CN104591647A - 一种基于增粘剂单核心的水泥灌浆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于增粘剂单核心的水泥膏浆，包括重量配比为100:50-100:0.05-2的硅酸盐类水泥、水和外加剂；并公开了该水泥膏浆的制备方法，包括如下步骤：1)将外加剂放入水中，搅拌溶解，制得外加剂溶液；2)将水泥和水混合，制得水泥浆；3)将所述水泥浆与外加剂溶液混合，搅拌均匀即得。本发明所制备的水泥膏浆的凝结时间比传统增粘剂-减水剂双核心水泥膏浆短，抗动水能力强，抗压强度大；其制备方法简单，节省了对增粘剂和减水剂的配比事先进行调配的工序，外加剂的使用更加灵活，成本更低。

Description

一种基于增粘剂单核心的水泥灌浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及灌浆技术领域，具体涉及一种基于增粘剂单核心的水泥灌浆及其制备方法

背景技术

宽大裂隙灌浆是灌浆施工中最常见的技术难题之一。由于浆液会首先沿着最大裂隙填充，当填充达到与中等裂隙相接近的状态时，中等裂隙才会得到灌注，而此时浆液可能已在宽大裂隙中扩散很远；同样，中等裂隙填充到小裂隙宽度时，小裂隙才开始灌注，以此类推。由于地层中的裂隙多为宽窄并存的，因此往往出现浆液在较大裂隙中扩散距离过远，浪费了大量灌浆材料以后，整个地层才能得到比较均匀的灌注，降低了灌浆工程的性价比。并且，在工程实践中，宽大裂隙常伴随着高压、大流量、高流速涌水的情况，造成浆料的稀释，甚至影响灌浆工程的质量。

为解决这一问题，以往多采用水泥膏浆进行处理，即在水泥浆中掺入大量的粘土、膨润土、粉煤灰等掺合料及少量外加剂而构成的低水灰比的膏状浆液，其基本特征是使膏浆的剪切屈服强度值大于其本身重力的影响，这样可以一定程度上降低其扩散速度，避免材料的浪费。但是，这一做法仍存在缺陷：第一，普通水泥膏浆的塑性较大，抗水能力差，在水下尤其是动水条件下，易被水流冲释，难以达到堵漏目的；第二，速凝膏浆较大的剪切屈服强度依靠掺入较多的粘土、膨润土、粉煤灰等掺合料来实现，但它们都不能直接胶凝，水泥含量的相对降低使浆液的胶凝时间延长，增加了施工的工序和复杂度；第三，水泥浆和掺合料的混合反应对温度、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，不利于大漏量动水地层的堵漏。因此，现有技术中水泥膏浆的可操作性和灌浆效果都有待改善。

近年来，在水下不分散混凝土的技术基础上，发展出了以生物胶类增粘剂和固体聚羧酸减水剂为双核心的高触变抗水膏浆，其兼具高触变和抗水两大优异性能，可以避免浆料过分的扩散和被稀释的问题，但它也有内在的局限性：由于水下不分散混凝土的水灰比比较固定，需要通过增粘剂和减水剂相互制衡，以调控浆液的粘度，以保证基本的水泥含量和混凝土的基本力学性能。但是由于水泥膏浆对减水剂的用量比较敏感，一般不超过1％，超过该限度后对增强水泥膏浆的流动性已无帮助，却使材料力学性能大幅度降低，而外加剂又必须整体添加到水泥浆中，因而对外加剂中其他成分，尤其是增粘剂的用量，也无法实现灵活控制。有时，在浆液制备过程中，增粘剂和减水剂会凝成小块，一方面使得凝结成小块的增粘剂和减水剂无法充分发挥作用；另一方面这些凝结的小块本身没有胶凝特性，混在水泥结石中，呈单独存在，使材料整体强度下降。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种水泥膏浆，以增粘剂为唯一核心，辅之以促凝剂、保水剂等组成水泥膏浆外加剂，和硅酸盐类水泥浆结合使用，得到了兼具高触变和抗水两种特性的新型灌浆材料，适用于大孔隙地层(如岩溶空洞、岩体宽大裂隙、堆石体等)中的灌浆。

为实现本发明的上述目的，本发明一方面提供一种基于增粘剂单核心的水泥膏浆，包括不包含减水剂的外加剂、水以及硅酸盐水泥，其中，所述不包含减水剂的外加剂在水中搅拌溶解后形成外加剂溶液；水泥和水混合后形成水泥浆；所述水泥浆与外加剂溶液混合搅拌均匀后形成所述水泥膏浆；

