CN108218359B - 一种水泥基高性能微膨胀充填注浆料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水泥基填充注浆料，它是由胶凝材料、加重剂、石英砂和复合外加剂组成的多组分材料，各组分的具体组成及质量份数如下：普通硅酸盐水泥：438份～440份，硫铝酸盐水泥：74份～75份，硅灰粉：39份～40份，加重剂：69份～70份，粗石英砂：182份～187份，细石英砂：182份～187份，复合外加剂：4份～7份；所述粗石英砂是30目～50目的石英砂；所述细石英砂是50目～120目的石英砂。本发明水泥基注浆料材料性能优越，各项性能技术指标均高于现行规范标准要求，能满足现场各类注浆工艺施工，且材料质量稳定、适应性好。

Description

一种水泥基高性能微膨胀充填注浆料
技术领域
本发明涉及一种填充注浆料，特别涉及一种水泥基高性能微膨胀充填注浆料，属于土木工程领域。本发明水泥基高性能微膨胀填充注浆适用于隧道二次衬砌孔洞处理，具有高性能微膨胀特性，填充注浆效果好。
背景技术
在隧道施工过程中开挖作业面需要快速进行初步衬砌构建基础结构，以提供原始支撑结构。当隧道开挖到一定程度以后，再进行二次衬砌施工，形成隧道内部标准的支撑结构为隧道成型以后提供可靠而牢固的支撑结构。
由于初步衬砌结构和二次衬砌结构施工时间间隔较长，所以当二次衬砌施工的时候，初步衬砌的结构已经完全固化，因而两者相互之间粘合力相对较差，加之重量因素的干扰，常常会出现二次衬砌和隧道初步衬砌结合不密实的问题。另外，初步衬砌由于施工节奏快，属于过渡结构，其与隧道主体之间也常常存在各种缝隙孔洞缺陷。
对于这些缝隙、孔洞缺陷结构，必须及时进行修复，否则会逐渐成长为严重的结构缺陷，危及隧道安全。现有技术中，铁路隧道整治二次衬砌脱孔回填注浆材料多为水泥净浆，但普通的水泥净浆拌和性能差、易泌水、收缩大，导致注浆效果不佳。市场上在售的多组分注浆材料由于各家生产厂商的配方不同，厂商技术水平差异，导致质量不稳定，常常会出现与二衬混凝土结合性差的问题。市售注浆材料注浆后的效果参差不齐，使用过程中必须经过严格验证后方能使用，且注浆材料价格偏高。
《铁路隧道工程施工技术规程》以及《铁路隧道工程施工技术指南》(TZ204-2008)均规定：回填注浆应采用微膨胀性水泥砂浆，有特殊要求的地段可采用强度高、流动性好的自流平水泥浆。自流平水泥基砂浆3min后的流动度为不小于260mm，30min后的流动度为不小于240mm。现行规范对隧道二衬回填注浆技术要求较少，未考虑注浆材料与二衬混凝土的结合能力，且市场上注浆材料价格颇高，质量不稳定。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中所存在的隧道二衬回填注浆材料应用效果不好，与二衬混凝土结合力不佳且价格颇高的问题，提供一种水泥基填充注浆料。
本发明水泥基填充注浆料具有高性能微膨胀的特点，对于隧道二衬回填注浆使用适应性强，能够对隧道二衬结构上孔洞、缝隙缺陷起到良好的修复作用，防止隧道主体结构缺陷发展扩大，保证隧道结构的安全稳定。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种水泥基填充注浆料，它是由胶凝材料、加重剂、石英砂和复合外加剂组成的多组分材料，各组分的具体组成及质量份数如下：
普通硅酸盐水泥：438份～440份
硫铝酸盐水泥：74份～75份
硅灰粉：39份～40份
加重剂：69份～70份
粗石英砂：182份～187份
