一种富水地层用抗水分散型同步注浆材料的制作方法

[0001]
本发明涉及一种注浆材料，尤其涉及一种富水地层用抗水分散型同步注浆材料。


背景技术：

[0002]
同步注浆材料是地铁盾构施工或盾构隧道施工以及其他工程施工过程中形成一定厚度的空隙，该空隙需要采用同步注浆材料进行填充，弥补土层损失，起到预防地表沉降、防止位移而加大对周围地层的扰动等现象。
[0003]
传统同步注浆材料存在容易被水冲刷、稀释等问题，应用在富水地层中更是存在抗水分散性能差的问题，进而导致注浆量大幅增加，注浆填充率低，注浆完成后因填充不足导致的渗漏水问题以及地表塌陷问题严重，直接影响工程质量。
[0004]
本发明针对现有同步注浆材料存在的缺陷，通过材料的优化设计，以期创设一种富水地层用抗水分散型同步注浆材料，使其更具好地适应富水地层，更具适用性。经过不断的研究、设计，创设出具有实用价值的注浆材料。


技术实现要素：

[0005]
本发明的主要目的是提高注浆材料的注浆填充率。主要包括如下的技术方案：
[0006]
本发明提出的富水地层用抗水分散型同步注浆材料，包括如下质量比的各组分：硅酸盐水泥33.2％～50.1％，砂48.7％～66.5％，纳米硅改性硅酸镁锂0.3％～2％，聚丙烯酸钠0.01％～0.6％，瓜尔胶醚0.1％～0.5％，高性能减水剂0.03％～0.1％；
[0007]
其中，硅酸盐水泥为注浆材料体系的胶凝材料，起到“胶结剂”的作用，是注浆材料强度产生的关键，但硅酸盐水泥有一定的化学收缩，掺量越高产生的收缩越低，试验表明，硅酸盐水泥占比在33.2％～50.1％时可提供注浆材料所需要的强度，同时产生的化学收缩较小，该掺量范围内注浆材料结石率满足产品的性能要求；砂作为注浆材料体系的骨料，起到支撑和架构作用，适量的砂可提升注浆材料的强度，抑制和减少注浆材料体系的收缩，过量的砂会导致注浆材料分层、泌水、和易性变差，试验表明砂在48.7％～66.5％范围内对注浆材料强度有提升作用，此时注浆材料和易性好，可以克服分层、泌水问题；纳米硅改性硅酸镁锂可提高盾构注浆材料的粘聚性、稳定性，减少注浆材料的泌水率及分层度，但纳米硅改性硅酸镁锂掺量过高后注浆材料的稠度显著降低，施工性不满足要求，试验表明纳米硅改性硅酸镁锂在0.3％～2％范围内可减少注浆材料的泌水率及分层度，同时对注浆材料稠度降低不明显，有利于注浆材料的施工性能；聚丙烯酸钠可提高浆体整体的稳定性及抗水分散性能，但过量的聚丙烯酸钠会导致注浆材料稠度降低，凝结时间大幅度延长，试验表明聚丙烯酸钠在0.01％～0.6％范围内可减少注浆材料的泌水率及分层度，提高注浆材料的抗水分散性能，同时对注浆材料稠度降低不明显，注浆材料的凝结时间也未大幅度的延长；瓜尔胶醚具有良好絮凝作用，在富水地层环境下注浆材料的抗冲刷性强，凝结性能高，提高注浆材料浆体富水地层下抗水分散性能，但过量的瓜尔胶醚会导致注浆材料强度降低，试验表明，瓜尔胶醚在0.1％～0.5％范围内对注浆材料浆体富水地层下抗水分散性能有一定
的提升作用，同时抗压强度降低不明显；高性能减水剂具有一定的减少和保坍作用，可提高注浆材料的稠度，改善注浆材料的和易性和可注性，过量的减水剂会导致注浆材料凝结时间延长同时会导致注浆材料泌水、分层，研究表明，高性能减水剂在0.03％～0.1％范围内，可提升注浆材料的稠度、和易性和可注性，同时不会导致注浆材料凝结时间的大幅度延长及泌水与分层问题。
[0008]
作为优选的，包括如下质量比的各组分：硅酸盐水泥35.2％～49.1％，砂50.1％～62％，纳米硅改性硅酸镁锂0.5％～2％，聚丙烯酸钠0.03％～0.5％，瓜尔胶醚0.1％～0.5％，高性能减水剂0.03％～0.1％。
[0009]
作为优选的，包括如下质量比的各组分：硅酸盐水泥35.2％～49.1％，砂50.1％～62％，纳米硅改性硅酸镁锂0.3％～2％，聚丙烯酸钠0.03％～0.5％，瓜尔胶醚0.3％～0.5％，高性能减水剂0.03％～0.1％。
[0010]
作为优选的，其中硅酸盐水泥为早强型42.5级硅酸盐水泥或早强型52.5级硅酸盐水泥，选用早强型的42.5级硅酸盐水泥或早强型52.5级硅酸盐水泥更有利于注浆材料早期强度的产生，确保注浆材料早期对周边土体的支撑作用以及对管片的稳固作用。
[0011]
作为优选的，砂选用河砂，细度模数2.5～3.0，含泥量<1.0％，在该细度模数范围内的河砂细度适中、级配合理，与其他细度模数的砂相比，在达到相同的稠度时对胶凝材料的需求量小且不宜分层。
[0012]
作为优选的，纳米硅改性硅酸镁锂为天然纳米硅改性硅酸镁锂矿物凝胶，其触变值≥8％，若触变值小于8％，纳米硅改性硅酸镁锂在较高的掺量下对注浆材料的粘聚性及稳定性改善作用仍不明显，但会导致注浆材料的稠度降低。
