CN103193454A - 适用于砂层加固的注浆材料及注浆方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于砂层加固的注浆材料及注浆方法，材料由主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的氯化钙制备而成，方法包括：1）配制水玻璃Na₂SiO₃水溶液以及氯化钙水溶液；2）灌注水玻璃Na₂SiO₃水溶液；3）灌注氯化钙水溶液；4）灌注氯化钙水溶液与水玻璃Na₂SiO₃水溶液总体积0.5%的三乙醇胺。本发明提供了一种适合用作细砂地层的预加固，有助于丰富和发展砂层中巷道的施工技术，保证巷道工程建设的技术可行性和经济合理性的砂层加固的注浆材料及注浆方法。

Description

适用于砂层加固的注浆材料及注浆方法

技术领域

本发明属于建筑领域，涉及一种建筑加固材料，尤其涉及一种适用于砂层加固的注浆材料及注浆方法。 

背景技术

目前针对各种砂层巷道的施工，普遍采用的是超前支护的方法，然而针对不同的地质条件，由于其砂层的孔隙率、粒度成分、含水率等物理力学性质的不同，其超前支护的方法也不尽相同。 

注浆（Injection grouting）又称为灌浆（Grouting），它是将一定材料配制成浆液，用压送设备将其灌入地层或裂隙内使其扩散、胶凝或固化，以达到加固地层或防渗堵漏的目的。注浆浆液的流动过程是浆液和被注介质共同作用的结果，因此对注浆浆液和被注介质的认识是研究注浆渗流过程的基础。 

在对泥细砂地层进行注浆时，需要考虑以下几点： 

1）浆液应具有较低的黏度、可注性及稳定性好，且易于注浆泵压注。因而，要选择具有较小细度的浆液，避免压注时因沉淀而堵塞注浆管路。2）注浆加固体应具备强度高、透水性差、有较高的抗腐蚀性和耐久性。3）浆液固化之后无收缩现象，与含泥细砂有较好的粘结性。4）浆液配制方便且对注浆设备、管道没有腐蚀性，易于清洗。5）材料来源广、价格便宜、无毒性，避免对环境造成污染。6）注浆加固体既要能够满足平硐开挖时的安全掘进要求，又要尽量便于施工开挖。 

对于砂层地区巷道工程技术难题和建立相关规范与标准等技术问题，以及如何对砂层地带巷道进行超前支护是此类工程安全生产和成功建设的关键。 

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种加固效果好、造价低廉以及适用性强的适用于砂层加固的注浆材料及注浆方法。 

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种适用于砂层加固的注浆材料 其特殊之处在于：所述注浆材料是由作为主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的氯化钙制备而成。 

上述适用于砂层加固的注浆材料是由作为主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的无水氯化钙制备而成。 

上述适用于砂层加固的注浆材料是由作为主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的无水氯化钙按其重量比是5：1的配比方式制备而成。 

上述适用于砂层加固的注浆材料是由作为主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的氯化钙制备而成后并添加有作为速凝早强剂的三乙醇胺。 

上述作为速凝早强剂的三乙醇胺的添加量是氯化钙与水玻璃质量总和的0.5%。 

上述水玻璃的模数是3.3，波美度是39Be′。 

上述氯化钙是工业品级氯化钙。 

上述三乙醇胺的浓度不低于98.0%。 

一种将上述的适用于砂层加固的注浆材料对砂层进行加固时的注浆方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤： 

1）配制水玻璃Na₂SiO₃水溶液以及氯化钙水溶液； 

2）灌注水玻璃Na₂SiO₃水溶液； 

3）灌注氯化钙水溶液； 

4）灌注氯化钙水溶液与水玻璃Na₂SiO₃水溶液总体积0.5%的三乙醇胺。 

上述水玻璃Na₂SiO₃水溶液是水玻璃Na₂SiO₃与热水按体积比是1：10的方式配制而成；所述氯化钙水溶液是无水氯化钙与可饮用水配制而成。 

本发明的优点是： 

本发明提供了一种适用于砂层加固的注浆材料，该注浆加固材料由水玻璃以及氯化钙溶液制备而成，二者结合可以发生化学反应，形成凝胶体，在土体中相遇时发生反应而生成二氧化硅胶体，与土颗粒一块形成具有一定强度的结石体，适合用作细砂地层的预加固，有助于丰富和发展砂层中巷道的施工技术，保证巷道工程建设的技术可行性和经济合理性。本发明所采用的水玻璃以及氯化钙溶液均为无毒、无味液体，其黏度低、可注性强，在细砂地层注浆工程中 有较好的优势：同时，本发明在上述基础上还添加有速凝剂三乙醇胺，能够对水玻璃以及氯化钙溶液的凝胶时间进行控制。相对于目前的有机化学浆液来说，无机化学浆液造价低廉、无毒无污染，适用性更强。 

