CN109336521A - 适于盾构空推施工的注浆液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于盾构空推施工的注浆液及其制备方法，属于建筑材料技术领域，一种适于盾构空推施工的注浆液，以重量份数计，包括如下组分：水泥180‑220份、砂540‑600份、膨胀抗裂剂14‑20份、无碱速凝剂2‑4份以及水200‑240份；所述速凝剂由以下重量份的原料组成：硫酸铝30‑40份、乙二胺四乙酸2‑4份、三异丙醇胺2‑4份、甘油1‑2份、磷酸0.5‑1份、乙二酸0.3‑0.5份、十二烷基二甲基氧化胺0.1‑0.2份以及水20‑30份。本发明通过原料中的速凝剂，可以缩短注浆液的速凝时间，使注浆液快速凝结，从而避免了其在大下坡施工的环境中窜流至盾构机前固结而阻碍盾构推进。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，更具体的说，它涉及一种适于盾构空推施工的注浆液及其制备方法。
背景技术
随着地下空间的进一步开发与利用，出现了越来越多的超深基坑、长距离、单端面盾构或顶管隧道，在现有的多种复制施工技术中，注浆技术在地下结构防渗、基坑加固、防止地面沉降等方面起着重要的作用。盾构空推是指盾构机下井调试完成后，要经过一段之前已经开挖完成的基坑时，不需要再开挖土体；随着盾构的推进，在管片和土体之间会出现建筑空隙，为了填充这些空隙，在盾构推进的过程中，在一定的注浆压力下，将适量的、有一定早期强度以及最终强度的注浆液从盾尾向壁后注浆，填入空隙内，待其固结硬化后起到填充壁后建筑空隙，提供一定承载能力的作用。
现有技术中，申请号为201811045493.5的专利申请文件，公开了一种适用于富水地层盾构同步注浆浆液及制备方法，该同步注浆浆液由以下质量份数的原料组成：硅酸盐水泥180～220份、机制砂710～730份、天然砂710～730份、膨润土45～55份、缓凝剂3～6份、减水剂3～6份、水250～350份。
但是在对大下坡施工的环境下使用时，在使用注浆液填补盾尾后的空隙时，普通的注浆液会因为大下坡施工的环境而窜流至盾构机的刀盘前面，固结堆填料形成混凝土，阻碍盾构推进，因此，如何能够避免注浆液在大下坡施工的环境中流窜至盾构机的前面，是一个需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种适于盾构空推施工的注浆液，其通过原料中的速凝剂，可以缩短注浆液的速凝时间，使注浆液可以快速凝结，从而避免了其在大下坡施工时窜流至盾构机前固结而阻碍盾构推进。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种适于盾构空推施工的注浆液，以重量份数计，包括如下组分：水泥180-220份、砂540-600份、膨胀抗裂剂14-20份、无碱速凝剂2-4份以及水200-240份；所述速凝剂由以下重量份的原料组成：硫酸铝30-40份、乙二胺四乙酸2-4份、三异丙醇胺2-4份、甘油1-2份、磷酸0.5-1份、乙二酸0.3-0.5份、十二烷基二甲基氧化胺0.1-0.2份以及水20-30份。
通过采用上述技术方案，无碱速凝剂的加入可以使注浆液在1分钟内初凝，4分钟内终凝，从而可以防止在大下坡施工的环境中，注浆液会窜流至盾构机的前面、阻碍盾构机推进；而原料中的膨胀抗裂剂具有微膨胀性，可以填补盾尾后的空隙，提高注浆液固化后的密实性，其与无碱速凝剂配合后，可以提高注浆液的抗压强度。
进一步地，所述无碱速凝剂采用如下步骤制备：①将硫酸铝研磨后，然后将其置于水中，加热至70-75℃，搅拌后得到悬浮液；②向步骤①中的悬浮液中加入磷酸以及乙二酸，以500-600r/min的速度搅拌10-15min，得到反应液；③向反应液中加入乙二胺四乙酸、三异丙醇胺、甘油以及十二烷基二甲基氧化胺，加热至60-80℃后，以1000-2000r/min的速度搅拌10-20min，冷却至室温，得到无碱速凝剂。
