CN109020419B - 一种隧道仰拱超细无机注浆料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道仰拱超细无机注浆料，各组分及其所占质量百分比包括：超细胶凝材料75～90％、矿物填料5～20％、复合膨胀剂2.5～7.5％、流态体积稳定剂0.04～0.08％、成膜改性剂0.5～1.5％、减水剂0.4～0.8％、消泡剂0.02～0.05％、分散剂0.1～0.4％、防渗憎水剂0.05～0.1％、纳米增强组分1～5％；将上述各组分混合均匀，然后按0.25～0.30的水灰比加水进行搅拌，即可进行隧道仰拱加固部位及缺陷部位注浆。本发明所得无机注浆料适用于5～35℃环境条件下隧道仰拱缺陷、危岩体的修补和维稳，具有高流动性、高粘结强度、无收缩、抗渗性和耐久性好等优点，适合推广应用。

Description

一种隧道仰拱超细无机注浆料及其制备方法

技术领域

本发明属于水泥基灌浆材料技术领域，具体涉及一种隧道仰拱超细无机注浆料及其制备方法。

背景技术

仰拱是隧道结构的主要组成部分之一，也是隧道的基础结构，起改善隧道上部结构受力条件和抵抗隧道下部地层传递反力的作用，从而增加隧道结构的整体稳定性。由于多数隧道所处的地质条件复杂，并长期受重载作用和地下水侵蚀的影响，容易造成隧道仰拱拱底基岩受损破裂、隧道底板和道床沉降开裂、道床积水和翻浆冒泥等病害；受隧道施工工艺水平的限制，也易在仰拱拱底产生松软夹层和仰拱结构混凝土裂缝等缺陷。

通过注浆方式，将软层固结、裂缝封堵是改善隧道仰拱缺陷和病害的有效方式之一，目前无机注浆主要采用单液普通水泥浆、普通水泥-水玻璃双液浆、水玻璃浆等作为隧道工程领域的注浆加固。单液普通水泥注浆是采用水泥和水按1:0.35～0.50质量比拌制的水泥浆，浆体稳定性差，易泌水离析，硬化后体积收缩，不能形成良好的固结体，而且普通水泥的比表面积一般在350m²/kg左右，颗粒较大，配制的水泥浆比较粗糙，难以渗透到0.05mm以下的微细裂缝深处，不能保证整体结构的抗渗性。含有水玻璃的注浆料固化以后会产生较大的线收缩，严重影响注浆效果的长期稳定性，而且化学结构不稳定，在接触流动水的条件下，会有大量钠离子溶出，使硬化体粉化，固结强度下降，溶出的钠离子还会污染水资源。总之，目前的无机注浆料注浆质量难以保证，起不到良好整治隧道仰拱质量缺陷的作用，危及隧道结构安全和隧道使用寿命。

因此，开发一种新型隧道仰拱超细无机注浆料用于隧道仰拱质量缺陷及围岩裂缝的注浆修补和维稳是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种可注性好、粘结强度高、无收缩、抗渗性和耐久性好的隧道仰拱超细无机注浆材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种隧道仰拱超细无机注浆料，各组分及其所占质量百分比包括：超细胶凝材料75～90％、矿物填料5～20％、复合膨胀剂2.5～7.5％、流态体积稳定剂0.04～0.08％、成膜改性剂0.5～1.5％、减水剂0.4～0.8％、消泡剂0.02～0.05％、分散剂0.1～0.4％、防渗憎水剂0.05～0.1％、纳米增强组分1～5％。