附图说明

图1是本发明所采用的不同配比在龄期为1天时对砂样进行加固时的抗压强度的结果图； 

图2是本发明所采用的不同配比在龄期为2天时对砂样进行加固时的抗压强度的结果图； 

图3是本发明所采用的不同配比在龄期为3天时对砂样进行加固时的抗压强度的结果图； 

图4是本发明所采用的不同配比在龄期为4天时对砂样进行加固时的抗压强度的结果图； 

图5是不同配比的砂样加固体抗压强度随龄期变化关系图； 

图6是复合化学注浆细砂加固体单轴极限抗压强度试验成果曲线； 

图7是添加三乙醇胺后加固体q-t曲线图。 

具体实施方式

本发明提供了一种适用于砂层加固的注浆材料，该适用于砂层加固的注浆材料是由作为主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的氯化钙制备而成；氯化钙尤其是采用无水氯化钙； 

水玻璃与无水氯化钙是按其重量比是5：1的配比方式制备而成。 

为了便于速凝，本发明所提供的适用于砂层加固的注浆材料是由作为主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的氯化钙制备而成后并添加有作为速凝早强剂的三乙醇胺；三乙醇胺的添加量是氯化钙与水玻璃质量总和的0.5%。 

一种将如上所述的适用于砂层加固的注浆材料对砂层进行加固时的注浆方法，该方法包括以下步骤： 

1）配制水玻璃Na₂SiO₃水溶液以及氯化钙水溶液； 

2）灌注水玻璃Na₂SiO₃水溶液； 

3）灌注氯化钙水溶液； 

4）灌注氯化钙水溶液与水玻璃Na₂SiO₃水溶液总体积0.5%的三乙醇胺。 

水玻璃Na₂SiO₃水溶液是水玻璃Na₂SiO₃与热水按体积比是1：10的方式配制而成；氯化钙水溶液是无水氯化钙与可饮用水配制而成。 

1.试验材料 

水玻璃是土木建筑中常使用的水玻璃一般为硅酸钠水溶液，化学式为：Na₂O.nSiO₂，无色透明粘稠液体，易溶于水，含有杂质时呈淡黄色、青灰色。工程中常用的水玻璃波美度38.4～48.3Be′，密度一般为1.36～1.50g/cm³，模数为3.1～3.4，既易溶于水又有较高的强度。本次试验用水玻璃技术指标模数为3.3，波美度39Be′。 

CaCl₂—白色固体粉末，工业品，配制成浓度为25%的氯化钙溶液，即CaCl₂与水的质量比为1:3时，CaCl₂溶解的更充分，此时CaCl₂溶液的浓度为ρ=1.27g/cm³；CaCl₂溶于水时放出热量。 

三乙醇胺---速凝剂，浓度≥98.0%，相对密度1.12～1.13。 

砂体中的水一般是以自由水的形式存在，注浆量可以根据砂样的孔隙率，推导并计算出灌浆量。 

表1不同龄期时砂样无侧限抗压强度值 

1.浆液配比对加固效果影响分析 

氯化钙系金属盐反应剂，是在水玻璃溶液连成絮状的带有负电的亲水性分子胶体硅酸中，添加无机盐析出沉淀的性质的反应剂。氯化钙与水玻璃反应的化学反应式如下： 

Na₂O·nSiO₂+CaCl₂→2NaCl+CaO·nSiO₂↓ 

Na₂SiO₃+CO₂+H₂O→H₂SiO₃↓+Na₂CO₃

将水玻璃与氯化钙两种化学浆液交替注入土体中，两种浆液迅速发生反应生成硅胶、硅酸钙凝胶，沉积于介质体的孔隙中，起到胶结和填充土体孔隙的作用，使土体的强度和承载能力提高。随着时间的增加，这一凝胶体变得非常坚固，钠离子和氢氧根离子在水分向介质体表面渗透并向空气扩散的过程中，随水分渗出，并在水分蒸发后形成微小白色碱粒。因此，在地基处理中必须采用将两种浆液分别注到地层中，这种注浆法称为双液法。要想获得理想的注浆加固效果，就必须获得准确的浆液配比方案。参见图1-图4，分别是本发明在试验阶段所提供的不同配比在不同龄期对砂样进行加固后所形成的加固体无侧向抗压强度试验结果图。 

