厚度為管片組裝成的管片環(huán)的直徑的1/80。

對比例1

本對比例與實施例1類似，區(qū)別在于，所述高鋁水泥和硅酸鹽水泥的質(zhì)量比為0.5：8。

對比例2

本對比例與實施例1類似，區(qū)別在于，所述礦物摻合料為礦渣、硅粉和粉煤灰，三者的質(zhì)量比為1:3:1.

對比例3

本對比例與實施例1類似，區(qū)別在于，所述礦物摻合料為礦渣、石灰石、硅粉和粉煤灰，三者的質(zhì)量比為1:1:3:1。

對比例4

本對比例與實施例1類似，區(qū)別在于，所述分散劑為高效減水劑、引氣劑和甲醇，三者質(zhì)量比為1：0.00015：0.002。

對比例5

本對比例與實施例1類似，區(qū)別在于，所述分散劑為高效減水劑、引氣劑、三乙醇胺，三者質(zhì)量比為1:0.00015:0.02。

對比例6

本對比例與實施例1類似，區(qū)別在于，所述河砂的粒徑為2.85～4.74mm。

對上述實施例1～2和對比例1～6所制備的管片進行性能測試，結(jié)果如下表：

上述實施例僅為本發(fā)明的其中具體實現(xiàn)方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些顯而易見的替換形式均屬于本發(fā)明的保護范圍。