CN109626936A - 一种石膏基水硬性灌浆材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石膏基水硬性灌浆材料及其制备方法与应用，该灌浆材料主要由石膏组分、矿渣组分、水泥组分、砂组分、减水剂组分、促凝组分和保水剂组分组成。本发明提供的灌浆材料在石膏和矿渣的反应下生成水化硫铝酸钙，即钙矾石，使得水硬性矿物的生成量多且稳定；同时矿渣与水泥发生二次水化反应，生成C‑S‑H凝胶，使灌浆能够稳定的存在于基体中，为基体提供另一个强度来源，与钙矾石共同构成了整体结构，提升了地基基体的力学性能和软化系数；此外，石膏、矿渣、水泥三种胶凝材料的共同作用下，稳定了地基基体内的水化和矿物反应产物，避免了当地基基体遇水后，造成强度大量损失的情况；此外，掺入促凝组分，解决了石膏组分缓凝的问题。

Description

一种石膏基水硬性灌浆材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种石膏基水硬性灌浆材料及其制备方法与应用。

背景技术

灌浆材料为达到确定的工程目的所选用的，能够以液态形式存在，且便于利用液压、气压或电化学原理注入相应介质的裂缝、裂隙、孔隙等内部空间并具有胶结固化能力，使介质的泄露通道得到堵塞、物理性状及力学性能得到改善的一类工程材料的总称，灌浆材料又经常被称之为注浆材料。

目前，对于地基沉降问题采用最多的方法就是灌浆法或注浆法，即利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置，将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成结构新、强度大、防水性和化学稳定性良好的结石体；该方法不仅造价低、施工方便，而且能够很好地消除地基沉降带来的一些不利影响。

目前用于灌浆法处理地基沉降的材料主要有水泥基材料和合成化学材料两种。水泥基的材料虽然量广价低，但因其本身较为稠密，导致其不能渗入一些微小的缝隙，且水泥的大量使用亦会增加环境负荷，不符合低碳环保的发展理念；合成化学材料虽流动性大，在地基层中扩散效果好，但高分子材料本身却具有造价高、有一定毒性等缺点，阻碍了其广泛推广应用。

石膏是单斜晶系矿物，是主要化学成分为硫酸钙(CaSO4)的水合物，石膏是一种用途广泛的工业材料和建筑材料，可用于水泥缓凝剂、石膏建筑制品、模型制作、医用食品添加剂、硫酸生产、纸张填料、油漆填料等。

若能将石膏应用于处理地基沉降的问题，能够很大程度地降低处理路基沉降的成本，故对石膏作为灌浆材料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在此提供一种有助于提升地基的力学性能和软化系数，且能够避免当地基遇水后，造成灌浆材料强度大量损失情况的石膏基水硬性灌浆材料。

为实现本发明的目的，在此所提供的石膏基水硬性灌浆材料主要由石膏组分、矿渣组分、水泥组分、砂组分、减水剂组分、促凝组分和保水剂组分组成。

具体的，各组分的重量百分比为：

具体的，石膏组分为非煅烧石膏。

本发明提供的石膏基水硬性灌浆材料的通过以下步骤制备：

步骤1：按照所述的各组分的重量百分比称量所需的石膏组分、矿渣组分、水泥组分、砂组分、减水剂组分、促凝组分和保水剂组分，在搅拌机中充分搅拌均匀，形成灌浆材料固体，装袋；

步骤2：将步骤1所得的灌浆材料固体运至施工现场，按实际需求量取固料，按照水固比为0.14加水搅拌均匀；

步骤3：将步骤2中所得混合物持续搅拌3-10min至混合均匀，得到石膏基水硬性灌浆材料。

本发明提供的石膏基水硬性灌浆材料可以应用在公路路基结构加固、路面沉降和注浆修补领域中。

本发明的有益效果包括：

1、石膏和矿渣的反应下生成水化硫铝酸钙，即钙矾石，使得水硬性矿物的生成量多且稳定；同时矿渣与水泥发生二次水化反应，生成C-S-H凝胶，使灌浆能够稳定的存在于基体中，为基体提供另一个强度来源，与钙矾石共同构成了整体结构，提升了地基基体的力学性能和软化系数；此外，石膏、矿渣、水泥三种胶凝材料的共同作用下，稳定了地基基体内的水化和矿物反应产物，避免了当地基基体遇水后，造成强度大量损失的情况；此外，掺入促凝组分，解决了石膏组分缓凝的问题；

2、采用非煅烧石膏，非煅烧石膏如煅烧石膏的性质截然不同，非煅烧石膏的主要成分为二水硫酸钙，遇水不反应，本身不具有胶凝性质；而煅烧石膏的主要成分为半水硫酸钙或无水硫酸钙，遇水后可与水反应生成二水硫酸钙，为气硬性胶凝材料。而非煅烧石膏-矿渣-水泥复合胶凝材料的水化硬化机理为，二水硫酸钙在胶凝材料的存在下，与其发生矿物反应，生成水硬性的钙矾石，与胶凝材料水化和辅助胶凝材料二次水化生成的C-S-H凝胶一起形成共同结构，产生强度；且采用非煅烧石膏实现了节能减排；

