CN106587782A - 一种地质聚合物灌浆材料的制备及其用于静压注浆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种地质聚合物灌浆材料的制备及其用于静压注浆的方法，其中制备地质聚合物灌浆材料的原材料包括钢渣、矿渣、钠基水玻璃、硅灰、钙基膨润土、软化水、复合碱性激发剂。制备地质聚合物灌浆材料的方法包括：1）制备组份A；2）制备组份B；3）制备组份C；4）制得地质聚合物灌浆材料。静压注浆的方法包括以下步骤：1）调查；2）评估；3）坑槽触探；4）空鼓普查；5）弯沉值检查；6）综合评价；7）测量布孔；8）钻孔；9）注浆；10）检查；11）封闭注浆孔；12）复查，完成静压注浆。优点：1、环保；2、低粘度；3、具有高弹性模量；4、高粘结性；5、成本低廉；6、高效；7、耐久性高。

Description

一种地质聚合物灌浆材料的制备及其用于静压注浆的方法
技术领域
本发明涉及一种地质聚合物灌浆材料的制备及其用于静压注浆的方法，其具体涉及道路路基病害整治加固或房屋建筑工程与水利工程的地基、坝基快速加固处理，属于土木工程技术领域。
背景技术
地质聚合物灌浆材料，由于具有不收缩、强度高、凝结速度快和环境友好而备受关注，并在道路快速修复、建筑地基加固领域得到应用，是近几年快速发展的注浆整治技术。
然而，专利文献CN102702473A所公开的双组份注浆材料及制备方法，采用了发泡剂稳定剂、环氧树脂材料为基材，其耐久性不良，且强度较低，注浆体虽可快速处治路基暂时抬升，但是由于其本质是充填注浆，属于注浆材料自身硬化反应或自固结浆液，无法与路基、地基固体材料胶结或胶结强度很低，因此，病害道路经过注浆后在汽车轮压动荷载作用下仍然出现弯沉值过大或不稳定。
本发明之地质聚合物注浆材料制备方法及静力注浆方法，具有注浆结石体不收缩、与路基结构层颗粒物和地基土壤产生高强度固结，弯沉值及沉降可控的地质聚合物制备方法及静压注浆工艺。
发明内容
本发明提出的是一种地质聚合物灌浆材料的制备及其用于静压注浆的方法，其目的旨在解决现有材料和注浆工艺的不足，利用复合碱性激发剂大大活化矿物质活性，制备出成本低廉、注浆体强度高、固化时间短、耐久性好、可灌性好、稳定性高的地质聚合物灌浆材料，并将其利用于道路路基病害整治与建筑地基、水利坝基的加固。
本发明的技术解决方案：一种地质聚合物灌浆材料，其原材料包括钢渣、矿渣、钠基水玻璃、硅灰、钙基膨润土、软化水、复合碱性激发剂；其中，钢渣：矿渣：钠基水玻璃：硅灰：钙基膨润土：软化水：复合碱性激发剂的质量比=（50~100）：（20~45）：（10~20）：（1~3）：（15~20）： 100：（6~8）；
地质聚合物灌浆材料的制备方法包括以下步骤：
1）将钢渣、矿渣按一定质量比送入球磨机研磨： a'、将钢渣、矿渣按一定质量比称取后投入球磨机；b'、启动球磨机旋转，转速40~60r/min；c'、球磨机内仓的研磨体随钢渣、矿渣一起转动并相互挤压、击打钢渣、矿渣颗粒，将钢渣、矿渣逐渐粉碎混匀得到细度在3000~4000目的微粉混合物，即组份A；
2）将钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂按一定质量比称取投入球磨机研磨：a''、将钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂一定质量比称取投入球磨机；b''、启动球磨机旋转；c''、球磨机内的研磨体随钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂一起转动并相互挤压、击打钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂颗粒，将钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂粉碎混匀得到细度在3000~4000目的微粉混合物，即组份B；