按上述方案，所述超细胶凝材料由普通硅酸盐水泥和低碱度硫铝酸盐水泥按(3.5～4.5)：1的质量比混合，再经气流磨粉磨处理至表面积为650-800m²/kg得到。

按上述方案，所述矿物填料由微细滑石粉和海泡石粉按(1～9):1质量比混合而成；其中粒径小于5μm的颗粒大于80％。

按上述方案，所述复合膨胀剂由煅烧氧化镁和亚硝酸铵以(4～12):1的质量比混合而成。

优选的，所述煅烧氧化镁由菱镁矿在1100～1200℃下煅烧40～50min制成。

按上述方案，所述流态体积稳定剂由聚丙烯酸钠和海带根按(1～3):1的质量比混合而成。

按上述方案，所述成膜改性剂为羧甲基淀粉、磷酸酯淀粉中的一种或两种混合物。

按上述方案，所述减水剂为三聚氰胺系减水剂。

按上述方案，所述消泡剂为聚醚改性有机硅类消泡剂。

按上述方案，所述分散剂为硬脂酸聚氧乙烯酯。

按上述方案，所述防渗憎水剂为有机硅烷类憎水剂。

按上述方案，所述纳米增强组分为采用物理气相沉积法制备的平均粒径不大于60nm的二氧化钛。

上述一种隧道仰拱超细无机注浆料的制备方法，它包括如下步骤：

1)按配比称取各原料，各组分及其所占质量百分比包括：超细胶凝材料75～90％、矿物填料5～20％、复合膨胀剂2.5～7.5％、流态体积稳定剂0.04～0.08％、成膜改性剂0.5～1.5％、减水剂0.4～0.8％、消泡剂0.02～0.05％、分散剂0.1～0.4％、防渗憎水剂0.05～0.1％、纳米增强组分1～5％；

2)将称取的矿物填料、复合膨胀剂、流态体积稳定剂、成膜改性剂、减水剂、消泡剂、分散剂、防渗憎水剂和纳米增强组分投入搅拌机中混合均匀，再将超细胶凝材料投入搅拌机中继续搅拌混合均匀，即得所述隧道仰拱超细无机注浆料

使用时，将本发明所制备的隧道仰拱超细无机注浆料与水按1:0.25～0.30的质量比混合，采用强制式机械搅拌机先以不高于200r/min转速慢速搅拌2～4min，再以不低于1000r/min转速快速搅拌3～6min，然后再以不高于200r/min的转速慢速搅拌1～2min，使料浆均匀，即可进行注浆施工。

本发明的原理包括：

1)胶凝材料将普通硅酸盐水泥与低碱度硫铝酸盐水泥进行复合，既保证了注浆料后期的力学性能，又能提高注浆料的早期强度，而且胶凝材料经气流磨处理，颗粒更细，保证了注浆料能充分渗透到隧道仰拱和围岩的微裂缝里，并具有更好的耐久性；

2)采用微细滑石粉与海泡石粉复合作为矿物填料，既提供了浆体的润滑效果，又保证了高流动性浆体在深入裂缝时水分不流失，始终保持浆体的流动性，进一步保证超细胶凝材料能良好地渗透到小于0.05mm的微裂缝深处，与仰拱结构和围岩结合成稳定的整体；

3)采用流态体积稳定剂并结合复合膨胀剂，使所得浆体在硬化前后都具有良好的体积稳定性；在凝结硬化前，塑性膨胀剂亚硝酸铵，提供微膨胀效果，使浆体充盈性好，并结合流态体积稳定剂使浆体无泌水、不分层、不沉降，实现均匀饱满注浆；由于流态体积稳定剂的作用，得到的颗粒均匀分散的浆体在凝结硬化后，具有良好的体积稳定性，再辅以氧化镁膨胀剂的有效补偿干燥收缩作用，消除了硬化过程中由于水分消耗和散失引起的收缩应力，进一步保证硬化浆体的体积稳定性；

4)采用消泡剂和防渗憎水剂，使浆体在硬化前后都具有良好的密实性，且表面光滑如镜，再辅以憎水基团的作用，大幅度提高抗渗性；

5)采用分散剂和成膜改性剂，促进超细颗粒良好分散的同时，成膜改性剂的成膜作用封堵了硬化浆体内部与外界连通的微孔，再引入平均粒径不大于60nm的二氧化钛作为纳米级活性增强组分，填充于部分微孔中，进一步提高注浆料各龄期强度，并且利用二氧化钛的纳米效应，改善注浆料的微纳米孔隙结构，提高了注浆料的抗有害离子渗透性和耐久性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明所得材料无机注浆料整体性能优异：具有高流动性，流动锥法测试的出机流动度和30min流动度均在20s以内，并且浆体稳定，超细颗粒滚动滑移效果好，保证超细注浆料有充裕的状态渗透到微裂缝深处；具有良好的力学性能，8h抗压强度达到7MPa以上，后期也具有很高的抗压强度，28d抗压强度可达75MPa以上；良好的粘接强度和微膨胀性使注浆料与隧道仰拱和围岩形成良好的固结整体，保证隧道仰拱结构能力的发挥；具有良好的抗渗性、抗侵蚀性，在隧道所处的复杂地质条件下，不仅材料本身寿命长，而且可以提高隧道仰拱结构的服役寿命。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的超细胶凝材料由普通硅酸盐水泥(P·O42.5级)和低碱度硫铝酸盐水泥(L·SAC42.5级)按(3.5～4.5):1的质量比混合，经气流磨进行超细粉磨处理，加工到比表面积为650～800m²/kg而成；所述矿物填料为微细滑石粉和海泡石粉按(1～9):1质量比配制的混合物，其中粒径小于5μm的颗粒大于80％；所述复合膨胀剂由煅烧氧化镁和亚硝酸铵以(4～12):1的质量比混合而成，其中煅烧氧化镁由菱镁矿在1100℃下煅烧45min制成；所述的流态体积稳定剂为聚丙烯酸钠和与海带根按(1～3):1质量比配制的混合物；所述成膜改性剂为羧甲基淀粉和磷酸酯淀粉中的一种或两种混合物；所述的减水剂为巴斯夫(中国)有限公司的F10型三聚氰胺减水剂；所述的消泡剂为巴斯夫(中国)有限公司的P803型消泡剂；所述的分散剂为硬脂酸聚氧乙烯酯；所述的防渗憎水剂为阿克苏诺贝尔特种化学(上海)有限公司的SEAL80型有机硅烷类憎水剂；所述的纳米增强组分为采用物理气相沉积法制备的平均粒径不大于60nm的二氧化钛。