其中，所述的不包含减水剂的外加剂、水以及硅酸盐水泥的重量配比为：

硅酸盐水泥           100

水                   50-100

不包含减水剂的外加剂 0.05-2。

其中，所述硅酸盐类水泥符合国标《硅酸盐水泥》GB175的规定。

特别是，所述外加剂是增粘剂。

尤其是，所述外加剂包括增粘剂和促凝剂，所述增粘剂和促凝剂的重量比为1:1-4。

特别是，所述外加剂包括增粘剂和保水剂，所述增粘剂和保水剂的重量比为1:0.5-2。

尤其是，所述外加剂包括增粘剂、促凝剂和保水剂，所述增粘剂、促凝剂和保水剂的重量比为1:1-4:0.5-2。

其中，所述增粘剂为聚丙烯酰胺类、木质素类或生物胶类增粘剂中的一种或多种。

优选的，所述生物胶类增粘剂为黄原胶、维兰胶、鼠李胶、杰兰胶、多聚甘露糖胶或其他水溶性生物多糖胶中的一种或多种。

更优选的，所述生物胶类增粘剂为维兰胶。

其中，所述促凝剂为硅酸钠、硅酸钾、硝酸钠、硝酸钙和硫酸钠中的一种或多种。

其中，所述保水剂为聚丙烯酸盐。

本发明另一方面提供一种所述水泥膏浆的制备方法，包括如下步骤：

1)将外加剂放入水中，搅拌溶解，制得外加剂溶液；

2)将水泥和水混合，制得水泥浆；

3)将所述水泥浆与外加剂溶液混合，搅拌均匀，即得。

其中，所述硅酸盐类水泥、水和外加剂的重量配比为100:50-100:0.05-2。

其中，所述步骤3)中，搅拌速度为50-300r/min；搅拌时间为60-600s。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明的制备方法通过对水灰比的调控和增粘剂的使用，无需添加减水剂，即可实现对水泥膏浆粘度的控制，节省了对增粘剂和减水剂的配比事先进行调配的工序，外加剂的使用更加灵活，成本更低；

2)除生物胶类增粘剂外，其他各类外加剂均是易溶盐类，即使是生物胶类增粘剂，其水化也比常见的减水剂(如固体型聚羧酸)快，其操作性能和整体性能都比传统的双核心水泥膏浆理想；

3)本发明的水泥膏浆的凝结时间比传统的增粘剂-减水剂双核心水泥膏浆短，抗动水能力强，抗压强度大；

4)本发明的水泥膏浆避免了粘土、膨润土、粉煤灰等的掺入，避免了传统施工中因膨润土等掺合料用量大而使胶凝时间过长的问题，降低了操作的复杂度；

5)本发明水泥膏浆的灌注不需要特殊设备，常规的双桶搅拌机和3SNS泵完全可以满足制浆，灌浆工艺亦不需要调整，纯压式或孔口循环式均可满足要求，制备方法简单，易于操作。