通过采用上述技术方案，制备的无碱速凝剂具有掺量低、适应性好、初凝时间短、终凝时间短、早期强度高以及后期强度损失小的优点，与水泥、砂以及膨胀抗裂剂的适配性好，适用于大下坡的施工环境下使用。
进一步地，步骤①将硫酸铝置于水中之前，要先将硫酸铝研磨，然后再过200-300目筛筛选。
通过采用上述技术方案，将硫酸铝研磨后，过200-300目筛筛选之后，再溶于水中，可以提高其在水中的分散，有利于反应的充分进行。
进一步地，步骤③中的升温速率为2-4℃/min。
通过采用上述技术方案，以2-4℃/min的速度缓慢升温至60-80℃，有利于提高反应的稳定性。
进一步地，所述膨胀抗裂剂由以下重量份的原料组成：硫铝酸钙20-30份、硅酸钠4-6份、膨润土1-2份、硼砂1-2份、六偏磷酸钠0.6-0.8份、N,O-双三甲硅基羟胺0.1-0.3份以及N-十二烷基甘氨酸0.05-0.1份。
通过采用上述技术方案，由硫铝酸钙、硅酸钠、膨润土、硼砂、六偏磷酸钠、N,O-双三甲硅基羟胺以及N-十二烷基甘氨酸形成的膨胀抗裂剂具有微膨胀性，将其加入注浆液中，与无碱速凝剂配合，具有协同作用，可以迅速胶结，填充孔隙，具有抗渗防水的作用，适用于富水地质的环境下使用。
进一步地，所述膨胀抗裂剂采用如下方法制备：将硫铝酸钙、硅酸钠、膨润土以及硼砂以1000-1500r/min的速度搅拌20-30min，然后再加入六偏磷酸钠、N,O-双三甲硅基羟胺以及N-十二烷基甘氨酸以600-800r/min的速度搅拌30-40min后，得到膨胀抗裂剂。
通过采用上述技术方案，通过简单易操作的工艺，将原料的混合，得到的膨胀抗裂剂具有抗裂、防水以及抗渗的作用，在地下施工时，也适用于富水地质的环境下使用。
进一步地，硅酸钠中二氧化硅≥26.0wt％，氧化钠≥12.8wt％，水不溶物≤0.38wt％，铁≤0.05wt％，波美度为0.39-0.41，模数为3.1-3.4。
通过采用上述技术方案，硅酸钠中二氧化硅≥26.0wt％，氧化钠≥12.8wt％，水不溶物≤0.38wt％，铁≤0.05wt％，波美度为0.39-0.41，模数为3.1-3.4，硅酸钠具有很好的粘结力，与原料的匹配性好。
进一步地，所述砂为重量比为1:1的机制砂以及天然河砂。
通过采用上述技术方案，机制砂具有很好的坚固性以及耐久性，并且价格便宜，但是其级配不合理，粒形不够圆润；而天然河砂具有光滑的表面，粒形良好，吸水性相对较小，并且级配合理，细度适中，含泥量少，通过机制砂与天然河砂并用，在控制生产成本的同时，也能提高注浆液的强度。
进一步地，水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥。
通过采用上述技术方案，普通硅酸盐水泥具有强度高、抗冻性能好的优点，并且普通硅酸盐水泥硬化时干缩小，不易产生干缩裂缝。
本发明的目的之二在于提供一种适于盾构空推施工的注浆液的制备方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种适于盾构空推施工的注浆液的制备方法，包括如下步骤：S1：将水泥180-220份、砂540-600份以及水200-240份以500-600r/min的速度搅拌均匀，得到混合物；S2：向混合物中加入膨胀抗裂剂14-20份以及速凝剂2-4份，以800-1000r/min的速度搅拌10-15min后得到注浆液。
通过采用上述技术方案，通过简单易操作的搅拌，使得原料混合均匀，可以提高注浆液性能的稳定性。
综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
1.无碱速凝剂的加入可以使注浆液在1分钟内初凝，4分钟内终凝，从而可以防止在大下坡的环境中，注浆液会窜流至盾构机的前面、阻碍盾构机推进；而原料中的膨胀抗裂剂具有微膨胀性，可以填补盾尾后的空隙，提高注浆液固化后的密实性，与无碱速凝剂配合后，可以提高注浆液的抗压强度；