实施例1

一种隧道仰拱超细无机注浆料，其制备方法包括如下步骤：

1)按配比称取各原料，各原料及其用量包括：超细胶凝材料75kg(普通硅酸盐水泥58.5kg，低碱度硫铝酸盐水泥16.5kg)、矿物填料16.06kg(微细滑石粉14.36kg，海泡石粉1.7kg)、复合膨胀剂2.5kg(煅烧氧化镁2kg，亚硝酸铵0.5kg)、流态体积稳定剂0.04kg(聚丙烯酸钠0.02kg，海带根0.02kg)、成膜改性剂0.5kg(羧甲基淀粉0.5kg)、减水剂0.43kg、消泡剂0.02kg、分散剂0.35kg、防渗憎水剂0.1kg、纳米增强组分5kg；

2)将称取的矿物填料、复合膨胀剂、流态体积稳定剂、成膜改性剂、减水剂、消泡剂、分散剂、防渗憎水剂和纳米增强组分投入搅拌机中混合均匀，再将超细胶凝材料投入搅拌机中继续搅拌混合均匀，即得所述隧道仰拱超细无机注浆料。

使用时，向所得隧道仰拱超细无机注浆料中加入水30kg，用强制式机械搅拌机先以200r/min的转速慢速搅拌2min，再以1200r/min的转速快速搅拌3min，然后再慢速(200r/min)搅拌2min，即可进行注浆施工。

实施例2

一种隧道仰拱超细无机注浆料，其制备方法包括如下步骤：

1)按配比称取各原料，各原料及其用量包括：超细胶凝材料78kg(普通硅酸盐水泥62.5kg，低碱度硫铝酸盐水泥15.5kg)、矿物填料12.62kg(微细滑石粉11.12kg，海泡石粉1.5kg)、复合膨胀剂3.7kg(煅烧氧化镁3kg，亚硝酸铵0.7kg)、流态体积稳定剂0.05kg(聚丙烯酸钠0.03kg，海带根0.02kg)、成膜改性剂0.7kg(磷酸酯淀粉0.7kg)、减水剂0.52kg、消泡剂0.03kg、分散剂0.3kg、防渗憎水剂0.08kg、纳米增强组分4kg；

2)将称取的矿物填料、复合膨胀剂、流态体积稳定剂、成膜改性剂、减水剂、消泡剂、分散剂、防渗憎水剂和纳米增强组分投入搅拌机中混合均匀，再将超细胶凝材料投入搅拌机中继续搅拌混合均匀，即得所述隧道仰拱超细无机注浆料。

使用时，向所得隧道仰拱超细无机注浆料中加入水29kg，用强制式机械搅拌机先以150r/min的转速慢速搅拌3min，再以1000r/min的转速快速搅拌5min，然后再慢速(150r/min)搅拌1min，即可进行注浆施工。

实施例3

一种隧道仰拱超细无机注浆料，其制备方法包括如下步骤：

1)按配比称取各原料，各原料及其用量包括：超细胶凝材料83kg(普通硅酸盐水泥66kg，低碱度硫铝酸盐水泥17kg)、矿物填料7.18kg(微细滑石粉5.98kg，海泡石粉1.2kg)、复合膨胀剂4.9kg(煅烧氧化镁4kg，亚硝酸铵0.9kg)、流态体积稳定剂0.06kg(聚丙烯酸钠0.03kg，海带根0.03kg)、成膜改性剂0.9kg(羧甲基淀粉0.4kg，磷酸酯淀粉0.5kg)、减水剂0.61kg、消泡剂0.04kg、分散剂0.25kg、防渗憎水剂0.06kg、纳米增强组分3kg；

