CN106866076B - 一种严酷环境用盾构注浆材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种严酷环境用盾构注浆材料，属于建筑材料技术领域，其由砂41‑50％，普通硅酸盐水泥20‑25％，粉煤灰9‑18％，硅微粉2‑4％，功能型烧成超细粉体材料5‑13％，抗水分散剂0.5‑1.8％，复合型膨胀剂1.5‑3％，防腐阻锈剂1.8‑3％，高性能减水剂0.4‑0.7％组成，所述百分数为重量百分数。本发明一种严酷环境用盾构注浆材料具有流动性好、强度高、泌水率低、抗水分散性能优、固结收缩率低、抗渗性能好、耐腐蚀等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种严酷环境用盾构注浆材料，特别涉及一种用于盐渍土环境用盾构注浆材料，属于建筑材料技术领域。
背景技术
盾构注浆材料是用于地铁盾构施工中洞体与管片圆环间建筑空隙填充的一种填充注浆材料，具有预防地表沉降、稳固管片、防止管片偏移的作用。注浆材料的基本功能是填充空隙、稳固管片，以防止地表沉降和管片偏移。传统注浆材料只考虑其流动性、泌水率、凝结时间、固结收缩率和强度，对注浆材料的抗渗性性能、耐腐蚀性能和抗水分散性能鲜有关注。我国地质环境复杂多样，滨海及西北大部分地区为典型的盐渍土区域，其浅层土壤及地表水中富含氯离子、硫酸根离子等对水泥基复合材料和钢筋具有严重侵蚀作用的介质。由于传统注浆材料未考虑注浆材料的抗渗性和耐腐蚀性能，盐渍土环境下各类侵蚀介质可轻易穿透传统注浆材料，从而直接对钢筋混凝土结构照成侵害。
因此，开发盐渍土环境下具有良好抗腐蚀、耐腐蚀性能的新型注浆材料势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种严酷环境用盾构注浆材料，在保证盾构注浆材料流动性好的基础上，提高盾构注浆材料的固结收缩率，降低泌水率，提高注浆材料的抗腐蚀、耐腐蚀性能和抗水分散性能，解决盐渍土环境以及涌水、涌砂环境下传统注浆材料常见的施工性能、填充性能及抗腐蚀、耐腐蚀性能问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种严酷环境用盾构注浆材料，其由砂41-50％，普通硅酸盐水泥20-25％，粉煤灰9-18％，硅微粉2-4％，功能型烧成超细粉体材料5-13％，抗水分散剂0.5-1.8％，复合型膨胀剂1.5-3％，防腐阻锈剂1.8-3％，高性能减水剂0.4-0.7％组成，所述百分数为重量百分数。
所述“砂”可分为河砂、海砂或山砂。砂的粗细按细度模数分为粗、中、细三种规格。本发明严酷环境用盾构注浆材料用砂以细砂为宜，砂的细度模数不宜大于2.2，含泥量不宜大于3.0。
所述“普通硅酸盐水泥”为P.O42.5普通硅酸盐水泥或P.O52.5普通硅酸盐水泥，是严酷环境用盾构注浆材料早期强度的主要来源，优选42.5普通硅酸盐水泥。
所述“粉煤灰”是从火电厂燃煤燃烧后的烟气中收集而成的二级粉煤灰，其固有的“滚珠效应”可用于改善盾构注浆材料和易性，其“火山灰效应”可降低注浆材料水化热，改善界面过渡区形貌，提高后期强度。
所述“硅微粉”是铁合金在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时，矿热电炉内产生出大量挥发性很强的SiO2和Si气体经空气迅速氧化冷凝沉淀而成的工业副产物硅灰，“硅微粉”是纳米级的超细颗粒，可增加注浆材料粉体颗粒的比表面积，吸附富裕的自由水，从而降低盾构注浆材料泌水率，其超细颗粒的填充作用可降低注浆材料浆体孔隙率，提高注浆材料抗渗性。
