CN110590287A - 一种触变性灌浆材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种触变性灌浆材料及其制备方法。按照重量份计，由以下组分组成：水泥熟料1.0份、膨润土0.05～0.1份、纯碱0.002～0.005份、SM型植物胶0.02～0.05份、水0.8～0.9份。本发明解决了浆液稠度与泵送之间的技术矛盾，触变水泥膏浆兼有快速触变静态粘滞性与高压瞬间降解性，因而具有良好的触变可泵送性及其较小的管路损失。流动性可控，避免灌浆过程中跑浆、漏浆现象的发生。

Description

一种触变性灌浆材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种触变性灌浆材料及其制备方法，尤其涉及一种适用于沿江复杂地质条件强触变性灌浆材料及其制备方法。

背景技术

随着改革开放进程的不断深入，我国的社会化进程脚步不断加快，各项产业飞速发展。我国建筑业发展至今，大量的软弱复杂地基需要进行灌浆加固，高压旋喷灌浆技术已成为我国岩土、水利、矿井、煤炭、交通等工程技术领域的一个重要的组成部分。

传统的化学灌浆材料反应温度高、有污染和有毒性、成本高；水泥灌浆材料具有流动性难以控制、泌水率高、跑浆现象、不环保等特征；水泥膏浆因其塑性屈服强度较大，普遍存在可泵性差、管路损失大等缺陷。要避免上述现象的发生，则需浆液满足高静屈服强度且兼顾动屈服强度低的特点。

专利CN103739255B公开了一种高触变性水泥基灌浆材料，其灌浆材料中掺有细集料，如人工砂、天然砂，适用于构件连接处灌注，所配灌浆材料不适用于高压旋喷的小口径灌具。在材料上，需采用HP～60瓜尔胶配合流变助剂才能实现剪切变稀与触变性，而本申请中通过SM型植物胶便可达到这种要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种具有高触变性的灌浆材料；本发明的目的之二在于提供一种触变性灌浆材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种触变性灌浆材料，按照重量份计，由以下组分组成：水泥熟料1.0份、膨润土0.05～0.1份、纯碱0.002～0.005份、SM型植物胶0.02～0.05份、水0.8～0.9份。

进一步的，按照重量份计，由以下组分组成：水泥熟料1.0份、膨润土0.05～0.1份、纯碱0.002～0.005份、SM型植物胶0.04～0.05份、水0.8～0.9份。

进一步的，所述膨润土为Ⅱ级，其水分含量低于3wt％，粘度计600r/min读数不小于30，滤失量小于16.0cm³，塑性粘度小于3，75筛余不大于4.0％/(m/m)，膨胀倍数大于30。

进一步的，所述水泥熟料为42.5普通硅酸盐水泥，其烧矢量不大于5.0％，氧化镁含量小于5.0wt％，三氧化硫含量小于3.5wt％，3d抗压强度不低于17.0MPa，28d抗压强度不低于42.5MPa。

进一步的，所述纯碱中碳酸钠纯度不低于98wt％，铁含量小于0.01wt％，氯化物含量小于1.2wt％。

进一步的，所述SM型植物胶为SM-1型植物胶。

进一步的，SM-1型植物胶主要由非离子高分子聚合物组成，为褐黄色粉末状颗粒，无毒，木屑气味。SM-1型植物胶的主要成份为甘露糖与半乳糖形成的半乳甘露聚糖类物质，并配有1％～2％蛋白质、8％～10％纤维素、15％～20％淀粉、2.5％～3.5％脂肪等有机质和少量钙、镁等无机物质。整个半乳甘露聚糖结构是由多个β-1，4糖苷链连接D-半乳吡喃糖形成的主链相隔一定数量的甘露糖连接由α-1，6糖苷键连接一个D-半乳吡喃糖组成的多糖支链而形成的高分子聚合物。

进一步的，所述SM型植物胶的细度不大于80目，含水率小于10wt％，5wt％的SM型植物胶水溶液的表观粘度不小于12.0MPa·s、塑性黏度不小于8MPa·s、滤失量不大于16.0ml/30min。

进一步的，所述触变性灌浆材料(浆液状态)的24h析水率不超过5％，0min流动度不小于135mm，28天抗折强度不小于2MPa，28天抗压强度不小于10MPa。

如上所述的触变性灌浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据配比，分别称取水泥熟料、膨润土、纯碱、SM型植物胶和水，备用；

