CN111892374A - 一种注浆材料及其制备方法和在防渗堵水施工中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种注浆材料及其制备方法，属于地下工程材料技术领域。本发明提供的注浆材料的原料包括粘土760～800份、水泥80～120份、膨润土30～70份、水700～800份、水玻璃5～15份和减水剂1～5份。本发明利用膨润土对粘土基础浆液进行改善，与水泥水化产物发生复杂的反应，提高了浆液抗水冲释性、强度和抗渗透性，且具有优异的经济性；水玻璃加快了材料的胶凝时间并与粘土水泥浆液生成相对稳定的胶团；减水剂降低了材料的孔隙率，提高材料的强度和抗渗性。本发明提供的注浆材料的初凝时间为75min，终凝时间为135min，注浆后在水流速度为0.5m/s时浆液留存率达93.82％。

Description

一种注浆材料及其制备方法和在防渗堵水施工中的应用
技术领域
本发明属于地下工程材料技术领域，具体涉及一种注浆材料及其制备方法和在防渗堵水施工中的应用。
背景技术
我国岩溶地区地下水分布面积约82.83万平方千米，赋存于碳酸盐岩(石灰岩)的溶洞裂缝中。据统计，60％的矿井事故与地下水作用有关，且随着开采深度的增加，水害日趋严重，矿山涌、突水已成为制约矿山安全生产的主要灾害之一；同时在深层隧道的建设过程中也面临着同样的问题和挑战，尤其是在富水地质条件下修建隧道时，施工涌水问题显得尤为突出，极大的影响了施工效率和经济效率。因此，在矿井开采和工程建设过程中地下水的问题越来越得到重视，它不仅影响工程建设进程，也会导致建筑的稳定与安全，水害防治一直是制约大水矿山安全生产的重大技术难题。
如今注浆技术被广泛的应用于水害的防治，注浆材料是在地层裂缝和孔隙中起充填和固结作用的主要物质，是实现堵水或加固作用的关键。水泥是目前常用的注浆材料，但其强度一般较低，现有技术中一般通过添加粉煤灰、硅灰、矿渣、纤维等组分来提高水泥的强度。但是目前的注浆浆液不具有抗冲蚀能力且成本较高，注入的浆液易被水冲走，导致浆液的浪费，达不到防漏堵水的目的，带来安全和经济问题。
因此，亟需一种经济、抗冲蚀能力好的可在动水环境下留存的防渗堵水浆液。
发明内容
本发明的目的在于提供一种注浆材料及其制备方法。本发明提供的注浆材料能够迅速稠化，具有良好的抗冲散性，能够达到高效防渗堵水的目的，适用于富水岩溶地区的防渗堵水作业；原料来源广泛、成本低廉，具有很大的经济性。
本发明提供了一种注浆材料，由包括以下质量份数的原料制备得到：粘土760～800份、水泥80～120份、膨润土30～70份、水700～800份、水玻璃5～15份和减水剂1～5份。
优选地，所述粘土的塑性指数＞17，所述粘土中矿物的质量含量为45％～55％。
优选地，所述水泥为P.O42.5级硅酸盐水泥。
优选地，所述膨润土为有机膨润土。
优选地，所述水的pH值为6.5～7.5。
优选地，所述水玻璃的模数为2.2～3.2，所述水玻璃的浓度为35～40波美度。
优选地，所述减水剂为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、干酪素或粉末聚羧酸酯。
本发明还提供了上述技术方案所述注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将粘土与水混合，得到基础浆液；
(2)将所述步骤(1)得到的基础浆液与膨润土和水泥混合，得到粘土水泥浆液；
(3)将所述步骤(2)得到的粘土水泥浆液与水玻璃和减水剂混合，得到注浆材料。
优选地，所述步骤(1)中粘土在使用前进行除杂处理。
本发明还提供了上述技术方案所述注浆材料或按照上述技术方案所述制备方法制备的注浆材料在防渗堵水施工中的应用。
本发明提供了一种注浆材料，由包括以下质量份数的原料制备得到：粘土760～800份、水泥80～120份、膨润土30～70份、水700～800份、水玻璃5～15份和减水剂1～5份。本发明提供的注浆材料利用具有一定的强度和渗透性的水泥为原料，其水化产物能够与粘土和膨润土发生复杂的反应，提高注浆材料的抗渗透性和强度；粘土成分中含有活性粘土矿物和较高含量的惰性矿物，抗侵蚀能力强，且对微小裂缝具有较好的封闭作用，其用量较大，成本低廉，具有良好的经济性；膨润土增加浆液中活性粘土矿物的含量，在浆液中产生许多不同的附聚形式并将部分自由水转变为网络结构中的束缚水而形成非牛顿流体类型的触变性凝胶，使注浆材料具有良好的耐久性、抗分散性等优点；水玻璃可以加快材料胶凝时间，并与粘土水泥浆液反应生成相对稳定的Na-(Clay-OH)胶团，使得浆液变得粘稠形成膏浆；减水剂能够使浆液更加易于泵送，降低孔隙率，增加浆液凝固的密实性，从而大大提高材料的强度和抗渗性；控制各组分的用量，各组分配合作用，提高浆液的防渗堵水效果。实施例的结果显示，本发明提供的注浆材料的初凝时间为75min，终凝时间为135min，28天抗压强度为1.3MPa，渗透性为3.9×10-7cm/s，注浆后在水流速度为0.5m/s情况下浆液留存率可达93.82％。