3）将钠基水玻璃缓缓加入软化水中，边加入边搅拌均匀，然后倾倒入旋流器中进一步混匀即得到组份C；
4）将组份A、组份B、组份C倾倒入旋流器中混合，以180r/min转速旋转常温共混聚合反应大于2小时制得地质聚合物灌浆材料；
将地质聚合物灌浆材料用于静压注浆的方法，包括以下步骤：
（1）道路基层病害情况调查；
（2）道路现实承载力评估；
（3）N10轻型触探器坑槽触探；
（4）地质雷达仪道路空鼓普查；
（5）道路现状弯沉值检查；
（6）道路现状综合评价；
（7）现场测量布孔，孔位呈“之”字形或“梅花形”，并在路面做出显著标示；
（8）钻孔：所述钻孔总深度为路面厚度+路床厚度+10cm；
（9）注浆：所述注浆的压力值0.3~0.5兆帕；
（10）检查注浆效果：地质聚合物注入地下后，可看见相邻孔冒泥水，随后泥水渐转为冒聚合物与泥水混合物，继而冒纯地质聚合物，此时，该孔位注浆完成，即可封堵该孔；
（11）封闭注浆孔；
（12）道路现状弯沉值复查，完成静压注浆。
本发明的优点：
1、环保；本发明地质聚合物注浆材料的原材料均为无毒无害物质，其中钢渣、矿渣、水玻璃、硅灰均属无机矿物质工业废弃物，将工业废弃物综合利用，变废为宝，对人类环境有益；
2、低粘度；本发明采用无机矿物质材料共混研磨聚合，终端产品粘度15*10-3 Pa·s。，可灌性好，所需注浆压力低，能耗低，工人劳动强度低、劳动效率高；
3、具有高弹性模量；本发明地质聚合物注浆材料，抗压强度可达35MPq，抗折强度达到15MPq，因此，注浆后通车快，一般注浆后2小时可放行车辆；
4、高粘结性；本发明地质聚合物自身粘度低，但是注浆浆液与路基砂石一经接触，地质聚合物立刻与路基砂石、地基土壤产生理化反应，强度提高；
5、成本低廉；本发明大量利用工业废弃物，如钢渣、矿渣、硅灰等，因此综合成本低廉；
6、高效；本发明之地质聚合物注浆材料及一种改性地质聚合物灌浆材料制备方法及静压注浆工艺，可快速注浆，注浆后2小时即可通车；
7、耐久性高；本发明地质聚合物材料及注浆施工工艺；材料耐久性高、内高温、阻燃（不燃）、无收缩，道路错治后处置可快速抬升地面。
具体实施方式
一种地质聚合物灌浆材料，其原材料包括钢渣、矿渣、钠基水玻璃、硅灰、钙基膨润土、软化水、复合碱性激发剂；其中，钢渣：矿渣：钠基水玻璃：硅灰：钙基膨润土：软化水：复合碱性激发剂的质量比=（50~100）：（20~45）：（10~20）：（1~3）：（15~20）： 100：（6~8）。
所述钢渣的制备： ①水冷淬法处理，具体采用开孔渣罐——水淬法：a将液态钢渣装入底部开孔（泄渣孔）的渣罐后送至水淬池；b打开渣罐泄渣孔，在高温液态钢渣徐徐倾泄而下的同时用高压水泵泵水冲刷、分割、击碎液态钢渣，钢渣与水一同泄入水淬池，钢渣在水淬池中造粒、冷却；c用抓斗机抓出经冷却的钢渣粒；d将钢渣粒脱水、裝袋、利用。②粉化（磨成粉末）；③经磁性吸附去除铁金属。
所述矿渣为精矿粉在碱浸出过程中未被碱浸出的一部分固体矿物复合物。
所述钠基水玻璃的模数区间为1.0~1.2。
所述钠基水玻璃的模数，是指钠基水玻璃中的氧化硅和碱金属氧化物的分子之摩尔比。
所述硅灰的平均粒径在0.1µm～0.3µm之间，其中细度小于1µm的硅灰占80%以上，硅灰的比表面积为:20 m2～28m2/g。
所述钙基膨润土的粘度为15*10-3 Pa·s。
所述软化水中可检出金属阳离子的浓度小于1/10000000。
所述复合性碱激发剂是KOH和K2SIO3的混合物；其中，KOH和KSIO3的物质的量之比为5:1。
所述地质聚合物灌浆材料的制备方法包括以下步骤：
1）将原材料钢渣、矿渣按质量比送入球磨机研磨，其研磨工艺步骤如下：a'、将原材料钢渣、矿渣按质量比称取后投入球磨机；b'、启动球磨机旋转，转速40~60r/min；c'、球磨机内仓大小不一的研磨体（钢球或鹅卵石）随原材料一起转动并相互挤压、击打原材料颗粒，将原材料逐渐粉碎混匀得到细度指标达3000~4000微粉混合物即组份A；