细石英砂：182份～187份
复合外加剂：4份～7份。
所述粗石英砂是30目～50目的石英砂。
所述细石英砂是50目～120目的石英砂。
本发明的水泥基填充注浆料中选用普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和硅灰粉作为胶凝材料，形成复合配制的填充注浆料的胶凝材料部分，通过三种胶凝材料的组合应用实现注浆料的结合能力的提升，确保注浆料能够牢固的结合在二衬混凝土孔洞缺陷部位，达到注浆目的。
同时，混合胶凝材料具有微膨胀特性，能够更好的保持衬砌结构的结合牢固度，不会发生填充注浆料失效的问题。水泥基填充注浆料应用了适量的加重剂和石英砂，综合优化填充注浆料的密度，使得注浆料在填充注浆过程中不会发生使得密度适宜，料液悬浊稳定性好，固化后具有适宜的骨架结构，固化后结构稳定可靠，不易失效。特别是其中应用石英砂的比例关系，利用粗细石英砂作为复配料作为注浆料的骨料，级配比例适宜，注浆料流动性、凝固性、填充性都达到最优水平，增强注浆料终凝强度和牢固性。
本发明的填充注浆料属于水泥基高性能微膨胀注浆材料，具有高性能微膨胀特性，注浆材料应用过程中和二衬混凝土结合牢固，具有环保、拌和性能好、强度高、价格便宜等优点。
进一步，所述普通硅酸盐水泥是42.5R普通硅酸盐水泥。优选地，所述普通硅酸盐水泥是P·O 42.5R水泥，例如，可采用市售商品如成都中联水泥有限公司生产的P·O42.5R水泥。
进一步，所述硫铝酸盐水泥是42.5R硫铝酸盐水泥。优选地，所述硫铝酸盐水泥是R·S·AC 42.5R硫铝酸盐水泥。例如，可采用市售如嘉华特种水泥股份有限公司生产的R·S·AC 42.5R水泥。
进一步，所述硅灰粉比表面积≥12000m2/g。硅灰粉又名微硅粉、二氧化硅超细粉，具有高比表面积的硅灰粉具有更好的活性，对于能够更好的起到协同其余胶凝材料实现高效粘合力的作用，优选地，所述硅灰粉比表面积为18000m2/g。例如，可选自市售如四川朗天资源综合利用有限责任公司的产品硅灰粉产品。
进一步，所述加重剂细度：60-325目，密度：4.8-7.0g/cm3。加重剂用于提高注浆材料密度，控制注浆料的压力、坍塌、渗透强度，平衡注浆压力强度。使注浆料与填充孔洞环境更加密切配合，同时作为骨料可以增强注浆料终凝强度。优选地，所述加重剂目数为100-200目。优选地，所述加重剂是磁铁矿加重剂。例如，可选自市售YJ-4固井用加重剂(磁铁矿)。
进一步，所述细石英砂细度80目～120目，石英砂可选自市售如峨眉山市振兴宏业贸易有限公司的产品。精密调配粗细石英砂的细度以及用量配合关系，使得石英砂能够更好的满足注浆施工情况要求。
进一步，所述复合外加剂包括减水剂，所述减水剂是萘系减水剂或聚羧酸减水剂。复合外加剂可选用减水率高、能改善砂浆拌和物性能和对早期强度有利的外加剂。优选地，所述复合外加剂中包括3-7份减水剂。
优选地，所述复合外加剂还可以应用包括引气剂、早强剂、防水剂、膨胀剂等成分中的一种或几种。其中减水剂为必要成分，总量4份～7份的复合外加剂中需包括3-7份减水剂，用以控制水泥基填充注浆料的整体水料比，配料以后的流动性和凝固特性。
进一步，所述水泥基填充注浆料按照0.19水料比拌和以后，表观密度2100-2400kg/m3。
进一步，所述水泥基填充注浆料按照0.19水料比拌和以后，出机流动度380-410mm。
进一步，所述水泥基填充注浆料按照0.19水料比拌和以后，90min流动度保留值≥320mm。
进一步，所述水泥基填充注浆料按照0.19水料比拌和以后，分离度-1.0～1.0％。