2)将称取的矿物填料、复合膨胀剂、流态体积稳定剂、成膜改性剂、减水剂、消泡剂、分散剂、防渗憎水剂和纳米增强组分投入搅拌机中混合均匀，再将超细胶凝材料投入搅拌机中继续搅拌混合均匀，即得所述隧道仰拱超细无机注浆料。

使用时，向所得隧道仰拱超细无机注浆料中加入水28kg，用强制式机械搅拌机先以200r/min的转速慢速搅拌4min，再以1200r/min的转速快速搅拌3min，然后再慢速(200r/min)搅拌1min，即可进行注浆施工。

实施例4

一种隧道仰拱超细无机注浆料，其制备方法包括如下步骤：

1)按配比称取各原料，各原料及其用量包括：超细胶凝材料84kg(普通硅酸盐水泥68.2kg，低碱度硫铝酸盐水泥15.8kg)、矿物填料5.64kg(微细滑石粉4.24kg，海泡石粉1.4kg)、复合膨胀剂6.2kg(煅烧氧化镁5kg，亚硝酸铵1.2kg)、流态体积稳定剂0.07kg(聚丙烯酸钠0.05kg，海带根0.02kg)、成膜改性剂1.1kg(羧甲基淀粉0.8kg，磷酸酯淀粉0.3kg)、减水剂0.7kg、消泡剂0.03kg、分散剂0.2kg、防渗憎水剂0.06kg、纳米增强组分2kg；

2)将称取的矿物填料、复合膨胀剂、流态体积稳定剂、成膜改性剂、减水剂、消泡剂、分散剂、防渗憎水剂和纳米增强组分投入搅拌机中混合均匀，再将超细胶凝材料投入搅拌机中继续搅拌混合均匀，即得所述隧道仰拱超细无机注浆料。

使用时，向所得隧道仰拱超细无机注浆料中加入水27kg，用强制式机械搅拌机先以180r/min的转速慢速搅拌3min，再以1000r/min的转速快速搅拌6min，然后再慢速(180r/min)搅拌1min，即可进行注浆施工。

实施例5

一种隧道仰拱超细无机注浆料，其制备方法包括如下步骤：

1)按配比称取各原料，各原料及其用量包括：超细胶凝材料87kg(普通硅酸盐水泥69.6kg，低碱度硫铝酸盐水泥17.4kg)、矿物填料5.67kg(微细滑石粉2.87kg，海泡石粉2.8kg)、复合膨胀剂3.9kg(煅烧氧化镁2.5kg，亚硝酸铵1.4kg)、流态体积稳定剂0.08kg(聚丙烯酸钠0.05kg，海带根0.03kg)、成膜改性剂1.3kg(羧甲基淀粉1.1kg，磷酸酯淀粉0.2kg)、减水剂0.8kg、消泡剂0.05kg、分散剂0.15kg、防渗憎水剂0.05kg、纳米增强组分1kg；

2)将称取的矿物填料、复合膨胀剂、流态体积稳定剂、成膜改性剂、减水剂、消泡剂、分散剂、防渗憎水剂和纳米增强组分投入搅拌机中混合均匀，再将超细胶凝材料投入搅拌机中继续搅拌混合均匀，即得所述隧道仰拱超细无机注浆料。

使用时，向所得隧道仰拱超细无机注浆料中加入水26kg，用强制式机械搅拌机先以200r/min的转速慢速搅拌2min，再以1200r/min的转速快速搅拌4min，然后再慢速(200r/min)搅拌2min，即可进行注浆施工。

对比例1

胶凝材料P·O 42.5级水泥98.03％，减水剂(聚羧酸系)0.1％，缓凝剂(柠檬酸钠)0.35％，促凝剂(硫酸钠)1.5％，塑性膨胀剂(偶氮二甲酰胺)0.02％，不加矿物填料，将上述原料混合均匀，按水与注浆料0.32:1的质量比混合搅拌均匀进行测试和使用。

对比例2

胶凝材料P·O 42.5级水泥80.8％，矿物填料10％(硅灰3％，矿渣粉7％)，减水剂(聚羧酸系)0.1％，复合膨胀剂7.2％(煅烧氧化镁5％，亚硝酸铵1.2％)，消泡剂0.05％，缓凝剂(柠檬酸钠)0.35％，促凝剂(硫酸钠)1.5％，将上述原料混合均匀，按水与注浆料0.31:1的质量比混合搅拌均匀进行测试和使用。