所述“功能型烧成超细粉体材料”选自通过自然烧成工艺烧制而成的粉煤灰、沸石粉与高岭土按比例(6/2/2)复合而成的功能型超细粉体材料，超细粉体材料的微填充作用和水化作用堵塞浆体内有害大孔或在大孔内形成凝胶体，从而细化注浆材料浆体孔结构，表面粗糙、多孔的超细粉体可固化、吸附氯离子、硫酸根离子等侵蚀性环境介质。
所述“抗水分散剂”是选自聚氨酯类抗水分散剂、羟甲基丙烯酰胺类抗水分散剂或聚羧酸铵盐类抗水分散剂，抗水分散剂遇水后通过络合作用或与氢键的缔合作用等使水溶液中水泥、砂等颗粒处于良好的分散、絮凝状态，当水中絮凝颗粒达到一定浓度时，水分子的迁移速度下降，水相黏度相应的提高，从而降低了涌水环境中水泥等胶凝材料的流失。
所述“复合膨胀剂中氧化钙、硫铝酸钙与硫铝酸镁类膨胀剂”在盾构注浆材料中分别提供早期、中期和后期的膨胀，通过与注浆材料中的水泥、水发生水化反应来产生体积变大的产物，从而引起盾构注浆材料浆体的体积膨胀，以抵消水泥自身水化时发生的化学收缩以及自由水散失产生干缩，从而使盾构注浆材料填充更充分、固结收缩率更高。
所述“塑性膨胀剂”是一种新型膨胀剂，在盾构注浆材料塑性阶段产生膨胀，膨胀原理包括与水泥水化产物反应均匀释放气体、与水反应产生膨胀等，盾构注浆材料由于没有粗骨料，其在塑性阶段的收缩很大，盾构注浆材料浆体与水混合后很短的时间内就产生收缩，为避免这种现象，本发明加入塑性膨胀剂。
所述“防腐阻锈剂”是一种有机无机复合材料，其阻锈组分对金属构件有钝化作用，可有效地抑制引起钢筋锈蚀的电化学反应，阻止氯离子穿透，降低铁离子的游离速度，缓解钢筋混凝土中有害离子对钢筋的腐蚀，达到防腐阻锈的目的，从而延长盾构注浆材料周围钢筋网、金属锚固件等金属构件的使用寿命。其防腐组分与水泥中的Ca(OH)2发生化学反应生成稳定的水化产物，并填充到C-S-H凝胶形成骨架的空隙中，使注浆材料更加密实，减少裂缝，从而达到很好的防腐阻锈效果。
所述“高性能减水剂”是一种聚羧酸系高性能减水剂，具有减水率高、分散性好、保塑时间长的特点，可显著改善盾构注浆材料的流动性、流动性经时保持性能和施工性能。
在本发明的某些具体实施方案中，本发明所述砂选自河砂、海砂或山砂；优选河砂；更优选河砂中的细砂；其含量优选为41-50％。
在本发明的某些具体实施方案中，本发明所述普通硅酸盐水泥选自P.O42.5普通硅酸盐水泥或P.O52.5普通硅酸盐水泥，优选P.O42.5普通硅酸盐水泥；其含量优选为20-25％。
在本发明的某些具体实施方案中，本发明所述粉煤灰选自符合标准要求的I级或II级粉煤灰；优选I级粉煤灰；其含量优选为9-18％。
在本发明的某些具体实施方案中，本发明所述硅微粉选择符合标准要求硅灰；优选SiO2含量不小于90％的硅灰；其含量优选为2-4％。
在本发明的某些具体实施方案中，本发明所述功能型烧成超细粉体材料选自通过自然烧成工艺烧制而成的粉煤灰、沸石粉、高岭土按比例复合而成；其含量优选为5-13％。
在本发明的某些具体实施方案中，本发明所述抗水分散剂选自聚氨酯类抗水分散剂、羟甲基丙烯酰胺类抗水分散剂或聚羧酸铵盐类抗水分散剂，优选聚羧酸铵盐类抗水分散剂；其含量优选为0.5-1.8％。
在本发明的某些具体实施方案中，本发明所述复合型膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂、塑性膨胀剂与氧化钙及硫铝酸镁复合膨胀剂或塑性膨胀剂与氧化钙及硫铝酸钙复合膨胀剂；优选塑性膨胀剂与氧化钙及硫铝酸钙复合膨胀剂；其含量优选为1.5-3％。
在本发明的某些具体实施方案中，本发明所述防腐阻锈剂为亚硝酸盐、硼酸盐类无机防腐阻锈剂或复合氨基醇类与亚硝酸盐无机防腐阻锈剂组成的复合防腐阻锈剂；优选复合氨基醇类与亚硝酸盐无机防腐阻锈剂组成的复合防腐阻锈剂；其含量优选为1.8-3％。
在本发明的某些具体实施方案中，本发明所述高性能减水剂应符合相应国家及行业标准要求；优选聚羧酸系高性能减水剂；其含量优选为0.4-0.7％。