进一步，所述水泥基填充注浆料按照0.19水料比拌和以后，塑性膨胀率0.3～2％。
进一步，所述水泥基填充注浆料12h抗压强度≥3.5MPa，1d抗压强度≥18.0MPa，28d抗压强度≥50.0MPa。
进一步，所述水泥基填充注浆料12h抗折强度≥1.0MPa，1d抗折强度≥4.0MPa，28d抗折强度≥10.0MPa。
进一步，所述水泥基填充注浆料抗渗性≥1.5MPa。
进一步，所述水泥基填充注浆料细度，0.63mm方孔筛筛余量≤15％。
进一步，所述水泥基填充注浆料与RPC管结合性合格。RPC管：活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete)浇筑的注浆管，。
本发明为了更好的配制出品质优良的填充注浆料，还提供以下制备方法以确保水泥基填充注浆料品质稳定，使用效果更好地符合预期设计。
一种制备上述水泥基填充注浆料的方法，在10℃～30℃条件下，使用干粉砂浆生产设备将所有材料投入搅拌3-6min，使用双层密封袋包装。
水泥基填充注浆料制备方法简单易实施，加工成本低，控制适宜的自然环境温度下进行物料混合，确保物料在加水使用前保持良好的稳定性。并且，在填充注浆料混合好了以后，将填充注浆料采用双层密封袋包装，避免水泥基填充注浆料在使用前吸潮变质。因为，水泥基填充注浆料本身含有大量的水泥材料，极其容易吸潮变质，而且混合物料多多种成分相互作用以后，更加容易受到环境温湿度的影响，因而采用双层密封袋包装，确保产品的整体品质优良。
最后，本发明还配套提供一种上述水泥基注浆料使用方法，方便技术人员在使用本发明的水泥基注浆料过程中科学合理的配制使用，最大化发挥本发明水泥基注浆料的功效，避免因为操作不当导致的注浆料使用效果不佳。
一种水泥基注浆料使用方法，将水泥基高性能微膨胀注浆材料加水混合后以不低于80r/min速率搅拌，混合均匀。
本发明水泥基高性能微膨胀注浆材料使用方法关注重点在于加水混合后，以较高的搅拌速度进行快速混合，确保胶凝材料充分混合充分，避免胶凝材料局部结块，影响注浆料的品质。所需要的加水量可以根据设计要求进行微调，确保注浆料的粘度适宜施工环境条件要求。
进一步，加水混合过程中，水料比为0.185～0.200。即每一公斤注浆料加入0.185-0.2L水，推荐水料比结合发明人的经验考虑水化溶液需求量以及注浆料在混合以后的流动性、粘度、渗透性和固化速度，确保水泥基注浆料按此比例混合以后具有最佳的固化结合性能。
进一步，水泥基注浆料加水配制好以后，流动度380-410mm。水泥基注浆料配制以后流动度直接决定了注浆料的工作性能，能够充分填充满注浆孔隙。优选地，采用《GB/T8077-2012混凝土外加剂匀质性试验方法》测试流动度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明水泥基注浆料材料性能优越，各项性能技术指标均高于现行规范标准要求，能满足现场各类注浆工艺施工，且材料质量稳定、适应性好。
2、本发明水泥基注浆料成本低，采用市售常规原料进行配制，原料价格便宜，技术性能更全面，且成本低于目前市售微膨胀注浆材料，更有利于得到广泛的运用和推广。
3、本发明水泥基注浆料经过科学实验研究注浆料的流动性好，注浆使用过程中在衬砌孔洞中凝固强度高，具有环保、高性能、价格便宜的优点。
附图说明：
图1是干粉砂浆拌和设备。
图2是制备得到的水泥基注浆料表观性状。
图3是水泥基填充注浆料出机流动度测试图。
图4是水泥基填充注浆料塑性膨胀率测试图。
图5是混凝土和注浆料结合的试块，结合界面紧密牢固。
