CN107555865B - 一种抗水流冲蚀的防渗加固膏浆 - Google Patents

Abstract

一种抗水流冲蚀的防渗加固膏浆，包括粘土粉、水泥和水，所述防渗加固膏浆还包括增稠剂、增重剂与增粘剂，所述增稠剂为吸水树脂，所述增重剂为重晶石粉、铁矿粉中的至少一种与钢砂的混合物，所述增粘剂为植物胶。本发明中的膏浆初始稠度低、比重大且不离析分层、粘度高、抗动水冲蚀性能好，制浆简便，成本较低，易于操作，具有广阔的市场前景。

Description

一种抗水流冲蚀的防渗加固膏浆

技术领域

本发明属于岩土工程基础处理灌浆领域，尤其涉及一种抗较大水流冲蚀的膏状封堵注浆材料。

背景技术

在砂卵石、碎块石、岩溶洞穴堆积块碎石、断层破碎带等第四系强透水地层的防渗、堵漏中，采用常规灌浆材料处理这类地层时，因水头压力高、地下水流速快、渗流量大、浆液不抗水流冲蚀，往往会导致灌浆材料不断流失、浪费、施工成本高、甚至封堵效果不好，如何经济、有效地对强透水地层进行防渗加固处理是岩土工程地基处理的技术难题之一。

目前多采用速凝水泥膏浆、水泥水玻璃双液灌浆、灌注膏浆、灌注砂浆等方法进行堵漏、防渗。速凝水泥膏浆和水泥水玻璃浆液的初凝时间短，早期强度高，同时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，从而形成较好的堵体，保证灌浆效果。但存在以下缺点：造价较高，制浆过程复杂，浆液的凝结时间对温度、掺入量、搅拌程度等因素比较敏感，易导致浆液在制浆桶内过早凝固，甚至闪凝；同时其形成的凝胶体早期强度过高，易造成在连续灌浆时固管、埋管，施工难度大，不利于大面积、大漏量的灌浆施工。

在专利CN96117823.X中，采用成本较低的粘土水泥浆进行灌浆，加以水玻璃控制凝胶速度，但常因浆液中含有大量的水和粘土，不利于浆材的固化，在进行大规模的堵漏、防渗工程时，易因浆液结石体早期强度过低，而被水冲蚀、破坏。在专利201210113973.7中，采用矿物类添加剂、硫酸盐和膨润土作为改性剂，有一定的效果，但在实际施工过程中发现，改性剂价格较贵，所形成的粘土水泥防渗膏浆在较大流速的动水中抗冲蚀性不好，结石体后期强度下降，同时，为提高材料的抗冲蚀性，降低材料的流动度，增加浆液稠度，改性剂添加量较多，导致成本较高且浆液凝胶时间较短，易埋管、固管，其应用受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种初始稠度低、比重大且不离析分层、粘度高、抗动水冲蚀性能好的抗水流冲蚀防渗加固膏浆。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种抗水流冲蚀的防渗加固膏浆，包括粘土粉、水泥和水，所述防渗加固膏浆还包括增稠剂、增重剂与增粘剂，所述增稠剂为吸水树脂，所述增重剂为重晶石粉、铁矿粉中的至少一种与钢砂的混合物，所述增粘剂为植物胶。

上述防渗加固膏浆中，优选的，所述吸水树脂的粒径为1～5mm，其加入量为水量的0.5～1％。吸水树脂通过吸水溶胀起增稠浆液并渗入裂隙起填充的作用，浆液的稠度可通过改变加入量进行调节。

上述防渗加固膏浆中，优选的，所述重晶石粉的颗粒粒径为0.2～1mm，比重为3.9～4.2，所述重晶石的颗粒粒径为0.1～2mm，比重为4.9～5.3，所述钢砂的颗粒粒径为0.6～5mm，比重为7.2～7.5。上述重晶石单掺可配浆液最大比重为2.2，重晶石单掺可配浆液最大比重为4.0，钢砂单掺可配浆液最大比重为5.0。

