CN111995325B

CN111995325B - 一种用于富水堆积体地层隧道超前小导管可控注浆材料及其制备方法

Info

Publication number: CN111995325B
Application number: CN202010894438.4A
Authority: CN
Inventors: 张聪; 谢亦朋; 阳军生; 王树英; 尹健; 梁雄; 彭雨杨; 傅金阳; 谢梦珊; 刘旭
Original assignee: Central South University; Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University; Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2040-08-31
Also published as: CN111995325A

Abstract

一种用于富水堆积体地层隧道超前小导管可控注浆材料，由水泥浆和添加剂(聚乙二醇、氢氧化钠、硅砂和木质素磺酸盐)制成。其制备方法：将水与42.5^#普通硅酸盐水泥均匀混合制成水泥浆；将氢氧化钠与硅砂加入水中均匀混合、溶解，得到溶液A；将PEG‑800固体加入水中溶解，得到溶液B；将溶液A、溶液B和木质素磺酸盐加入到所述水泥浆中充分混合，即得到可控注浆材料。本发明的可控注浆材料在解决了传统注浆材料难以实现的水下抗分散性和可控性的同时，也满足了隧道开挖对于浆材的胶凝时间、早期强度、析水率等性能的要求，在注浆结束后，富水堆积体地层加固效果良好，对环境无污染，节省了造价且满足施工进度要求。

Description

一种用于富水堆积体地层隧道超前小导管可控注浆材料及其制备方法

技术领域

本发明属于地下工程处理注浆技术领域，尤其涉及一种用于富水堆积体地层隧道超前小导管注浆材料及其制备方法。

背景技术

随着我国交通运输业的不断发展，越来越多的隧道将不可避免的修建在不良地质环境中。其中，松散堆积体地层由于分布广、地质条件复杂是隧道施工过程中经常遇到的复杂难题，尤其对于富水的松散堆积体地层，施工过程中极易发生工程事故。针对上述难题，目前工程上普遍采用小导管预注浆技术来解决该问题，而注浆材料是确保小导管预注浆效果的关键因素。

现阶段，工程上小导管预注浆较为常用的材料有纯水泥浆、水泥基速凝浆液以及其它化学浆液等；其中，纯水泥浆液存在凝结时间慢、浆液稳定性差以及注浆扩散范围不可控等缺点，且富水环境下极易分散，注浆效果差；水泥基速凝浆液不存在上述问题，但注浆过程浆液难以把控，常存在堵管、扩散范围不足等现象；而化学浆液解决了上述浆材存在的诸多问题，但注浆材料价格昂贵，对环境存在一定的污染，难于推广应用。因此，研制一种理想的富水堆积体地层隧道超前小导管可控注浆材料是本领域工程人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种富水堆积体地层隧道超前小导管可控注浆材料及制备方法，该可控注浆材料具有良好的水下抗分散性，浆液凝结时间和流动性能易调节，浆液稳定性高，结石体早期强度适宜、后期强度高，能满足注浆完成后较短时间内实现对隧道的安全开挖。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于富水堆积体地层隧道超前小导管可控注浆材料，所述可控注浆材料由水泥浆和添加剂制成，所述水泥浆的水灰比为0.8:1～1:1，所述添加剂包括聚乙二醇、氢氧化钠、硅砂和木质素磺酸盐。通过对水泥浆中水灰比的控制，可以保证注浆材料的强度、胶凝时间，保证施工的顺利进行。申请人发现，若水泥水灰比太大，则浆液强度低、胶凝时间慢，会延缓工序衔接时间；若水泥水灰比太小则强度过高，不利于注浆施工以及增加后续开挖难度。

上述的可控注浆材料，优选的，所述聚乙二醇的添加量占所述水泥浆中水泥质量的2％～4％，所述氢氧化钠的添加量占所述水泥浆中水泥质量的2％～2.5％，所述硅砂的添加量占所述水泥浆中水泥质量的6％～7.5％，所述木质素磺酸盐的添加量占所述水泥浆中水泥质量的0.2％～0.4％。申请人发现，聚乙二醇掺量过大则浆液稠度、粘度过大，不利于浆液扩散与泵送；若掺量过小，则浆液稳定性差，水下易分散；若氢氧化钠与硅砂含量过大，则浆液凝结速度较快，容易堵管，可灌性差；若掺量过小，则浆液扩散范围不可控、早期强度发展慢；若木质素磺酸盐掺量过大，则浆液的流动性太大，注浆范围不易控制、注浆量大；若掺量过小，则浆液流动性太差，浆液不易扩散和泵送。