[0013]
作为优选的，聚丙烯酸钠分子量≥3000万，若选用分子量小于3000万的聚丙烯酸钠，聚丙烯酸钠在较高的掺量下仍然对注浆材料抗水分散性能提升不明显，但会显著延长注浆材料的凝结时间。
[0014]
作为优选的，瓜尔胶醚为阴阳两性瓜尔胶醚，其分子量≥25万，若选用分子量小于25万的瓜尔胶醚，瓜尔胶醚在较高的掺量下仍然对富水地层下注浆材料抗水分散性能提升不明显，但会显著降低注浆材料的强度。
[0015]
作为优选的，所述高性能减水剂为聚羧酸系高性能减水剂粉剂。
[0016]
本发明的富水地层用抗水分散型同步注浆材料至少具有以下优点：
[0017]
1.本发明中纳米硅改性硅酸镁锂具有极佳的分散特性，极易均匀的分散在注浆材料浆体中，其遇水分散后形成的缔合网络结构可提高盾构注浆材料的粘聚性、稳定性，减少注浆材料的泌水率及分层度，该络合结构同时具有优异的触变性，使得注浆材料在静态时具有良好的粘聚性、稳定性和整体性，提高注浆材料在富水地层中被水浸泡后抗水稀释、冲散的能力，该络合结构在适当的注浆压力下又具有一定的润滑作用，减小水泥颗粒与砂粒直接的摩擦力，提高注浆材料的可注性；本发明控制其触变值≥8％，上述作用更加明显；
[0018]
2.聚丙烯酸钠对注浆材料浆体悬浮液有很好的凝聚(螯合)作用，尤其是分子量≥3000万的聚丙烯酸钠，提高浆体整体的稳定性，使注浆材料在一定的水压力冲刷时仍能保持整体凝聚状态，确保注浆材料在富水地层的抗水分散性及富水地层良好的结石率；
[0019]
3.选用分子量≥25万的瓜尔胶醚，具有良好絮凝作用，在富水地层环境下注浆材料的抗冲刷性强，凝结性能高，提高注浆材料浆体富水地层下抗水分散性能；高性能减水剂
的减水率高、保塑性好，能够改善注浆材料的和易性和可注性。
[0020]
4.本发明提出的注浆材料具有抗水分散性能好、泌水率低、早期强度高、结石率高的优点，用于富水地层的盾构同步注浆施工时，能够抵抗富水地层地下水的冲散，能够很好的凝结，便于施工作业。
[0021]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
[0022]
本发明市售材料的情况如下：
[0023]
42.5级普通硅酸盐水泥，购于北京金隅水泥有限公司；
[0024]
河砂，购于山东泰安；
[0025]
纳米硅改性硅酸镁锂，购于湖南朋泰高新材料有限公司；
[0026]
聚丙烯酸钠，购于江苏岚羽生物工程有限公司；
[0027]
瓜尔胶醚，购于郑州普尔化工产品有限公司；
[0028]
高性能减水剂的型号为cabr-j1，购于中国建筑科学研究院。
[0029]
实施例1
[0030]
本实施例的适用于富水地层下抗水分散型同步注浆材料2000g，由以下质量原料制成：符合《通用硅酸盐水泥》标准要求的42.5级普通硅酸盐水泥664g，符合《建设用砂》标准要求、细度模数2.5～3.0、含泥量<1.0％的河砂1327g，纳米硅改性硅酸镁锂7g，聚丙烯酸钠0.27g，瓜尔胶醚1g，高性能减水剂0.73g；
[0031]
将上述材料2000g的各原料混合后，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使各原料均匀混合。然后加入1600g的水再进行搅拌120秒，制得成品料l1。
[0032]
实施例2
[0033]
本实施例的适用于富水地层下抗水分散型同步注浆材料2000g，由以下质量原料制成：符合《通用硅酸盐水泥》标准要求的42.5级普通硅酸盐水泥664g，符合《建设用砂》标准要求、细度模数2.5～3.0、含泥量<1.0％的河砂1327g，纳米硅改性硅酸镁锂6.67g，聚丙烯酸钠0.53g，瓜尔胶醚1g，高性能减水剂0.8g；
[0034]
将上述共计2000g的各原料混合后，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使各原料均匀混合。然后加入1600g的水再进行搅拌120秒，制得成品料l2。
[0035]
实施例3
[0036]
本实施例的适用于富水地层下抗水分散型同步注浆材料2000g，由以下质量原料制成：《通用硅酸盐水泥》标准要求的42.5级普通硅酸盐水泥994g，符合《建设用砂》标准要求、细度模数2.5～3.0、含泥量<1.0％的河砂993g，纳米硅改性硅酸镁锂9.6g，聚丙烯酸钠0.4g，瓜尔胶醚2g，高性能减水剂1g；
[0037]