（方案1配比为氯化钙与水玻璃质量比为1:2，方案2为1:3，方案3为1:4，方案4为1:5，方案5为1:6，方案6为1:7）由图中试验结果可知，当氯化钙、水玻璃配比为方案3时，试样龄期1d无侧限抗压强度值达到峰值69.0kPa；配比为方案6时，试样龄期2d时无侧限抗压强度值达到峰值94.0kPa；配比为方案4时，试样龄期3d时无侧限抗压强度值达到峰值129.6kPa；配比为方案5时，试样龄期4d时无侧限抗压强度值达到峰值117.0kPa；配比为1以及2等其他方案时，相应的强度较上述四者都低。在每一种方案的配比下，注浆加固砂样的无侧限抗压强度在较短的时间内均随龄期的增长而呈现增长的趋势，当增长到一定时无侧限抗压强度值基本趋于平稳，但仍有所增加。从图中数据可以看出，3d龄期加固体抗压力学性能最优，具有较好的工程性质。 

氯化钙与水玻璃复合化学注浆加固细砂的最优配比方案为4（即无水氯化钙与水玻璃质量比为1:5），此时两者反应产生凝胶体速度最快，凝胶结石率最高，相同龄期内结石体的无侧限抗压强度最高，加固体抗压性能最好。 

2.龄期对加固体力学性能影响分析 

一般注浆材料，根据其作用机理不同，龄期对加固体的力学性能影响规律也不同。如混凝土材料的凝结硬化，强度与龄期有着密切的关系，在相同条件下，随着水泥水化进行，混凝土强度随龄期增长而增长，初期强度增长较快，后期逐渐缓慢；灰土强度也随着龄期而增大，这与其作用机理密切相关。水玻璃与氯化钙反应瞬间至十几分钟完成，产生硅酸凝胶，沉积于介质体的孔隙中，随着时间的增加，加固体中多余水分消散，加固体强度有所提高，随着加固体水分的消散及龄期的增长，加固体的强度最终趋于平稳。参见图5，砂样加固体在不同配比的情况下，前3d龄期的无侧限抗压强度随着时间的增加逐渐增大，当增大到一定值时，强度值将不再随时间的增长而增长，最终趋于平稳状态。 

当复合化学注浆浆液配比为方案4时，不同龄期细砂加固体单轴无侧限抗压试验结果曲线见图6。从图中曲线可以看出，随龄期增长，试样卸荷曲线越来越平缓，4d龄期试样卸荷曲线几乎为一条水平直线；试样出现破坏峰值时，试样竖向位移随着龄期的增加而出现减少趋势，说明细砂加固体随内部水分逐渐散失，龄期的增加，其脆性性质发展的原因，加固体具有明显的脆性性质。 

由图可知，强度随时间的变化规律可分为两个阶段：第一阶段是随着龄期的增加，单轴强度先是有所增加，主要是由于化学浆液在砂体内部的凝胶体不断硬化，强度逐渐增加，这一时间大概延续72小时；第二阶段是当竖向荷载达到破坏峰值时，加大作用在加固体上的竖向荷载，加固体瞬间破坏并出现竖向裂缝，竖向变形也随之减小，其主要原因是竖向荷载达到加固体的极限抗压强度时，加固体表现出脆性破坏性质。 

3.速凝剂（三乙醇胺）对砂样加固效果影响分析 

根据上述分析得出，复合化学注浆细砂加固体的早期强度并没有达到其最大值，其抗压强度峰值在龄期3d后才可获得，而实际工程中往往是在化学注浆结束后，需立即获得工程力学性质较好的砂层加固体，方便施工接续。添加速 凝剂改变加固体早期强度对加快工程施工进度、改善加固体早期力学性质有着极其重要的意义。 

据资料显示，三乙醇胺添加剂能明显提高加固体的早期强度，对于含有氯离子和硫酸根离子的滨海沉积相淤泥，加固体强度增长十分显著。作为速凝、早强剂，三乙醇胺掺入量一般为基材的0.05%-1%。根据工程类比法并结合三乙醇胺作为水泥的早强剂使用经验，本文选取基材的0.5%作为添加剂的添加量，研究速凝剂对细砂加固体强度的影响。 

试验共11组试样，每组3个，共计33个试样，浆液配比为4方案。试样制备好并标准养护后，对不同龄期试样做无侧限抗压强度测试，并记录其抗压强度值。试验结果记录见表2。 