具体实施方式
本发明提供了一种注浆材料，由包括以下质量份数的原料制备得到：粘土760～800份、水泥80～120份、膨润土30～70份、水700～800份、水玻璃5～15份和减水剂1～5份。
按质量份数计，本发明提供的注浆材料的原料包括粘土760～800份，优选为760份。在本发明中，所述粘土的塑性指数优选＞17，更优选为25.26；所述粘土中矿物的质量含量优选为45％～55％，更优选为51％。在本发明中，所述粘土成分中含有活性粘土蒙脱石和较高含量的石英、方解石、长石等惰性矿物，抗侵蚀能力强且颗粒粒径较小，对微小裂缝具有较好的封闭作用。
本发明对所述粘土的种类和来源没有特殊的限定，保证其塑性指数和矿物含量在上述范围内即可。在本发明中，所述粘土优选为湖泥，更优选为湖底淤泥质层1m以下的粘土。在本发明实施例中，所述粘土优选为城门山铜矿的赛湖淤泥质层1m以下的粘土。在本发明中，所述粘土来源广泛、成本低廉并且能够变废为宝，使得原本无用的材料得到最大限度的利用，具有良好的环保、经济性。
以粘土的质量为760～800份计，本发明提供的注浆材料的原料包括水泥80～120份，优选为85份。在本发明中，所述水泥优选为硅酸盐水泥，更优选为P.O42.5级硅酸盐水泥。在本发明中，所述水泥具有普遍性和广泛的适用性，并且水泥水化产物能够与粘土和膨润土发生反应，使注浆材料具有一定的强度和抗渗透性。本发明对所述水泥的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
以粘土的质量为760～800份计，本发明提供的注浆材料的原料包括膨润土30～70份，优选为60份。在本发明中，所述膨润土优选为有机膨润土。在本发明中，所述膨润土能够增加浆液中活性粘土矿物的含量，在基础浆液中产生许多不同的附聚形式以及将部分自由水转变为网络结构中的束缚水，形成非牛顿流体类型的触变性凝胶，使注浆材料具有良好的耐久性和抗分散性等优点。本发明对所述膨润土的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品或常规制备方法制备的产品即可。
以粘土的质量为760～800份计，本发明提供的注浆材料的原料包括水700～800份，优选为700份。在本发明中，所述水的pH值优选为6.5～7.5，更优选为7.1。本发明将水的pH值限定在上述范围内，能够避免pH值过低引起水泥水化产物的分解而造成注浆材料强度的降低，或pH值过高引起水泥流动性及水玻璃模数和减水剂减水率的降低，进而降低注浆材料的防漏堵水效果。
本发明对所述水的种类和来源没有特殊的限定，能够保证水的pH值在6.5～7.5之间即可。在本发明中，所述水优选包括自来水、岩溶地区地下水和地表水中的一种或多种。在本发明中，当所述水包括多种组分时，本发明对各组分的比例没有特殊的要求，以任意比例配合即可。
以粘土的质量为760～800份计，本发明提供的注浆材料的原料包括水玻璃5～15份，优选为7～10份，更优选为8份。本发明将所述水玻璃的含量限定在上述范围内，能够调节注浆材料的凝结时间，提高注浆材料的留存率。
在本发明中，所述水玻璃的模数优选为2.2～3.2，更优选为3.0；所述水玻璃的浓度优选为35～40波美度，更优选为35波美度。在本发明中，所述水玻璃能够加快注浆材料的胶凝时间，并能够与粘土水泥浆液生成较为稳定的Na-(Clay-OH)胶团，提高注浆材料的防漏堵水效果。本发明对所述水玻璃的种类和来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