2.由硫铝酸钙、硅酸钠、膨润土、硼砂、六偏磷酸钠、N,O-双三甲硅基羟胺以及N-十二烷基甘氨酸形成的膨胀抗裂剂具有微膨胀性，将其加入注浆液中，与无碱速凝剂配合，具有协同作用，可以迅速胶结，填充孔隙，具有抗渗防水的作用，适用于富水地质的环境下使用。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明。
一、无碱速凝剂的制备例
以下无碱速凝剂的制备例中硫酸铝采用山东中扬化工科技有限公司生产的无铁硫酸铝；磷酸采用济宁如志化工有限公司生产的质量百分数为85％的磷酸；乙二酸采用苏州迪睿化工科技有限公司生产的含量为99.6％的无水草酸；乙二胺四乙酸采用济宁宏伟化工有限公司生产的乙二胺四乙酸；三异丙醇胺采用郑州煜祥化工产品有限公司生产的型号为632-13-1的三异丙醇胺；甘油为常州蓝亚新材料科技有限公司生产的纯度为95％的甘油；十二烷基二甲基氧化胺采用广州金誉贸易有限公司的型号为OB-2的十二烷基二甲基氧化胺。
无碱速凝剂的制备例1：①将30kg硫酸铝研磨，然后再过200目筛筛选后置于20kg水中，加热至70℃，搅拌后得到悬浮液；
②向步骤①中的悬浮液中加入磷酸0.5kg以及乙二酸0.3kg，以500r/min的速度搅拌10min，得到反应液；
③向反应液中加入乙二胺四乙酸2kg、三异丙醇胺2kg、甘油1kg以及十二烷基二甲基氧化胺0.1kg，以2℃/min的速度加热至60℃后，以1000r/min的速度搅拌10min，冷却至室温，得到无碱速凝剂。
无碱速凝剂的制备例2：①将35kg硫酸铝研磨，然后再过250目筛筛选后置于25kg水中，加热至72.5℃，搅拌后得到悬浮液；
②向步骤①中的悬浮液中加入磷酸0.75kg以及乙二酸0.4kg，以550r/min的速度搅拌12.5min，得到反应液；
③向反应液中加入乙二胺四乙酸3kg、三异丙醇胺3kg、甘油1.5kg以及十二烷基二甲基氧化胺0.15kg，以3℃/min的速度加热至65℃后，以1500r/min的速度搅拌15min，冷却至室温，得到无碱速凝剂。
无碱速凝剂的制备例3：①将40kg硫酸铝研磨，然后再过300目筛筛选后置于30kg水中，加热至75℃，搅拌后得到悬浮液；
②向步骤①中的悬浮液中加入磷酸1kg以及乙二酸0.5kg，以600r/min的速度搅拌15min，得到反应液；
③向反应液中加入乙二胺四乙酸4kg、三异丙醇胺4kg、甘油2kg以及十二烷基二甲基氧化胺0.2kg，以4℃/min的速度加热至80℃后，以2000r/min的速度搅拌20min，冷却至室温，得到无碱速凝剂。
无碱速凝剂的制备例4：本制备例与无碱速凝剂的制备例4的不同之处在于，步骤③中不包含甘油以及十二烷基二甲基氧化胺。
二、膨胀抗裂剂的制备例
以下膨胀抗裂剂的制备例中硅酸钠中二氧化硅≥26.0wt％，氧化钠≥12.8wt％，水不溶物≤0.38wt％，铁≤0.05wt％，波美度为0.39-0.41，模数为3.1-3.4。
膨胀抗裂剂的制备例1：将硫铝酸钙20kg、硅酸钠4kg、膨润土1kg以及硼砂1kg以1000r/min的速度搅拌20min，然后再加入六偏磷酸钠0.6kg、N,O-双三甲硅基羟胺0.1kg以及N-十二烷基甘氨酸0.05kg以600r/min的速度搅拌30min后，得到膨胀抗裂剂。
膨胀抗裂剂的制备例2：将硫铝酸钙25kg、硅酸钠5kg、膨润土1.5kg以及硼砂1.5kg以1250r/min的速度搅拌25min，然后再加入六偏磷酸钠0.7kg、N,O-双三甲硅基羟胺0.2kg以及N-十二烷基甘氨酸0.075kg以700r/min的速度搅拌35min后，得到膨胀抗裂剂。
膨胀抗裂剂的制备例3：将硫铝酸钙30kg、硅酸钠6kg、膨润土2kg以及硼砂2kg以1500r/min的速度搅拌30min，然后再加入六偏磷酸钠0.8kg、N,O-双三甲硅基羟胺0.3kg以及N-十二烷基甘氨酸0.1kg以800r/min的速度搅拌40min后，得到膨胀抗裂剂。
膨胀抗裂剂的制备例4：本制备例与膨胀抗裂剂的制备例1的不同之处在于，原料中未添加N,O-双三甲硅基羟胺以及N-十二烷基甘氨酸。
