CN110183189B - 初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液及配制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液及配制方法，包括以下质量份数的原料：水400‑500份，水泥200‑300份，粉煤灰200‑500份，砂600‑900份，羟乙基甲基纤维素0.1‑2.0份，甲酸钙0‑100份。本发明可以实现高渗透富水地层同步注浆抗水分散性能要求，尤其可以通过本发明实现盾构同步注浆过程中浆液初凝时间及抗压强度的控制，以解决工程实际中与不同地层状况、盾构掘进及管片拼装速度、注浆设备性能等方面相适应的浆液初凝时间要求。

Description

初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液及配制方法

技术领域

本发明属于盾构隧道施工建筑材料领域，具体涉及一种初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液及配制方法。

背景技术

作为填充盾尾间隙、稳固地层的重要工艺，同步注浆过程中所需的浆液需有较好的流动性、稳定性，较小的流动性经时损失以及合理的凝结时间等性能。然而，在近年来盾构隧道施工过程中，常常会遇到诸如高渗透性地层、富水岩溶环境、以及裂隙发育的富水岩质地层等富水环境。由于普通同步注浆浆液在富水地层条件下易造成离析、胶凝材料流失、胶凝体不密实甚至空洞、耐久性不足等问题，因此，需对现有的水泥基普通注浆浆液性能进行提升，在保证原有浆液流动性、稳定性、胶凝时间、后期强度等性能前提下，提高其抗水分散性，以期获得一种工作性能优良的水泥基抗水分散同步注浆浆液。

目前，针对盾构同步注浆浆液抗水分散性能优化，所使用的外加剂主要为各类纤维素醚。但试验证明纤维素醚在改善浆液的抗水分散性能及稳定性的同时，也会对浆液胶凝时间及后期强度产生较大的影响。仅靠调整同步注浆基础配合比无法有效缩短初凝时间同时提高强度值，因此需引入新的外加剂以期改善纤维素醚改性浆液的初凝时间及后期强度。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有盾构隧道纤维素醚改性同步注浆浆液初凝时间长、后期强度低的缺点，提供一种适用于高渗透富水地层且初凝时间可控的盾构同步注浆浆液及配制方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液，包括以下质量份数的原料：水400-500份，水泥200-300份，粉煤灰200-500份，砂600-900份，羟乙基甲基纤维素0.1-2.0份和甲酸钙0-100份。

进一步地，包括以下质量份数的原料：水400-450份，水泥210-280份，粉煤灰200-400份，砂650-800份，羟乙基甲基纤维素0.2-1.0份和甲酸钙0-80份。

进一步地，粉煤灰为Ⅱ级灰，含水量≤5％，通过0.045mm方孔筛筛余的细度为20-45％。

进一步地，砂为细度模数2.2-2.8，粒径＜5mm的中细砂。

进一步地，羟乙基甲基纤维素粘度为10W，纯度大于98％。

进一步地，甲酸钙为纯度大于98％的粉末状甲酸钙。

上述的初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液的配制方法，包括以下步骤：

S1.将羟乙基甲基纤维素加入水中搅拌至溶解，得到溶液；

S2.在S1步骤所得溶液中加入水泥、粉煤灰、甲酸钙及三分之一的砂，搅拌均匀，得到混合物；

S3.在S2步骤所得混合物中缓慢加入剩余三分之二的砂，搅拌均匀，即得。

进一步地，S2步骤中的搅拌时间为1-5min，优选为2min。

浆液配制方法流程简单，且以普通同步注浆材料作为基材，材料易于获取，且浆液质量易于控制。本浆液以流动度、抗水分散性(包括浊度、pH值及水陆强度比)作为主要控制指标。即流动度＞25cm、浊度＜100NTU、PH＜10、水陆强度比＞80％。初凝时间根据需要可在4.5-20h范围调整，水中抗压强度在相应区间(3d抗压强度0.56-1MPa，7d抗压强度0.8-1.2MPa，28d抗压强度1.5-2.2MPa)内随之变动。

本发明的抗水分散同步注浆浆液的材料组成包括水泥、粉煤灰、中细砂、水、羟乙基甲基纤维素、甲酸钙。其中水泥与粉煤灰均为胶凝活性材料，水泥主要提高胶凝体早期强度，而粉煤灰则在后期强度发挥作用；中细砂为浆液的填充材料；羟乙基甲基纤维素作为絮凝剂，能够提高浆液的保水性、稳定性及抗水分散性能；甲酸钙作为促凝剂，在对纤维素醚改性浆液流动性、泌水率、抗水分散性能等指标影响程度小的同时，能够加速浆液的初凝，缩短浆液的初凝时间。