上述防渗加固膏浆中，优选的，所述增重剂与水泥的质量比为1.5:1～3.5:1，其中重晶石与铁矿粉的总质量与钢砂的质量比为1:1～3:1。增大增重剂的掺入量可提高浆液的比重，但实验表明当增重剂的添加量为水泥量的3.5倍时，即达到增重的限值，再加入增重剂没有实质性的效果。

上述防渗加固膏浆中，优选的，所述植物胶的掺杂量为水泥量的0.1～0.3％。在加入水泥量0.1％的增粘剂后，浆液的整体粘度增大；但超过水泥量的0.5％时，高浓度的增粘剂易使水泥颗粒之间桥接，形成刚性网络结构，不利于浆液的灌注，在实际施工过程中一般不超过水泥量的0.3％。

上述防渗加固膏浆中，优选的，所述植物胶为黄原胶与魔芋精粉按质量比2:1～2.5:1组成的混合胶。黄原胶由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、丙酮酸等组成，魔芋精粉由D-葡萄糖、D-甘露糖组成，他们化学组成相似，但黄原胶分子以双螺旋结构存在，魔芋精粉分子链平滑，其无支链一端可与黄原胶分子双螺旋结构以次级键形式结合形成三维网状结构，产生协同作用，增粘效果明显。此外，黄原胶上的活性基团还能与水泥水化生成的阳离子如Ca²⁺发生相互作用，促进水泥的水化过程。另外，采用黄原胶与魔芋精粉混合胶还有提高浆液早期强度的效果。考虑到成本及黄原胶与魔芋精粉之间结合的比例关系，选定黄原胶与魔芋精粉的质量比2:1～2.5:1。

上述防渗加固膏浆中，优选的，所述粘土粉与水泥的质量比为0.2:1～1.0:1。粘土具有高比表面积及较好的保水性，起抗水流分散及提高浆液可灌性的作用，但粘土添加量较高会影响浆液的抗压强度与比重，因此其添加量为水泥量的0.2:1～1.0:1时效果较佳。

上述防渗加固膏浆中，优选的，所述粘土粉、水泥、增重剂的总质量与水的质量比为1:0.3～1:0.6。

上述防渗加固膏浆中，优选的，所述防渗加固膏浆的比重为2.0～4.0，流动度为7～10cm，2h、28d无侧限抗压强度分别为0.2～1MPa与1～10MPa。

上述防渗加固膏浆主要基于以下原理：1、加入重晶石粉、铁矿粉和钢砂，可以大幅度提高防渗加固膏浆的比重，其比重在2.0以上，一般为2.5～3.5，最高可达4.0，较常规膏浆高出0.5～2.5。增加浆液的比重，可利用重力增加浆液抵抗水流的冲刷能力，大幅度减少了浆液被水流冲走的量，提高了沉积封堵裂隙的能力。2、重晶石粉、铁矿粉和钢砂可与水泥、粘土形成均匀的堆积体。钢砂可以有效提高浆液的比重，其粒径与比重均较大，但单掺容易搅拌不均沉积，在较大的灌浆压力下，小而轻的颗粒容易优先冲走，大而重的颗粒逐渐留在管道内从而堵管，若再添加重晶石或铁矿粉中的一种或两种进行搅拌，容易搅拌均匀，混合体具有较好的颗粒级配，且充填的颗粒间比重相差不大，在拌和及泵送过程中不易离析、分层，有效解决了单掺高比重浆液出现的堵管现象。3、采用增粘剂可以增加浆液的抗水分散能力，增粘剂中的亲水基团吸附浆液中的自由水，溶胀使其表观体积增大，浆液的粘度随之增加，浆液的抗剪切能力也随之增大，增粘剂还会吸附在水泥颗粒表面，导致颗粒直径增加及颗粒移动阻力增加，表现出增粘效果。增粘剂中的植物胶可以促使浆液迅速形成网状交联体，有效保证各种浆液形成一个整体，提高浆液的粘度。4、粘土粒子粒径小、具有高的比表面积，表现出较高的保水性能，通过提高浆液的粘聚性及保水性能，增加了胶凝材料与集料之间的相互摩擦作用，使得浆液具有较大的剪切屈服强度，可显著抵抗在较大动水流速、较大流量下的冲释。5、吸水树脂是一种带有大量亲水基团的高分子材料，主链为碳链，支链为带有-COO^-、-OH、-NH₂等基团的高分子化合物，初始粒径为1～2mm，遇水后逐渐膨胀，20～40分钟反应基本完成，体积约膨胀至1cm³。采用吸水树脂可以制得初始稠度低且稠度可随时间变化的膏浆，增加了浆液的可灌性，降低灌浆过程中堵管的概率。加入吸水树脂后，低稠度的浆液可在20分钟后迅速变稠，既满足可灌性，减少了堵管的概率，又能达到灌注稠浆的目的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明中加入重晶石粉、铁矿粉、钢砂作为增重剂可以显著提高膏浆的比重，其比重最高可达到4.0以上，大幅度减少了浆液被水流冲走的量，提高了膏浆的抗冲及充填封堵效果。

