CN102617092A

CN102617092A - 可控性粘土水泥防渗加固膏浆

Info

Publication number: CN102617092A
Application number: CN2012101139737A
Authority: CN
Inventors: 张贵金; 杨松林; 莫智铣; 胡荣宗; 盛松涛
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-18
Also published as: CN102617092B

Abstract

本发明公开了一种可控性粘土水泥防渗加固膏浆，该可控性粘土水泥防渗加固膏浆主要由粘土原浆、水泥和水配制而成，粘土原浆主要由粘土和水搅拌而成，可控性粘土水泥防渗加固膏浆中添加有改性剂，改性剂掺量为1%～3%，改性剂主要由质量比为a∶b∶c的矿物类添加剂、硫酸盐和膨润土组成，且a∶b∶c=5∶（5～0）∶（0～5）。本发明的产品具有稳定性强、抗水流冲释性能好、凝结时间可控、强度可调、防渗性能优越、价格成本低且绿色环保等优点。

Description

可控性粘土水泥防渗加固膏浆

技术领域

本发明属于岩土工程基础处理灌浆领域，尤其涉及一种掺有粘土的水泥膏浆类防渗加固材料。

背景技术

在全（强）风化岩体、松散土层、砂砾层、节理裂隙密集发育岩体等松软透水岩土体防渗和加固工程以及具有大漏洞、高流速动水地层的防渗堵漏中，应用膏浆可实现控制灌浆。目前，公知的膏状注浆材料有普通水泥膏浆、速凝膏浆及化学浆材等。其中，普通水泥膏浆是在纯水泥浆液中加入粉煤灰等外加剂使其成为膏浆，普通的水泥膏浆易被水流冲释；速凝膏浆是在纯水泥浆中加入外加剂，其凝结时间对温度、搅拌均匀度、掺入量等因素都比较敏感，反应时间难以精确控制，且价格也比较昂贵；化学灌浆材料具有一定的毒性，存在耐久性差，污染环境等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种稳定性强、抗水流冲释性能好的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，特别是提供一种凝结时间可控、强度可调、防渗性能优越、价格成本低且绿色环保的可控性粘土水泥防渗加固膏浆。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种可控性粘土水泥防渗加固膏浆，所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆主要由粘土原浆、水泥和水配制而成，所述粘土原浆主要由粘土和水搅拌而成，所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆中添加有改性剂，改性剂掺量为1%～3%，所述改性剂主要由质量比为a∶b∶c的矿物类添加剂、硫酸盐和膨润土组成，且a∶b∶c = 5∶（5～0）∶（0～5）。

作为对上述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆的进一步改进，所述a=5，且所述b+c=5。换言之，在本发明优选的可控性粘土水泥防渗加固膏浆的配方中，当硫酸盐的用量呈线性递增时，膨润土的用量则呈线性递减，且硫酸盐和膨润土用量总和优选与矿物类添加剂的用量相等。

上述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆中，其中的水与水泥的质量比优选小于或等于2.6∶1，更优选为（1.8～2.6）∶1。

上述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆中，其中的粘土与水泥的总质量与水的质量之比优选为1∶（0.56～1.43）。其中，粘土∶水泥的质量比一般控制在1∶（0.35～1.5），结石体28天无侧限抗压强度可达0.8MPa～8MPa。

上述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆中，所述粘土原浆的比重优选为1.2 g/cm³～1.4 g/cm³。

上述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆中，所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆的凝胶时间一般为3min～30min，所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆的锥入度一般为75mm～77mm。

上述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆中，所述膨润土优选为钙基膨润土。

上述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆中，所述矿物类添加剂优选主要为偏铝酸钠（sodium aluminate）。