由于纤维素醚的掺入，阻碍了普通水泥基同步注浆浆液中活性胶凝颗粒的溶解及水化产物的生成，从而引起浆液初凝时间过长，往往达不到实际施工中对初凝时间的要求。而甲酸钙可以加速水泥基材料系统中C₃S的水化过程，同时也可提高钙离子的浓度加快硅酸钙的结晶，有利于水泥石结构的形成，从而提高纤维素醚改性同步注浆浆液的初凝时间及早期强度。

所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅱ级灰，细度(0.045mm方孔筛筛余)20％-45％，含水量≤5％；所述砂为中细砂，细度模数2.2-2.8，粒径＜5mm；所述羟乙基甲基纤维素为10W粘度，纯度＞98％，由甲基纤维素(MC)中引入环氧乙烷取代基制得，属于非离子型纤维素醚，呈白色或类白色粉末；所述甲酸钙为纯度大于98％的粉末状甲酸钙。

常温下各组分按配合比混合搅拌均匀即可，浆液配制的关键点在于投料的顺序，确保羟乙基甲基纤维素完全溶解于水后再添加其他材料。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所应用的改良材料是羟乙基甲基纤维素和甲酸钙。羟乙基甲基纤维素能够改善浆液的保水性、抗水分散性能；甲酸钙能够加速浆液中C₃S的水化反应，同时提高钙离子浓度以加快硅酸钙的结晶，有效缩减浆液初凝时间同时提高早期强度，同时甲酸钙有一定的减水作用；

2、本发明中甲酸钙的掺量是根据工程实际灵活调整的。由于甲酸钙掺量与浆液初凝速度呈正相关，故在保证浆液流动性、泌水率、抗水分散性能变化不大的前提下，甲酸钙的掺量可在0-14％范围内调整，使得浆液初凝时间控制在4.5-21h范围内；

3、本发明中甲酸钙能够有效解决普通水泥基浆液在掺入纤维素醚后强度衰减过大、抗压强度偏低的问题。传统的纤维素醚改性浆液往往是通过增加水泥含量的方法来解决强度偏低的问题，但水泥含量的增加会对浆液流动性等造成不利影响。甲酸钙能在不明显影响其他性能指标的前提下提高浆液后期强度；

4、本发明通过各材料相互配合，使得浆液产生了极佳的效果，本浆液配制方法简单，同时浆液保水性好、泌水率低、抗水分散性优良，抗压强度较高，适宜推广应用。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液，具体配制步骤如下：

首先按照以下配合比称取各原料组分，单位体积用量(kg/m3)如下：水泥240，粉煤灰300，水432，砂775，羟乙基甲基纤维素0.33，甲酸钙75.5，除水以外其他材料均为粉状或颗粒状。

其中，所用水泥四川兰丰水泥有限公司生产的标号为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为产自四川省成都市的Ⅱ级灰，细度(0.045mm方孔筛筛余)20％-45％，含水量≤5％；所述砂为成都地区河砂，细度模数2.2-2.8，粒径＜5mm；所用羟乙基甲基纤维素为山东优索化工科技有限公司生产的参数为10W粘度，纯度大于98％的羟乙基甲基纤维素，呈白色或类白色粉末；所用甲酸钙为山东优索化工科技有限公司生产的纯度大于98％的粉末状甲酸钙；所用水为成都普通生活用水，pH测试值为7.9。

将上述原料根据配合比在常温下配制顺序为：先加水、羟乙基甲基纤维素，并搅拌至完全溶解，再均匀投入水泥、粉煤灰、三分之一的砂及甲酸钙，搅拌2min直至净浆中无材料结块、成团，最后均匀加入剩余三分之二的砂，并继续搅拌至最终所需浆液。

实施例2

本发明较佳实施例提供的一种初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液，具体配制步骤如下：

首先按照以下配合比称取各原料组分，单位体积用量(kg/m3)如下：水泥240，粉煤灰300，水432，砂775，羟乙基甲基纤维素0.33，除水以外其他材料均为粉状或颗粒状。

其中，所用水泥四川兰丰水泥有限公司生产的标号为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为产自四川省成都市的Ⅱ级灰，细度(0.045mm方孔筛筛余)20％-45％，含水量≤5％；所述砂为成都地区河砂，细度模数2.2-2.8，粒径＜5mm；所用羟乙基甲基纤维素为山东优索化工科技有限公司生产的参数为10W粘度，纯度大于98％的羟乙基甲基纤维素，呈白色或类白色粉末；所用水为成都普通生活用水，pH测试值为7.9。

