CN103755275B

CN103755275B - 一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆

Info

Publication number: CN103755275B
Application number: CN201310719968.5A
Authority: CN
Inventors: 宾斌; 王雪龙; 周林
Original assignee: HUNAN HONGYU WATER CONSERVANCY HYDROPOWER GEOTECHNICAL ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: Hunan Hongyu Engineering Group Co., Ltd.
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: CN103755275A

Abstract

一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆，包括粘土水泥浆以及配套使用的改性剂，其中，所述粘土水泥浆通过粘土原浆、水泥以及余量的水配制而成，所述粘土原浆由粘土和水搅拌而成，其制成后的比重为1.15g/cm³～1.40g/cm³，该粘土原浆中的粘土与水泥的总质量与水的质量之比的范围为10:7～10:14；所述改性剂由偏铝酸钠、可溶性偏硅酸钠粉末、硫酸铝以及聚丙烯酰胺组成，且聚丙烯酰胺的含量为硫酸铝、偏铝酸钠与可溶性偏硅酸钠粉末质量之和的1~10%。本发明的产品具有可控性好强、抗水流冲蚀性能好、凝结时间短、早期强度高、防渗性能优越、价格成本低且绿色环保等优点。

Description

一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆

技术领域

本发明涉及岩土工程基础处理材料领域中的灌浆材料，具体为一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆。

背景技术

在水利、水电、矿山、交通、地下空间等岩土工程地基内的透水地层以及工程应急加固处理的第四系强透水性地层的防渗、堵漏灌浆工程中，经常需要采用高压旋喷灌浆、水泥灌浆、灌注砂浆或碎石、化学灌浆等多种灌浆工艺进行防渗和堵漏。但这些传统的灌浆工艺进行灌浆操作时经常会因为水头压力高，地下水流速快，渗流量大，浆液的扩散半径较大等原因而导致灌浆材料流失，浪费较大且防渗堵漏效果差。

也有采用速凝水泥膏浆和/或水泥水玻璃双液灌浆的方法进行堵漏、防渗的作业方式，速凝水泥膏浆和/或水泥水玻璃浆液的初始剪切屈服强度较大，可以阻挡高速水流或高压水头对浆材的剪切冲蚀破坏；且浆液的初凝时间短，可以控制浆液的扩散半径，从而形成较好的堵体，以保证灌浆效果。但是也存在着造价过高，制浆过程复杂，浆液的凝结时间对温度、搅拌均匀度、掺入量等因素难以精确控制导致浆液在制浆桶内过早凝固等缺陷；同时，由于形成的灌浆层由于早期强度过高，易造成在连续灌浆时发生固管、埋管现象，不利于大面积、大漏量或动水条件下的堵漏。

而在以往的专利申请材料中，中国专利CN96117823.X中要求保护一种粘土固化浆液固化剂，这种固化剂主要用于在流动的地下水条件下注浆止水，采用成本较低的粘土水泥浆进行灌浆，为控制凝胶速度，而加入水玻璃，但常因浆材中含有大量的水和粘土，阻碍浆材的固化速度。在进行大规模的堵漏、防渗工程应用中，易因浆材结石体早期强度过低，而被水冲释、破坏；或者是浆液的扩散半径得不到有效控制，造成大量浆材浪费，达不到应有的灌浆堵漏效果。