3、石膏重量百分比占比能够达到30％，减少了水泥用量以及矿渣用量，更进一步地节约了成本，有助于灌浆材料的大量推广；并且由于石膏相较于水泥和矿渣的颗粒更粗大，在配制灌浆材料的时候，具有更好的颗粒级配，提高了灌浆材料的流动性以及流动度保持性能。

具体实施方式

为了更好地理解本发明所提供的技术方案，下面结合实施例进一步对本发明的技术方案进行阐明，但本发明所要求保护的技术方案不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例的石膏基水硬性灌浆材料，由石膏组分、水泥组分、矿渣组分、砂组分、减水剂组分、促凝剂组分和保水剂组分组成，其凝结时间测试参照标准GB/T1346-2011《水泥标准用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行；力学性能试验参照GBT/17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行；流动度试验参照GB50119-2013《混凝土外加剂应用技术规范》进行；竖向膨胀率参照GB50119-2013《混凝土外加剂应用技术规范》进行；软化系数参考JC/T698-2010《石膏砌块》进行。

其中，石膏组分可以采用现有的任何一种石膏，如脱硫石膏或磷石膏等化学石膏，在此采用非煅烧石膏，可以是原状二水磷石膏、烘干二水磷石膏废料、磨细二水磷石膏废料等二水磷石膏，采用磷石膏作为石膏组组分不仅能够很大程度地降低处理路基基体沉降的成本，而且能够有效提高磷石膏的利用率，大大减轻了环境负荷。

此外，矿渣组分可以是S95、S105、S115等的磨细粒化高炉矿渣；水泥组分可以是PO325、PO425、PO525等的普通硅酸盐水泥；砂组分可以是颗粒小于4.75cm的河砂、机制砂、石英砂等中砂；减水剂组分可以是粉状聚羧酸高性能减水剂、萘系减水剂中的一种或几种复配；促凝组分可以是硫铝酸盐水泥、高铝水泥、偏铝酸钠等速凝剂中的一种或几种复配，促凝组分的掺入可缩短体系凝结时间，其掺量越大，越可促凝水化反应的发生，凝结时间越短；保水剂组分可以是甲基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素醚等保水剂中的一种或几种复配。

实施例一

石膏基水硬性灌浆材料，各组分重量百分比如下：

二水磷石膏30％；

S105矿渣15％；

PO525水泥5％；

砂42.7％；

减水剂0.3％；

促凝组分5％；

保水剂2％。

石膏基水硬性灌浆材料的制备步骤为：步骤1：按照所述的各组分的重量百分比称量所需的二水磷石膏、矿渣、水泥、砂、减水剂、促凝组分和保水剂，在搅拌机中充分搅拌均匀，形成灌浆材料固体，装袋；步骤2：将步骤1所得的灌浆材料固体运至施工现场，按实际需求量取固料，按照水固比为0.14加水搅拌均匀；步骤3：将步骤2中所得混合物持续搅拌3-10min至混合均匀，得到石膏基水硬性灌浆材料。其性能测试结果如表1所示。

实施例二

石膏基水硬性灌浆材料，各组分重量百分比如下：

二水磷石膏23.5％；

S105矿渣15％；

PO525水泥12.5％；

砂44.8％；

减水剂0.2％；

促凝组分3％；

保水剂1％。

石膏基水硬性灌浆材料的制备步骤为：步骤1：按照所述的各组分的重量百分比称量所需的二水磷石膏、矿渣、水泥、砂、减水剂、促凝组分和保水剂，在搅拌机中充分搅拌均匀，形成灌浆材料固体，装袋；步骤2：将步骤1所得的灌浆材料固体运至施工现场，按实际需求量取固料，按照水固比为0.14加水搅拌均匀；步骤3：将步骤2中所得混合物持续搅拌3-10min至混合均匀，得到石膏基水硬性灌浆材料。其性能测试结果如表1所示。

实施例三

石膏基水硬性灌浆材料，各组分重量百分比如下：

二水磷石膏15％；

S115矿渣30％；

PO325水泥5％；

砂45％；

减水剂0.3％；

促凝组分3.8％；

保水剂0.9％。

石膏基水硬性灌浆材料的制备步骤为：步骤1：按照所述的各组分的重量百分比称量所需的二水磷石膏、矿渣、水泥、砂、减水剂、促凝组分和保水剂，在搅拌机中充分搅拌均匀，形成灌浆材料固体，装袋；步骤2：将步骤1所得的灌浆材料固体运至施工现场，按实际需求量取固料，按照水固比为0.14加水搅拌均匀；步骤3：将步骤2中所得混合物持续搅拌3-10min至混合均匀，得到石膏基水硬性灌浆材料。其性能测试结果如表1所示。

