本發明涉及建筑特種材料領域，尤其是涉及一種地鐵隧道混凝土快速搶修材料及其制備方法和應用。
背景技術：
隨著我國經濟發展迅速,城市化進程加快,城市人口大量增長,各類交通工具日漸普及，市區道路結構性缺陷以及道路資源低效率分配利用的問題不斷出現，交通擁堵問題日益嚴重，為解決這些問題，將交通工程轉為地下成為首選方案。由于地鐵不受氣候條件的影響和安全快捷的運輸特點，已成為許多大城市公共客運交通網絡的骨干。自19世紀60年代倫敦第一條地鐵建成以來，許多國家的城市軌道交通得到了蓬勃發展。我國城市的軌道交通建設從上世紀60年代北京地鐵開始，隨著國民經濟的持續增長以及城市規模的不斷擴大，至今已有北京、上海、廣州等十多個城市陸續修建地鐵和輕軌線路。實踐證明，地鐵的運營對于緩解城市的交通壓力起到巨大的作用，因此，近年來，我國將有二十余個城市將建設軌道交通線路。
由于工程的特殊性，地鐵隧道混凝土處于潮濕和地下水流經的環境中，不僅面臨著比地面更嚴重的碳化環境和地下水的壓力滲透作用，還受到地下水中存在的各種腐蝕性介質的侵蝕，同時還受荷載、列車振動、雜散電流等影響，很大程度上加劇了對混凝土的侵蝕作用。因此，相對于其它建設工程，地鐵隧道混凝土由于遭受侵蝕而導致混凝土耐久性劣化的問題顯得尤為突出，并且直接關系到地鐵混凝土結構的安全和使用年限。
地鐵工程屬于國家級重點工程，所謂地鐵是百年工程指的是地鐵土建結構工程的設計使用壽命為100年。經若干年運營后，由于各種侵蝕而導致地鐵盾構隧道混凝土的病害情況日益嚴重，嚴重影響地鐵的正常運營及安全，因此，對地鐵盾構隧道混凝土病害的修復已成為迫在眉睫的問題。
鑒于地鐵的特點，地鐵混凝土病害的修復只能夜間進行，每天給予的維護時間很短，往往在4h內要把全部修復程序完成，因此要求修補材料凝結硬化快、強度高，施工工藝簡便快捷，其施工完畢后1～2h強度就能滿足恢復地鐵運營的最低要求，以免影響車輛的正常運營。另外，在對地鐵頂部病害的修復時，特別要求修補材料與地鐵管片混凝土之間的粘結強度高、發展快，以免脫落影響列車的安全運營。
目前，地鐵最常用的快速修補材料包括硫鋁酸鹽水泥、改性硅酸鹽水泥等無機材料，以及環氧樹脂、丙烯酸等有機高分子材料。傳統的有機高分子材料具有凝結硬化快，粘結強度高，但與地鐵管片混凝土的彈性模量和熱膨脹系數相差大、不匹配，易產生粘結界面疲勞開裂與脫落；無機快速搶修材料的特性正好相反。本發明的正是為了克服快速修補材料的缺點，綜合有機、無機材料的優點而提出的。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種地鐵隧道混凝土快速搶修材料及其制備方法和應用。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種地鐵隧道混凝土快速搶修材料，包括以下質量份數的組分：磷酸鹽水泥100份，硅鋁酸鹽礦物1-20份，硼酸1-10份，外加劑0.01-0.04份。
作為優選的實施方案，所述的磷酸鹽水泥為磷酸銨鎂水泥，從杭州修路人科技股份有限公司直接購得，為其配制修復王砂漿zg01產品所用的磷酸鹽水泥。
作為優選的實施方案，所述的硅鋁酸鹽礦物為偏高嶺土、礦渣粉中的一種或兩種的復合。所述的硅鋁酸鹽礦物的比表面積為300～500m2/kg。