图6是砂浆料压注到RPC管中成型以后结合界面，其品质形状优良。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
<实施例1>
水泥基填充注浆料，由以下质量份数胶凝材料、加重剂、石英砂和复合外加剂组成：P·O42.5R普通硅酸盐水泥440份、R·S·AC 42.5R硫铝酸盐水泥74份、硅灰粉(比表面积18000m2/g)40份、YJ-4固井用加重剂(磁铁矿)70份、30目～50目的粗石英砂185份、50目～120目的细石英砂185份、减水剂5份。在正常气温10-30℃范围内的环境条件下，将上述原料成分投入如图1所示干粉砂浆拌和设备中，充分搅拌混合4min，使用双层密封袋包装。
制备得到的水泥基注浆料性状如图2所示，将其按水料比0.19加水混合，充分搅拌混合充分，得到工作状态的注浆料，即为水泥基高性能微膨胀注浆材料。采用国家及行业相关标准检测水泥基注浆料砂浆的性能。
(1)浆体基本性能满足下列要求：
(2)微膨胀注浆材料的匀质性和环保性能满足下表要求：
序号 试验项目 技术指标
1 含水率(％) ≤3.0
2 细度(0.63mm方孔筛筛余量)(％) ≤15
3 氯离子含量(％) ≤0.1
4 碱含量(％) ≤0.4
5 pH值 9-11
(3)水泥基高性能微膨胀注浆料结合性能满足下表要求：
经过上述各项参数试验表明本发明的水泥基填充注浆料具有良好的工作性能，兼顾拌和性能好、凝固强度高、价格便宜等优点，符合国标各项条件要求，具备优良性质。
<实施例2>
水泥基填充注浆料，由以下质量份数胶凝材料、加重剂、石英砂和复合外加剂组成：42.5R普通硅酸盐水泥438份、42.5R硫铝酸盐水泥75份、硅灰粉40份、加重剂69份、30-50目的粗石英砂187份、50-120目的细石英砂185份、减水剂4份。在正常气温10-30℃范围内的环境条件下，将上述原料成分投入干粉砂浆拌和设备中，充分搅拌混合5min，使用双层密封袋包装。经检测水泥基填充注浆料出机流动度为410mm，如图3所示，结果符合技术指标要求。
<对比例1>
水泥基填充注浆料，按照实施例2的方案制备，原料成分的配合比例基本相同，只是减水剂用量份数改为20份。在相同环境条件下完成原料干粉砂浆拌和，搅拌混合时间5min，完成后使用双层密封袋包装。
将此水泥基注浆料按水料比0.17加水混合，按照现行国标方法检测分析水泥基注浆料性能。在坍落度测试过程中，注浆料流动度465mm，超出设计范围，测试过程注浆料出现明显的离析泌水现象，不符合注浆料使用性能要求。如此的注浆料在隧道施工中应用会快速渗透离析，导致注浆料不能有效的闭合衬砌上的孔洞，因此本对比例的注浆料不符合应用性能要求。
<实施例3>
水泥基填充注浆料，由以下质量份数胶凝材料、加重剂、石英砂和复合外加剂组成：普通硅酸盐水泥440份、硫铝酸盐水泥75份、硅灰粉40份、加重剂70份、30-50目的粗石英砂185份、50-120目的细石英砂185份、复合外加剂6份。将上述原料成分投入干粉砂浆拌和设备中，充分搅拌混合4min，使用双层密封袋包装。
采用有机玻璃的水泥浆膨胀率测试仪器，仪器带有密封盖，检测分析水泥浆膨胀率。本实施例制备的水泥基填充注浆料在有机玻璃膨胀率测试容器中，未发现泌水，其塑性膨胀率如图4所示，水泥基填充注浆料具有良好的膨胀率，用于隧道衬砌填充注浆密封效果优秀。
<对比例2>
采用与实施例3相同的原料成分，只是不使用细石英砂原料，仅仅采用粗石英砂全面代替细石英砂原料，30-50目的粗石英砂总量370份。制备过程和实施例3相同，采用干粉砂浆拌和设备，充分搅拌混合4min，制得充填注浆料。