有益效果：
本发明的新型严酷环境用盾构注浆材料是专门针对盐渍土环境开发出的一类新型盾构注浆材料，通过选用具有浆体孔结构细化作用和离子固化作用的功能性烧成超细粉体材料，具有良好絮凝作用的抗水分散剂，具有良好早期和后期膨胀性能的复合型膨胀剂，以及具有防腐阻锈功能的防腐阻锈剂，并优选减水率高、保塑性好的高性能减水剂，改善传统注浆材料的流动性、固结收缩率、泌水率，同时使注浆材料拥有良好的抗水分散性、抗腐蚀及耐腐蚀性能。严酷环境用盾构注浆材料可为钢筋混凝土管片提供一层良好的防护层，大大提高盐渍土环境下盾构管片的耐久性，且新型注浆材料泌水率更低，固结收缩率更高，减少了传统注浆材料固结收缩率低引起的渗漏、地陷等问题，也避免了因同步注浆固结收缩率低、壁后空隙填充不良而产生的二次注浆施工。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步描述。本发明可以根据盾构注浆区域地质、水文环境及盾构注浆施工时间适当调整配方，按照以下实施例所述的方法进行操作，配制出满足性能要求的严酷环境用盾构注浆材料。
主要原料及设备
河砂：山东泰安大汶口产河砂
42.5普通硅酸盐水泥：北京金隅水泥厂
粉煤灰：天津大港发电厂
硅微粉：中国建筑科学研究院
功能型烧成超细粉体材料：中国建筑科学研究院
抗水分散剂：中国建筑科学研究院
复合型膨胀剂：建研昆仑科技有限公司
防腐阻锈剂：中国建筑科学研究院
高性能减水剂：中国建筑科学研究院
砂浆搅拌机：北京天宇祥瑞商贸中心
胶砂试验机：北京天宇祥瑞商贸中心
1000ml量筒：北京天宇祥瑞商贸中心
砂浆抗渗试验机：中国建筑科学研究院
混凝土电通量多功能测试定仪：中国建筑科学研究院
测试方法
按照《水泥胶砂强度检测方法(ISO法)》(GB/T 17671)测试盾构注浆材料的强度，参照《预应力孔道灌浆剂》(GB/T 25182-2010)测试盾构注浆材料的泌水率,参照《预应力孔道灌浆剂》(GB/T 25182-2010)中膨胀率试验方法测试盾构注浆材料的固结收缩率，参照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T70-2009)测试盾构注浆材料的抗渗压力和稠度，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)测试盾构注浆材料的电通量，参照《水下不分散混凝土试验规程》(DL/T5117-2000)测试盾构注浆材料的抗水分散性能指标水陆强度比。
空白例
将1200g的河砂、400g的P.O42.5普通硅酸盐水泥，600g二级粉煤灰投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使物料均匀混合，然后加入800g的水再进行搅拌120秒，制得成品料L空白。
实施例1
将1235g的河砂、600g的P.O42.5普通硅酸盐水泥，547g二级粉煤灰，67g硅灰(中国建筑科学研究院销售的CABR-SF101)，383g功能型烧成超细粉体材料(中国建筑科学研究院销售的CABR-SP206)，16g抗水分散剂(中国建筑科学研究院销售的聚氨酯类抗水分散剂CABR-RA106)，88g复合膨胀剂(建研昆仑科技有限公司销售的塑性膨胀剂与氧化钙及硫铝酸镁复合膨胀剂KL-E105)，53g防腐阻锈剂(中国建筑科学研究院销售的亚硝酸盐CABR-AP02)，11g高性能减水剂(中国建筑科学研究院销售的CABR-J1)，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使物料均匀混合。然后加入877g的水再进行搅拌120秒，制得成品料L1。
实施例2