步骤二，将水泥熟料、膨润土、纯碱混合均匀，获得骨料混合物；

步骤三，将SM型植物胶加入到步骤二所获得的骨料混合物中，搅拌均匀，获得干料混合物；

步骤四，将步骤三获得的干料混合物与水混合，充分搅拌，获得触变性灌浆材料。

进一步的，膨润土、SM型植物胶、纯碱的混合物的细度为0.8-1.0％，表观密度为0.58-0.59g/cm³，含水率不高于9％，比表面积不低于460m²/kg。

本发明的触变性灌浆材料，以原材料来源丰富，成本低廉的普通硅酸盐水泥为基料，加入天然植物提取高分子SM-1植物胶作为触变剂，通过合理的配比，得到一种动剪强度低同时兼有高压泌水特性与粘滞自封性能、材料来源广泛、无毒无害、制备简便、适用地层广泛的灌浆材料。

本发明的触变性灌浆材料在搅拌及泵送过程中，具有高流动性，泵送停止后或静置条件下，能够快速失去流动性形成具有刚度、能自身支持的胶凝结构，呈现似膏状体。它具备环保无污染等特性，属于地基加固材料及创新型环保材料利用技术领域，尤其适用于沿江复杂地质条件。

本发明的灌浆材料兼有快速触变静态粘滞性与高压瞬间降解性，同时具有良好的触变可泵性、管路损失小、制备工艺简单，凝固时间适中，浆液稳定性好等特点。强触变性灌浆材料漏斗粘度指标不小于150s，流动度0min不小于135mm。适合于杂填土、淤泥质土、粘性土、粉土、粉细砂、砂卵石等沿江复杂地层加固灌浆处理。

本发明主要基于SM-1型植物胶的触变特性，配合水泥基凝胶材料，选用更加安全环保的纯碱(Na₂CO₃)代替烧碱，并通过反复试验研究，得出效果优异的配比，制成具有强触变性的灌浆材料。

纯碱Na₂CO₃充分电离成为Na⁺和CO₃ ^2-，水解产生OH^-，OH^-在聚糖分子之间与羧基形成氢键链接使得大量水分子束缚在聚糖之间，Na⁺使胶体粒子适度凝聚并适度水化。纯碱的加入降低植物胶间分子链的舒展，破坏分子链之间的缠绕，降低浆液的动剪强度。纯碱含量少会导致植物胶分子之间不能形成有效的链接，故适度纯碱对植物胶有促进作用。

植物胶分子富含亲水基，众多水化基束缚大量自由水，配合脂肪的成膜作用，植物胶对水和水泥颗粒的固定作用增强，提高了浆液的沉降稳定性。植物胶的半乳糖侧链与水分子作用形成氢键，纤维素等大分子的骨架拉结作用，浆液静屈服强度提高。在高压喷射流末端，动压和速度均减小至零，此时浆液所受外部应力小于静屈服应力，浆液不发生流动即静态粘滞性，有效控制漏浆、跑浆现象。

当施加的外力时或高压时，溶液中大分子结构沿动剪强度方向瞬间发生降解，剪切粘度减小。本发明的灌浆材料的动剪强度小于一般膏浆的动剪强度，即维持浆液流动所需的力较小，根据能量守恒定律，浆液泵送性能好且管路损失小。当外力撤销后，化学键可再次连接，其触变性可逆。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明以水泥熟料作为初始胶凝材料、纯碱作为催化剂、SM型植物胶作为主要触变剂、膨润土作为次要触变剂，原料与现有技术不同，并经过大量的实验研究，得到了适合的原料配比；

(2)本发明解决了浆液稠度与泵送之间的技术矛盾，触变水泥膏浆兼有快速触变静态粘滞性与高压瞬间降解性，因而具有良好的触变可泵送性及其较小的管路损失。流动性可控，避免灌浆过程中跑浆、漏浆现象的发生。

(3)本发明为有较高环保要求的加固灌浆问题提供了有效解决途径；

(4)本发明的材料制备方法简单，成本低廉，工业性应用优势大。

具体实施方式

以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域普通技术人员如何实施和再现本明。本发明中，若无特殊说明，百分含量一般表示质量百分含量。

实施例1

本实施了中，一种沿江复杂地质条件强触变性灌浆材料，按重量份计，由以下组分组成：水泥熟料1份、膨润土0.05份、纯碱0.002份、SM-1型植物胶0.02份、水0.8份。

其中，水泥熟料为42.5普通硅酸盐水泥，其烧矢量不大于5.0％，氧化镁含量小于5.0％，三氧化硫含量小于3.5％，3d抗压强度不低于17.0MPa，28d抗压强度不低于42.5MPa。

