CN105777049B - 一种固体灌浆材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种固体灌浆材料及其制备方法，所述固体灌浆材料包括如下重量份的组分：铸造粉灰30~40份、矿渣30~40份、粉煤灰30~40份和水玻璃40~42份，其中，所述铸造粉灰包括砂处理粉灰和热法再生粉尘中的一种或两种；所述制备方法称取所述固体灌浆材料重量份数的组分，将称取的组分中除水玻璃外的其它组分一起干混均匀后，加入水玻璃搅拌均匀，制得。本发明充分利用了废弃资源，降低了生产能耗，减少了环境破坏和污染，更加绿色环保，本发明材料只需进行常规养护即可获得良好的抗压强度和抗拉强度，且具有凝结速度可调、早期强度高、耐久性好、渗透率低、抗核辐射性好、耐高温、耐腐蚀的优点。

Description

一种固体灌浆材料及其制备方法

技术领域

本发明属于土木工程加固新材料技术领域，具体涉及一种固体灌浆材料及其制备方法。

背景技术

灌浆是将具有充填胶接性能的材料配成浆液，利用灌浆设备将其注入到地层的裂隙或孔洞中，待浆液凝结、硬化后形成强度高、防水抗渗性能强和化学稳定性良好的“结石体”，达到填充、加固、防渗及堵漏的目的。随着我国房屋、桥梁、公路、隧道、矿山、堤坝等工程大规模建设，灌浆材料以其实用性强、施工方便等特点，得到了广泛的应用和发展。灌浆材料一般分为固体灌浆材料和化学灌浆材料两大类。固体灌浆材料是由固体颗粒和水组成的灌浆体，常用的有水泥基浆、黏土浆、水泥黏土浆、水泥固废物浆等。化学灌浆材料常用的有水玻璃浆、环氧树脂浆等。

目前在土木工程领域使用的灌浆材料大多数为水泥基灌浆材料和环氧树脂灌浆材料。环氧树脂灌浆材料的成本高、施工复杂而且与混凝土及钢结构的结合力较差，耐久性也不好。水泥基灌浆材料一般为采用普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥。普通硅酸盐水泥具有凝结时间长、水化热大等缺点，从而影响工程进度和质量，对需要快速修补及紧急抢修工程，此类灌浆材料要受到限制。硫铝酸盐水泥虽然具有快硬早强的特点，但是其存在流动性小、施工可操作时间短、后期强度不高等缺点；另外，硫铝酸盐水泥的成本也较高。水泥生产需要使用大量黏土，从而破坏耕地，同时生产过程中排放大量的粉尘和烟尘会对环境造成污染。随着各国对污染物排放的限制越来越严格，水泥生产的环境成本将越来越高。持续攀高的环境成本迫使科研单位及工业企业花大力气寻求节能环保的水泥替代胶凝材料。

地质聚合物的概念最早由Joseph Davidovits于1978年提出，它既具有比高分子材料、陶瓷、水泥和金属更好的性能，又具有原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污染小等优点，是一种可持续发展的绿色环保材料，可应用于土木工程、交通工程等领域，用于代替水泥作为胶凝材料。然而目前并没有利用铸造粉灰、矿渣和粉煤灰作为主要原料，并辅以水玻璃和缓凝剂，制备地质聚合物作为灌浆材料的相关研究。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种固体灌浆材料及其制备方法，使该材料能够用以代替水泥作为胶凝材料，只需进行普通养护即可获得优良的抗拉强度和抗压强度，且具有早期强度高、耐久性好、渗透率低、抗核辐射性好、耐高温、耐腐蚀、凝结速度可调、绿色环保等特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种固体灌浆材料，其特点在于，包括如下重量份的成分：铸造粉灰30~40份、矿渣30~40份、粉煤灰30~40份和水玻璃40~42份；其中，所述铸造粉灰包括砂处理粉灰和热法再生粉尘中的一种或两种；所述铸造粉灰、矿渣和粉煤灰的重量份数总和为100份；