将1500g的河砂、750g的P.O42.5普通硅酸盐水泥，270g二级粉煤灰，120g硅灰(中国建筑科学研究院销售的CABR-SF101)，150g功能型烧成超细粉体材料(中国建筑科学研究院销售的CABR-SP206)，54g抗水分散剂(中国建筑科学研究院销售的聚氨酯类抗水分散剂CABR-RA106)，45g复合膨胀剂(建研昆仑科技有限公司销售的塑性膨胀剂与氧化钙及硫铝酸镁复合膨胀剂KL-E105)，90g防腐阻锈剂(中国建筑科学研究院销售的硼酸盐类无机防腐阻锈剂CABR-AP07)，21g高性能减水剂(中国建筑科学研究院销售的CABR-J1)，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使物料均匀混合。然后加入750g的水再进行搅拌120秒，制得成品料L2。
实施例3
将1235g的河砂、705g的P.O42.5普通硅酸盐水泥，300g二级粉煤灰，125g硅灰(中国建筑科学研究院销售的CABR-SF101)，370g功能型烧成超细粉体材料(中国建筑科学研究院销售的CABR-SP206)，55g抗水分散剂(中国建筑科学研究院销售的羟甲基丙烯酰胺类抗水分散剂CABR-RA201)，88g复合膨胀剂(建研昆仑科技有限公司销售的氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂KL-E203)，105g防腐阻锈剂(中国建筑科学研究院销售的亚硝酸盐有机无机复合防腐阻锈剂的CABR-AP09)，18g高性能减水剂(中国建筑科学研究院销售的CABR-J1)，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使物料均匀混合。然后加入780g的水再进行搅拌120秒，制得成品料L3。
实施例4
将1235g的河砂、705g的P.O42.5普通硅酸盐水泥，300g二级粉煤灰，125g硅灰(中国建筑科学研究院销售的CABR-SF101)，370g功能型烧成超细粉体材料(中国建筑科学研究院销售的CABR-SP206)，55g抗水分散剂(中国建筑科学研究院销售的羟甲基丙烯酰胺类抗水分散剂CABR-RA201)，88g复合膨胀剂(建研昆仑科技有限公司销售的塑性膨胀剂与氧化钙及硫铝酸钙复合膨胀剂KL-E101)，105g防腐阻锈剂(中国建筑科学研究院销售的亚硝酸盐有机无机复合防腐阻锈剂的CABR-AP09)，23g高性能减水剂(中国建筑科学研究院销售的CABR-J1)，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使物料均匀混合。然后加入780g的水再进行搅拌120秒，制得成品料L4。
实施例5
将1235g的河砂、705g的P.O42.5普通硅酸盐水泥，300g二级粉煤灰，125g硅灰(中国建筑科学研究院销售的CABR-SF101)，370g功能型烧成超细粉体材料(中国建筑科学研究院销售的CABR-SP206)，55g抗水分散剂(中国建筑科学研究院销售的羟甲基丙烯酰胺类抗水分散剂CABR-RA201)，88g复合膨胀剂(建研昆仑科技有限公司销售的塑性膨胀剂与氧化钙及硫铝酸钙复合膨胀剂KL-E101)，105g防腐阻锈剂(中国建筑科学研究院销售的亚硝酸盐有机无机复合防腐阻锈剂的CABR-AP09)，20g高性能减水剂(中国建筑科学研究院销售的CABR-J1)，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使物料均匀混合。然后加入780g的水再进行搅拌120秒，制得成品料L5。
实施例6
