CN103342527B

CN103342527B - 一种废弃混凝土再生隧道背衬注浆材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103342527B
Application number: CN201310322659.4A
Authority: CN
Inventors: 胡曙光; 周少东; 丁庆军; 徐建平; 田焜; 林文书; 黄修林; 王红喜; 许可; 林建平; 徐海清; 王彪; 弓子成
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT; Wuhan Metro Group Co Ltd
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT; Wuhan Metro Group Co Ltd
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2033-07-29
Also published as: CN103342527A

Abstract

本发明属于建筑材料领域，涉及一种废弃混凝土再生隧道背衬注浆材料及其制备方法。本发明隧道背衬注浆材料的各组分配比(kg/m³)为：废弃混凝土：400～600，矿渣和/或钢渣：100～300，砂：750～1350，水：350～630，硅灰：10～40，超细沸石粉：5～25，羟乙基纤维素：0.3～0.6，聚丙烯酰胺：0.1～0.3，氨基磺酸盐：0.2～0.4，萘系减水剂：2.0～3.6，葡萄糖酸钠：0.2～0.5。本发明通过对废弃混凝土的有效再生利用，制备了一种在高水压饱水条件下具有高稳定性、高抗水分散性、高效减水保塑性和凝结时间可调的无水泥注浆材料，极大改善了一般注浆材料的工作性能和耐久性。

Description

一种废弃混凝土再生隧道背衬注浆材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种废弃混凝土再生隧道背衬注浆材料及其制备方法。

背景技术

随着国内外大型跨江海隧道的陆续建设，各种工况条件下的盾构施工技术将面临着严峻挑战，在遇到地层软硬不均、沿纵向地质条件变化复杂，隧道长、管径大、断面水压高的情况下，普通的同步注浆材料在受到高压富含水地层中水的冲刷作用时，注浆材料被冲稀，导致材料结构的破坏，不但不能起到填充地层的目的，而且会直接影响管片衬砌结构的稳定性，浆液流入管片拱底，抬高管片，加剧管片的上浮。同时，同步注浆材料的耐久性下降，使其过早失去防水能力和承载力。目前，盾构隧道壁后注浆材料仅仅是针对低水压或无水压条件下工况来研制和工程应用，使用时注浆材料存在稳定性差（倾析率≥4％）、使用时间短（≤8h）、水中抗分散性能差（悬浮物质量≥50mg/L）、凝胶时间可调性不好等不足之处，

关键是不能满足现有的苛刻工况如高水压（≥0.4MPa）饱水条件下壁后注浆材料的使用要求。因此，针对高水压饱水条件下急需一种专用的盾构隧道壁后注浆材料同时满足其高稳定性和抗水分散能力、凝胶时间可调性。

普通盾构隧道同步注浆材料主要以充填地层、减少地基沉陷量、保证环境安全和作为衬砌结构的加强层为主要设计目标，而缺乏在特殊地址条件下材料功能性的设计与评价，尤其是在高水压饱水条件下浆液易被水冲刷而造成浆液失去填充功能，造成管片无支撑状态，同时隧道管片可视为浸泡在液体之中，在浮力的作用下必然会产生上浮与地基沉降现象，严重影响隧道的结构安全性。同时，随着基础建设的飞速发展和城市化进程的加速，越来越多的公路、桥梁及住房等基础建筑被拆除重建，废弃混凝土的处置和消纳利用问题迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用废弃混凝土再生制备的隧道背衬注浆材料及其制备方法，本发明制备的隧道背衬注浆材料在高水压（≥0.4MPa）饱和水地址条件下使用具有高稳定（可防止管片上浮）、水下不分散性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种废弃混凝土再生隧道背衬注浆材料，其特征在于它由基体组分A与外掺组分B制备而成，基体组分A为：废弃混凝土、矿渣和/或钢渣、砂和水，外掺组分B为：硅灰、超细沸石粉、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、氨基磺酸盐、萘系减水剂（或称FDN高效减水剂）和葡萄糖酸钠；各组分的配比(kg/m³)为，废弃混凝土：400～600，矿渣和/或钢渣：100～300，砂：750～1350，水：350～630，硅灰：10～40，超细沸石粉：5～25，羟乙基纤维素：0.3～0.6，聚丙烯酰胺：0.1～0.3，氨基磺酸盐：0.2～0.4，萘系减水剂：2.0～3.6，葡萄糖酸钠：0.2～0.5；其中所述矿渣和/或钢渣中，两组分重量百分比（wt%）为：矿渣0～100，钢渣：0～100。

上述方案中，所述废弃混凝土为：去除钢筋和木材后，粒径小于4.75mm的废弃混凝土细料经粉磨后得到的废弃混凝土颗粒粉体，其比表面积大于400m²/kg，比表面积的测定方法为：《GB/T 8074-2008水泥比表面积测定方法(勃氏法)》。

