CN111548047B - 一种高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂及其使用方法，本发明所述水泥抗冲蚀剂包括以下重量份的原料混合而成：含铝无机盐65～93份，增稠剂5～12份，矿物掺合料2～5份，激发剂7～18份。该水泥抗冲蚀剂可在低掺量下提升高水灰比水泥浆液的抗冲蚀性能，并且使水泥浆液具有较低的流动度和较长的初凝时间，不仅能够在大空隙、松散地层中形成大直径的水泥土桩，而且较长的初凝时间便于在水泥土桩成桩后插入预制桩的施工作业，可有效避免水泥材料的流失，易于施工。
Description
技术领域
本发明涉及水泥注浆技术领域，特别是涉及一种高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂及其使用方法。
背景技术
随着我国城市化建设快速发展，土地资源日益匮乏。新兴城市、大型厂区、机场、住宅社区的建设用地开始向近海拓展。抛石填海所形成的场地越来越多，该地层的特点为：回填材料大部分为开山区碎石、块石，回填粒径大，一般粒径200～600mm，最大粒径超过4000mm；回填厚度大，最大回填厚度可达近50 余米；回填土密实度差，结构松散，颗粒之间的空隙大；地下水丰富，且存在水头差，地下水水平径流速度快。
采用高压喷射注浆工艺对上述地质条件场地进行地基加固时，由于高水灰比的水泥浆液的流动度大，注入地层中的水泥浆液会迅速随地下水的流动而流失，不仅不能形成水泥土桩，而且因其抗冲蚀性能较低，会造成水泥材料的浪费。
为了增加水泥浆液的抗冲蚀性，目前利用速凝剂对水泥浆液进行增稠速凝，但是传统的速凝剂使用过程中凝结时间短，凝结过快。采用水玻璃进行速凝， 2min即可使得水泥浆液终凝，不利于喷入地层中的浆液的渗透，导致不能形成大直径的水泥土桩。同时在一些施工中，需要在形成水泥土桩后插入预制桩，如果水泥浆凝结过快，则无法将预制桩顺利插入到水泥土桩中，因此，需要使得注浆后的水泥浆具有较长的凝结时间。
为此，如何提高喷入地层中的水泥浆液的抗冲蚀性和流动度，同时使其具有较长的凝结时间，是目前行业中需要解决的问题。
发明内容
基于此，本申请提供了一种高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂，该水泥抗冲蚀剂可以大大提高高水灰比水泥浆液的抗冲蚀性能，并且使水泥浆液具有较低的流动度和较长的初凝时间，不仅能够在大空隙、松散地层中形成大直径的水泥土桩，而且较长的初凝时间便于在水泥土桩成桩后插入预制桩的施工作业，可有效避免水泥材料的流失，易于施工。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一种高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂，包括以下重量份的原料混合而成：
含铝无机盐65～93份，增稠剂5～12份，矿物掺合料2～5份，激发剂7～ 18份。
具体而言，在一些实施例中所述含铝无机盐为偏铝酸钠、偏铝酸钾、硫酸铝、氢氧化铝、快硬硫铝酸盐水泥中的一种或几种。
具体而言，在一些实施例中所述增稠剂为木薯粉、瓜尔胶、温轮胶、硅藻土、聚丙烯酰胺、高分子吸水树脂中的一种或几种。
具体而言，在一些实施例中所述矿物掺合料包括粒化高炉矿渣粉、超细粉煤灰、硅灰中的一种或几种。
具体而言，在一些实施例中所述激发剂为硫酸钠、硫酸钙、碳酸钠、硅酸钠中的一种或几种。
本发明的另一目的是提供了所述高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂的使用方法，其是将水泥浆液和水泥抗冲蚀剂的水溶液分别通入不同的浆管中，将其分别从不同的喷嘴中同时高压喷射，使其在喷嘴处混合，其中水泥质量和水泥抗冲蚀剂的质量比为1:0.02-0.05。
本发明中，所述水泥抗冲蚀剂的水溶液中水泥抗冲蚀剂的质量与水的质量之比为1:4～1:10，满足高压旋喷钻机喷嘴能喷出即可。
本发明所述水泥抗冲蚀剂，用以改变纯水泥浆液的抗冲蚀效果。水泥质量与水的质量之比100：65～100：100的纯水泥浆液，做上述抗冲蚀性试验，实验结果冲蚀率e＝100％，即完全没有抗冲蚀性，因此在大空隙且含有地下动水的地层中会被完全冲走，不能形成有效的加固体。加入本发明的水泥抗冲蚀剂，其冲蚀率e可达到5.1％(实施例15)，大大提高了纯水泥浆液的抗冲蚀性，而且水泥浆液的流动度也迅速降低，如水泥质量与水的质量之比100：80的水泥净浆的流动度为240mm，在该水泥净浆中加入水泥质量3％的水泥抗冲蚀剂，搅拌约30s后，流动度迅速降为65mm，减少了水泥浆液在大空隙地层中的流失，大大节约了水泥材料的用量。
