一种隧道衬砌凝土用高效触变剂及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种隧道衬砌凝土用高效触变剂及其制备方法。
背景技术
隧道衬砌采用衬砌台车灌注施工，混凝土灌注经历泵送、溜槽、自由流动等多次周转，且在密闭狭长的膜腔内流动距离长，导致混凝土的流动性损失较大。为保证灌注效果，衬砌混凝土的水胶比和减水剂掺量较高，在灌注过程中常采用多种振捣方式长时间对混凝土进行振捣，增加混凝土流动能力。但是，大流动度的混凝土在长期振捣过程中易出现离析泌水、骨料分离等问题，同时隧道衬砌混凝土灌注时进料窗口落差大于2m，大高差自由下落加剧了混凝土稳定性的下降。
触变剂是一种可逆的提高混凝土流变性的外加剂，它能够在胶凝体系中形成网络结构，提高混凝土静态屈服应力，增大混凝土的稳定性，有效抑制因外部扰动导致的混凝土离析泌水；当触变剂形成的网络结构受到剪切外力作用时即被破坏，屈服应力大幅降低，混凝土恢复良好的流动性，便于长时间、长距离灌注施工。当剪切应力撤除时；混凝土凝胶体系中的网络结构又重新形成。因此，触变剂是改善隧道衬砌混凝土灌注效果的有效解决途径。
专利“一种水泥基体系用触变剂的制备方法”(申请号：201611221165.7)提供了一种糊化接枝淀粉、脂肪酸盐与增稠剂混合制备的混凝土触变剂，在高温下仍具有良好的触变性。专利“一种水泥体系用触变剂及其制备方法”(申请号：201410283518.0)提供了一种脂肪酸甘油酯、醚类消泡剂和脂肪酸钠盐混合制备的混凝土触变剂，提高混凝土凝胶体系的匀质性和和易性。专利“一种混凝土触变剂及其制备方法”(申请号：201810359730.9)提供了一种季铵盐聚合物与超细粉体和纤维混合制备的混凝土触变剂，专利“一种无砟轨道底座板混凝土用触变剂”提供了一种凹凸棒土、海泡石、纤维素醚等混合制备的混凝土触变剂，用于曲线段无砟轨道底座板坡度定型。
虽然，混凝土用触变剂产品已进行了较多应用，但是在现场应用中发现，现有的触变剂主要存在如下问题：
(1)触变剂添加量大，与减水剂匹配度不高，混凝土工作性能波动较大；
(2)触变效果一般，对大流动度混凝土的触变效果有限，特别在振捣等外部扰动下，触变能力下降严重；
(3)触变剂的保持性较低，混凝土触变效果经时损失较严重；
(4)触变剂内部含有大量羟基，或为了提高保持性水解后生成小分子多元醇，会对混凝土起到缓凝作用，严重影响混凝土早期强度。
因此，针对上述问题，发明了一种隧道衬砌凝土用高效触变剂，它的触变效果优异，触变效果保持能力强，对混凝土的凝结时间无影响，可有效提高混凝土在密闭狭长空间内的流动能力，解决大高差自由下落、长期振捣等导致的离析问题，保证隧道衬砌混凝土的灌注效率和施工质量。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供了一种隧道衬砌凝土用高效触变剂及其制备方法。
技术方案：为了实现以上目的，本发明提供了一种隧道衬砌凝土用高效触变剂及其制备方法，其特征在于：所述高效触变剂按下列质量份数的原料组成：长效分散剂10～20份、水20～60份、增稠剂0.5～2.5份、碱金属盐0.4～1.2份、消泡剂0.6～1.2份、纳米粉体4～8份。
上述的长效分散剂由脂肪二醇单乙烯基聚乙二醇醚、不饱和酸单体、不饱和酯、阳离子单体、链转移剂在水溶液条件下通过氧化还原引发体系聚合而成。
上述的脂肪二醇单乙烯基聚乙二醇醚的结构式如(1)所示：
其中，R为CnH2n，n为2～6中的一个整数。
上述的不饱和酸单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸酐中的一种或几种；不饱和酯为丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯或聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种；阳离子单体为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的一种。