2、本发明中采用粘土及增粘剂，浆液的粘度大大增加，浆液的保水性及抗水分散能力得到显著提高，在较大动水流、较大水压差条件下浆液的抗水流冲蚀性能增强，浆液的扩散半径得到了有效控制，可避免浆液的大量浪费，灌浆堵漏效果优异。

3、本发明中加入重晶石粉、铁矿粉、钢砂后与水泥、粘土可以形成均匀的堆积体，不会因为部分材料比重过大，而出现离析、分层，可以有效地解决单掺杂高比重材料出现的堵管现象。

4、本发明中采用吸水树脂，可以制得初始稠度低，稠度随时间增加的浆材，进一步降低灌浆中堵管的概率，提高浆液的可灌性。

5、本发明选用的增重剂、增粘剂、吸水树脂均无毒、无刺激性气味，浆液环保，在施工中，只需加入增重剂与少量增粘剂，配合少量增稠剂即可制备稠度可调、抗水冲蚀性能好的浆材，不仅适应地层需要还满足灌注条件，制浆简便，成本较低，易于操作。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种抗水流冲蚀的防渗加固膏浆，包括粘土粉、水泥、增稠剂、增重剂、增粘剂和水。其中，粘土粉的加入量与水泥的质量比为0.5:1。增稠剂为吸水树脂，吸水树脂的加入量与水的质量比为0.005:1。增重剂为重晶石粉、铁矿粉与钢砂按质量比1:1:2混合而成，增重剂的加入量与水泥的质量比为3.5:1。增粘剂为植物胶，其中，植物胶为黄原胶与魔芋精粉按质量比2.3:1混合而成，增粘剂的加入量与水泥的质量比为0.002：1。水的加入量与水泥、粘土、增重剂的总质量比为0.4:1。

对比例1：

一种防渗加固膏浆，包括粘土粉、水泥、水和增稠剂，其中，粘土的加入量与水泥的质量比为0.5:1，水的加入量与水泥、粘土的总质量比为0.4:1，吸水树脂的加入量与水的质量比为0.005:1。

实施例2：

一种抗水流冲蚀的防渗加固膏浆，包括粘土粉、水泥、增稠剂、增重剂、增粘剂和水。其中，粘土粉的加入量与水泥的质量比为0.5:1。增稠剂为吸水树脂，吸水树脂的加入量与水的质量比为0.005:1。增重剂为重晶石粉、铁矿粉与钢砂按质量比1:1:1混合而成，增重剂的加入量与水泥的质量比为3:1。增粘剂为植物胶，其中，植物胶为黄原胶与魔芋精粉按质量比2.3:1混合而成，增粘剂的加入量与水泥的质量比为0.001：1。水的加入量与水泥、粘土、增重剂的总质量比为0.4:1。

对比例2：

一种防渗加固膏浆，包括粘土粉、水泥、增重剂和水，其中，粘土的加入量与水泥的质量比为0.5:1，增重剂为重晶石粉、铁矿粉与钢砂按质量比1:1:1混合而成，增重剂的加入量与水泥的质量比为3：1，水的加入量与水泥、粘土、增重剂的总质量比为0.4:1。