本发明的水泥抗冲蚀剂作用机理如下：抗冲蚀剂中的含铝无机盐与高水灰比的水泥浆液结合，形成溶解度较低的氢氧化钙，体系中钙离子浓度降低，减弱了石膏的缓凝作用。同时由于抗冲蚀剂中的矿物掺合料自身具有水硬性，在激发剂的作用下产生低钙硅比的胶凝组分，增加了水泥浆料的稠度，并使得水泥浆料不发生分散，通过调整原料的配比进而有效延长了水泥浆料的凝固时间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的水泥抗冲蚀剂组分通过协同作用，利用其与高水灰比的水泥浆液结合，使得高压喷射注浆后的水泥浆液具有较强的抗冲蚀性能，且使得水泥凝结时间较长。高压喷施注浆后能够形成大直径的水泥土桩，便于在形成水泥土桩后插入预制桩作业，有效避免了水泥材料的流失。
附图说明
图1为本发明测试水泥冲蚀率的测试装置结构示意图。
序号说明：1为供水箱，2为供水调节阀，3为试样保护筒，4为测试试样， 5为试样托盘，6为出水调节阀，7为储水箱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
水泥冲蚀率的检测方法如下：
1、仪器设备
①密度计：灵敏度±0.01g/cm3；
②天平称：精度±0.1g，最大称量值3kg；
③流动度盘；
④温度计：量程0～100℃，分度为1℃；
⑤秒表：灵敏度为0.1s；
⑥量杯：1000mL；
⑦动水冲蚀测试装置，包括支架(1.0×0.3×0.2m)、供水箱 (0.5×0.5×1.0m)、水槽(1.0×0.2×0.2m)、试样托盘(直径15mm)、保护筒(直径 10×高30mm)及供水箱(1.0×0.5×0.5m)等，如图1所示。
2、测试步骤
①制备一定量的待测浆液样品备用。
②安装并固定好冲蚀测试装置，使供水箱中水位始终保持恒定(0.15m水深)，打开并调节好进、出水伐门，使槽内水流流速稳定(0.15m/s)。
③将试样保护筒安装并固定在试样托盘上，取试样100mL并称取重量 w1，精确至0.1g，然后轻注入试样筒内并使之落入托盘上。
④将试样托盘连同护筒轻放入测量水槽内凹处，迅速提出试样保护筒，同时启动秒表计时。
⑤当水流冲蚀时间满60s时，关闭放进水阀门。
⑥完全打开出水伐门待测量槽内水放干后，取下试样托盘，称量其余留下的试样重量w2，精确至0.1g，并记录下来。
⑦按以上要求重复测量三次；试验结束后，冲洗干净测量装置待用。
3、测试结果处理。
冲蚀率计算公式：
式中：e——冲蚀率；
w1——槽内浆液初始值；
w2——槽内浆液终了值。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1-6
一种高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂，其是由含铝无机盐65～93重量份，增稠剂5～12重量份，矿物掺合料2～5重量份，激发剂7～18重量份构成，其中含铝无机盐为偏铝酸钠和硫酸铝，增稠剂为瓜尔胶和聚丙烯酰胺，矿物掺合料为市场采购的粒化高炉矿渣粉和硅灰，激发剂为硫酸钠和碳酸钠。实施例1-6 所述的水泥抗冲蚀剂具体原料重量份数如表1所示。
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | |
| 偏铝酸钠 | 42 | 35 | 42 | 42 | 42 | 35 |
| 硫酸铝 | 38 | 44 | 40 | 40 | 36 | 46 |
| 瓜尔胶 | 2 | 2 | 2 | 4 | 2 | 5 |
| 聚丙烯酰胺 | 3 | 3 | 3 | 3 | 5 | 3 |
| 粒化高炉矿渣粉 | - | 3 | 2 | 1 | - | 2 |
| 硅灰 | 2 | - | - | 2 | 2 | 1 |
| 硫酸钠 | 8 | 8 | 8 | 4 | 8 | 3 |
| 碳酸钠 | 5 | 5 | 3 | 4 | 5 | 4 |
实施例7