另外，在中国专利201210113973.7中要求保护一种可控性粘土水泥防渗加固膏浆，这种加固膏浆也可作为灌浆固化填料进行使用，它采用矿物类添加剂、硫酸盐和膨润土作为改性剂，具有稳定性强、抗水流冲释性强的特点，但在实际施工过程中发现，此类改性剂价格较贵，所形成的粘土水泥防渗膏浆在动水中的抗冲蚀性不好；为降低材料的流动度，改性剂添加量较多，造成使用成本相当高，改性剂的成本超过了水泥的成本，导致应用受限；在应用过程中也发现，加入改性剂的粘土水泥膏浆早期强度上升慢，浆液灌注到地层中后，容易被水冲释掉，难以形成完整的帷幕，因而不适合大范围、大工程量的情况使用。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种抗冲蚀粘土水泥膏浆，这种水泥膏浆初始流动度低、可控性好、抗冲蚀性能好、早期强度上升快、防渗性能优越，同时价格成本低且绿色环保，可以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆，包括粘土水泥浆以及配套使用的改性剂，其中，所述粘土水泥浆通过粘土原浆、水泥以及余量的水配制而成，所述粘土原浆由粘土和水搅拌而成，其制成后的比重为1.15～1.40g/cm³，该粘土原浆中的粘土与水泥的总质量与所用的所有水的总质量之比的范围为10:7～10:14，同时，在粘土水泥浆中还加有占水泥用量0～200%的粉煤灰或矿渣粉；而所述改性剂由偏铝酸钠、可溶性偏硅酸钠粉末、硫酸铝以及聚丙烯酰胺物理混合制成，且聚丙烯酰胺的含量为硫酸铝、偏铝酸钠与可溶性偏硅酸钠粉末质量之和的0.8~10%。

在本发明中，所述粘土原浆中的粘土与水泥的总质量与水的质量之比优选10:8～10:12。且可以通过提高粘土原浆用量，降低材料成本，强度也降低；通过增加水泥、粉煤灰或矿粉用量，提高结石体强度，具体表现为：当粘土原浆与水泥、粉煤灰或矿粉的总质量之比大于1:1时，结石体28天无侧限抗压强度可达0.8MPa～3.0MPa；当粘土原浆与水泥、粉煤灰或矿粉的总质量之比小于1:1时，结石体28天无侧限抗压强度可达1.5MPa～15MPa。

在本发明中，所述改性剂的加入在粘土水泥浆搅拌均匀后再加入，用以控制粘土水泥浆灌浆后的流动度，提高其浆材结石体的早期强度，其添加的质量掺量为粘土水泥浆中水泥用量的0.5%~4%，在改性剂加入之前，粘土水泥浆为稳定浆液，流动度在200～280mm，在其改性剂加入搅拌均匀后的3min内流动度降低至60mm～130mm。且由添加改性剂后的粘土水泥浆形成的结石体，2小时后的无侧限抗压强度可达0.2MPa，1天后可超过0.6MPa，28天无侧限抗压强度可达0.8MPa～15MPa。

在本发明中，改性剂中硫酸铝、偏铝酸钠、可溶性偏硅酸钠粉末以及聚丙烯酰胺加入的质量不同，影响粘土水泥浆的凝结时间、早期强度以及水泥膏浆的抗冲蚀性能，具体表现在于：当改性剂中只利用偏铝酸钠或可溶性偏硅酸钠粉末中的一种作为添加材料时，浆液的初凝时间均在3小时以上，终凝时间通常在8小时以上，不能满足工程的需要；但当改性剂中偏铝酸钠与可溶性偏硅酸钠同时添加时，尤其是两者的使用比例同时增加时，可使粘土水泥浆的初凝、终凝时间大幅度缩短，初凝时间在30分钟内完成，终凝在1小时内达到，2小时即可产生强度，使得粘土凝块的早期强度迅速增加；而改性剂中聚丙烯酰胺的使用比例量增加时，可以有效提高粘土水泥膏浆的抗冲蚀性；硫酸铝的添加量增加，可以迅速降低浆液的流动性，这些材料与偏铝酸钠、可溶性偏硅酸钠粉末产生协同效应，可减少偏铝酸钠的用量，有效降低材料成本。因此，可根据此配制适合不同工况的改性剂。

在本发明中，所述粘土原浆的优选比重1.18～1.30g/cm³。

在本发明中，所述偏铝酸钠中与可溶性偏硅酸钠粉末中的摩尔比的适应范围为1:2~1:5。

在本发明中，所述硫酸铝在改性剂中所占的质量分数为3～10%。

在本发明中，所述可溶性偏硅酸钠粉末为五水偏硅酸钠或九水偏硅酸钠。

在本发明中，所述聚丙烯酰胺选用分子量为800万～1200万的聚丙烯酰胺或其性质类似物较好；本发明中，所述粘土水泥膏浆的使用方法，其特征在于，先按配方配制粘土水泥浆，用所述粘土水泥浆进行灌浆作业，在灌浆作业完成后添加所述配套使用的改性剂，以适时控制粘土水泥浆灌浆后的流动性和早期强度。