作為優選的實施方案，所述的硼酸為粉劑產品，其純度≥95％。
作為優選的實施方案，所述的外加劑為茶皂素。
地鐵隧道混凝土快速搶修材料的制備方法，包括以下具體步驟：按比例稱取磷酸鹽水泥、硅鋁酸鹽礦物、硼酸和外加劑，置于混料機中混合，即得到目的產品。
地鐵隧道混凝土快速搶修材料用于修復地鐵病害。
作為優選的實施方案，其應用方法具體為：
(1)取快速搶修材料，與水、砂石攪拌充分，配成搶修料；
(2)對地鐵病害進行修復施工前，將損壞的混凝土層清理干凈，不需對表面進行撒水濕潤處理，再涂抹步驟(1)配成的搶修料，施工完后，不需要特殊養護如撒水和加溫等，根據工程需要，靜置1h左右，即完成修復，從而開放地鐵運營。
作為上述優選的實施方案的更優選，步驟(1)中快速搶修材料與水的質量比為1：(0.1-0.18)。
與現有技術相比，本發明的搶修材料具有以下優點：
(1)強度高、發展快，且后期強度繼續增長；
(2)與地鐵管片混凝土之間的粘結強度高；
(3)與水泥混凝土材性如熱膨脹系數、彈性模量等相匹配；
(4)可快速開放地鐵交通；
(5)體積穩定性高、干縮很小；
(6)優異的耐久性，如良好的抗應力疲勞和保護鋼筋不銹蝕的性能等。
(7)本發明克服傳統快速修補材料的缺點，綜合有機、無機材料的優點，從而為地鐵病害的快速修復提供一種快速、高效、耐久的搶修材料。本專利將為現役地鐵縫病害的處治提供新的技術手段，具有重大的社會意義和顯著經濟效益。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。
下述各實施例1-4中，所用的磷酸鹽水泥為磷酸銨鎂水泥，硅鋁酸鹽礦物為偏高嶺土和礦渣粉按質量比9:1的復合，其比表面積為300～500m2/kg。硼酸為粉劑產品，其純度≥95％。外加劑為茶皂素。
下述各實施例配成的快速搶修材料用于修復地鐵病害時，采用以下具體步驟施工：(1)取快速搶修材料，與水、砂石攪拌充分，配成搶修料；(2)對地鐵病害進行修復施工前，將損壞的混凝土層清理干凈，不需對表面進行撒水濕潤處理，再涂抹步驟(1)配成的搶修料，施工完后，不需要特殊養護如撒水和加溫等，根據工程需要，靜置1h左右，即完成修復，從而可開放地鐵運營。
實施例1：
當搶修材料：水：砂＝1：0.12：1時，其配成的搶修料的性能指標見表1所示。
實施例2：
當搶修材料：水：砂＝1：0.12：1時，其性能指標見表1所示。
實施例3：
當搶修材料：水：砂＝1：0.12：1時，其性能指標見表1所示。
實施例4：
當搶修材料：水：砂＝1：0.12：1時，其性能指標見表1所示。
表1
注：
(1)對比樣為常用的硫鋁酸鹽水泥基搶修材料，其配合比為硫鋁酸鹽水泥:水:砂＝1:0.40:1.0；
(2)試件尺寸為4cm×4cm×16cm；
(3)粘結強度為搶修材料與水泥混凝土之間的粘結抗折強度，混凝土自身的抗折強度為9.1mpa；
(4)“≥”，表示粘結強度測定時，粘結試件的斷裂位置處在混凝土本體材料中，即其粘結強度大于混凝土自身的抗折強度。
從表1中可清楚地看到，與傳統的硫鋁酸鹽水泥基搶修材料(對比樣)相比，本發明搶修材料的綜合性能明顯更優，特別是1d前的早期強度，以及與硅酸鹽水泥混凝土之間的粘結強度尤其突出。