上述的增稠剂由丙烯基磺酸钠、丙烯酸羟乙酯、链转移剂在水溶液条件下通过氧化还原引发体系聚合而成；
上述的碱金属盐为硫酸盐或碳酸盐中的一种或两种；消泡剂为醚类消泡剂或有机硅消泡剂中的一种或两种；纳米粉体为气相二氧化硅、硅灰或纳米蒙脱土中的一种或几种。
上述的一种隧道衬砌凝土用高效触变剂，其制备方法为：在水溶液中，采用脂肪二醇单乙烯基聚乙二醇醚、不饱和酸单体、不饱和酯、阳离子单体、链转移剂、氧化剂和还原剂在40℃±5℃下合成长效分散剂；在水溶液中，采用丙烯基磺酸钠、丙烯酸羟乙酯、链转移剂、氧化剂和还原剂在35℃±5℃下合成增稠剂；随后将上述比例的长效分散剂、水、增稠剂和消泡剂混合后，在50℃±5℃下搅拌均匀，加入碱金属盐搅拌均匀，加入纳米粉体后采用高速搅拌搅拌均匀后，即得。
工作机理：长效分散剂采用的脂肪二醇单乙烯基聚乙二醇醚的分子中的双键为一取代结构，聚醚侧链的摆动更加灵活，包裹性和缠绕性更加，合成出的高效分散剂的适用性好，尤其对于砂石料品质差、含泥量高的情况效果显著；采用的不饱和酯在混凝土碱性环境下水解，提供了分散效果和触变效果的持续性，丙烯酸羟乙酯等水解后为单元醇，对混凝土的凝结时间无影响；采用的阳离子单体可进一步提高分散效果，触变作用显著。而且，长效分散剂的分子结构与其它功能高效聚羧酸减水剂相似，两者相容性佳。丙烯基磺酸钠与丙烯酸羟乙酯制备的增稠剂与长效分散剂相容性良好，增稠效果显著，通过丙烯酸羟乙酯水解，进一步保证了触变功能的持续性和稳定性。采用碱金属盐和纳米粉体等与长效分散剂、增稠剂及消泡剂协同作用，显著提高了材料的触变效果。
有益效果：本发明提供的一种隧道衬砌凝土用高效触变剂及其制备方法，经过大量试验研究，该组份的各组份配比科学合理，该组合物具有以下优异的性能：
(1)触变功能良好：可显著提高凝胶体系静态屈服应力，大幅提高了大流动度混凝土的稳定性，有效解决解决大高差自由下落、长期振捣等导致的混凝土离析问题。同时，剪切状态下的混凝土流动性优，提高了灌隧道衬砌凝土注效率和灌注质量。
(2)触变功能保持性佳：与隧道衬砌凝土流动距离长、灌注时间长的特点相匹配，90min后混凝土仍能保持良好的触变性；
(3)对混凝土早期强度无影响：加入触变剂后，混凝土凝结时间变化在-60min～+120min内，1d抗压强度比≥100％；
(4)适应性优：触变剂与聚羧酸减水剂匹配效果好，对混凝土原材料的容忍度高，可有效增加减水剂的极限掺量。
具体实施方式
下面以实施例说明具体实施方式，这些实施例仅限于解释说明本发明，而不限定本发明的范围。
一种隧道衬砌凝土用高效触变剂制备工艺如下：
(1)在储料釜中按配比加入不饱和酸单体、不饱和酯、阳离子单体、链转移剂、水，搅拌均匀泵送到计量槽A，在集储料釜种按配比加入还原剂和水，搅拌均匀配泵送到计量槽B，随后在反应釜中加入水，边搅拌便加入脂肪二醇单乙烯基聚乙二醇醚，待其溶解搅拌均匀后，加入氧化剂，当釜内物料温度达到40℃±5℃开始滴加A料、B料。A料在180min±5min时间内滴加完毕，B料在210min±5min内滴加完毕，B料滴加完毕后保温反应60min±5min，保温结束后，加入NaOH溶液和水，调节PH值和固含量；
(2)在储料釜中按配比加入丙烯基磺酸钠、链转移剂、水，搅拌均匀泵送到计量槽A，在集储料釜种按配比加入还原剂和水，搅拌均匀配泵送到计量槽B，随后在反应釜中加入水，边搅拌便加入丙烯酸羟乙酯，待其溶解搅拌均匀后，加入氧化剂，当釜内物料温度达到35℃±5℃温度时开始滴加A料、B料。A料在120min±5min时间内滴加完毕，B料在180min±5min内滴加完毕，B料滴加完毕后保温反应30min±5min，保温结束后，加入水调节固含量；
(3)将长效分散剂、水、增稠剂和消泡剂加入至反应釜中，加热至50℃±5℃搅拌30min±5min，加入碱金属盐搅拌60min±5min后，加入纳米粉体，搅拌100min±5min后，采用高速搅拌再搅拌30min±5min，冷却即可。
实施例1
