一种耗散深地热能以提升自身性能的混凝土及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种耗散深地热能以提升自身性能的混凝土及制备方法，属于混凝土技术领域，用于解决矿井常用的纯水泥混凝土无法满足矿井深井支护的问题。该方法，首先，确定胶凝材料组成，并采用粉煤灰和矿粉构成粉体堆积；然后，骨料协同胶凝材料的最密实堆积：石英砂之间形成最密实的堆积体系，水泥、粉煤灰和矿粉、硅灰之间形成较为密实的堆积；其次，通过深部地层平均水平地应力，结合鲍罗米公式进行改进确定胶凝材料用量；接着，确定水胶比和浆骨比；最后，采用微丝镀铜钢纤维进行增韧。通过混凝土的骨料协同胶凝材料体系形成最密实堆积体系，掺入微丝纤维增强混凝土的韧性，确保混凝土早期能够抵抗深部地层静力、动力因素的影响。响。响。

【技术实现步骤摘要】
一种耗散深地热能以提升自身性能的混凝土及制备方法


[0001]本专利技术涉及混凝土
，具体涉及一种耗散深地热能以提升自身性能的混凝土及制备方法。

技术介绍

[0002]矿产资源是国家经济发展的重要物质基础，但是经过数百年的开采，浅层资源已经濒临枯竭。理论上地球的成矿空间分布在地表至地下10,000米，因此向地球的更深部进军是我们必须要解决的战略科技问题。深部地层环境与浅部迥然不同，总体可以归结为“三高一强”即“高地应力、高渗透压、高地温和强腐蚀性”。
[0003]作为矿井安全的咽喉—混凝土支护材料仍未得到足够的重视，一些地区正在建设的1500米级深井均应用的是C25、C30纯水泥混凝土。深井常用混凝土配合比通常为：水泥200～350，黄砂700～900，碎石950～1050以及水200～250，单位：(kg/m3)。然而，1500米的深部水平地应力达45MPa，渗透压至18MPa，地温50℃左右，并且地理位置不同，黄淮地区部分矿井地下水SO
42
‑
在1500mg/L以上，东部滨海地区部分矿井地下水的Cl
‑
达到3800～4500mg/L。在这种情况下，现在所用到的低等级纯水泥混凝土根本无法达到相应的要求。
[0004]近些年在高地应力下，多处矿井发生爆炸，特别是在高渗透压下，井壁渗水严重，部分在建矿井需要花费一半以上的时间用于排水，耽误施工进度；在高温和高浓度腐蚀离子下数年后，多处矿井出现开裂，鼓起等破坏现象，严重影响作业人员安全。
专利技术内容
[0005]针对前述问题，本专利技术提出了一种耗散深地热能以提升自身性能的混凝土及制备方法，通过混凝土的骨料协同胶凝材料体系形成最密实堆积体系，掺入微丝纤维增强混凝土的韧性，确保混凝土早期能够抵抗深部地层静力、动力因素的影响。加入大量的矿物掺合料，利用深部地层的高热能，长龄期加速混凝土内部的水化和火山灰反应，大幅提升材料的密实性，阻滞地下水的渗入。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0007]一种耗散深地热能以提升自身性能的混凝土及制备方法，包括如下步骤：
[0008]步骤S1、确定胶凝材料组成，并采用30～60％的粉煤灰和矿粉复掺为二元粒径体系共同构成粉体堆积；
[0009]步骤S2、骨料协同胶凝材料的最密实堆积：石英砂之间形成最密实的堆积体系，采用常用的10～20目、40～80目和80～100目三粒径区间石英砂，以1：0.68：0.56的比例实现最紧密堆积，其紧密堆积密度为1838kg/m3，表观密度为2807kg/m3；水泥的平均粒径为12μm，粉煤灰和矿粉的平均粒径在8～20μm，硅灰的粒径在5μm以下，水泥、粉煤灰和矿粉、硅灰之间形成较为密实的堆积，其比例为：粉煤灰+矿粉：水泥：硅灰＝1：0.6：0.2；
[0010]步骤S3、确定胶凝材料总用量：通过深部地层平均水平地应力确定胶凝材料用量Y的计算公式(1)：
[0011]Y＝10X+450
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(1)
[0012]式中，Y是胶凝材料用量，X是平均水平地应力，450是常数；胶凝材料用量与普通高性能混凝土强度标准值间存在一定的线性关系；
[0013]步骤S4、确定水胶比和浆骨比：混凝土的水胶比根据深部地层平均水平地应力，并由鲍罗米公式进行改进可得水胶比W/B的计算公式(2)：
[0014][0015]式中，W/B是水胶比，f
ce
是水泥的28d强度，混凝土的浆体体积为在孔隙内填充的浆体体积与富余厚度浆体体积之和，可计算得到混凝土的浆骨比；
[0016]步骤S5、纤维体积分数确定：采用体积分数1％的微丝镀铜钢纤维进行增韧，提高混凝土的劈裂抗拉强度。
[0017]与现有技术相比，本专利技术有益的技术效果在于：