2）将原材料钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂按质量份称取投入球磨机内，其研磨工艺步骤如下：a''、将原材料钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂按质量份称取投入球磨机；b''、启动球磨机旋转；c''、球磨机内大小不一的研磨体（钢球或鹅卵石）随原材料一起转动并相互挤压、击打原材料颗粒，将原材料逐渐粉碎达到细度指标3000~4000目即得到组份B；
3）将原材料钠基水玻璃缓缓加入软化水中，边加入边搅拌均匀，然后倾倒入旋流器中进一步混匀即得到组份C；
4）将组份A、组份B、组份C倾倒入旋流器中混合，以180r/min转速旋转常温共混聚合反应大于2小时制得地质聚合物灌浆材料；
所制得地质聚合物灌浆材料的平均分子量为250~600，粘度小于50~500mPa.s，密度在1.06Kg/m3~1.13 Kg/m3之间。
将地质聚合物灌浆材料用于静压注浆的方法，包括以下步骤：
（1）道路基层病害情况调查；
（2）道路现实承载力评估；
（3）N10轻型触探器坑槽触探；
（4）地质雷达仪道路空鼓普查；
（5）道路现状弯沉值检查；
（6）道路现状综合评价；
（7）现场测量布孔；
（8）钻孔；
（9）注浆；
（10）检查注浆效果；
（11）封闭注浆孔；
（12）道路现状弯沉值复查，完成静压注浆。
所述孔位为“之”字形或“梅花形”，并按照设计布设的孔位并在路面标示出标志点。
所述钻孔深度为路面厚度+路床厚度+10cm。
所述注浆的压力值0.3~0.5兆帕。
所述检查注浆效果：地质聚合物注入地下后，可看见邻孔冒泥水，随后泥水渐转为冒聚合物与泥水混合物，继而冒纯地质聚合物，此时，该孔位注浆完成，即可封堵该孔。
本发明尤其适用于道路路基破坏的快速维修加固处治，也可扩展到建筑工程领域软土地基增强处理、以及水利工程坝体渗透注浆和坝基加固。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
制备地质聚合物灌浆材料的方法：
1）将钢渣、矿渣按质量比送入研磨机研磨、共混，其研磨工艺步骤如下：a将原材料钢渣、矿渣按质量份称取投入研磨机；b启动球磨机旋转，转速40~60r/min；c球磨机内大小不一的研磨体（钢球或鹅卵石）随原材料一起转动并相互挤压、击打原材料颗粒，将原材料逐渐粉碎达到细度指标3000~4000目得到组份即得到组份A；
2）将原材料钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂按质量份称取投入研磨机内，其研磨工艺步骤如下：a将原材料钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂按质量份称取投入研磨机；b启动球磨机旋转，转速40~60r/min；c球磨机内大小不一的研磨体（钢球或鹅卵石）随原材料一起转动并相互挤压、击打原材料颗粒，将原材料逐渐粉碎达到细度指标3000~4000目得到组份B；
3）将原材料钠基水玻璃缓缓加入软化水中，边加入边搅拌均匀，然后倾倒入旋流器中进一步混匀得到组份C；
4）将组份A、组份B、组份C倾倒入旋流器中混合，以180r/min转速旋转常温共混聚合反应大于2小时制得地质聚合物灌浆材料。
所述钢渣、矿渣、钠基水玻璃、硅灰、钙基膨润土、软化水、复合碱性激发剂的质量比为100:40:20:3:20:100:8；
所制得地质聚合物灌浆材料的平均分子量为250~600，粘度小于50~500mPa.s，密度在1.06Kg/m3~1.13 Kg/m3之间；
所述钢渣的制备：①水冷淬法处理：a、将液态钢渣装入底部开泄渣孔的渣罐后送至水淬池；b、打开渣罐泄渣孔，在高温液态钢渣徐徐倾泄而下的同时用高压水泵泵水冲刷、分割、击碎液态钢渣，钢渣与水一同泄入水淬池，钢渣在水淬池中造粒、冷却；c、用抓斗机抓出经冷却的钢渣粒；d、将钢渣粒脱水、裝袋、利用； ②粉化； ③经磁性吸附去除铁金属。