具体实施方式

实施例1

1、按照如下重量配比备料：

硅酸盐水泥 10000g

水         7500g

外加剂     100g

其中，外加剂包括：维兰胶20g，硅酸钠60g和聚丙烯酸钠20g。

2、将外加剂放入水中，搅拌至充分溶解，制得外加剂溶液，置于双桶低速搅拌机的下桶中。

3、将硅酸盐水泥和水混合，搅拌至充分溶解，制得水泥浆，置于双桶低速搅拌机的上桶中。

4、开启搅拌机，将上桶的水泥浆放入下桶与外加剂溶液混合，搅拌速度为150r/min，搅拌时间为300s，即得。

实施例2

1、按照如下重量配比备料：

硅酸盐水泥 10000g

水         5000g

外加剂     200g

其中，外加剂包括：黄原胶50g，硝酸钠50g和聚丙烯酸钾100g。

2、将外加剂放入水中，搅拌至充分溶解，制得外加剂溶液，置于双桶低速搅拌机的下桶中。

3、将硅酸盐水泥和水混合，搅拌至充分溶解，制得水泥浆，置于双桶低速搅拌机的上桶中。

4、开启搅拌机，将上桶的水泥浆放入下桶与外加剂溶液混合，搅拌速度为300r/min，搅拌时间为100s，即得。

实施例3

1、按照如下重量配比备料：

硅酸盐水泥   10000g

水           10000g

羟乙基纤维素 5g

2、将外加剂放入水中，搅拌至充分溶解，制得外加剂溶液，置于双桶低速搅拌机的下桶中。

3、将硅酸盐水泥和水混合，搅拌至充分溶解，制得水泥浆，置于双桶低速搅拌机的上桶中。

4、开启搅拌机，将上桶的水泥浆放入下桶与外加剂溶液混合，搅拌速度为100r/min，搅拌时间为60s，即得。

实施例4

1、按照如下重量配比备料：

硅酸盐水泥 10000g

水         8000g

外加剂     150g

其中，外加剂包括：阳离子型聚丙烯酰胺CPAM(分子量800-1200万，离子化度5-15％)30g，硫酸钠120g。

2、将外加剂放入水中，搅拌至充分溶解，制得外加剂溶液，置于双桶低速搅拌机的下桶中。

3、将硅酸盐水泥和水混合，搅拌至充分溶解，制得水泥浆，置于双桶低速搅拌机的上桶中。

4、开启搅拌机，将上桶的水泥浆放入下桶与外加剂溶液混合，搅拌速度为50r/min，搅拌时间为600s，即得。

实施例5

1、按照如下重量配比备料：

硅酸盐水泥 10000g

水         7000g

外加剂     15g

其中，外加剂包括：鼠李胶10g，聚丙烯酸钠5g。

2、将外加剂放入水中，搅拌至充分溶解，制得外加剂溶液，置于双桶低速搅拌机的下桶中。

3、将硅酸盐水泥和水混合，搅拌至充分溶解，制得水泥浆，置于双桶低速搅拌机的上桶中。

4、开启搅拌机，将上桶的水泥浆放入下桶与外加剂溶液混合，搅拌速度为200r/min，搅拌时间为400s，即得。

对照例1

1、按照如下重量配比备料：

硅酸盐水泥 10000g

水         7500g

膨润土     1500g

2、将膨润土加入到3500mL水中进行膨化，膨化时间为24h。

3、将4000g水加入到低速强力搅拌机中，保持150r/min的搅拌速度，加入已膨化的膨润土浆，搅拌3min后加入硅酸盐水泥，继续搅拌5min即得。

对照例2

1、按照如下重量配比备料：

硅酸盐水泥 10000g

水         7500g

外加剂     100g

其中，外加剂包括：维兰胶20g，固体型聚羧酸减水剂20g，硅酸钠40g和聚丙烯酸钠20g。

2、将外加剂放入水中，搅拌至充分溶解，制得外加剂溶液，置于双桶低速搅拌机的下桶中。

3、将硅酸盐水泥和水混合，搅拌至充分溶解，制得水泥浆，置于双桶低速搅拌机的上桶中。

4、开启搅拌机，将上桶的水泥浆放入下桶与外加剂溶液混合，搅拌速度为150r/min，搅拌时间为300s，即得。

试验例1

由于在相同水灰比(水与水泥的重量之比)的前提下，比较水泥膏浆的性能更能说明外加剂的效果，因此仅就实施例1和对照例1、2的水泥膏浆的性能进行比较和讨论。

凝结时间参照GB1346-89标准，采用ISO标准法维卡仪进行测定，试验结果如表1所示。

表1 凝结时间测试结果

如表1所示，在水灰比均为0.75的前提下，实施例1制备的水泥膏浆的胶凝时间短于两个对照例，较快的凝结可以减少浆料的浪费，提高灌浆效率。此外，对照例1制备的水泥膏浆不具备抗动水的能力，在有动水的存在的情况下会影响灌浆质量，甚至导致灌浆失败；而对照例2制备的水泥膏浆的抗动水能力不如实施例1制备的水泥膏浆理想。

试验例2

浆液结石性能参照《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)中砂浆试验的方法进行测定，试验结果如表2所示。

表2 抗压强度测试结果

编号	实施例1	对照例1	对照例2
				3d	5.5	4.5	4.2
7d	11.2	8.9	9.6
				28d	26.1	18.2	21.2

如表2所示，3d抗压强度不小于5MPa，28d抗压强度不小于10 MPa，表明实施例制备的水泥膏浆能抵御一定流速的水流冲击，适合动水条件下灌浆堵漏使用，在水灰比均为0.75的前提下，其抗压强度优于对照例1、2制备的水泥膏浆。

尽管上述对本发明做了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于增粘剂单核心的水泥膏浆，包括不包含减水剂的外加剂、水以及硅酸盐水泥，其中，所述不包含减水剂的外加剂在水中搅拌溶解后形成外加剂溶液；水泥和水混合后形成水泥浆；所述水泥浆与外加剂溶液混合搅拌均匀后形成所述水泥膏浆；

其特征在于，所述的不包含减水剂的外加剂、水以及硅酸盐水泥的重量配比为：

硅酸盐水泥                       100

水                               50-100

不包含减水剂的外加剂             0.05-2。

2.如权利要求1所述的水泥膏浆，其特征在于，所述外加剂是增粘剂。

3.如权利要求1所述的水泥膏浆，其特征在于，所述外加剂包括增粘剂和促凝剂，所述增粘剂和促凝剂的重量比为1:1-4。

4.如权利要求1所述的水泥膏浆，其特征在于，所述外加剂包括增粘剂和保水剂，所述增粘剂和保水剂的重量比为1:0.5-2。

5.如权利要求1所述的水泥膏浆，其特征在于，所述外加剂包括增粘剂、促凝剂和保水剂，所述增粘剂、促凝剂和保水剂的重量比为1:1-4:0.5-2。

6.如权利要求2-5任一项所述的水泥膏浆，其特征在于，所述增粘剂为聚丙烯酰胺类、木质素类或生物胶类增粘剂中的一种或多种。

7.如权利要求6所述的水泥膏浆，其特征在于，所述生物胶类增粘剂为维兰胶。

8.一种权利要求1-7所述水泥膏浆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将外加剂放入水中，搅拌溶解，制得外加剂溶液；

2)将水泥和水混合，制得水泥浆；

3)将所述水泥浆与外加剂溶液混合，搅拌均匀，即得。

其中，所述硅酸盐类水泥、水和外加剂的重量配比为100:50-100:0.05-2。

9.如权利要求8所述水泥膏浆的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，搅拌速度为50-300r/min；搅拌时间为60-600s。