上述方案中，所述矿渣为高炉粒化矿渣微细粉，其比表面积大于450m²/kg，比表面积的测定方法为：《GB/T 8074-2008水泥比表面积测定方法(勃氏法)》。

上述方案中，所述的钢渣为磨细钢渣粉，其比表面积大于400m²/kg，比表面积的测定方法为：《GB/T 8074-2008水泥比表面积测定方法(勃氏法)》。

上述方案中，所述的砂的细度模数为0.9～1.6。

上述方案中，所述硅灰的比表面积为19000～20000m²/kg，比表面积的测定方法为：《GB/T 8074-2008水泥比表面积测定方法(勃氏法)》。

上述方案中，所述超细沸石粉的密度为2.1～2.3g/cm³，其细度规格≥500目。

上述方案中，所述羟乙基纤维素（HEC）为白色无味粉末，溶于水，分子量约为6×10⁴。

上述方案中，所述的聚丙烯酰胺（PAM）为白色无味粉末，易溶于水，分子量约为8×10⁶。

上述方案中，所述的氨基磺酸盐为黑褐色粘稠状液体，相对密度1.68～1.8g/cm³，减水率为25～30％；所述氨基磺酸盐为氨基磺酸钠或氨基磺酸钾。

上述方案中，所述的萘系减水剂的减水率为20%～25%，粉状，型号为FDN9000。

上述方案中，所述的葡萄糖酸钠为市面纯化学试剂。

上述一种废弃混凝土再生隧道背衬注浆材料的制备方法，包括如下步骤：（1）按各组分配比（(kg/m³)称取：废弃混凝土：400～600，矿渣和/或钢渣：100～300，砂：750～1350，水：350～630，硅灰：10～40，超细沸石粉：5～25，羟乙基纤维素：0.3～0.6，聚丙烯酰胺：0.1～0.3，氨基磺酸盐：0.2～0.4，萘系减水剂：2.0～3.6，葡萄糖酸钠：0.2～0.5；（2）首先，将硅灰、超细沸石粉、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、氨基磺酸盐、萘系减水剂和葡萄糖酸钠均匀混合后封装储存，得外掺组分B；将废弃混凝土、矿渣和/或钢渣、砂、水进行机械混合，得基体组分A；然后将外掺组分B掺入基体组分A中进行搅拌后，得到所述的隧道背衬注浆材料（“牙膏”状），立即储存至浆液储存罐，待运输到盾构现场进行注浆。

本发明的作用机理：本发明隧道背衬注浆材料是采用基体组分A（废弃混凝土、矿渣、钢渣、砂和水）与外掺组分B（硅灰、超细沸石粉、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、氨基磺酸盐、萘系减水剂和葡萄糖酸钠）按照配合比制备而成，在不掺水泥的情况下，利用废弃混凝土中尚有活性的水泥和粉煤灰等颗粒的水化提供强度，并对矿渣或钢渣进行激发，生成聚合物提升耐久性；通过浆液稠度、坍落度双控的方法实现隧道背衬注浆材料在高水压（≥0.4MPa）饱水条件下具有高稳定性（可防止管片上浮）；通过优化合成硅灰-超细沸石粉-羟乙基纤维素-聚丙烯酰胺复合保水稳定组分，实现浆液水下不分散；通过优化高效减水保塑组分（氨基磺酸盐、萘系减水剂和葡萄糖酸钠），通过改变掺量调节凝结时间与工作性，将复合抗水分散组分（硅灰、超细沸石粉、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺）与高效减水保塑组分复合，共同作用发挥其减水、保塑、吸附、稳定、絮凝的效果。

其中，在复合保水稳定组分里，沸石粉本身具有格构状结构，内部充满大小均匀的孔穴和通道，并有很大的开放性，经磨细可具有较大的比表面积，而硅灰本身的比表面积非常巨大，和沸石粉一样能吸附大量的水分；聚丙烯酰胺的结构单元中含有酰胺基，易形成水分子内和分子间氢键，使水溶液具有很高的黏度，保持泥浆的密度，很好的增稠、絮凝和流变调节的作用，以及使体系的颗粒取向优化；羟乙基纤维素分子间的疏水缔合作用会与已被吸附的大分子链的疏水基团缔合发生多层吸附，同时氢键作用，静电作用和疏水作用使胶凝颗粒与羟乙基纤维素胶体相互缔合，分子链缠结，形成缔合聚集体，继而形成一种瞬时网状结构，使浆体增稠。此四者之间共同作用形成有机-无机复合增稠保水组分，使背衬注浆材料获得优异的抗水分散性能，能避免发生隧道里管片上浮的问题。

本发明的有益效果：（1）本发明的原料中，废弃混凝土、钢渣和矿渣均属于废弃物再利用，这对于节约自然资源，减少污染，解决在制备注浆材料过程中的原材料日益匮乏问题意义重大；（2）本发明通过优化合成硅灰-超细沸石粉-羟乙基纤维素-聚丙烯酰胺复合保水稳定组分，再将其与高效减水保塑组分复合，能有效实现浆液水下抗分散；（3）本发明生产成本低，能满足注浆设备的要求；且施工管理方便、防止环纵缝渗漏，地面沉降控制在允许范围之内。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附表进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实例。