将实施例1-6制备的水泥抗冲蚀剂进行使用，具体使用方法：将水泥浆液和水泥抗冲蚀剂水溶液利用双管注浆，将这两种材料同时经高压喷射注浆到地层中，其中水泥与水泥抗冲蚀剂的重量比为1:0.03。所用的水泥浆液的水灰比为 0.8，即水泥浆液中水泥质量与水的质量之比为100：80。所述水泥抗冲蚀剂水溶液中，水泥抗冲蚀剂与水的重量比为1:4。
检测上述水泥浆液与水泥抗冲蚀剂水溶液混合物的冲蚀率、流动度、初凝时间。同时仅利用水灰比为0.8的水泥浆液进行高压喷射注浆作为空白例。检测结果如表2所示。
表2
| 冲蚀率(％) | 混合浆料流动度/mm | 初凝时间/min | |
| 实施例1 | 7.3 | 87 | 62 |
| 实施例2 | 9.3 | 78 | 70 |
| 实施例3 | 7.5 | 88 | 60 |
| 实施例4 | 8.0 | 83 | 65 |
| 实施例5 | 8.2 | 82 | 68 |
| 实施例6 | 8.7 | 85 | 63 |
| 空白例 | 100 | 240 | - |
实施例8-13
改变实施例1所述水泥抗冲蚀剂的原料组成，其中含铝无机盐为偏铝酸钾、硫酸铝和氢氧化铝，增稠剂为木薯粉和高分子吸水树脂(山东优索化工公司的 WHS-700型树脂)，矿物掺合料为粒径100-300目超细粉煤灰，激发剂为硫酸钙和硅酸钠，实施例8-13所述的水泥抗冲蚀剂具体原料重量份数如表3所示。
表3
| 实施例8 | 实施例9 | 实施例10 | 实施例11 | 实施例12 | 实施例13 | |
| 偏铝酸钾 | 25 | 35 | 37 | 30 | 25 | 25 |
| 硫酸铝 | 30 | 20 | 25 | 30 | 30 | 30 |
| 氢氧化铝 | 13 | 16 | 15 | 12 | 15 | 18 |
| 木薯粉 | 6 | 6 | 6 | 5 | 5 | 5 |
| 吸水树脂 | 3 | 3 | 3 | 7 | 7 | 7 |
| 粉煤灰 | 5 | 2 | 4 | 2 | 5 | 2 |
| 硫酸钙 | 8 | 8 | 5 | 8 | 5 | 5 |
| 硅酸钠 | 10 | 10 | 5 | 6 | 8 | 8 |
按照实施例7的检测方法对实施例8-13所制备的抗冲蚀剂进行检测，检测结果如表4所示。
表4
| 冲蚀率(％) | 混合浆料流动度/mm | 初凝时间/min | |
| 实施例8 | 11.3 | 91 | 72 |
| 实施例9 | 10.4 | 95 | 68 |
| 实施例10 | 10.1 | 91 | 66 |
| 实施例11 | 10.8 | 93 | 73 |
| 实施例12 | 11.8 | 90 | 79 |
| 实施例13 | 11.2 | 96 | 73 |
| 空白例 | 100 | 240 | - |
实施例14-18
改变实施例1所述水泥抗冲蚀剂的原料组成，其中含铝无机盐为偏铝酸钠和快硬硫铝酸盐水泥(唐山北极熊建材公司的R.SAC42.5水泥)，增稠剂为温轮胶(南京松冠生物科技公司的5531型温轮胶)和聚丙烯酰胺，矿物掺合料为硅灰，激发剂为硫酸钠和硫酸钙，实施例14-18所述的水泥抗冲蚀剂具体原料重量份数如表5所示。
表5
| 实施例14 | 实施例15 | 实施例16 | 实施例17 | 实施例18 | |
| 偏铝酸钠 | 13 | 25 | 14 | 13 | 13 |
| 快硬硫铝水泥 | 67 | 55 | 67 | 63 | 67 |
| 温轮胶 | 4 | 3 | 3 | 5 | 5 |
| 聚丙烯酰胺 | 7 | 7 | 5 | 7 | 6 |
| 硅灰 | 2 | 3 | 3 | 2 | 3 |
| 硫酸钠 | 4 | 5 | 5 | 7 | 7 |
| 硫酸钙 | 3 | 2 | 3 | 3 | 3 |
按照实施例7的检测方法对实施例14-18所制备的抗冲蚀剂进行检测，检测结果如表6所示。
表6
实施例19-23
根据实施例1所述水泥抗冲蚀剂的原料组成，其中含铝无机盐为偏铝酸钾、硫酸铝、氢氧化铝和快硬硫铝酸盐水泥(唐山北极熊建材公司的R.SAC42.5水泥)，增稠剂为瓜尔胶和温轮胶(南京松冠生物科技公司的5531型温轮胶)，矿物掺合料为硅灰，激发剂为硫酸钠，实施例19-23所述的水泥抗冲蚀剂具体原料重量份数如表7所示。
表7
| 实施例19 | 实施例20 | 实施例21 | 实施例22 | 实施例23 | |
| 偏铝酸钾 | 19 | 19 | 19 | 19 | 19 |
| 硫酸铝 | 14 | 17 | 17 | 15 | 15 |