<对比例3>
采用与实施例3相同的原料成分，只是不使用细石英砂原料，仅仅采用粗石英砂全面代替细石英砂原料，50-120目的细石英砂总量370份。制备过程和实施例3相同，采用干粉砂浆拌和设备，充分搅拌混合4min，制得充填注浆料。
将实施例3和对比例2-3的注浆料按照推荐的水料比加水，80r/min快速搅拌2min，配制成填充注浆料，按照国标方法测试砂浆的流动性/工作性。
结果对比例2注浆料流动性较差，出机流动性仅305mm，表明注浆料级配不当导致流动性变差。而对比例3注浆料出机流动性390mm，流动性较好，基本满足注浆施工的流动性要求，泵送施工性能好。
将实施例3和对比例2-3的注浆料浇筑于RPC管中，测试注浆料与RPC管结合性。结果实施例3方案结合力合格，符合预期；而对比例2注浆料和RPC管结合性不合格，无法满足衬砌注浆施工应用要求。对比例3注浆料和RPC管结合性能不合格，虽然密实度较高，但是强度不佳，导致结合力不足。
<实施例4>
水泥基填充注浆料，由以下质量份数胶凝材料、加重剂、石英砂和复合外加剂组成：普通硅酸盐水泥439份、硫铝酸盐水泥74份、硅灰粉40份、加重剂70份、30-50目的粗石英砂182份、50-120目的细石英砂185份、复合外加剂7份。将上述原料成分投入干粉砂浆拌和设备中，充分搅拌混合6min，使用双层密封袋包装。
将制备得到的水泥基填充注浆料按照0.19的水料比混合成均匀砂浆，涂覆在混凝土试块上，自然养护，待其凝固成型后，测试其结合力。混凝土和注浆料结合的试块如图5所示，注浆料和混凝土试块之间结合紧密牢固，结合界面无空隙缺陷，符合设计要求。
将砂浆料压注到RPC管中，观察砂浆料和RPC管的结合界面的品质形状，结果如图6所示，本实施例的砂浆料和RPC管结合界面处十分紧密，具有良好的致密性和良好的结合牢固性，在破坏试验中RPC管和注浆料直接未见分层断裂。
<对比例4>
水泥基填充注浆料，采用和实施例4相同的配合比例准备原料，只是不使用加重剂，加重剂改用同样重量份的粗石英砂替代，最终加入30-50目的粗石英砂252份，同样采用干粉砂浆拌和设备搅拌混合6min，得到注浆料。
将实施例4和对比例4制备的注浆料应用于模拟隧道衬砌注浆施工，将注浆料按照推荐比例加水配合搅拌均匀以后，注浆于人工混凝土缝隙中，待注浆料28d终凝以后，切开混凝土，观察注浆料的填充致密度以及注浆缝隙部分的强度。结果显示，实施例4注浆料施工的混凝土结合牢固，切开的填充缝隙部分强度和原有混凝土一致。对比例4注浆料在缝隙中存在一定离析，转变为切割得到混凝土块的缺陷部位，在试块强度不符合要求，沿缝隙部分断裂。表明注浆料的级配非常重要，注浆料的容重不合格的情况下，不利于注浆料粘合衬砌中的孔洞、缝隙缺陷结构。
<实施例5>
水泥基填充注浆料，由以下质量份数胶凝材料、加重剂、石英砂和复合外加剂组成：普通硅酸盐水泥438份、硫铝酸盐水泥75份、硅灰粉39份、加重剂69份、30目～50目的粗石英砂186份、50目～120目的细石英砂187份、复合外加剂5份。在正常气温10-30℃范围内的环境条件下，将上述原料成分投入干粉砂浆拌和设备中，充分搅拌混合5min，使用双层密封袋包装。
<对比例501>
水泥基填充注浆料，原料成分配合比例如下：普通硅酸盐水泥448份、硫铝酸盐水泥77份、硅灰粉20份、加重剂69份、30目～50目的粗石英砂186份、50目～120目的细石英砂187份、复合外加剂5份。采用与实施例5相同的工艺方法进行加工制备，产物同样采用双层密封袋包装。