膨润土为Ⅱ级膨润土，其水分含量低于3％，粘度计600r/min读数不小于30，滤失量小于16.0cm³，塑性粘度小于3，75筛余不大于4.0％/(m/m)，膨胀倍数大于30。

纯碱中碳酸钠纯度不低于98％，铁含量小于0.01％，氯化物含量小于1.2％，纯碱与植物胶的最佳配比约为0.09～0.11：1。

SM-1型植物胶的主要成份为甘露糖与半乳糖形成的半乳甘露聚糖类物质，并配有1％～2％蛋白质、8％～10％纤维素、15％～20％淀粉、2.5％～3.5％脂肪等有机质和少量钙、镁等无机物质。整个半乳甘露聚糖结构是由多个β-1，4糖苷链连接D-半乳吡喃糖形成的主链相隔一定数量的甘露糖连接由α-1，6糖苷键连接一个D-半乳吡喃糖组成的多糖支链而形成的高分子聚合物。其细度不大于80目，含水率小于10％，5％植物胶水溶液表观粘度不小于12.0MPa·s、塑性黏度不小于8MPa·s、滤失量不大于16.0ml/30min。

本实施例的沿江复杂地质条件强触变性灌浆材料的制备方法为：

步骤一，根据上述的各组分的重量配比，用精度0.01的电子秤分别称取所需配比重量的水泥熟料、膨润土、纯碱、SM-1型植物胶触变剂和水备用；

步骤二，将水泥熟料、膨润土、纯碱混合，充分搅拌得到骨料混合物；

步骤三，将SM-1型植物胶触变剂加入到步骤二所制得的骨料混合物中，充分搅拌制得添加剂干料混合物；

步骤四，将步骤三得到的添加剂干料混合物与水混合，慢速搅拌2min；

步骤五，停滞5秒后，调至快速搅拌并充分搅拌2.5min；制得沿江复杂地质条件强触变性灌浆材料。

实施例2-5和对比例1-4

重复实施例1，仅改变SM-1植物胶的量，各组别的灌浆材料配方如表1所示。

表1各组别材料配合比例

组别	水：水泥熟料：膨润土：纯碱	SM-1植物胶
			对比例1	0.8:1:0.05:0.002	0.01
实施例1	0.8:1:0.05:0.002	0.02
			实施例2	0.8:1:0.05:0.002	0.03
实施例3	0.8:1:0.05:0.002	0.04
			实施例4	0.8:1:0.05:0.002	0.05
对比例2	0.8:1:0.05:0.002	0.06
			对比例3	0.8:1:0.05:0.002	0.07
对比例4	0.8:1:0.05:0.002	0.08

沿江复杂地质条件强触变性灌浆材料的性能测试，依据《建筑砂浆基本性能试验方法(JGJ 70-2009)》测定浆体密度。依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(JTG E30-2005)》采用水泥胶砂电动跳桌仪测试浆体流动度，采用DZK-6000型数显式抗折仪和YAW-300B微机控制电液式水泥压力试验机进行抗折、抗压试验。采用1006型泥浆粘度计进行浆体漏斗粘度测定。

由表2可以看出，随SM-1植物胶添加量的增加，初、终凝时间逐渐增长，两者呈正相关。当SM-1植物胶的添加量不超过0.05份时，初凝时间小于1天；当SM-1植物胶添加量超过0.05份时，初凝时间大于1天，不利于工期进度控制，同时造价也偏高。

表2各组别凝结时间情况表

表3漏斗粘度结果表明：随SM-1植物胶添加量的增加，漏斗粘度时间逐渐增长，当SM-1植物胶的添加量不超过0.03份时时，漏斗粘度时间较短，表明静屈服强度较低，当SM-1植物胶的添加量超过0.03份时，无法顺利流过5mm孔径，基本不流动，浆液显现一定的自支持刚度，表明在此配合比下浆液的静屈服强度较高。但随着含量增长，浆液成本造价将会提升，不利于成本控制。

表3不同组别漏斗粘度情况表

组别

对比例1

实施例1

实施例2

实施例3

实施例4

对比例2

对比例3

对比例4

粘度(s)

64

179

无流动

无流动

无流动

无流动

>960

>960

表4流动度试验结果表明：当SM-1植物胶的添加量不超过0.03份时，随着植物胶含量增长，流动度减小速率较快、幅度较大，随时间的变化幅度也较大；当SM-1植物胶添加量为0.03-0.05份时，随着植物胶含量增长，流动度变化减缓，随时间的变化幅度也明显减小；当SM-1植物胶的添加量为0.05-0.08份时，随着植物胶含量增长，流动度又出现增长。