| 快硬硫铝水泥 | 52 | 46 | 46 | 52 | 50 |
| 氢氧化铝 | 1 | 2 | 3 | 2 | 2 |
| 温轮胶 | 2 | 4 | 2 | 1 | 2 |
| 瓜尔胶 | 3 | 3 | 3 | 4 | 3 |
| 硅灰 | 2 | 2 | 5 | 3 | 3 |
| 硫酸钠 | 7 | 7 | 5 | 5 | 6 |
按照实施例7的检测方法对实施例19-23所制备的抗冲蚀剂进行检测，检测结果如表8所示。
表8
| 冲蚀率(％) | 混合浆料流动度/mm | 初凝时间/min | |
| 实施例19 | 12.1 | 81 | 50 |
| 实施例20 | 11.8 | 78 | 56 |
| 实施例21 | 13.0 | 75 | 51 |
| 实施例22 | 12.5 | 76 | 58 |
| 实施例23 | 11.2 | 72 | 53 |
| 空白例 | 100 | 240 | - |
对比例1-4
根据实施例15调整原料的组成，获得对比水泥抗冲蚀剂。
表9
| 实施例15 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对比例4 | |
| 偏铝酸钠 | 25 | 35 | 33 | 28 | 32 |
| 快硬硫铝水泥 | 55 | 55 | 55 | 55 | 55 |
| 温轮胶 | 3 | - | 1 | 5 | 3 |
| 聚丙烯酰胺 | 7 | - | 1 | 7 | 7 |
| 硅灰 | 3 | 3 | 3 | 2 | 3 |
| 硫酸钠 | 5 | 5 | 5 | 3 | - |
| 硫酸钙 | 2 | 2 | 2 | - | - |
同样根据实施例7的检测方法对对比例1-4所制备的抗冲蚀剂进行检测，检测结果如表10所示。
表10
| 冲蚀率(％) | 混合浆料流动度/mm | 初凝时间/min | |
| 实施例15 | 5.1 | 62 | 95 |
| 对比例1 | 59.4 | 180 | 198 |
| 对比例2 | 38.7 | 120 | 167 |
| 对比例3 | 5.2 | 61 | 35 |
| 对比例4 | 25.5 | 113 | 140 |
| 空白例 | 100 | 240 | - |
对比例3采用的增稠剂占比非常高，其所制备的抗冲蚀剂在双管注浆使用时，添加剂的水溶液太稠导致对注浆管口封堵的现象，而且含铝无机盐占比较大，注浆喷射后的混合浆料虽然流动度非常小，但是其凝固时间非常短，并不利于在水泥土桩成桩后的作业。对比例1、对比例2以及对比例4所得到的抗冲剂虽然与实施例15一样没有对注浆管口造成封堵现象，但是对比例1、对比例2以及对比例4的抗冲蚀性非常低，混合浆料的流动度值高。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂，其特征在于，所述水泥抗冲蚀剂由以下重量份的原料混合而成：
含铝无机盐65～93份，增稠剂5～12份，矿物掺合料2～5份，激发剂7～18份；
所述含铝无机盐为偏铝酸钠、偏铝酸钾、硫酸铝、氢氧化铝、快硬硫铝酸盐水泥中的一种或几种；
所述高压喷射注浆用水泥浆液的水灰比为0 .7-1 .0。
2.根据权利要求1所述的高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂，其特征在于，所述增稠剂为木薯粉、瓜尔胶、温轮胶、硅藻土、聚丙烯酰胺、高分子吸水树脂中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂，其特征在于，所述矿物掺合料包括粒化高炉矿渣粉、超细粉煤灰、硅灰中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂，其特征在于，所述激发剂为硫酸钠、硫酸钙、碳酸钠、硅酸钠中的一种或几种。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的高压喷射注浆用水泥抗冲蚀剂的使用方法，其特征在于，将水泥浆液和水泥抗冲蚀剂的水溶液分别通入不同的浆管中，将其分别从不同的喷嘴中同时高压喷射，使其在喷嘴处混合，其中水泥质量和水泥抗冲蚀剂的质量比为1:0.02-0 .05。
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