通過優化材料的配比可以明顯改善本發明搶修材料的性能。通過填加硼酸，因其可與磷酸鹽水泥中的mgo顆粒反應，在其表面形成一層硼酸鎂鹽薄層，從而阻礙了磷酸鹽與mgo的反應，因此可明顯增加本發明搶修材料的可操作時間，但降低了其早期強度，對7d后強度影響較小；添加適量的硅鋁酸鹽礦物量，因其含有的活性si和al組分可參與凝結硬化反應，可增加膠結礦物的含量，因此有利于提高本發明搶修材料的強度和粘結性能，且可降低其生產成本；添加適量的外加劑，因其可在漿體中引入大量的微小球形氣泡，降低漿體的粘度和密度，因此可較顯著改善搶修材料的施工性能，降低修補漿體從修補立面流淌脫離，但對其抗壓強度有一定程度的降低。因此，根據現場工程的實際情況要求，可以通過調整這些材料參數來獲得性價比最優的搶修材料。
實施例5
一種地鐵隧道混凝土快速搶修材料，包括以下質量份數的組分：磷酸鹽水泥100份，硅鋁酸鹽礦物1份，硼酸1份，外加劑0.04份。所述的磷酸鹽水泥為磷酸銨鎂水泥。所述的硅鋁酸鹽礦物為偏高嶺土，其比表面積為300～500m2/kg。所述的硼酸為粉劑產品，其純度≥95％。所述的外加劑為茶皂素，由油茶企業的殘渣茶粕經提煉而成的物質。
按上述配方制成的快速搶修材料，用于地鐵病害修復施工時，與普通修復水泥一樣，按1：0.1：1的質量比將快速搶修材料、水和砂石攪拌混合。其余方法參照前文的應用方法。
實施例6
一種地鐵隧道混凝土快速搶修材料，包括以下質量份數的組分：磷酸鹽水泥100份，硅鋁酸鹽礦物20份，硼酸10份，外加劑0.04份。所述的磷酸鹽水泥為磷酸銨鎂水泥。所述的硅鋁酸鹽礦物為礦渣粉，其比表面積為300～500m2/kg。所述的硼酸為粉劑產品，其純度≥95％。所述的外加劑為茶皂素，由油茶企業的殘渣茶粕經提煉而成的物質。
按上述配方制成的快速搶修材料，用于地鐵病害修復施工時，與普通修復水泥一樣，按1：0.18：1的質量比將快速搶修材料、水和砂石攪拌混合。其余方法參照前文的應用方法。
實施例7
一種地鐵隧道混凝土快速搶修材料，包括以下質量份數的組分：磷酸鹽水泥100份，硅鋁酸鹽礦物12份，硼酸4份，外加劑0.025份。所述的磷酸鹽水泥為磷酸銨鎂水泥。所述的硅鋁酸鹽礦物為偏高嶺土和礦渣粉按質量比2:1復合，其比表面積為300～500m2/kg。所述的硼酸為粉劑產品，其純度≥95％。所述的外加劑為茶皂素，由油茶企業的殘渣茶粕經提煉而成的物質。
按上述配方制成的快速搶修材料，用于地鐵病害修復施工時，與普通修復水泥一樣，按1：0.12：1的質量比將快速搶修材料、水和砂石攪拌混合。其余方法參照前文的應用方法。
實施例8
一種地鐵隧道混凝土快速搶修材料，包括以下質量份數的組分：磷酸鹽水泥100份，硅鋁酸鹽礦物8份，硼酸6份，外加劑0.03份。所述的磷酸鹽水泥為磷酸銨鎂水泥。所述的硅鋁酸鹽礦物為偏高嶺土和礦渣粉按質量比1:2的復合，其比表面積為300～500m2/kg。所述的硼酸為粉劑產品，其純度≥95％。所述的外加劑為茶皂素，由油茶企業的殘渣茶粕經提煉而成的物質。
按上述配方制成的快速搶修材料，用于地鐵病害修復施工時，與普通修復水泥一樣，按1：0.11：1的質量比將快速搶修材料、水和砂石攪拌混合。其余方法參照前文的應用方法。
上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。