表2不同龄期，添加三乙醇胺砂样无侧限抗压强度值 

注：三乙醇胺添加量按照基材（CaCl₂、水玻璃质量总和）0.5%计算； 

对表2试验数据进行分析，可以得出：添加三乙醇胺后，加固体早期强度发展较快，与未添加速凝剂3d龄期试样的强度峰值相比，6小时无侧限抗压强度值已经达到该峰值的82%，1d龄期无侧限抗压强度达到452.3kPa，3d龄期无侧限抗 压强度为1MPa左右，可以认为速凝剂（三乙醇胺）对细砂加固体具有速凝、早强作用。添加三乙醇胺后加固体的强度—时间曲线见图7。 

通过对比复合化学注浆细砂固结体无侧限抗压强度试验结果及相关数据，本试验获得以下基本结论： 

（1）复合化学注浆加固细砂，获得良好的加固效果。通过对加固体进行无侧限抗压强度测试表明，该复合化学注浆加固方法具有可行性。 

（2）通过对比优化试验，确定了复合化学注浆加固细砂最优配比方案，达到抗压强度峰值129.6kPa的最佳龄期为3d。 

（3）加固体的无侧限抗压强度随龄期的增长而增长，最终都趋于平稳。当作用在加固体上的竖向荷载达到加固体的极限抗压强度时，加固体瞬间破坏表现出脆性破坏性质。 

（4）试验研究结果表明，适量的添加速凝剂，对试样的早期强度提高有很大作用。与未添加速凝剂3d龄期强度峰值相比，6小时无侧限抗压强度值已经达到峰值的82%，1d龄期无侧限抗压强度达到452.32kPa，3d龄期无侧限抗压强度接近1MPa，随着龄期的增长，后期强度将继续发展。 

本发明在提供上述注浆材料的同时，还提供了该注浆材料的注浆方法，该方法包括以下步骤： 

注浆过程中应特别注意浆液不能同时或混合注入砂层，防止浆体注入砂层前结晶，CaCl₂水溶液应采用可饮用水配制。注浆顺序：水玻璃Na₂SiO₃（加10%热水）→CaCl₂水溶液（加0.5%速凝剂）。 

注浆材料有水玻璃、氯化钙和三乙醇胺，配比及组成见表3。 

表3化学浆液组成 

注：方案4指无水氯化钙与水玻璃的质量比为1：5。 

由于水玻璃的粘度比较大，注浆时，在水玻璃溶液中添加10%的热水以确保其粘度适当，使浆液更适合注浆需要，易于渗入砂体。温度的提高，也可有效加快浆液混合产生凝胶体的速度，结石效率高。 

Claims (10)

1.一种适用于砂层加固的注浆材料，其特征在于：所述适用于砂层加固的注浆材料是由作为主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的氯化钙制备而成。

2.根据权利要求1所述的适用于砂层加固的注浆材料，其特征在于：所述适用于砂层加固的注浆材料是由作为主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的无水氯化钙制备而成。

3.根据权利要求2所述的适用于砂层加固的注浆材料，其特征在于：所述适用于砂层加固的注浆材料是由作为主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的无水氯化钙按其重量比是5：1的配比方式制备而成。

4.根据权利要求1或2或3所述的适用于砂层加固的注浆材料，其特征在于：所述适用于砂层加固的注浆材料是由作为主剂的水玻璃以及作为凝胶剂的氯化钙制备而成后并添加有作为速凝早强剂的三乙醇胺。

5.根据权利要求4所述的适用于砂层加固的注浆材料，其特征在于：所述作为速凝早强剂的三乙醇胺的添加量是氯化钙与水玻璃质量总和的0.5%。

6.根据权利要求5所述的适用于砂层加固的注浆材料，其特征在于：所述水玻璃的模数是3.3，波美度是39Be′。

7.根据权利要求6所述的适用于砂层加固的注浆材料，其特征在于：所述氯化钙是工业品级氯化钙。

8.根据权利要求7所述的适用于砂层加固的注浆材料，其特征在于：所述三乙醇胺的浓度不低于98.0%。

9.一种将权利要求1-8任一权利要求所述的适用于砂层加固的注浆材料对砂层进行加固时的注浆方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）配制水玻璃Na₂SiO₃水溶液以及氯化钙水溶液；

2）灌注水玻璃Na₂SiO₃水溶液；

3）灌注氯化钙水溶液；

4）灌注氯化钙水溶液与水玻璃Na₂SiO₃水溶液总体积0.5%的三乙醇胺。

10.根据权利要求9所述的注浆方法，其特征在于：所述水玻璃Na₂SiO₃水溶液是水玻璃Na₂SiO₃与热水按体积比是1：10的方式配制而成；所述氯化钙水溶液是无水氯化钙与可饮用水配制而成。

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