三、实施例
实施例1：一种适于盾构空推施工的注浆液采用如下方法制备而得：
S1：将P.O.42.5普通硅酸盐水泥180kg、机制砂270kg、天然河砂270kg以及水200kg以500r/min的速度搅拌均匀，得到混合物；
S2：向混合物中加入膨胀抗裂剂14kg以及速凝剂2kg，以800r/min的速度搅拌10min后得到注浆液；其中膨胀抗裂剂选用膨胀抗裂剂的制备例1制备的膨胀抗裂剂，速凝剂选用速凝剂的制备例1制备的速凝剂。
实施例2：一种适于盾构空推施工的注浆液采用如下方法制备而得：
S1：将P.O.42.5普通硅酸盐水泥190kg、机制砂285kg、天然河砂285kg以及水220kg以550r/min的速度搅拌均匀，得到混合物；
S2：向混合物中加入膨胀抗裂剂17kg以及速凝剂3kg，以900r/min的速度搅拌12.5min后得到注浆液；其中膨胀抗裂剂选用膨胀抗裂剂的制备例2制备的膨胀抗裂剂，速凝剂选用速凝剂的制备例2制备的速凝剂。
实施例3：一种适于盾构空推施工的注浆液采用如下方法制备而得：
S1：将P.O.42.5普通硅酸盐水泥220kg、机制砂300kg、天然河砂300kg以及水240kg以600r/min的速度搅拌均匀，得到混合物；
S2：向混合物中加入膨胀抗裂剂20kg以及速凝剂4kg，以1000r/min的速度搅拌15min后得到注浆液；其中膨胀抗裂剂选用膨胀抗裂剂的制备例3制备的膨胀抗裂剂，速凝剂选用速凝剂的制备例3制备的速凝剂。
四、对比例
对比例1：本对比例与实施例1的不同之处在于，采用普通的速凝剂代替本发明中的无碱速凝剂，其中普通的速凝剂采用石家庄鑫研化工有限公司生产的J85速凝剂。
对比例2：本对比例与实施例1的不同之处在于，无碱速凝剂采用无碱速凝剂的制备例4制备的无碱速凝剂。
对比例3：本对比例与实施例1的不同之处在于，原料中未添加膨胀抗裂剂。
对比例4：本对比例与实施例1的不同之处在于，膨胀抗裂剂选自膨胀抗裂剂的制备例4制备的膨胀抗裂剂。
五、性能测试
将实施例1-3以及对比例1-4制备的注浆液，按照JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》对注浆液的凝结时间和固结体强度进行测试；按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对注浆液的泌水率进行测试；按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，将注浆液制备成标准试块，采用快速氯离子迁移系数法测试标准试块的氯离子渗透深度，逐级加压法测试标准试块的渗水深度；将测试结果示于表1。
表1
由以上数据可知，本发明制备的注浆液的初凝时间在1min以内，而终凝时间为4min以内，初凝时间短，在大下坡的施工环境中，可以防止注浆液窜流至盾构机的前面、固结堆填料、阻碍盾构推进；而固结体的早期强度与最终强度都比较高，说明本发明的注浆液在填充空隙时，可以起到压浆的作用，有利于防止地层产生沉降变形；此外泌水率低说明本发明的注浆液质量稳定；氯离子渗透深度以及渗水深度较低，说明本发明的注浆液具有防水抗渗性能，适用于富水地质的施工环境下使用。
对比例1中采用普通的速凝剂代替本发明中的无碱速凝剂，相较于实施例1，对比例1中注浆液的凝结时间、泌水率明显增加，说明普通的速凝剂不能有效的降低注浆液的初凝时间，初凝时间的延长，注浆液在大下坡施工的环境下易产生窜流的情况；由于普通的速凝剂中含有碱性物质，会降低膨胀抗裂剂的作用，因此会使注浆液的抗渗性能以及固结体强度明显降低。
对比例2中的无碱速凝剂采用无碱速凝剂的制备例4制备的无碱速凝剂，原料中不包含甘油以及十二烷基二甲基氧化胺，相较于实施例1，注浆液的初凝时间明显延长，但终凝时间延长幅度较小，说明无碱速凝剂中的甘油以及十二烷基二甲基氧化胺可以明显缩短注浆液的初凝时间，但对终凝时间影响较小；相较于实施例1，注浆液的固结体强度、泌水率以及抗渗性能有较小幅度的变化，说明甘油以及十二烷基二甲基氧化胺对注浆液的其他性能的影响较小。