实施例四

石膏基水硬性灌浆材料，各组分重量百分比如下：

二水磷石膏15％；

S95矿渣17.1％；

PO425水泥20％；

砂45％；

减水剂0.4％；

促凝组分2％；

保水剂0.5％。

石膏基水硬性灌浆材料的制备步骤为：步骤1：按照所述的各组分的重量百分比称量所需的二水磷石膏、矿渣、水泥、砂、减水剂、促凝组分和保水剂，在搅拌机中充分搅拌均匀，形成灌浆材料固体，装袋；步骤2：将步骤1所得的灌浆材料固体运至施工现场，按实际需求量取固料，按照水固比为0.14加水搅拌均匀；步骤3：将步骤2中所得混合物持续搅拌3-10min至混合均匀，得到石膏基水硬性灌浆材料。其性能测试结果如表1所示。

实施例五

石膏基水硬性灌浆材料，各组分重量百分比如下：

脱硫石膏16％；

S95矿渣28％；

PO425水泥6％；

砂45％；

减水剂0.3％；

促凝组分3.8％；

保水剂0.9％。

石膏基水硬性灌浆材料的制备步骤为：步骤1：按照所述的各组分的重量百分比称量所需的脱硫石膏、矿渣、水泥、砂、减水剂、促凝组分和保水剂，在搅拌机中充分搅拌均匀，形成灌浆材料固体，装袋；步骤2：将步骤1所得的灌浆材料固体运至施工现场，按实际需求量取固料，按照水固比为0.14加水搅拌均匀；步骤3：将步骤2中所得混合物持续搅拌3-10min至混合均匀，得到石膏基水硬性灌浆材料。其性能测试结果如表1所示。

对比例1：

对比例各组分重量百分比如下：

二水磷石膏23.5％；

S105矿渣15％；

525水泥12.5％；

砂44.6％；

减水剂0.2％；

混合均匀按水固比0.14加水搅拌均匀后施工，其性能测试结果如表1所示。

表1实施例性能测试结果

本发明提供的石膏基水硬性灌浆材料可以广泛应用于路基结构加固、路面沉降、及注浆修补等领域。此外，非煅烧石膏构成石膏基水硬性灌浆材料能加固修补工程中开裂受损的混凝土，不仅成本较低，而且效果显著，解决了传统修复方法代价大、效果差的问题，提高了工程中材料的耐久性。

石膏基水硬性灌浆材料对公路路基沉降加固的凝结硬化机理是充分利用石膏中主要成分为硫酸钙的的特点，与矿渣、水泥发生矿物反应生成水化物或结晶产物填充、密实整个体系结构。对于非煅烧石膏基水硬性灌浆材料，凝结时间与水泥基灌浆料有较大差异。主要原因是，石膏中含有大量可溶性磷，而可溶性磷的存在会使得体系发生超缓凝；导致灌浆料的早期强度显著降低。对于一种非煅烧石膏基水硬性灌浆材料，需向其中添加促凝组分，如硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥相互作用可缩短凝结时间提高早期强度，如铝酸盐速凝剂对体系的促凝作用可大幅抵消可溶性磷对体系的缓凝作用效果。当加水开始水化反应后，硅酸盐水泥的水化为体系提供了早期强度，而钙矾石的生成则为保证了体系强度的持续发展。

以上所述仅是本发明的优选实施例，然其并非用以限定本发明，应当指出任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种石膏基水硬性灌浆材料，其特征在于：该灌浆材料主要由石膏组分、矿渣组分、水泥组分、砂组分、减水剂组分、促凝组分和保水剂组分组成。

2.根据权利要求1所述的石膏基水硬性灌浆材料，其特征在于：各组分的重量百分比为：

3.根据权利要求1或2所述的石膏基水硬性灌浆材料，其特征在于：所述石膏组分为非煅烧石膏。

4.根据权利要求1或2所述的石膏基水硬性灌浆材料，其特征在于：所述石膏组分为磷石膏或脱硫石膏。

5.根据权利要求1所述的石膏基水硬性灌浆材料，其特征在于：所述矿渣组分为磨细粒化高炉矿渣。

6.根据权利要求1所述的石膏基水硬性灌浆材料，其特征在于：所述减水剂组分为粉状聚羧酸高性能减水剂和萘系减水剂中的一种或几种复配。

7.根据权利要求1所述的石膏基水硬性灌浆材料，其特征在于：所述促凝组分为硫铝酸盐水泥、高铝水泥和偏铝酸钠中的一种或几种复配。

8.根据权利要求1所述的石膏基水硬性灌浆材料，其特征在于：所述保水剂组分为甲基纤维素醚和羟丙基甲基纤维素醚中的一种或几种复配。

9.权利要求1-8任意一项所述的石膏基水硬性灌浆材料的制备方法，其特征在于：具体制备步骤如下：

步骤1：按照所述的各组分的重量百分比称量所需的石膏组分、矿渣组分、水泥组分、砂组分、减水剂组分、促凝组分和保水剂组分，在搅拌机中充分搅拌均匀，形成灌浆材料固体，装袋；

步骤2：将步骤1所得的灌浆材料固体运至施工现场，按实际需求量取固料，按照水固比为0.14加水搅拌均匀；

步骤3：将步骤2中所得混合物持续搅拌3-10min至混合均匀，得到石膏基水硬性灌浆材料。

10.权利要求1-8任意一项所述的石膏基水硬性灌浆材料在公路路基结构加固、路面沉降和注浆修补领域中的应用。