所述砂处理粉尘是铸造生产车间在生产铸件过程中由砂处理工部产生的通过除尘设备收集到的粉状固体废弃物；所述热法再生粉尘是铸造旧砂热法再生生产过程中，混合态的旧砂焙烧除去煤粉、有机粘结剂、含碳物质和硬化剂等杂质后，经焙烧、剔分、振动、分离等再生工序，通过砂粒间的撞击和摩擦形成的含尘废气通过再生系统的除尘设备收集得到的粉尘；所述矿渣为高炉炼铁熔融的矿渣在骤冷时，来不及结晶而形成的玻璃态物质。

这样，通过铸造粉灰、矿渣和粉煤灰之间的协同配伍作用，使发明固体灌浆材料中硅、铝和氧元素配比合适，并通过水玻璃的激发作用激发铸造粉灰、矿渣和粉煤灰的活性，促进材料中的硅、铝和氧元素相互配合反应，生成具有无机缩聚三维氧化物网络结构的聚合物材料。

进一步，所述水玻璃的模数为1.0~1.5，最优模数为1.2。选择这样模数的水玻璃，对铸造粉灰、矿渣和粉煤灰具有更好的激发活性效果，促进反应效果更佳。

进一步，所述砂处理粉灰包括如下重量份的组分：二氧化硅40份、三氧化二铝22份、三氧化二铁5份和氧化钙5份。选择这样组分的砂处理粉灰，有利于固体灌浆材料中的硅、铝和氧元素达到较佳的配比，促使三种元素之间的反应更佳充分。

进一步，所述热法再生粉灰包括如下重量份的组分：二氧化硅90份、三氧化二铝1.5份、三氧化二铁1.2份和氧化钙2.3份。选择这样组分的热法再生粉灰，有利于固体灌浆材料中的硅、铝和氧元素达到较佳的配比，促使三种元素之间的反应更佳充分。

进一步，所述矿渣包括如下重量份的组分：二氧化硅35份、三氧化二铝10份、三氧化二铁2份和氧化钙40份；所述矿渣的比表面积≥300㎡/kg。选择这样组分的矿渣有利于固体灌浆材料中的硅、铝和氧元素达到较佳的配比，促使三种元素之间的反应更佳充分。且选择这样比表面积的矿渣，使矿渣的表面能较高，具有更多的活性位点促进反应发生。

进一步，所述粉煤灰包括如下重量份的组分：二氧化硅45份、三氧化二铝22份、三氧化二铁12份和氧化钙6份；所述粉煤灰的比表面积≥300㎡/kg。选择这样组分的粉煤灰有利于固体灌浆材料中的硅、铝和氧元素达到较佳的配比，促使三种元素之间的反应更佳充分。且选择这样比表面积的矿渣，使矿渣的表面能较高，具有更多的活性位点促进反应发生。

进一步，上述固体灌浆材料中还包括缓凝剂≤2份。这样，可以减缓材料的凝结速度，将初凝时间由8分钟延长至50分钟，将终凝速度由15分钟延长至90分钟，使材料能够在较长时间内保持流动性，以留有充分时间对工程进行施工。

进一步，上述固体灌浆材料中所述缓凝剂为磷酸二氢钠。选择该缓凝剂缓凝效果更佳，且不与材料中其他组分发生不良反应。

进一步，上述固体灌浆材料包括如下重量份的组分：砂处理粉灰15份、热法再生粉尘15份、矿渣35份、粉煤灰35份、水玻璃40份和缓凝剂1.5份。在这样的配比下，各组分之间的协同配伍作用较佳，制得的固体灌浆材料具有更好的性能。

上述固体灌浆材料的制备方法，称取所述固体灌浆材料重量份数的组分，将称取的组分中除水玻璃外的其它组分一起干混均匀后，加入水玻璃搅拌均匀，制得所述固体灌浆材料。采用该制备方法，可以使各组分之间反应地更加充分，且制备过程简单快捷，无需进行湿养护过程，可以现制现用。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1.本发明固体灌浆材料采用工业废弃物铸造粉尘、粉煤灰、矿渣为主要原料，通过原料中硅、铝和氧元素的协同配伍作用，制得具有无机缩聚三维氧化物网络结构的聚合物材料，充分利用了废弃资源，降低了生产能耗，减少了环境破坏和污染，具有绿色环保的特点。

2.本发明灌浆材料性能优良，具有无机缩聚三维氧化物网络结构，密实的氧化物网络结构使得该材料在高温下不易氧化分解，具有耐高温的特点，该材料密实的网络结构以及在养护过程中体积不膨胀的特点，还使得本发明材料具有早期强度高、耐久性好、渗透率低、抗核辐射性好、耐腐蚀的特点。