以粘土的质量为760～800份计，本发明提供的注浆材料的原料包括减水剂1～5份，优选为2份。在本发明中，所述减水剂优选为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、干酪素或粉末聚羧酸酯中的一种，更优选为木质素磺酸钠。在本发明的优选方案中，所述木质素磺酸钠能够提高注浆材料的和易性，使注浆材料更加易于泵送，同时降低材料孔隙率，增加浆液凝固的密实性，从而大大提高注浆材料的强度和抗渗透性；并且成本低廉，使得注浆材料具有优异的经济性。
在本发明中，当所述减水剂为木质素磺酸钠或木质素磺酸钙时，所述木质素磺酸钠或木质素磺酸钙的相对分子量优选为528～534。本发明将所述减水剂的相对分子量限定在上述范围内，能够避免分子量过小达不到减水效果或分子量过高引起注浆材料强度和密实性的降低，进而达不到防漏堵水效果。在本发明中，当所述减水剂为干酪素或粉末聚羧酸酯时，对所述干酪素或粉末聚羧酸酯的相对分子量没有特殊的限定，采用本领域现有技术中常用的分子量范围即可。
本发明对所述减水剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品或常规制备方法制备的产品即可。在本发明中，所述木质素磺酸钠优选为竹子制浆过程提取物经过浓缩改性反应后喷雾干燥而成。
本发明将粘土、水泥、膨润土、水、水玻璃和减水剂的质量含量限定在上述范围内，能够使注浆材料具有较为合适的胶凝时间、粘稠度和可泵性，避免因材料凝固过快或过慢，导致可操作性降低、防渗堵水效果较差。
本发明还提供了上述技术方案所述注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将粘土与水混合，得到基础浆液；
(2)将所述步骤(1)得到的基础浆液与膨润土和水泥混合，得到粘土水泥浆液；
(3)将所述步骤(2)得到的粘土水泥浆液与水玻璃和减水剂混合，得到注浆材料。
本发明将粘土与水混合，得到基础浆液。
本发明对所述粘土与水的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合物料的技术方案即可。在本发明中，所述粘土与水的混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的方式优选为机械搅拌；所述搅拌的转速优选为90r/min～110r/min，更优选为100r/min；所述搅拌的时间优选为20min～40min，更优选为30min；所述搅拌的温度优选为20℃～40℃，更优选为25℃。
本发明对所述混合过程中所使用的仪器没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的仪器即可。在本发明中，所述粘土与水的混合优选在强制搅拌机中进行。
在本发明中，所述粘土在使用前优选进行除杂处理。本发明对所述除杂处理的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的粘土除杂处理的技术方案即可。在本发明中，所述除杂处理优选为：用烘干机将湖底取出的湖泥烘干，然后用粉碎机将烘干的湖泥块体打碎，通过传送带传输到过筛器中过筛，最后传送到除砂机中进行除砂。在本发明中，所述烘干的温度优选为100℃～110℃，更优选为105℃，所述烘干的时间优选为11h～13h，更优选为12h；所述过筛器的筛网孔径优选为1cm。在本发明中，所述除杂用于除去湖泥中的碎石、有机质等杂质。
得到基础浆液后，本发明将所述基础浆液与膨润土和水泥混合，得到粘土水泥浆液。
本发明对所述基础浆液与膨润土和水泥的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合物料的技术方案即可。本发明优选首先向基础浆液中加入膨润土，然后再加入水泥。本发明先向基础浆液中加入膨润土，增加基础浆液中活性黏土矿物的含量，在基础浆液中产生许多不同的附聚形式，同时将部分自由水转变为网络结构中的束缚水，形成非牛顿流体类型的触变性凝胶；然后再加入水泥，水泥水化后的产物与大量活性黏土矿物反应，使浆液迅速稠化，同时水泥水化产物与粘土和膨润土发生复杂的反应，提高浆液的强度和抗渗透性。
在本发明中，将所述基础浆液与膨润土和水泥的混合的操作优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的方式优选为机械搅拌；所述搅拌的转速优选为110r/min～130r/min，更优选为120r/min；所述搅拌的时间优选为20min～40min，更优选为30min。
