CN101239803B - 加固粉细砂用超细水泥浆液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种加固粉细砂用超细水泥浆液，由下述材料按以下重量份配比搅拌成混合浆液：水100份；超细水泥20～40份；悬浮剂0.5～3份；稀释剂0.5～2份；高效减水剂0.2～1份，上述混合浆液中还可掺有0.5～1份的表面活性剂。首先在搅拌池中加入水，在缓慢搅拌下依次加入膨润土、稀释剂和高效减水剂，搅拌2分钟后在搅拌状态下缓缓加入超细水泥，在500～1500转/分的转速下高速搅拌5分钟即可。同时还可在第二搅拌池中加入水、水玻璃、磷酸氢二钠，搅拌2分钟成速凝剂浆液，采用双液注浆泵分别从上述两个搅拌池中抽取浆液注浆，两种液浆的重量份之比为10∶2～4。解决了用超细水泥浆液快速加固粉细砂地层的问题。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种地层加固用的注浆材料，以及这种材料的制备方法。
(二)背景技术
隧道施工中经常遇到细砂及粉细砂层，该类砂层自稳能力很差，开挖隧道时极易发生涌水、涌砂、塌方等工程灾害。对于该地层目前最常用的为以下几种加固方法：
1)、酸性水玻璃注浆。该类注浆材料是目前针对粉细砂应用最广泛的注浆材料，其主材为水玻璃，辅材为硫酸和碳酸氢钠。此类注浆材料注浆渗透范围均匀，价格低廉，但是注浆加固强度较低，耐久性差。只能用于对加固要求较低的情况下使用。
2)、普通水泥注浆。此类浆液在细砂及粉细砂注浆中无法渗透注入，在注浆压力较高的情况下只能以单纯的劈裂方式进入砂层，加固后的砂层并不稳定。
3)、冻结法加固。即利用人工制冷的方法把隧道拱顶的粉细砂层中的水冻结成冰，用冻结的半圆拱形结构体来抵抗水土压力，以保证人工开挖工作顺利进行。此方法施工速度快，可控性强。但是其设备昂贵，冻结费用高，目前应用也较少。
地层粉细砂粒径普遍在100μm左右，其颗粒间的缝隙也仅有10μm，而普通水泥浆的颗粒粒径为20～80μm，根本无法渗透。从理论上来讲，颗粒型浆液要想渗透砂层颗粒间的缝隙，浆液颗粒粒径和砂层颗粒间的缝隙之间应满足以下关系。
R＝Dp/d＞3 (1-1)
R-可注性指标；
Dp-砂层颗粒间的缝隙；
d-浆液颗粒粒径。
一般超细水泥的平均粒径为2～3μm，从理论上讲在超细水泥分散良好的情况下是具有可注性的。但是由于超细水泥的粒径正好处于可注的临界状态，使得任何对可注性不利的因素都会导致注浆的失败。而且试验也表明超细水泥实际的注浆情况并不理想，主要是因为超细水泥在水中具有一定的团聚性和沉降性，使得超细水泥颗粒极易沉积在砂粒间的微小缝隙上，将缝隙堵塞。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种加固粉细砂用超细水泥注浆材料及其制备方法，要解决用超细水泥浆液快速加固粉细砂地层的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个技术方案：
一种加固粉细砂用超细水泥浆液，其特征在于由下述材料按以下重量份配比搅拌成混合浆液：
水： 100份；
超细水泥： 20～40份；
悬浮剂： 0.5～3份；
稀释剂： 0.5～2份；
高效减水剂：0.2～1份。
上述超细水泥的比表面积为7000～12000cm2/g。
上述悬浮剂是膨润土或硅微粉。
上述稀释剂为二甲基乙烯丙基氯化铵和羟甲基纤维素的共聚物或者焦磷酸钠。