本发明的上述技术方案基于以下原理：

当本发明的改性剂加入到粘土水泥浆中以后，改性剂中的偏铝酸钠水化产物与可溶性偏硅酸钠粉末水化产物的摩尔比在粘土水泥浆中为1:2~1:5时，瞬间反应，生成似果冻状网状凝胶物，迅速包裹大量的自由水，产生大量的纳米级晶核，加速了各种水化产物晶体的生长，加速水泥水化反应，提高早期强度。而未反应完的或继续与水泥水化后形成的水化硅酸钙、氢氧化钙反应形成凝胶体，迅速提高膏浆的早期强度。硫酸铝与水化硅酸钙等材料迅速生成钙矾石，铝离子对粘土粒子聚沉，迅速降低浆体的流动性；铝离子与也起反应，生成似果冻状网状凝胶物。这几个反应协同作用促使粘土水泥膏浆流动度迅速降低，早期强度快速增加，达到浆体可控的效果。

改性剂加入后，加入的聚丙烯酰胺在水化后，与水泥、粘土粒子相互形成网格结构，在较快的水流中，具有不分散、抗冲蚀的特点，能够保证浆液具有良好的抗冲蚀性，节省注浆材料的特点。

而通过在本发明的可控且抗冲蚀性粘土水泥膏浆中加入高含量的粘土，不仅改善了膏浆的可控性、抗水流冲蚀性能，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^-8cm/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，解决了普通水泥膨润土膏浆中膨润土操作不稳定性等问题。

本发明在利用了粘土、水泥良好性能的基础之上，充分利用偏铝酸钠、硫酸铝、可溶性偏硅酸钠粉末的相互反应协同作用，同时，利用聚丙烯酰胺良好的水下抗冲蚀性能，可以达到快速调整早强且抗冲蚀性粘土水泥膏浆的早期强度、浆液初、终凝胶时间、抗剪切屈服强度、抗冲蚀性能等。在施工过程中，可以先配制粘土水泥稳定浆液，在需要采用可控且抗冲蚀性粘土水泥膏浆时，只需要加入少量的改性剂，即可以迅速变成膏浆，大大简化了施工操作。同时，可通过改变改性剂的用量，调整膏浆的流动度，以适应地层的需要，使用非常方便。

而在工程实践中，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、防渗灌浆及砂卵石地层防渗、堵漏）的需要。

有益效果：本发明中的抗冲蚀粘土水泥膏浆以粘土为主体材料，改性剂用量少且成体降低，可以大幅度降低了材料成本，具有明显的经济意义和环境保护意义，且全部是粉末状材料，包装、使用方便，可有效减少操作误差；同时，浆液早强速凝，同时具有良好的可控性和抗水冲蚀性，简化了施工工艺。基于上述特点，该水泥膏浆可广泛应用于水利、水电、矿山、隧道、地下空间等岩土工程领域的堵水、防渗、加固工程，可大幅降低工程施工成本并提高工程质量。

附图说明

图1为本发明的膏浆的冲蚀前的示意图。

图2为本发明的膏浆的冲蚀后的效果示意图。

具体实施方式

下面举实例并参照具体图示对本发明进行详细描述。

实施例1：

在实施例一中，早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆包括粘土水泥浆以及配套使用的改性剂，其中，粘土水泥浆主要由粘土原浆、水泥（PO42.5硅酸盐水泥）、粉煤灰和水配制而成，粘土原浆主要由粘土和水搅拌而成，在工程实践中，粘土水泥浆中添加有改性剂，改性剂掺量（改性剂掺量占水泥质量的比例）约为2%，改性剂主要由a:偏铝酸钠、b:五水偏硅酸钠粉末、c:聚丙烯酰胺和d:硫酸铝物理混合制成，选用了下表1中的四组质量比，测得初始流动度、抗冲蚀率、结石体强度如表1所示。