上述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆中，所述硫酸盐优选主要为硫酸钙（石膏）。

本发明的上述技术方案基于以下原理：本发明的改性剂加入粘土原浆后发生一系列物理化学反应，通过改变粘土颗粒表面电荷的特征，降低土颗粒间的排斥力，破坏颗粒间的吸附力，能为水泥的反应提供大量活性离子。另外，本发明的改性剂可以激发与粘土原浆中的Na⁺、K⁺、Ca⁺进行离子交换作用，使得粘土胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强，颗粒趋于凝聚，减少粘土原浆的析水率，改善粘土原浆的稳定性。另外，粘土原浆中还含有活性SiO₂、AlO₃ ^3-、CaO等物质，加入改性剂后经充分搅拌，改性剂中某些成分与这些活性成分反应生成胶凝物质，能激发粘土的潜在活性，增强了这种网状结构，使之成为一种具有较高强度的整体，并在粘土颗粒表面生成一些晶核，促使其后的水化产物结晶速度加快。此外，改性剂中的无机盐首先水解，生成大量的铝酸根离子、硫酸根离子和氢氧根离子，而铝酸根离子与水泥水化反应后生成的Ca（OH）₂溶解后的钙离子发生反应，生成水化铝酸三钙，降低了溶液中钙离子的浓度，推进了水泥水化反应速度；而水化铝酸三钙的结晶体成为后续反应物晶体生长的晶核，加速了各种水化产物晶体的生长，从而加快了水泥的水化反应，提高了早期强度，缩短了初凝时间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在本发明的可控性粘土水泥防渗加固膏浆中加入高含量的粘土，不仅改善了膏浆的稳定性、触变性及抗水流冲释性能，而且提高了结石体的结石率和抗渗性能（结石体抗渗性能达到10^-7cm/s量级，结石率可达到100%），并大幅度降低了结石体的弹性模量和灌浆材料造价，解决了普通水泥膏浆易被水流冲释等问题；另外，通过在浆液中加入本发明的改性剂，并通过改性剂配方组分的调整，可有效实现本发明膏浆中凝胶时间、抗剪切屈服强度、塑性粘度等指标的可控及结石体强度可调，解决了现有技术中速凝膏浆凝结时间对温度、搅拌均匀度、掺入量等因素都比较敏感，反应时间难以精确控制等问题。由于本发明的可控性粘土水泥防渗加固膏浆具有较高的水灰比，这也显著降低了膏浆的生产成本，产品价格并未明显上升，不会影响本发明产品的推广应用。

综上，本发明的可控性粘土水泥防渗加固膏浆充分利用了水泥的固化、强度特性及粘土粒径小、可灌性好、结石率高、塑性大、抗渗性好等良好性能，是一种可控性好、绿色环保、低成本的新型粘土水泥膏浆。本发明可控性粘土水泥防渗加固膏浆中的粘土和改性剂，不仅提高了膏浆的稳定性和触变性，而且随着粘土含量的变化，其强度可调，浆液凝胶时间、抗剪切屈服强度可控，工程实践中，我们可根据不同的地质条件及施工要求来选择与之相对应的改性剂配比和粘土掺量，以满足不同类型工程（例如水利水电、堤坡、铁道、公路、市政、港航等松软地层、溶洞地层以及土石围堰等大孔隙地层的加固、防渗灌浆及动水堵漏）的需要。

附图说明

图1为本发明实施例1中加入不同配比改性剂的可控性粘土水泥防渗加固膏浆的凝胶时间变化趋势图。

图2 为本发明实施例1中加入不同配比改性剂的可控性粘土水泥防渗加固膏浆的抗剪切屈服强度随时间变化图。

图3为本发明实施例1中可控性粘土水泥防渗加固膏浆的外观形态照片。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

一种如图3所示的本发明的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其主要由粘土原浆、水泥（P42.5普通硅酸盐水泥即可）和水配制而成，粘土原浆主要由优质粘土（含沙量小的优质粘土）和水搅拌而成，该可控性粘土水泥防渗加固膏浆中添加有改性剂，改性剂掺量（改性剂掺量即改性剂质量占水泥质量的比例）为2%，改性剂主要由质量比为a∶b∶c的矿物类添加剂（偏铝酸钠）、硫酸钙和钙基膨润土组成，a∶b∶c选用了下表1中的六组质量比。

表1：实施例1中可控性粘土水泥防渗加固膏浆的主材质量比

编号	a∶b∶c（矿物类添加剂∶硫酸盐∶膨润土）	粘土原浆比重（g/cm³）	水固比	水灰比
					实施例1-1	1∶1∶0	1.25	1.12∶1	1.85∶1
实施例1-2	5∶4∶1	1.25	1.12∶1	1.85∶1
					实施例1-3	5∶3∶2	1.25	1.12∶1	1.85∶1
实施例1-4	5∶2∶3	1.25	1.12∶1	1.85∶1
					实施例1-5	5∶1∶4	1.25	1.12∶1	1.85∶1
实施例1-6	1∶0∶1	1.25	1.12∶1	1.85∶1