对比例3中未添加膨胀抗裂剂，相较于实施例1，注浆液的凝结时间变化幅度较小，而固结体强度以及抗渗性能明显降低，说明膨胀抗裂剂可以明显改善注浆液的固结体强度以及抗渗性能。
对比例4中的膨胀抗裂剂选自膨胀抗裂剂原料中未添加N,O-双三甲硅基羟胺以及N-十二烷基甘氨酸，相较于实施例1，注浆液的凝结时间变化幅度较小，而固结体强度以及抗渗性能明显降低，相较于对比例3，注浆液的固结体强度以及抗渗性能明显增高，说明膨胀抗裂剂的其他原料有助于改善注浆液的固结体强度以及抗渗性能，而膨胀抗裂剂中的N,O-双三甲硅基羟胺以及N-十二烷基甘氨酸可以进一步改善注浆液的综合性能。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种适于盾构空推施工的注浆液，其特征在于：以重量份数计，包括如下组分：水泥180-220份、砂540-600份、膨胀抗裂剂14-20份、无碱速凝剂2-4份以及水200-240份；
所述速凝剂由以下重量份的原料组成：硫酸铝30-40份、乙二胺四乙酸2-4份、三异丙醇胺2-4份、甘油1-2份、磷酸0.5-1份、乙二酸0.3-0.5份、十二烷基二甲基氧化胺0.1-0.2份以及水20-30份。
2.根据权利要求1所述的适于盾构空推施工的注浆液，其特征在于：所述无碱速凝剂采用如下步骤制备：
①将硫酸铝置于水中，加热至70-75℃，搅拌后得到悬浮液；
②向步骤①中的悬浮液中加入磷酸以及乙二酸，以500-600r/min的速度搅拌10-15min，得到反应液；
③向反应液中加入乙二胺四乙酸、三异丙醇胺、甘油以及十二烷基二甲基氧化胺，加热至60-80℃后，以1000-2000r/min的速度搅拌10-20min，冷却至室温，得到无碱速凝剂。
3.根据权利要求2所述的适于盾构空推施工的注浆液，其特征在于：步骤①将硫酸铝置于水中之前，要先将硫酸铝研磨，然后再过200-300目筛筛选。
4.根据权利要求2所述的适于盾构空推施工的注浆液，其特征在于：步骤③中的升温速率为2-4℃/min。
5.根据权利要求1所述的适于盾构空推施工的注浆液，其特征在于：所述膨胀抗裂剂由以下重量份的原料组成：硫铝酸钙20-30份、硅酸钠4-6份、膨润土1-2份、硼砂1-2份、六偏磷酸钠0.6-0.8份、N,O-双三甲硅基羟胺0.1-0.3份以及N-十二烷基甘氨酸0.05-0.1份。
6.根据权利要求5所述的适于盾构空推施工的注浆液，其特征在于：所述膨胀抗裂剂采用如下方法制备：将硫铝酸钙、硅酸钠、膨润土以及硼砂以1000-1500r/min的速度搅拌20-30min，然后再加入六偏磷酸钠、N,O-双三甲硅基羟胺以及N-十二烷基甘氨酸以600-800r/min的速度搅拌30-40min后，得到膨胀抗裂剂。
7.根据权利要求6所述的适于盾构空推施工的注浆液，其特征在于：硅酸钠中二氧化硅≥26.0wt%，氧化钠≥12.8wt%，水不溶物≤0.38wt%，铁≤0.05 wt%，波美度为0.39-0.41，模数为3.1-3.4。
8.根据权利要求1所述的适于盾构空推施工的注浆液，其特征在于：所述砂为重量比为1:1的机制砂以及天然河砂。
9.根据权利要求1所述的适于盾构空推施工的注浆液，其特征在于：水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的适于盾构空推施工的注浆液的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将水泥180-220份、砂540-600份以及水200-240份以500-600r/min的速度搅拌均匀，得到混合物；
S2：向混合物中加入膨胀抗裂剂14-20份以及速凝剂2-4份，以800-1000r/min的速度搅拌10-15min后得到注浆液。
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