上述高效减水剂为奈系高效减水剂或聚缩酸类减水剂。
上述水灰重量比为3∶1～5∶1。
上述混合浆液中还可掺有0.5～1份的表面活性剂，表面活性剂为十二烷基苯璜酸钠或十二烷基璜酸钠。
这种加固粉细砂用超细水泥浆液的制备方法，其特征在于：首先在搅拌池中加入水，在缓慢搅拌下依次加入膨润土、稀释剂和高效减水剂，搅拌2分钟后在搅拌状态下缓缓加入超细水泥，在500～1500转/分的转速下高速搅拌5分钟即可。
本发明的第二个技术方案：
一种加固粉细砂用超细水泥浆液，其特征在于：由两种混合浆液兑成注浆液，第一种是上述的混合浆液，第二种是由水玻璃、水与磷酸氢二钠组成的速凝剂，水玻璃、水与磷酸氢二钠的比例为质量比100∶100∶8，两种混合液浆的重量份之比为10∶2～4。
后一种加固粉细砂用超细水泥浆液的制备方法，其特征在于：首先在第一搅拌池中加入水，在缓慢搅拌下依次加入膨润土、稀释剂和高效减水剂，搅拌2分钟后在搅拌状态下缓缓加入超细水泥，在500～1500转/分的转速下高速搅拌5分钟；同时在第二搅拌池中加入水、水玻璃、磷酸氢二钠，搅拌2分钟成速凝剂浆液，采用双液注浆泵分别从上述两个搅拌池中抽取浆液注浆，两种液浆的重量份之比为10∶2～4。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明加入膨润土作为悬浮剂，降低了超细水泥的团聚性和沉降性。本发明还加入了合适的稀释剂和水灰比，解决了悬浮剂往往会导致浆液粘度的增加，注浆时的阻力增加，对浆液的可注性造成不利影响的问题。本发明通过选择合适粒径的超细水泥、悬浮剂、高效减水剂和稀释剂等研究了一种对粉细砂具有渗透性的超细水泥注浆材料，并研究了各种配方对超细水泥注浆材料的渗透性的影响。该注浆材料在0.3MPa的注浆压力下，对细砂的渗透半径可达40～50cm，对松散型粉细砂的渗透半径可达20～30cm，对紧密型粉细砂以劈裂及渗透综合的方式加固，渗透范围5cm左右。该注浆材料的的固砂强度远远大于水玻璃注浆材料，固砂强度达4～6MPa。初凝时间在30min～10h可调。解决了用超细水泥浆液快速加固粉细砂地层的问题。
渗透性试验方法：注浆料对粉细砂的渗透性则采用图5所示的粉细砂渗透性测试仪器来测量。其中，标记1是搅拌池，2是超细水泥浆液，3是输浆管道，4是压力表，5是粉细砂。稀释剂添加量对超细水泥注浆料渗透范围的影响参见图1所示。超细水泥比表面积注浆料透范围的影响参见图2所示。水灰比对超细水泥注浆料渗透范围的影响参见图3所示。压力对超细水泥注浆料渗透范围的影响参见图4所示。
强度试验方法：配制好超细水泥浆液，倒入已装有粉细砂的胶砂试模(160×40×40mm)中，并使超细水泥浆液完全浸透试样，然后将其按标准养护，28天后用压力机测量。
超细水泥注浆材料浆体强度：
| 超细水泥水灰比 | 3∶1 | 4∶1 | 4.5∶1 | 5∶1 |
| 固砂强度/MPa | 6 | 4 | 3 | 1 |
本发明克服了水玻璃注浆料的耐久性差和强度低的缺陷，渗透速度快，范围大，不存在普通水泥无法渗透的问题，并且浆材具有合理的成本，在隧道及地下工程施工中具有广阔的应用前景。
(四)附图说明
图1是稀释剂添加量对超细水泥注浆料渗透范围的影响示意图。
图2是超细水泥比表面积注浆料透范围的影响示意图。
图3是水灰比对超细水泥注浆料渗透范围的影响示意图。
图4是压力对超细水泥注浆料渗透范围的影响。
图5是粉细砂渗透性测试仪器的结构示意图。