实施例1～5

一种利用废弃混凝土制备的隧道背衬注浆材料，其制备过程包括如下步骤：首先，按各组分配比称取硅灰、超细沸石粉、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、氨基磺酸盐、萘系减水剂和葡萄糖酸钠，均匀混合后封装储存，得外掺组分B；将按各组分配比称取的废弃混凝土、矿渣、钢渣、砂和水进行机械混合（搅拌2分钟），得基体组分A；然后将外掺组分B掺入基体组分A中进行搅拌3分钟之后，得一种高抗水分散性、高效减水保塑性的隧道背衬注浆材料（“牙膏”状），立即储存至浆液储存罐，待运输到盾构现场进行灌注。实施例1～5中各组分配比见表1。

其中，所述的废弃混凝土为去除钢筋、木材的并经破碎粉磨的废弃混凝土颗粒粉体，比表面积大于400m²/kg；所述的矿渣为高炉粒化矿渣微细粉，比表面积大于450m²/kg；所述的钢渣为磨细钢渣粉，比表面积大于400m²/kg；所述的砂的细度模数为0.9～1.6；所述的硅灰的比表面积为19000～20000m²/kg；所述的超细沸石粉的密度为2.1～2.3g/cm³，细度规格≥500目；所述的羟乙基纤维素（HEC）为白色无味粉末，溶于水，分子量约为6×10⁴；所述的聚丙烯酰胺（PAM）为白色无味粉末，易溶于水，分子量约为8×10⁶；所述的氨基磺酸盐为黑褐色粘稠状液体，相对密度1.68～1.8g/cm³，减水率为25～30％；所述的萘系减水剂的减水率为20%～25%，粉状，型号为FDN9000；所述的葡萄糖酸钠为市面纯化学试剂；实施例1～2中所述氨基磺酸盐为氨基磺酸钠，实施例3～5中所述氨基磺酸盐为氨基磺酸钾。

实施例1～5中制备得到的隧道背衬注浆材料的性能如下表2所示。

表1隧道背衬注浆材料各组分配合比(kg/m³)

表2隧道背衬注浆材料各项性能

表2结果显示：在高水压（≥0.4MPa）饱水条件下，本发明可实现高稳定性、高抗水分散性（泌水率≤0.08%，28d水陆强度比≥90%）和凝结时间可调（4h～16h）的性能，极大改善了一般注浆材料的工作性能和耐久性能。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种废弃混凝土再生隧道背衬注浆材料，其特征在于它由基体组分A与外掺组分B制备而成，基体组分A为：废弃混凝土、矿渣和/或钢渣、砂和水，外掺组分B为：硅灰、超细沸石粉、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、氨基磺酸盐、萘系减水剂和葡萄糖酸钠；各组分的重量份配比为，废弃混凝土：400～600kg/m³，矿渣和/或钢渣：100～300kg/m³，砂：750～1350kg/m³，水：350～630kg/m³，硅灰：10～40kg/m³，超细沸石粉：5～25kg/m³，羟乙基纤维素：0.3～0.6kg/m³，聚丙烯酰胺：0.1～0.3kg/m³，氨基磺酸盐：0.2～0.4kg/m³，萘系减水剂：2.0～3.6kg/m³，葡萄糖酸钠：0.2～0.5kg/m³；其中所述矿渣和/或钢渣中，两组分重量百分比(wt％)为：矿渣0～100，钢渣：0～100；

所述废弃混凝土为：将去除钢筋、木材后的废弃混凝土细料粉磨后得到的废弃混凝土颗粒粉体，其比表面积大于400m²/kg；

所述矿渣为高炉粒化矿渣微细粉，其比表面积大于450m²/kg；

所述的钢渣为磨细钢渣粉，其比表面积大于400m²/kg；

所述超细沸石粉的密度为2.1～2.3g/cm³，其细度规格≥500目。

2.根据权利要求1所述隧道背衬注浆材料，其特征在于所述的砂的细度模数为0.9～1.6。

3.根据权利要求1所述隧道背衬注浆材料，其特征在于所述硅灰的比表面积为19000～20000m²/kg。

4.根据权利要求1所述隧道背衬注浆材料，其特征在于所述氨基磺酸盐为氨基磺酸钠或氨基磺酸钾。

5.如权利要求1～4中任一权利要求所述的一种废弃混凝土再生隧道背衬注浆材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按各组分配比kg/m³称取废弃混凝土、矿渣和/或钢渣、砂、水、硅灰、超细沸石粉、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、氨基磺酸盐、萘系减水剂和葡萄糖酸钠；

(2)首先，将硅灰、超细沸石粉、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、氨基磺酸盐、萘系减水剂和葡萄糖酸钠均匀混合后封装储存，得外掺组分B；将废弃混凝土、矿渣和/或钢渣、砂、水进行机械混合，得基体组分A；然后将外掺组分B掺入基体组分A中进行搅拌后，得到所述隧道背衬注浆材料。