表4各组别的流动度情况表

如表5抗压、抗折试验结果表明：当SM-1植物胶添加量不超过0.03份时，随着植物胶含量增长，28天抗折、抗压强度均逐渐减小；当SM-1植物胶添加量为0.03-0.08份份时，随着植物胶含量增长，早期3天强度较小，后期28天强度逐渐增加，但整体增长平缓。

表5各组别抗折、抗压强度情况表

由表6试验结果可知：SM-1植物胶可有效控制浆液的沉降稳定性和保水性。当SM-1植物胶添加量不超过0.03份时，浆液的析水较多，而当SM-1植物胶添加量为0.03-0.05份时，浆液的2h析水率均小于5％，证明浆液的稳定性好，保水性强。随着植物胶含量的继续增大，浆液的析水率减小至零，几乎不产生泌水现象，但考虑经济性，植物胶的添加量为0.03-0.05份最为合适。

表6各组别析水率的情况表

组别	1h析水率(％)	2h析水率(％)
			对比例1	5.12	7.93
实施例1	4.05	6.17
			实施例2	3.08	4.90
实施例3	2.45	4.00
			实施例4	0	0.62
对比例2	0	0.15
			对比例3	0	0
对比例4	0	0

沿江复杂地层主要要求灌浆材料具有强触变性，即静屈服强度高动剪强度低等特性。从漏斗粘度试验和流动度试验结果分析，同时结合初凝终凝时间、抗压抗折强度、吸水率、工程造价等指标，得出：当触变性灌浆材料配比为，水泥熟料1.0份、膨润土0.05～0.1份、纯碱0.002～0.005份、SM-1型植物胶触变剂0.03～0.05份、水0.8～0.9份时，浆液具有较高的静屈服强度和较低的动剪强度，浆液沉降稳定性好、可泵性、可灌性性能好，安全环保、造价低廉。此配比的强触变性灌浆材料漏斗粘度指标不小于150s，流动度0min不小于135mm。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种触变性灌浆材料，其特征在于，按重量份计，由以下组分组成：水泥熟料1.0份、膨润土0.05～0.1份、纯碱0.002～0.005份、SM型植物胶0.02～0.05份、水0.8～0.9份。

2.根据权利要求1所述的触变性灌浆材料，其特征在于，按重量份计，由以下组分组成：水泥熟料1.0份、膨润土0.05～0.1份、纯碱0.002～0.005份、SM型植物胶0.04～0.05份、水0.8～0.9份。

3.根据权利要求1所述的触变性灌浆材料，其特征在于，所述膨润土为Ⅱ级，其水分含量低于3wt％，粘度计600r/min读数不小于30，滤失量小于16.0cm³，塑性粘度小于3，75筛余不大于4.0%/（m/m），膨胀倍数大于30。

4.根据权利要求1所述的触变性灌浆材料，其特征在于，所述水泥熟料为42.5普通硅酸盐水泥，其烧矢量不大于5.0％，氧化镁含量小于5.0wt%，三氧化硫含量小于3.5wt%，3d抗压强度不低于17.0MPa，28d抗压强度不低于42.5MPa。

5.根据权利要求1所述的触变性灌浆材料，其特征在于，所述纯碱中碳酸钠纯度不低于98wt％，铁含量小于0.01wt%，氯化物含量小于1.2wt％。

6.根据权利要求1所述的触变性灌浆材料，其特征在于，所述SM型植物胶为SM-1型植物胶。

7.根据权利要求1所述的触变性灌浆材料，其特征在于，所述SM型植物胶的细度不大于80目，含水率小于10wt％，5wt%的SM型植物胶水溶液的表观粘度不小于12.0MPa·s、塑性黏度不小于8 MPa·s、滤失量不大于16.0ml/30min。

8.根据权利要求1所述的触变性灌浆材料，其特征在于，所述触变性灌浆材料的24h析水率不超过5%，0min流动度不小于135mm，28天抗折强度不小于2MPa，28天抗压强度不小于10MPa。

9.如权利要求1-8任一项所述的触变性灌浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据配比，分别称取水泥熟料、膨润土、纯碱、SM型植物胶和水，备用；

步骤二，将水泥熟料、膨润土、纯碱混合均匀，获得骨料混合物；

步骤三，将SM型植物胶加入到步骤二所获得的骨料混合物中，搅拌均匀，获得干料混合物；

步骤四，将步骤三获得的干料混合物与水混合，充分搅拌，获得触变性灌浆材料。