附图标记：1-搅拌池、2-超细水泥浆液、3-输浆管道、4-压力表、5-粉细砂。
（五）具体实施方式
以下是本发明的几种实施例：
实施例一：一种单浆液的加固粉细砂用超细水泥浆液，其特征在于由下述材料按以下重量份配比搅拌成混合浆液：
(1)、水：100份。水灰重量比为3∶1～5∶1。
(2)、超细水泥：20～40份。超细水泥的比表面积为7000～12000cm2/g。
(3)、悬浮剂：0.5～3份。悬浮剂是膨润土或硅微粉。悬浮剂最好为提纯膨润土，提纯膨润土的种类很多，性能最好的是蒙托石含量在75％以上的提纯膨润土，pH值(2％分散体)为8～8.5。硅微粉为普通工业级。
(4)、稀释剂：0.5～2份。上述稀释剂为二甲基乙烯丙基氯化铵和羟甲基纤维素的共聚物或者焦磷酸钠。二甲基乙烯丙基氯化铵和羟甲基纤维素的共聚物为现有商品，商品名为PC-67。焦磷酸钠为现有化学品。其中PC-67的稀释效果要好于焦磷酸钠。
(5)、高效减水剂：0.2～1份。上述高效减水剂为奈系高效减水剂或聚缩酸类减水剂。
(6)、表面活性剂：0.2～1份。上述表面活性剂为十二烷基苯璜酸钠或十二烷基璜酸钠。
这种加固粉细砂用超细水泥浆液的制备方法，其特征在于：首先在搅拌池中加入水，在缓慢搅拌下依次加入膨润土、稀释剂、表面活性剂和高效减水剂，搅拌2分钟后在搅拌状态下缓缓加入超细水泥，在500～1500转/分的转速下高速搅拌5分钟即可。
加固粉细砂用超细水泥浆液制备方法1：
首先在搅拌池中加入22L水，在缓慢搅拌下依此加入悬浮剂膨润土0.4Kg、稀释剂0.1Kg、表面活性剂0.1Kg和高效减水剂0.05Kg。搅拌两分钟后在搅拌状态下缓缓加入4.5Kg超细水泥。高速搅拌5分钟，转速500～1500转/分即可对松散型粉细砂层进行渗透注浆。对松散粉细砂层的注浆渗透范围为20～30cm，固砂强度为4～6MPa。
加固粉细砂用超细水泥浆液制备方法2：
首先在搅拌池中加入22L水，在缓慢搅拌下依此加入悬浮剂膨润土0.15Kg和高效减水剂0.05Kg。搅拌两分钟后在搅拌状态下缓缓加入4.5Kg超细水泥。高速搅拌5分钟，转速500～1500转/分即对细砂进行渗透注浆。对细砂层的注浆渗透范围为40～50cm，固砂强度为4～6MPa。
加固粉细砂用超细水泥浆液制备方法3：
首先在搅拌池中加入22L水，在缓慢搅拌下依此加入悬浮剂硅微粉0.15Kg和高效减水剂0.05Kg。搅拌两分钟后在搅拌状态下缓缓加入4.5Kg超细水泥。高速搅拌5分钟，转速500～1500转/分即可对含水细砂进行注浆。对含水粉细砂层的注浆模式为劈裂加渗透，固砂强度为2～4MPa。
实施例二：一种双浆液的加固粉细砂用超细水泥浆液，与实施例一不同的是：还有第二种速凝剂混合浆液，其速凝剂是水玻璃、水与磷酸氢二钠组成的混合物，水玻璃、水与磷酸氢二钠的比例为质量比100∶100∶8。速凝剂混合浆液的用量是按在第一种加固粉细砂用超细水泥浆液100重量份水的情况下，配合20～40份速凝剂混合浆液计算。
这种加固粉细砂用超细水泥浆液的制备方法，其特征在于：首先在第一搅拌池中加入水，在缓慢搅拌下依次加入膨润土、稀释剂和高效减水剂，搅拌2分钟后在搅拌状态下缓缓加入超细水泥，在500～1500转/分的转速下高速搅拌5分钟；同时在第二搅拌池中加入水、水玻璃、磷酸氢二钠，搅拌2分钟成速凝剂浆液，采用双液注浆泵分别从上述两个搅拌池中抽取浆液注浆，两种液浆的重量份之比为10∶3。
加固粉细砂用超细水泥浆液制备方法4：