在水溶液中，采用乙二醇单乙烯基聚乙二醇醚、丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、链转移剂、氧化剂和还原剂在40℃±5℃下合成长效分散剂；在水溶液中，采用丙烯基磺酸钠、丙烯酸羟乙酯、链转移剂、氧化剂和还原剂在35℃±5℃下合成增稠剂；随后将10份长效分散剂、20份水、0.5份增稠剂和0.6份醚类消泡剂混合后，在50℃±5℃下搅拌均匀，加入0.4份硫酸钠搅拌均匀，加入4份气相二氧化硅后采用高速搅拌搅拌均匀后，即得。
实施例2
在水溶液中，采用正丁二醇单乙烯基聚乙二醇醚、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、链转移剂、氧化剂和还原剂在40℃±5℃下合成长效分散剂；在水溶液中，采用丙烯基磺酸钠、丙烯酸羟乙酯、链转移剂、氧化剂和还原剂在35℃±5℃下合成增稠剂；随后将20份长效分散剂、60份水、2.5份增稠剂和0.5份有机硅消泡剂、0.7份醚类消泡剂混合后，在50℃±5℃下搅拌均匀，加入0.4份硫酸钠、0.8份碳酸钾搅拌均匀，加入2份气相二氧化硅、2份硅灰、4份纳米蒙拓土后采用高速搅拌搅拌均匀后，即得。
实施例3
在水溶液中，采用丙二醇单乙烯基聚乙二醇醚、马来酸酐、丙烯酸羟丁酯、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、链转移剂、氧化剂和还原剂在40℃±5℃下合成长效分散剂；在水溶液中，采用丙烯基磺酸钠、丙烯酸羟乙酯、链转移剂、氧化剂和还原剂在35℃±5℃下合成增稠剂；随后将15份长效分散剂、40份水、1.5份增稠剂和0.4份有机硅消泡剂、0.5份醚类消泡剂混合后，在50℃±5℃下搅拌均匀，加入0.4份硫酸钾、0.4份碳酸钠搅拌均匀，加入2份气相二氧化硅、2份硅灰、2份纳米蒙拓土后采用高速搅拌搅拌均匀后，即得。
实施例4
在水溶液中，采用正戊二醇单乙烯基聚乙二醇醚、丙烯酸、聚乙二醇二丙烯酸酯、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、链转移剂、氧化剂和还原剂在40℃±5℃下合成长效分散剂；在水溶液中，采用丙烯基磺酸钠、丙烯酸羟乙酯、链转移剂、氧化剂和还原剂在35℃±5℃下合成增稠剂；随后将12.5份长效分散剂、30份水、1份增稠剂和0.3份有机硅消泡剂、0.45份醚类消泡剂混合后，在50℃±5℃下搅拌均匀，加入0.4份硫酸钙、0.2份碳酸钠搅拌均匀，加入1份硅灰、4份纳米蒙拓土后采用高速搅拌搅拌均匀后，即得。
实施例5
在水溶液中，采用正己二醇单乙烯基聚乙二醇醚、丙烯酸、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、链转移剂、氧化剂和还原剂在40℃±5℃下合成长效分散剂；在水溶液中，采用丙烯基磺酸钠、丙烯酸羟乙酯、链转移剂、氧化剂和还原剂在35℃±5℃下合成增稠剂；随后将17.5份长效分散剂、50份水、2份增稠剂和10.5份醚类消泡剂混合后，在50℃±5℃下搅拌均匀，加入1份碳酸钠搅拌均匀，加入7份纳米蒙拓土后采用高速搅拌搅拌均匀后，即得。
实施例6
在水溶液中，采用乙二醇单乙烯基聚乙二醇醚、丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、链转移剂、氧化剂和还原剂在40℃±5℃下合成长效分散剂；在水溶液中，采用丙烯基磺酸钠、丙烯酸羟乙酯、链转移剂、氧化剂和还原剂在35℃±5℃下合成增稠剂；随后将18份长效分散剂、35份水、1.2份增稠剂和0.63份有机硅消泡剂混合后，在50℃±5℃下搅拌均匀，加入0.45份硫酸钾、0.2份碳酸锂搅拌均匀，加入3.5份硅灰、4份纳米蒙拓土后采用高速搅拌搅拌均匀后，即得。
表1为衬砌自填充混凝土配合比，实例1～6中高效触变剂的试验结果如表2所示，其中对比例为市场购置的高效触变剂。
表1衬砌自填充混凝土配合比
表2实施例和对比例衬砌自填充混凝土测试结果