所述矿渣为精矿粉在碱浸出过程中未被碱浸出的固体矿物复合物。
钠基水玻璃的模数为1.1。
所述硅灰的平均粒径在0.1µm～0.3µm之间，其中细度小于1µm的硅灰占80%以上，硅灰的比表面积为:20 m2～28m2/g。
所述钙基膨润土的粘度为15*10-3 Pa·s。
所述软化水中可检出金属阳离子的浓度小于1/10000000。
所述复合性碱激发剂是指10molKOH和2molK2SIO3的混合物。
实施例2
制备地质聚合物灌浆材料的方法：
1）将钢渣、矿渣按质量比送入球磨机研磨、共混，其研磨工艺步骤如下：a将钢渣、矿渣按质量比称取投入球磨机；b启动球磨机旋转，转速50r/min；c球磨机内的钢球随钢渣、矿渣一起转动并相互挤压、击打钢渣、矿渣颗粒，将钢渣、矿渣逐渐粉碎到细度在3000~4000目之间，得到组份A；
2）将钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂按质量比称取投入球磨机内，其研磨工艺步骤如下：a将钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂按质量份称取投入球磨机；b启动球磨机旋转，转速50r/min；c球磨机内的鹅卵石随钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂一起转动并相互挤压、击打钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂颗粒，将钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂逐渐粉碎到细度在3000~4000目之间，得到组份B；
3）将钠基水玻璃缓缓加入软化水中，边加入边搅拌均匀，然后倾倒入旋流器中进一步混匀得到组份C；
4）将组份A、组份B、组份C倾倒入旋流器中混合，以180r/min转速旋转常温共混聚合反应大于2小时制得地质聚合物灌浆材料；
所制得地质聚合物灌浆材料的平均分子量为250~600，粘度小于50~500mPa.s，密度在1.06Kg/m3~1.13 Kg/m3之间。
所述钢渣、矿渣、钠基水玻璃、硅灰、钙基膨润土、软化水、复合碱性激发剂的质量比为50:20:15:1.5:15:100:7；
所制得地质聚合物灌浆材料的平均分子量为250~600，粘度小于50~500mPa.s，密度在1.06Kg/m3~1.13 Kg/m3之间；
所述钢渣的制备：①水冷淬法处理：a、将液态钢渣装入底部开泄渣孔的渣罐后送至水淬池；b、打开渣罐泄渣孔，在高温液态钢渣徐徐倾泄而下的同时用高压水泵泵水冲刷、分割、击碎液态钢渣，钢渣与水一同泄入水淬池，钢渣在水淬池中造粒、冷却；c、用抓斗机抓出经冷却的钢渣粒；d、将钢渣粒脱水、裝袋、利用； ②粉化；③经磁性吸附去除铁金属。
所述矿渣为精矿粉在碱浸出过程中未被碱浸出的固体矿物复合物。
钠基水玻璃的模数区间为1.0。
所述硅灰的平均粒径在0.1µm～0.3µm之间，其中细度小于1µm的硅灰占80%以上，硅灰的比表面积为:20 m2～28m2/g。
所述钙基膨润土的粘度为15*10-3 Pa·s。
所述软化水中可检出金属阳离子的浓度小于1/10000000。
所述复合性碱激发剂是指10molKOH和2molK2SIO3的混合物。

Claims (10)

1. 一种地质聚合物灌浆材料，其特征在于制备地质聚合物灌浆材料的原材料包括钢渣、矿渣、钠基水玻璃、硅灰、钙基膨润土、软化水、复合碱性激发剂；其中，钢渣：矿渣：钠基水玻璃：硅灰：钙基膨润土：软化水：复合碱性激发剂的质量比=（50~100）：（20~45）：（10~20）：（1~3）：（15~20）： 100：（6~8）。
2.根据权利要求1所述的一种地质聚合物灌浆材料，其特征在于所述钢渣由以下步骤制备：