得到粘土水泥浆液后，本发明将所述粘土水泥浆液与水玻璃和减水剂混合，得到注浆材料。
本发明对所述粘土水泥浆液与水玻璃和减水剂的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合物料的技术方案即可。本发明优选首先向粘土水泥浆液中加入水玻璃，然后再加入减水剂。本发明先向粘土水泥浆液中加入水玻璃，水玻璃能够与粘土水泥浆液反应生成相对较为稳定的Na-(Clay-OH)胶团，加快水泥水化使浆液变得粘稠形成膏浆；然后再加入减水剂，提高浆液可泵送性，同时降低孔隙率，增加浆液凝固的密度性，从而提高注浆材料的强度和抗渗透性。
在本发明中，所述粘土水泥浆液与水玻璃和减水剂的混合的操作优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的方式优选为机械搅拌；所述搅拌的转速优选为140r/min～160r/min，更优选为150r/min；所述搅拌的时间优选为20min～40min，更优选为30min。
本发明提供的制备方法操作简便，成本低廉，同时对环境污染少，控制各原料加入顺序，使各原料充分反应，提高注浆材料的可操作性和防渗堵水效果。
本发明还提供了上述技术方案所述注浆材料或按照上述技术方案所述制备方法制备的注浆材料在防渗堵水施工中的应用。
本发明对所述注浆材料在防渗堵水施工中的应用的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的注浆材料在防渗堵水施工中的注浆方法即可。在本发明中，所述注浆材料在防渗堵水施工中的应用优选为：首先在岩溶发育区域钻进注浆孔，钻孔结束后安装注浆管，然后根据地层条件选取一定的压力将注浆材料泵送到溶洞内部，最后通过孔口压力值和注浆流量指标，结束注浆。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例1
注浆材料由以下质量份数的原料制备得到：粘土760份、水泥90份、膨润土40份、水750份、水玻璃14份和减水剂3份。
本实施例中粘土为城门山铜矿的赛湖淤泥质层1m以下的粘土，塑性指数为25.26，粘土中矿物的质量含量为51％；水为岩溶地区地下水，pH值为7.1；水泥为P.O42.5级硅酸盐水泥；减水剂为木质素磺酸钠，其相对分子量为531；水玻璃的浓度为35波美度，模数为3.0；膨润土为有机膨润土。
本实施例中注浆材料的制备方法为：
(1)：将粘土加入烘干机中，105℃烘干12h，然后用粉碎机打碎，通过传动带传输到孔径为1cm过筛器中过筛，再传送到除砂机中除砂，得到处理后粘土；
(2)：将760份步骤(1)中处理后的粘土加入到750份水中，在强制搅拌机中25℃、100r/min搅拌30min，得到基础浆液；
(3)：在步骤(2)中得到的基础浆液中加入40份膨润土和90份水泥，120r/min搅拌30min，得到粘土水泥浆液；
(4)：在步骤(3)中得到的粘土水泥浆液中加入14份水玻璃和3份减水剂，150r/min搅拌30min，得到注浆材料。
实施例2
注浆材料由以下质量份数的原料制备得到：粘土760份、水泥85份、膨润土60份、水700份、水玻璃8份和减水剂2份。
本实施例中粘土为城门山铜矿的赛湖淤泥质层1m以下的粘土，塑性指数为25.26，粘土中矿物的质量含量为51％；水为岩溶地区地下水，pH值为7.1；水泥为P.O42.5级硅酸盐水泥；减水剂为木质素磺酸钠，其相对分子量为531；水玻璃的浓度为35波美度，模数为3.0；膨润土为有机膨润土。
本实施例中注浆材料的制备方法为：
(1)：将粘土加入烘干机中，105℃烘干12h，然后用粉碎机打碎，通过传动带传输到孔径为1cm过筛器中过筛，再传送到除砂机中除砂，得到处理后粘土；
(2)：将760份步骤(1)中处理后的粘土加入到700份水中，在强制搅拌机中25℃、100r/min搅拌30min，得到基础浆液；
(3)：在步骤(2)中得到的基础浆液中加入60份膨润土和85份水泥，120r/min搅拌30min，得到粘土水泥浆液；
(4)：在步骤(3)中得到的粘土水泥浆液中加入8份水玻璃和2份减水剂，150r/min搅拌30min，得到注浆材料。
实施例3
注浆材料由以下质量份数的原料制备得到：粘土800份、水泥90份、膨润土70份、水800份、水玻璃15份和减水剂4份。