3.本发明灌浆材料无需进行湿养护，只需进行常规养护即可获得良好的抗压强度和抗拉强度，且具有凝结速度可调的优点，既能满足需要快速凝固工程的需要，对道路进行快速修补，也可以通过原料组分的调整，使该材料能保持较长时间的流动性，以留有充分的时间对工程进行施工。

4.本发明制备方法工艺中无需进行湿养护过程，大幅度降低了生产成本，提高生产效率，制备方法更加简单快捷，可以现制现用。

5.本发明固体灌浆材料使用范围广，可用于岩土体加固中的锚杆或锚索灌浆、道路快速修补、房屋与桥梁裂缝修补、隧道加固、软土地基处理、水池和管道裂缝处理、耐酸性储液罐或池修补、固结矿山尾矿等多个工程领域中，具有良好的市场应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程，来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。

一种固体灌浆材料，包括如下重量份的组分：铸造粉灰30~40份、矿渣30~40份、粉煤灰30~40份和水玻璃40~42份；其中，所述铸造粉灰包括砂处理粉灰和热法再生粉尘中的一种或两种。所述固体灌浆材料组分中还可以包括缓凝剂≤2份，所述缓凝剂可以选用磷酸二氢钠。

上述固体灌浆材料中，所述水玻璃的模数可以为1.0~1.5，最优为1.2；所述砂处理粉灰可以包括如下重量份的组分：二氧化硅40份、三氧化二铝22份、三氧化二铁5份和氧化钙5份；所述热法再生粉灰可以包括如下重量份的组分：二氧化硅90份、三氧化二铝1.5份、三氧化二铁1.2份和氧化钙2.3份；所述矿渣可以包括如下重量份的组分：二氧化硅35份、三氧化二铝10份、三氧化二铁2份和氧化钙40份；所述矿渣的比表面积≥300㎡/kg；所述粉煤灰可以包括如下重量份的组分：二氧化硅45份、三氧化二铝22份、三氧化二铁12份和氧化钙6份；所述粉煤灰的比表面积≥300㎡/kg。

上述固体灌浆材料具体制备时，称取所述固体灌浆材料重量份数的组分，将称取的组分中除水玻璃外的其它组分一起干混均匀后，加入水玻璃搅拌均匀，制得所述固体灌浆材料。

下表1中给出了3个实施例，3个实施例固体灌浆材料的组分重量份数如下表1所示。

表1 固体灌浆材料的组分

对上述三个实施例制得的固体灌浆材料的理化性能进行检测，结果如下表2：

表2 实施例性能测试结果

由上表1可见，各实施例灌浆材料的强度均满足工程需要。还值得注意的是：热法再生粉灰份数从0~40变化时，其重量份数越多，所得灌浆材料性能越好；且随着缓凝剂用量的增加，本发明灌浆材料的初凝和终凝时间均逐步减小，而且其凝结时间与缓凝剂的用量成线性关系，因此可以通过缓凝剂的用量调节凝固时间。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种固体灌浆材料，其特征在于，包括如下重量份的组分：热法再生粉灰40份，矿渣30份，粉煤灰30份，水玻璃40份，缓凝剂2份；

所述水玻璃的模数为1.2；所述缓凝剂为磷酸二氢钠；

所述热法再生粉灰包括如下重量份的组分：二氧化硅90份、三氧化二铝1.5份、三氧化二铁1.2份和氧化钙2.3份；

所述矿渣包括如下重量份的组分：二氧化硅35份、三氧化二铝10份、三氧化二铁2份和氧化钙40份；所述矿渣的比表面积=300㎡/kg；

所述粉煤灰包括如下重量份的组分：二氧化硅45份、三氧化二铝22份、三氧化二铁12份和氧化钙6份；所述粉煤灰的比表面积=300㎡/kg。

2.一种固体灌浆材料的制备方法，其特征在于，按权利要求1所述固体灌浆材料，称取所述固体灌浆材料重量份数的组分，将称取的组分中除水玻璃外的其它组分一起干混均匀后，加入水玻璃搅拌均匀，制得所述固体灌浆材料。