对比例3

超细胶凝材料82.52％(P·O 42.5级水泥67.52％，L·SAC42.5级水泥15％，比表面积650～800m²/kg)，矿物填料10％(硅灰3％，矿渣粉7％)，减水剂(聚羧酸系)0.1％，复合膨胀剂7.2％(煅烧氧化镁5％，亚硝酸铵1.2％)，消泡剂0.05％，流态体积稳定剂0.08％(聚丙烯酸钠0.05％，海带根0.03％)，防渗憎水剂0.05％，将上述原料混合均匀，按水与注浆料0.31:1的质量比混合搅拌均匀进行测试和使用。

将实施例1～5和对比例1～3所得无机注浆料分别进行流动性、收缩性、强度和抗渗性能等测试，结果见表1。

表1实施例1～5和对比例1～3所得注浆料性能测试结果

上述结果表明：本实施例所得隧道仰拱超细无机注浆料的流动性、浆体稳定性、强度和耐久性等性能均优于普通注浆料：本发明实施例1～5采用超细粉磨的复合胶凝材料体系，并结合分散剂和纳米增强组分等功能性组分，使前期和后期强度均远远高于对比例1～3；对比例1只采用基本的添加剂，所得各项性能均较差；对比例2中增加了普通矿物填料，对工作性和耐久性有所改善，但是作用效果远不如本发明的矿物填料；对比例2增加了本发明中的复合膨胀剂，使塑性膨胀率和自由膨胀率得到一定改善；对比例3在对比例2的基础上，采用超细胶凝材料并增加了流态体积稳定剂和防渗憎水剂，浆体的早期强度、稳定性和耐久性有所改善，但缺少本发明中成膜改性剂、分散剂、纳米增强材料等的综合作用，其各项性能整体低于本发明的实施例。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隧道仰拱超细无机注浆料，各组分及其所占质量百分比包括：超细胶凝材料75～90％、矿物填料5～20％、复合膨胀剂2.5～7.5％、流态体积稳定剂0.04～0.08％、成膜改性剂0.5～1.5％、减水剂0.4～0.8％、消泡剂0.02～0.05％、分散剂0.1～0.4％、防渗憎水剂0.05～0.1％、纳米增强组分1～5％；

所述流态体积稳定剂由聚丙烯酸钠和海带根按(1～3):1的质量比混合而成。

2.根据权利要求1所述的隧道仰拱超细无机注浆料，其特征在于，所述超细胶凝材料由普通硅酸盐水泥和低碱度硫铝酸盐水泥按(3.5～4.5):1的质量比混合，再经气流磨粉磨处理至表面积为650～800m²/kg得到。

3.根据权利要求1所述的隧道仰拱超细无机注浆料，其特征在于，所述矿物填料由微细滑石粉和海泡石粉按(1～9):1质量比混合而成；其中粒径小于5μm的颗粒大于80％。

4.根据权利要求1所述的隧道仰拱超细无机注浆料，其特征在于，所述复合膨胀剂由煅烧氧化镁和亚硝酸铵以(4～12):1的质量比混合而成。

5.根据权利要求1所述的隧道仰拱超细无机注浆料，其特征在于，所述成膜改性剂为羧甲基淀粉、磷酸酯淀粉中的一种或两种混合物。

6.根据权利要求1所述的隧道仰拱超细无机注浆料，其特征在于，所述分散剂为硬脂酸聚氧乙烯酯。

7.根据权利要求1所述的隧道仰拱超细无机注浆料，其特征在于，所述防渗憎水剂为有机硅烷类憎水剂。

8.根据权利要求1所述的隧道仰拱超细无机注浆料，其特征在于，所述纳米增强组分平均粒径不大于60nm的二氧化钛。

9.权利要求1～8任一项所述隧道仰拱超细无机注浆料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)按配比称取各原料，各组分及其所占质量百分比包括：超细胶凝材料75～90％、矿物填料5～20％、复合膨胀剂2.5～7.5％、流态体积稳定剂0.04～0.08％、成膜改性剂0.5～1.5％、减水剂0.4～0.8％、消泡剂0.02～0.05％、分散剂0.1～0.4％、防渗憎水剂0.05～0.1％、纳米增强组分1～5％；

2)将称取的矿物填料、复合膨胀剂、流态体积稳定剂、成膜改性剂、减水剂、消泡剂、分散剂、防渗憎水剂和纳米增强组分投入搅拌机中混合均匀，再将超细胶凝材料投入搅拌机中继续搅拌混合均匀，即得所述隧道仰拱超细无机注浆料。