本实施例中粘土为城门山铜矿的赛湖淤泥质层1m以下的粘土，塑性指数为25.26，粘土中矿物的质量含量为51％；水为岩溶地区地下水，pH值为7.1；水泥为P.O42.5级硅酸盐水泥；减水剂为木质素磺酸钠，其相对分子量为531；水玻璃的浓度为35波美度，模数为3.0；膨润土为有机膨润土。
本实施例中注浆材料的制备方法为：
(1)：将粘土加入烘干机中，105℃烘干12h，然后用粉碎机打碎，通过传动带传输到孔径为1cm过筛器中过筛，再传送到除砂机中除砂，得到处理后粘土；
(2)：将800份步骤(1)中处理后的粘土加入到800份水中，在强制搅拌机中25℃、100r/min搅拌30min，得到基础浆液；
(3)：在步骤(2)中得到的基础浆液中加入70份膨润土和90份水泥，120r/min搅拌30min，得到粘土水泥浆液；
(4)：在步骤(3)中得到的粘土水泥浆液中加入15份水玻璃和4份减水剂，150r/min搅拌30min，得到注浆材料。
实施例4～6
实施例4～6分别对应实施例1～3中注浆材料在防渗堵水施工中的应用：在灰岩裂缝较发育、岩溶率为1.3％的地层进行注浆，注浆量为13m3/m，注浆深度为100m，注浆过程中的注浆压力控制在1.0～2.2MPa，当孔口压力达到0.5MPa，流量小于10L/min时，持续注浆25min后结束注浆。计算浆液在水流速度为0.5m/s情况下的留存率。
表1实施例1～3注浆材料浆液性能和留存率
实施例1 实施例2 实施例3
初凝时间min 60 75 80
终凝时间min 120 135 150
28天抗压强度MPa 1.6 1.3 1.5
渗透性cm/s 8×10<sup>-7</sup> 3.9×10<sup>-7</sup> 6.3×10<sup>-7</sup>
留存率％ 89.11 93.82 83.21
由表1中数据可以看出，本发明提供的注浆材料胶凝时间较短，固结后具有较好的强度和抗冲蚀性，能够在动水条件下留存，在水流速度为0.5m/s情况下的留存率达到93.82％，具有高效防渗堵水的作用，适用于富水岩溶地区的防渗堵水作业。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种注浆材料，由包括以下质量份数的原料制备得到：粘土760～800份、水泥80～120份、膨润土30～70份、水700～800份、水玻璃5～15份和减水剂1～5份。
2.根据权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述粘土的塑性指数＞17，所述粘土中矿物的质量含量为45％～55％。
3.根据权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述水泥为P.O 42.5级硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述膨润土为有机膨润土。
5.根据权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述水的pH值为6.5～7.5。
6.根据权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述水玻璃的模数为2.2～3.2，所述水玻璃的浓度为35～40波美度。
7.根据权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述减水剂为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、干酪素或粉末聚羧酸酯。
8.权利要求1～7任意一项所述注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将粘土与水混合，得到基础浆液；
(2)将所述步骤(1)得到的基础浆液与膨润土和水泥混合，得到粘土水泥浆液；
(3)将所述步骤(2)得到的粘土水泥浆液与水玻璃和减水剂混合，得到注浆材料。
9.根据权利要求8所述注浆材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中粘土在使用前进行除杂处理。
10.权利要求1～7任意一项所述注浆材料或根据权利要求8或9所述的制备方法制备的注浆材料在防渗堵水施工中的应用。
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