实施例2：

在实施例二中，早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆包括粘土水泥浆以及配套使用的改性剂，其中，粘土水泥浆主要由粘土原浆、水泥（PO42.5硅酸盐水泥）、水和少量改性剂配制而成，粘土原浆主要由粘土和水搅拌而成，改性剂掺量（改性剂掺量占水泥质量的比例）为0.5%，改性剂主要由a:偏铝酸钠、b:九水偏硅酸钠粉末、c:聚丙烯酰胺和d:硫酸铝物理混合制成，选用了下表2中的四组质量比，测得初始流动度、抗冲蚀率、结石体强度如表2所示。

而基于上述两组实施例中随机选取一组抗冲蚀粘土水泥膏浆进行冲蚀，其浆膏浆冲蚀照片如图1、2所示，在此图示效果中，水泥膏浆在冲蚀前如图1所示，其流动度为65mm，冲蚀后的膏浆如图2所示，其冲蚀率为冲蚀率仅为13%，因而，其抗冲蚀效果明显。

在本发明的实施例中，抗冲蚀粘土水泥膏浆具有较高的水灰比，具有较高的粘土含量，改性剂加入量只占水泥用量的0.5～4%，仅占整个膏浆质量的用量为0.2～1%，用量非常少，这也显著降低了膏浆的生产成本，不影响本发明产品的推广应用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆，包括粘土水泥浆以及配套使用的改性剂，其特征在于，所述粘土水泥浆通过粘土原浆、水泥以及余量的水配制而成，所述粘土原浆由粘土和水搅拌而成，其制成后的比重为1.15～1.40g/cm³，该粘土原浆中的粘土与水泥的总质量与所用的所有水的总质量之比的范围为10:7～10:14，同时，在粘土水泥浆中还加有占水泥用量0～200%的粉煤灰或矿渣粉；所述改性剂由偏铝酸钠、可溶性偏硅酸钠粉末、硫酸铝以及聚丙烯酰胺物理混合制成，且聚丙烯酰胺的含量为硫酸铝、偏铝酸钠与可溶性偏硅酸钠粉末质量之和的0.8~10%；

其中，聚丙烯酰胺选用分子量为800 万～ 1200 万的聚丙烯酰胺；

所述粘土水泥膏浆的使用方法为：先按配方配制粘土水泥浆，用所述粘土水泥浆进行灌浆作业，在灌浆作业完成后添加所述配套使用的改性剂，以适时控制粘土水泥浆灌浆后的流动性和早期强度。

2.根据权利要求1所述的一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆，其特征在于，所述粘土原浆的比重1.18～1.30g/cm³。

3.根据权利要求1所述的一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆，其特征在于，所述粘土水泥浆中的粘土与水泥的总质量与所用的所有水的总质量之比为10:8～10:12。

4.根据权利要求1所述的一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆，其特征在于，所述改性剂添加的质量掺量为粘土水泥浆中水泥用量的0.5%~4%。

5.根据权利要求1所述的一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆，其特征在于，所述偏铝酸钠中与可溶性偏硅酸钠粉末中的摩尔比的适应范围为1:2~1:5。

6.根据权利要求1所述的一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆，其特征在于，所述硫酸铝为改性剂总质量的3～10%。

7.根据权利要求1所述的一种早强且抗冲蚀的粘土水泥膏浆，其特征在于，所述可溶性偏硅酸钠粉末为五水偏硅酸钠或九水偏硅酸钠。

8.一种如权利要求1～7中任一项所述粘土水泥膏浆的使用方法，其特征在于，先按配方配制粘土水泥浆，用所述粘土水泥浆进行灌浆作业，在灌浆作业完成后添加所述配套使用的改性剂，以适时控制粘土水泥浆灌浆后的流动性和早期强度。