<对比例502>
水泥基填充注浆料，原料成分配合比例如下：普通硅酸盐水泥460份、硫铝酸盐水泥80份、加重剂69份、30目～50目的粗石英砂186份、50目～120目的细石英砂187份、复合外加剂5份。采用与实施例5相同的工艺方法进行加工制备，产物同样采用双层密封袋包装。
<对比例503>
水泥基填充注浆料，原料成分配合比例如下：普通硅酸盐水泥470份、硫铝酸盐水泥40份、硅灰粉45份、加重剂69份、30目～50目的粗石英砂186份、50目～120目的细石英砂187份、复合外加剂5份。采用与实施例5相同的工艺方法进行加工制备，产物同样采用双层密封袋包装。
将实施例5、对比例501-503制备的水泥填充注浆料分别按照水料比0.19混合，充分搅拌均匀，得到砂浆料。
拌合物的表观密度均符合砂浆性能要求，且各砂浆的泌水率均为0。实施例5砂浆性能全面符合砂浆性能要求，出机流动度398mm、90min流动度保留值346mm，分离度0％，塑性膨胀率1.9％，抗压强度、抗折强度均到达设计要求。
但对比例501砂浆的膨胀率早期强度不足，砂浆凝固速度较慢，对于注浆料工作的空隙环境容易发生渗透损失。
但对比例502砂浆的早期强度较低，且泌水率有增强的趋势，同时28d抗压强度、28d抗折强度偏低，考虑到注浆料工作环境容易出现固液分离，进而发生渗透，不利于注浆料的封闭作用。
但对比例503砂浆的12h强度较高，但是28d抗压强度、抗折强度偏低，砂浆的膨胀率0.2-0.8％，不利于砂浆注浆到孔隙中结合密封牢固度提升。

Claims (9)

1.一种水泥基填充注浆料，它是由胶凝材料、加重剂、石英砂和复合外加剂组成的多组分材料，各组分的具体组成及质量份数如下：
普通硅酸盐水泥：438份～440份
硫铝酸盐水泥：74份～75份
硅灰粉：39份～40份
加重剂：69份～70份
粗石英砂：182份～187份
细石英砂：182份～187份
复合外加剂：4份～7份；
所述粗石英砂是30目～50目的石英砂；
所述细石英砂是50目～120目的石英砂；
所述水泥基填充注浆料按照0.19水料比拌和以后，出机流动度380-410mm。
2.如权利要求1所述水泥基填充注浆料，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥是42.5R普通硅酸盐水泥。
3.如权利要求1所述水泥基填充注浆料，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥是42.5R硫铝酸盐水泥。
4.如权利要求1所述水泥基填充注浆料，其特征在于，所述加重剂细度：60-325目，密度：4.8-7.0g/cm3。
5.如权利要求1所述水泥基填充注浆料，其特征在于，所述细石英砂细度80目～120目。
6.如权利要求1所述水泥基填充注浆料，其特征在于，所述复合外加剂包括减水剂，所述减水剂是萘系减水剂或聚羧酸减水剂。
7.如权利要求1所述水泥基填充注浆料，其特征在于，所述水泥基填充注浆料按照0.19水料比拌和以后，表观密度2100-2400kg/m3。
8.一种制备权利要求1-7任意一项所述水泥基填充注浆料的方法，其特征在于，在10℃～30℃条件下，使用干粉砂浆生产设备将所有材料投入搅拌3-6min，使用双层密封袋包装。
9.一种权利要求1-7任意一项所述水泥基填充注浆料使用方法，其特征在于，将水泥基填充注浆料加水混合后以不低于80r/min速率搅拌，混合均匀。
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