将上述原料根据配合比在常温下配制顺序为：先加水、羟乙基甲基纤维素，并搅拌至完全溶解，再均匀投入水泥、粉煤灰及三分之一的砂，搅拌2min直至净浆中无材料结块、成团，最后均匀加入剩余三分之二的砂，并继续搅拌至最终所需浆液。

实施例3

本发明较佳实施例提供的一种初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液，具体配制步骤如下：

首先按照以下配合比称取各原料组分，单位体积用量(kg/m3)如下：水泥240，粉煤灰300，水432，砂775，羟乙基甲基纤维素0.33，甲酸钙55，除水以外其他材料均为粉状或颗粒状。

其中，所用水泥四川兰丰水泥有限公司生产的标号为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为产自四川省成都市的Ⅱ级灰，细度(0.045mm方孔筛筛余)20％-45％，含水量≤5％；所述砂为成都地区河砂，细度模数2.2-2.8，粒径＜5mm；所用羟乙基甲基纤维素为山东优索化工科技有限公司生产的参数为10W粘度，纯度大于98％的羟乙基甲基纤维素，呈白色或类白色粉末；所用甲酸钙为山东优索化工科技有限公司生产的纯度大于98％的粉末状甲酸钙；所用水为成都普通生活用水，pH测试值为7.9。

将上述原料根据配合比在常温下配制顺序为：先加水、羟乙基甲基纤维素，并搅拌至完全溶解，再均匀投入水泥、粉煤灰、三分之一的砂及甲酸钙，搅拌2min直至净浆中无材料结块、成团，最后均匀加入剩余三分之二的砂，并继续搅拌至最终所需浆液。

实验例

对实施例1所得样品的性能参数进行测定，测试方法如下：

(1)流动度的测定：采用跳桌法进行测定。测试方法参照GBT2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行；

(2)泌水率的测定：将拌和均匀的水泥砂浆缓慢注入1000ml的量筒内至砂浆液面位于900mL，此时砂浆液面高度为h₁，并用塑料薄膜覆盖量筒口。待静置起30min后，观测砂浆浆体膨胀面高度h₂，然后按照以下公式计算泌水率：

泌水率取三个试样测值的平均值；

(3)初凝时间的测定：采用砂浆初凝时间测试仪进行，试验流程参照JGJ 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》中的方法进行；

(4)浊度、pH值的测定：采用自主研发的同步注浆抗水分散试验推进装置，并配合浊度计及pH计进行测定；

(5)水陆强度比的确定：将同一配合比的水泥基材料分别在水中和空气环境中入模成型后，在同一养护条件下至某一龄期后，分别测定两种不同入模条件下试件的抗压强度，水中强度与陆上强度之比即为水陆强度比；

(6)各龄期水中强度：参照DL/T5117-2000《水下不分散混凝土试验规程》进行水中试件的制作，试件的成型采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的带底试模，水中试模制作完成后参照JGJ 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行养护及抗压强度的测定。

所得结果如下：流动度25.7cm，泌水率＜0.5％，初凝时间4.5h，浊度72.4NTU，PH值为9.53，水陆强度比＞80％，3d、7d、28d水中强度分别为0.97MPa、1.17MPa、2.2MPa。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液，其特征在于，包括以下质量份数的原料：水400-500份，水泥200-300份，粉煤灰200-500份，砂600-900份，羟乙基甲基纤维素0.1-2.0份和甲酸钙55-100份。

2.根据权利要求1所述的初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液，其特征在于：所述粉煤灰为Ⅱ级灰，含水量≤5%，通过0.045mm方孔筛筛余的细度为20-45%。

3.根据权利要求1所述的初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液，其特征在于：所述砂为细度模数2.2-2.8，粒径＜5mm的中细砂。

4.根据权利要求1所述的初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液，其特征在于：所述羟乙基甲基纤维素粘度为10W，纯度大于98%。

5.根据权利要求1所述的初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液，其特征在于：所述甲酸钙为纯度大于98%的粉末状甲酸钙。

6.权利要求1-5中任一项所述的初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液的配制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将羟乙基甲基纤维素加入水中搅拌至溶解，得到溶液；

S2.在S1步骤所得溶液中加入水泥、粉煤灰、甲酸钙及三分之一的的砂，搅拌均匀，得到混合物；

S3.在S2步骤所得混合物中缓慢加入剩余三分之二的砂，搅拌均匀，即得。

7.根据权利要求6所述的初凝时间可控的盾构抗水分散同步注浆浆液的配制方法，其特征在于：所述S2步骤中的搅拌时间为1-5min。