[0018]一种耗散深地热能以提升自身性能的混凝土及制备方法，首先，确定胶凝材料组成，并采用30～60％的粉煤灰和矿粉复掺为二元粒径体系共同构成粉体堆积；然后，骨料协同胶凝材料的最密实堆积：石英砂之间形成最密实的堆积体系，水泥、粉煤灰和矿粉、硅灰之间形成较为密实的堆积；其次，通过深部地层平均水平地应力，结合鲍罗米公式进行改进确定胶凝材料用量；接着，确定水胶比和浆骨比；最后，采用微丝镀铜钢纤维进行增韧，提高混凝土的劈裂抗拉强度。本专利技术的耗散深地热能以提升自身性能的混凝土及制备方法，通过混凝土的骨料协同胶凝材料体系形成最密实堆积体系，掺入微丝纤维增强混凝土的韧性，确保混凝土早期能够抵抗深部地层静力、动力因素的影响。加入大量的矿物掺合料，利用深部地层的高热能，长龄期加速混凝土内部的水化和火山灰反应，大幅提升材料的密实性，阻滞地下水的渗入。用本专利技术制备方法选定具备抵抗深部工程“三高一强”环境条件的支护混凝土配合方式，对于保证深部矿井的安全服役具有重要作用。
[0019]进一步地，所述步骤S1中粉煤灰为II级，矿粉等级为S95，硅灰比表面积范围为18m2/g。
[0020]本专利技术还提供了一种耗散深地热能以提升自身性能的混凝土，包括水、水泥、粉煤灰、矿粉、硅灰、石英砂、微丝镀铜纤维以及减水剂，其配合比(kg/m3)为：
[0021][0022][0023]所述微丝镀铜纤维体积率为1％。
[0024]进一步地，微丝镀铜纤维的长度在10mm、直径0.25mm、抗拉强度2,000MPa以上。
[0025]进一步地，所述水泥为P.O 42.5硅酸盐水泥，其粒径范围为20～30微米。
[0026]进一步地，所述高效减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水率≥30％。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例中耗散深地热能以提升自身性能的混凝土性能变化曲线图。
具体实施方式
[0028]以下结合附图和具体实施例对本专利技术提出的耗散深地热能以提升自身性能的混凝土及制备方法作进一步详细说明。根据下面说明，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。
[0029]下面结合图1，详细说明本专利技术的耗散深地热能以提升自身性能的混凝土及制备方法。
[0030]一种耗散深地热能以提升自身性能的混凝土的制备方法，包括如下步骤：
[0031]步骤S1、确定胶凝材料组成，并采用30～60％的粉煤灰和矿粉复掺为二元粒径体系共同构成粉体堆积；使用水泥和硅灰(纳米级)为二元粒径体系共同构成粉体堆积时，大体积井壁混凝土水化热较大，易造成混凝土开裂而导致耐久性的相关问题。采用30～60％的粉煤灰和矿粉复掺可以有效地降低混凝土水化热，并且在高温下复掺材料与氢氧化钙发生二次水化进一步提升混凝土密实度，有效抵御腐蚀离子和地下水渗出。
[0032]步骤S2、骨料协同胶凝材料的最密实堆积：石英砂之间形成最密实的堆积体系，采用常本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耗散深地热能以提升自身性能的混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、确定胶凝材料组成，并采用30～60％的粉煤灰和矿粉复掺为二元粒径体系共同构成粉体堆积；步骤S2、骨料协同胶凝材料的最密实堆积：石英砂之间形成最密实的堆积体系，采用常用的10～20目、40～80目和80～100目三粒径区间石英砂，以1：0.68：0.56的比例实现最紧密堆积，其紧密堆积密度为1,838kg/m3，表观密度为2,807kg/m3；水泥的平均粒径为12μm，粉煤灰和矿粉的平均粒径在8～20μm，硅灰的粒径在5μm以下，水泥、粉煤灰和矿粉、硅灰之间形成较为密实的堆积，其比例为：粉煤灰+矿粉：水泥：硅灰＝1：0.6：0.2；步骤S3、确定胶凝材料总用量：通过深部地层平均水平地应力确定胶凝材料用量Y的计算公式(1)：Y＝10X+450
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(1)式中，Y是胶凝材料用量，X是平均水平地应力，450是常数；胶凝材料用量与普通高性能混凝土强度标准值间存在一定的线性关系；步骤S4、确定水胶比和浆骨比：混凝土的水胶比根据深部地层平均水平地应力，并由鲍罗米公式进行改进可得水胶比...

【专利技术属性】
技术研发人员：周昱程，占羿箭，王圣怡，
申请(专利权)人：上海建工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：