实施例3：

一种抗水流冲蚀的防渗加固膏浆，包括粘土粉、水泥、增稠剂、增重剂、增粘剂和水。其中，粘土粉的加入量与水泥的质量比为1:1。增稠剂为吸水树脂，吸水树脂的加入量与水的质量比为0.01:1。增重剂为重晶石粉、铁矿粉与钢砂按质量比1:1:1混合而成，增重剂的加入量与水泥的质量比为1.5:1。增粘剂为植物胶，其中，植物胶为黄原胶与魔芋精粉按质量比2.3:1混合而成，增粘剂的加入量与水泥的质量比为0.001：1。水的加入量与水泥、粘土、增重剂的总质量比为0.5:1。

对比例3：

一种防渗加固膏浆，包括粘土粉、水泥、增粘剂和水，其中，粘土的加入量与水泥的质量比为0.5:1，增粘剂为植物胶，其中，植物胶为黄原胶与魔芋精粉按质量比2.3:1混合而成，增粘剂的加入量与水泥的质量比为0.002：1。水的加入量与水泥、粘土的总质量比为0.4:1。

实施例1～3制备的抗水流冲蚀浆液适合封堵水头压力高，地下水流速大于0.1m/s，渗流量大于10L/s的水流。

实施例1～3与对比例1～3中得到的防渗加固膏浆的性能如表1所示：

表1：实施例1～3与对比例1～3中得到的防渗加固膏浆的性能

表1中冲蚀时间为搅拌20min，体积0.2m×0.05m×0.4m的膏浆在水流0.8m/s的速度下冲蚀完全的时间。流动度的测定方法参考GB/T2419-2005，胶砂流动度测定方法(本实施例测定时没有采用跳桌法，而是间隔一段时间在玻璃板采用截锥圆模测流动度)。强度的测定方法参考GB/T17671-1999，水泥胶砂强度检验方法。

根据上表实施例1～3及对比例1～3可知，本发明实施例制备的膏浆具有较高的比重、较低的流动度及一定的早期强度，其抗冲蚀能力远远高于纯粘土水泥浆，且28d抗压强度得到了提高，满足防渗、堵漏灌浆要求。本发明中加入的吸水树脂能有效降低浆液的流动度，改变浆液稠度，选用的改性剂能提高浆材的粘度及早期强度，添加不同量的增重剂可以制备比重2.4～4.0的材料。此外，还可以根据不同的地质条件及工程需要，制备不同性能的灌浆材料。

Claims (3)

1.一种抗水流冲蚀的防渗加固膏浆，包括粘土粉、水泥和水，其特征在于，所述防渗加固膏浆还包括增稠剂、增重剂与增粘剂，所述增稠剂为吸水树脂，所述增重剂为重晶石粉、铁矿粉中的至少一种与钢砂的混合物，所述增粘剂为植物胶；

其中，所述植物胶为黄原胶与魔芋精粉按质量比2:1~2.5:1组成的混合胶；

所述重晶石粉的颗粒粒径为0.2~1mm，比重为3.9~4.2，所述铁矿粉的颗粒粒径为0.1~2mm，比重为4.9~5.3，所述钢砂的颗粒粒径为0.6~5mm，比重为7.2~7.5；重晶石与铁矿粉的总质量与钢砂的质量比为1:1~3:1；

所述吸水树脂的加入量为水量的0.5~1%；

所述增重剂与水泥的质量比为1.5:1~3.5:1；

所述植物胶的掺杂量为水泥量的0.1~0.3%；

所述粘土粉与水泥的质量比为0.2:1~1.0:1；

所述粘土粉、水泥、增重剂的总质量与水的质量比为1:0.3~1:0.6。

2.根据权利要求1所述的防渗加固膏浆，其特征在于，所述吸水树脂的粒径为1~5mm。

3.根据权利要求1或2所述的防渗加固膏浆，其特征在于，所述防渗加固膏浆的比重为2.0~4.0，流动度为7~10cm，2h、28d无侧限抗压强度分别为0.2~1MPa与1~10MPa。