首先在搅拌池1中加入22L水，在缓慢搅拌下依此加入膨润土0.4Kg、稀释剂0.1Kg、表面活性剂0.1Kg和高效减水剂0.05Kg。搅拌两分钟后在搅拌状态下缓缓加入4.5Kg超细水泥。高速搅拌5分钟，转速500～1500转/分。同时在搅拌池2中加入4Kg水、4Kg水玻璃、0.32Kg磷酸氢二钠，搅拌2分钟。采用双液注浆泵分别从搅拌池1和搅拌池2中抽取浆液注浆，双液浆比例为10∶4。此类浆液适用于对注浆凝固时间有要求粉细砂层注浆的场合。对松散粉细砂层的注浆渗透范围为20～30cm，固砂强度为4～6MPa，初凝时间从20min～6h可调。
加固粉细砂用超细水泥浆液制备方法5：
首先在搅拌池1中加入22L水，在缓慢搅拌下依此加入膨润土0.15Kg、高效减水剂0.05Kg。搅拌两分钟后在搅拌状态下缓缓加入4.5Kg超细水泥。高速搅拌5分钟，转速500～1500转/分。同时在搅拌池2中加入4Kg水、4Kg水玻璃、0.32Kg磷酸氢二钠，搅拌2分钟。采用双液注浆泵分别从搅拌池1和搅拌池2中抽取浆液注浆，双液浆比例为10∶4。此类浆液适用于对注浆凝固时间有要求细砂层注浆的场合。对细砂层的注浆渗透范围为40～50cm，固砂强度为4～6MPa，初凝时间从20min～6h可调。以上实施例中浆液的注浆压力可为0.2～0.4MPa。
Claims (8)
1.一种加固粉细砂用超细水泥浆液，其特征在于由下述材料按以下重量份配比搅拌成混合浆液：
水： 100份；
超细水泥： 20～40份；
悬浮剂： 0.5～3份；
稀释剂： 0.5～2份；
高效减水剂： 0.2～1份；
上述悬浮剂是膨润土或硅微粉；
上述稀释剂为二甲基乙烯丙基氯化铵和羟甲基纤维素的共聚物或者焦磷酸钠。
2.根据权利要求1所述的加固粉细砂用超细水泥浆液，其特征在于：上述超细水泥的比表面积为7000～12000cm2/g。
3.根据权利要求2所述的加固粉细砂用超细水泥浆液，其特征在于：上述高效减水剂为萘系高效减水剂或聚羧酸类减水剂。
4.根据权利要求3所述的加固粉细砂用超细水泥浆液，其特征在于：上述水灰重量比为3︰1～5︰1。
5.根据权利要求4所述的加固粉细砂用超细水泥浆液，其特征在于：上述混合浆液中还掺有0.5～1份的表面活性剂，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠。
6.一种权利要求1～4任意一项所述加固粉细砂用超细水泥浆液的制备方法，其特征在于：首先在搅拌池中加入水，在缓慢搅拌下依次加入悬浮剂、稀释剂和高效减水剂，搅拌2分钟后在搅拌状态下缓缓加入超细水泥，在500～1500转/分的转速下高速搅拌5分钟即可。
7.一种加固粉细砂用超细水泥浆液，其特征在于：由两种混合浆液兑成注浆液，第一种是权利要求1～6任意一项所述的混合浆液，第二种是由水玻璃、水与磷酸氢二钠组成的速凝剂，水玻璃、水与磷酸氢二钠的比例为质量比100︰100︰8，两种混合液浆的重量份之比为10︰2～4。
8.一种权利要求7所述加固粉细砂用超细水泥浆液的制备方法，其特征在于：首先在第一搅拌池中加入水，在缓慢搅拌下依次加入悬浮剂、稀释剂和高效减水剂，搅拌2分钟后在搅拌状态下缓缓加入超细水泥，在500～1500转/分的转速下高速搅拌5分钟；同时在第二搅拌池中加入水、水玻璃、磷酸氢二钠，搅拌2分钟成速凝剂浆液，采用双液注浆泵分别从上述两个搅拌池中抽取浆液注浆，两种液浆的重量份之比为10︰2～4。
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