注：表1中的水固比即膏浆中水的总质量和固体（粘土+水泥）总质量之比；水灰比即水与水泥的质量比。

以上各组编号实施例的粘土原浆的比重为1.25 g/cm³，可控性粘土水泥防渗加固膏浆的水固比为1.12∶1，可控性粘土水泥防渗加固膏浆的水灰比为1.85∶1。与本实施例的可控性粘土水泥防渗加固膏浆的各项指标参数如上表1所示。

经检测，本实施例各组编号的可控性粘土水泥防渗加固膏浆的凝胶时间（即浆液倾斜45°不流动时的时间）分别在3min～30min范围，其变化趋势具体如图1所示。可控性粘土水泥防渗加固膏浆的锥入度一般为75mm～77mm（锥入度是采用STSC-145型数显砂浆稠度仪测定的结果）。本实施例各组编号的可控性粘土水泥防渗加固膏浆的抗剪切屈服强度随时间变化趋势如图2所示。

实施例2：

一种本发明的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其主要由粘土原浆、水泥（P42.5普通硅酸盐水泥即可）和水配制而成，粘土原浆主要由优质粘土（含沙量小的优质粘土）和水搅拌而成，该可控性粘土水泥防渗加固膏浆中添加有改性剂，改性剂掺量为1%～3%，改性剂主要由质量比为a∶b∶c的矿物类添加剂（偏铝酸钠）、硫酸钙和钙基膨润土组成，且a∶b∶c = 5∶（5～0）∶（0～5）。

本实施例中粘土原浆的比重为1.2～1.4 g/cm³的原浆（可根据实际工程需要进行调节），可控性粘土水泥防渗加固膏浆的水固比为（0.56～1.43）∶1，可控性粘土水泥防渗加固膏浆的水灰比小于2.6∶1，粘土与水泥的质量比为1∶（0.35～1.5）。本实施例的可控性粘土水泥防渗加固膏浆的各项指标参数如下表2所示。

表2：可控性粘土水泥防渗加固膏浆的各项指标参数

指标参数	原浆比重（g/cm³）	水固比	水灰比	改性剂掺量
					取值	1.2～1.4	（1～1.43）∶1	＜2.6∶1	1%～3%

本实施例的可控性粘土水泥防渗加固膏浆的凝胶时间（即浆液倾斜45°不流动时的时间）为3min～30min，可控性粘土水泥防渗加固膏浆的锥入度一般为75mm～77mm（锥入度是采用STSC-145型数显砂浆稠度仪测定的结果），结石体28天无侧限抗压强度可达到0.8MPa～8MPa。

由上可见，本实施例通过改性剂掺量及不同组分配比的调节，使可控性粘土水泥防渗加固膏浆的凝胶时间、抗剪切屈服强度等指标变得可调、可控，可据此适用于不同工程地质和水文地质条件的复杂地层防渗加固灌浆工程及动水堵漏。

Claims

1.一种可控性粘土水泥防渗加固膏浆，所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆主要由粘土原浆、水泥和水配制而成，所述粘土原浆主要由粘土和水搅拌而成，其特征在于：所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆中添加有改性剂，改性剂掺量为1%～3%，所述改性剂主要由质量比为a∶b∶c的矿物类添加剂、硫酸盐和膨润土组成，且a∶b∶c = 5∶（5～0）∶（0～5）。

2.根据权利要求1所述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其特征在于：所述a=5，且所述b+c=5。

3.根据权利要求1或2所述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其特征在于：所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆中的水与水泥的质量比小于或等于2.6∶1。

4.根据权利要求3所述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其特征在于：所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆中的水与水泥的质量比为（1.8～2.6）∶1。

5.根据权利要求1或2所述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其特征在于：所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆中粘土与水泥的总质量与水的质量之比为1∶（0.56～1.43）。

6.根据权利要求1或2所述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其特征在于：所述粘土原浆的比重为1.2 g/cm³～1.4 g/cm³。

7.根据权利要求1或2所述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其特征在于：所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆的凝胶时间为3min～30min，所述可控性粘土水泥防渗加固膏浆的锥入度为75mm～77mm。

8.根据权利要求1或2所述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其特征在于：所述膨润土为钙基膨润土。

9.根据权利要求1或2所述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其特征在于：所述矿物类添加剂主要为偏铝酸钠。

10.根据权利要求1或2所述的可控性粘土水泥防渗加固膏浆，其特征在于：所述硫酸盐主要为硫酸钙。