将1235g的河砂、705g的P.O42.5普通硅酸盐水泥，300g二级粉煤灰，125g硅灰(中国建筑科学研究院销售的CABR-SF101)，370g功能型烧成超细粉体材料(中国建筑科学研究院销售的CABR-SP206)，55g抗水分散剂(中国建筑科学研究院销售的聚羧酸铵盐类抗水分散CABR-RA102)，88g复合膨胀剂(建研昆仑科技有限公司销售的塑性膨胀剂与氧化钙及硫铝酸钙复合膨胀剂KL-E101)，105g防腐阻锈剂(中国建筑科学研究院销售的亚硝酸盐有机无机复合防腐阻锈剂的CABR-AP09)，20g高性能减水剂(中国建筑科学研究院销售的CABR-J1)，投入砂浆搅拌机搅拌120秒，使物料均匀混合。然后加入780g的水再进行搅拌120秒，制得成品料L6。
通过测试成型后注浆材料浆体试块稠度、28天抗压强度、泌水率、固结收缩率、抗渗压力、电通量和水陆强度比对L1-L6的浆体工作性、和易性、填充性、抗腐蚀性能和抗水分散性能进行表征，如表1所示：
表1成品料L空白和L1-L6的实验数据
本发明与工程现场普遍使用的盾构注浆材料相比，通过选用具有浆体孔结构细化作用和离子固化作用的功能性烧成超细粉体材料提高注浆材料密实度、强度和抗侵蚀性能；通过优选具有良好絮凝作用的抗水分散剂，解决涌水、涌砂环境下注浆材料的抗冲刷、凝结性能；通过优选具有良好早期和后期膨胀性能的复合型膨胀剂，提高盾构注浆材料填充性能；通过优选具有防腐阻锈功能的复合防腐阻锈剂提高定注浆材料的防腐蚀性能；通过优选减水率高、保塑性好的高性能减水剂改善注浆材料的和易性和流动性。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实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精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种严酷环境用盾构注浆材料，其特征在于：由砂41-50％，普通硅酸盐水泥20-25％，粉煤灰9-18％，硅微粉2-4％，功能型烧成超细粉体材料5-13％，抗水分散剂0.5-1.8％，复合型膨胀剂1.5-3％，防腐阻锈剂1.8-3％，高性能减水剂0.4-0.7％组成，所述百分数为重量百分数；
所述功能型烧成超细粉体材料选自通过自然烧成工艺烧制而成的粉煤灰、沸石粉、高岭土复合而成，其复合比例为6/2/2；
所述复合型膨胀剂选自氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂、塑性膨胀剂与氧化钙及硫铝酸镁复合膨胀剂或塑性膨胀剂与氧化钙及硫铝酸钙复合膨胀剂。
2.如权利要求1所述的严酷环境用盾构注浆材料，其特征在于：所述砂选自河砂、海砂或山砂；其细度模数小于等于2.2，含泥量小于等于3.0。
3.如权利要求1所述的严酷环境用盾构注浆材料，其特征在于：所述普通硅酸盐水泥选自42.5普通硅酸盐水泥或52.5普通硅酸盐水泥。
4.如权利要求1所述的严酷环境用盾构注浆材料，其特征在于：所述粉煤灰选自从火电厂燃煤燃烧后的烟气中收集而成的二级粉煤灰或一级粉煤灰。
5.如权利要求1所述的严酷环境用盾构注浆材料，其特征在于：所述硅微粉为SiO2含量不小于90％的硅灰。
6.如权利要求1所述的严酷环境用盾构注浆材料，其特征在于：所述抗水分散剂选自聚氨酯类抗水分散剂、羟甲基丙烯酰胺类抗水分散剂或聚羧酸铵盐类抗水分散剂。
7.如权利要求1所述的严酷环境用盾构注浆材料，其特征在于：所述防腐阻锈剂选自亚硝酸盐、硼酸盐类无机防腐阻锈剂或复合氨基醇类有机阻锈剂与亚硝酸盐类无机防腐阻锈剂组成的复合防腐阻锈剂。
8.如权利要求1所述的严酷环境用盾构注浆材料，其特征在于：所述高性能减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
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