将上述共计2000g的各原料混合后，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使各原料均匀混合。然后加入1500g的水再进行搅拌120秒，制得成品料l3。
[0038]
实施例4
[0039]
本实施例的适用于富水地层下抗水分散型同步注浆材料2000g，由以下质量原料制成：符合《通用硅酸盐水泥》标准要求的42.5级普通硅酸盐水泥979g，符合《建设用砂》标
准要求、细度模数2.5～3.0，含泥量<1.0％的河砂1000g，纳米硅改性硅酸镁锂18.42g，聚丙烯酸钠0.58g，瓜尔胶醚1g，高性能减水剂1g；
[0040]
将上述共计2000g的各原料混合后，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使各原料均匀混合。然后加入1500g的水再进行搅拌120秒，制得成品料l4。
[0041]
实施例5
[0042]
本实施例的适用于富水地层下抗水分散型同步注浆材料2000g，由以下质量原料制成：符合《通用硅酸盐水泥》标准要求的42.5级普通硅酸盐水泥978g，符合《建设用砂》标准要求、细度模数2.5～3.0、含泥量<1.0％的河砂978g，纳米硅改性硅酸镁锂39g，聚丙烯酸钠1.17g，瓜尔胶醚2g，高性能减水剂1.83g；
[0043]
将上述共计2000g的各原料混合后，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使各原料均匀混合。然后加入1400g的水再进行搅拌120秒，制得成品料l5。
[0044]
实施例6
[0045]
本实施例的适用于富水地层下抗水分散型同步注浆材料2000g，由以下质量原料制成：符合《通用硅酸盐水泥》标准要求的42.5级普通硅酸盐水泥974g，符合《建设用砂》标准要求、细度模数2.5～3.0、含泥量<1.0％的河砂974g，纳米硅改性硅酸镁锂38.83g，聚丙烯酸钠1.17g，瓜尔胶醚10g，高性能减水剂2g；
[0046]
将上述共计2000g的各原料混合后，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使各原料均匀混合。然后加入1400g的水再进行搅拌120秒，制得成品料l6。
[0047]
对比例1
[0048]
本实施例的适用于富水地层下抗水分散型同步注浆材料2000g，由以下质量原料制成：42.5级普通硅酸盐水泥560g，砂1333g，钠级膨润土107g；
[0049]
将本对比例的注浆材料2000g的各原料混合后，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使各原料均匀混合。然后加入1600g的水再进行搅拌120秒，制得成品料l0。
[0050]
性能测试：
[0051]
测试成型后成品注浆材料l0～l6的浆体稠度、2天抗压强度、28天抗压强度、泌水率、水陆强度比和结石率结果，其中稠度、2天抗压强度、28天抗压强度、泌水率、水陆强度比和结石率的试验方法参照现行标准《盾构法隧道同步注浆材料应用技术规程》(t/cecs 563-2018)进行，详细测试结果如表1所示：
[0052]
表1成品注浆材料l
0-l6的性能测试数据
[0053][0054]
本发明与工程现场普遍使用的注浆材料(l0)相比具有早期强度高、泌水率低，抗水分散性能好(水陆强度比高)，填充性能好(结石率高)等优点。
[0055]
本发明通过优化材料组分，使得该注浆材料具有抗水分散性能好、泌水率低、早期强度高、结石率高的优点，用于富水地层的盾构同步注浆施工时，能够抵抗富水地层地下水的冲散，能够很好的凝结，便于施工作业，保证工程质量。
[0056]
具体的，使用的纳米硅改性硅酸镁锂具有极佳的分散、悬浮、增稠、触变等特性，可提高盾构注浆材料的粘聚性、稳定性、触变性，减少注浆材料的泌水率及分层度，提高盾构注浆材料富水地层下整体性、稳定性和抗水分散性能，提高盾构注浆材料动水环境下的可注性；聚丙烯酸钠对注浆材料浆体悬浮液有很好的凝聚(螯合)作用，提高浆体整体的稳定性，使注浆材料在水压力冲刷时仍能保持整体凝聚状态，确保注浆材料在富水地层的抗水分散性及富水地层良好的结石率；瓜尔胶醚具有良好絮凝作用，在富水地层环境下注浆材料的抗冲刷性强，凝结性能高，提高注浆材料浆体富水地层下抗水分散性能；高性能减水剂的减水率高、保塑性好，能够改善注浆材料的和易性和可注性。
[0057]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

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