①水冷淬法处理：a、将液态钢渣装入底部开泄渣孔的渣罐后送至水淬池；b、打开渣罐泄渣孔，在高温液态钢渣徐徐倾泄而下的同时用高压水泵泵水冲刷、分割、击碎液态钢渣，钢渣与水一同泄入水淬池，钢渣在水淬池中造粒、冷却；c、用抓斗机抓出经冷却的钢渣粒；d、将钢渣粒脱水、裝袋、利用；
②粉化；
③经磁性吸附去除铁金属。
3.根据权利要求1所述的一种地质聚合物灌浆材料，其特征在于所述矿渣为精矿粉在碱浸出过程中未被碱浸出的固体矿物复合物。
4.根据权利要求1所述的一种地质聚合物灌浆材料，其特征在于所述钠基水玻璃的模数区间为1.0~1.2。
5. 根据权利要求1所述的一种地质聚合物灌浆材料，其特征在于所述硅灰的平均粒径在0.1µm～0.3µm之间，其中粒径小于1µm的硅灰占80%以上，硅灰的比表面积为:20 m2～28m2/g。
6. 根据权利要求1所述的一种地质聚合物灌浆材料，其特征在于所述钙基膨润土的粘度为15*10-3 Pa·s。
7.根据权利要求1所述的一种地质聚合物灌浆材料，其特征在于所述软化水中可检出金属阳离子的浓度小于1/10000000。
8. 根据权利要求1所述的一种地质聚合物灌浆材料，其特征在于所述复合性碱激发剂是KOH和KSIO3的混合物；其中，KOH和KSIO3的物质的量之比为5:1。
9.制备如权利要求1所述地质聚合物灌浆材料的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1）将钢渣、矿渣按一定质量比送入球磨机研磨： a'、将钢渣、矿渣按一定质量比称取后投入球磨机；b'、启动球磨机旋转，转速40~60r/min；c'、球磨机内仓的研磨体随钢渣、矿渣一起转动并相互挤压、击打钢渣、矿渣颗粒，将钢渣、矿渣逐渐粉碎混匀得到细度在3000~4000目的微粉混合物，即组份A；
2）将钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂按一定质量比称取投入球磨机研磨：a''、将钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂一定质量比称取投入球磨机；b''、启动球磨机旋转；c''、球磨机内的研磨体随钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂一起转动并相互挤压、击打钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂颗粒，将钙基膨润土、硅灰、复合碱性激发剂粉碎混匀得到细度在3000~4000目的微粉混合物，即组份B；
3）将钠基水玻璃缓缓加入软化水中，边加入边搅拌均匀，然后倾倒入旋流器中进一步混匀即得到组份C；
4）将组份A、组份B、组份C倾倒入旋流器中混合，以180r/min转速旋转常温共混聚合反应大于2小时制得地质聚合物灌浆材料；
所制得地质聚合物灌浆材料的平均分子量为250~600，粘度小于50~500mPa.s，密度在1.06Kg/m3~1.13 Kg/m3之间。
10.利用如权利要求1所述地质聚合物灌浆材料进行静压注浆的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）道路基层病害情况调查；
（2）道路现实承载力评估；
（3）N10轻型触探器坑槽触探；
（4）地质雷达仪道路空鼓普查；
（5）道路现状弯沉值检查；
（6）道路现状综合评价；
（7）现场测量布孔，孔位呈“之”字形或“梅花形”，并在路面做出显著标示；
（8）钻孔：所述钻孔总深度为路面厚度+路床厚度+10cm；
（9）注浆：所述注浆的压力值0.3~0.5兆帕；
（10）检查注浆效果：地质聚合物注入地下后，可看见相邻孔冒泥水，随后泥水渐转为冒聚合物与泥水混合物，继而冒纯地质聚合物，此时，该孔位注浆完成，即可封堵该孔；
（11）封闭注浆孔；
（12）道路现状弯沉值复查，完成静压注浆。
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