上述的可控注浆材料，优选的，所述水泥浆中的水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，该水泥通过80μm方孔筛的筛余量不大于5％。

上述的可控注浆材料，优选的，所述聚乙二醇为试剂纯PEG-800固体；所述木质素磺酸盐为木质素磺酸钙；所述氢氧化钠粒度为100～200目；所述硅砂中的二氧化硅含量≥99.5％。

上述的可控注浆材料，浆液胶凝时间为20～40min，通过对添加剂的控制，保证注浆材料的凝结时间适中，如果初凝时间太短，将不利于灌浆，而终凝时间太长，则影响早期强度的产生，不利于隧道开挖，延缓工序衔接时间。

上述的可控注浆材料，通过对添加剂的控制，保证浆液2小时内析水率小于5％，为稳定浆液，若析水率过大，则导致加固体强度分布不均、易形成新的孔(裂)隙、易发生不均匀变形。

上述的可控注浆材料，通过对添加剂的控制，保证注浆材料的流动度为150～200mm，该流动度通过截锥圆模测得，若流动度太小，则浆液可灌性差、难以形成有效加固圈；若流动度太大，则浆液扩散不可控、注浆量大。

上述的可控注浆材料，通过对添加剂的控制，保证注浆材料的可控浆液5h后抗压强度0.5～1MPa，28d抗压强度大于2MPa，早期强度适中，若早期强度过小，则延缓工序衔接时间，不利于隧道开挖稳定。

综上，申请人在可控注浆材料中加入聚乙二醇、氢氧化钠、硅砂和木质素磺酸盐，并通过各组分添加量的严格控制，保证了注浆材料的流动性、在水下的稳定性，且注浆材料胶凝时间、强度适中，满足工序衔接时间要求且保障隧道开挖稳定。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的可控注浆材料的制备方法，包括以下步骤：

1)准备42.5^#普通硅酸盐水泥、水、聚乙二醇、氢氧化钠、硅砂和木质素磺酸盐；

2)将水与42.5^#普通硅酸盐水泥均匀混合制成水泥浆；

将氢氧化钠与硅砂加入水中均匀混合、溶解，得到溶液A；

将PEG-800固体加入水中溶解，得到溶液B；

3)将溶液A、溶液B和木质素磺酸盐加入到所述水泥浆中充分混合，即得到所述可控注浆材料。

上述的制备方法，优选的，步骤2)中，溶液A的波美浓度为40°Be’，其溶质硅酸钠的细度模数为3.2。

上述的制备方法，优选的，步骤2)中，溶液B中羟基数量为600mg KOH/g，溶液铂钴色度不超过20度，pH为5-7，纯度不低于99％。

本发明的可控注浆材料，在水泥浆中加入聚乙二醇，聚乙二醇与水之间有很强的相互作用，聚乙二醇吸附水分子，使聚乙二醇周围的硅酸钙发生水化反应，使分散的水合产物聚集在聚乙二醇分子链周围，并提高粒子之间的交联程度；可控注浆材料中的Ca²⁺能破坏聚乙二醇中的C-O键，形成新的Ca-C连接，在有机和无机材料间形成更强的连接，增大颗粒间粘结力，进而增大浆液粘度；氢氧化钠与硅砂生成的硅酸钠可与灌浆料中的过饱和氢氧化钙反应生成凝胶，促进三硅酸钙和二硅酸钙的水化，缩短浆液初凝时间，提高初始强度，硅酸钠还与PEG通过氢键相互吸引，分散的颗粒被吸附在碳链上；这些反应导致浆液中存在三维互穿网络结构，从而提高了浆液的强度和屈服应力；木质素磺酸盐加入混合物中时，会产生大量的阴离子基团，这些阴离子基团会分散水泥颗粒，在絮凝结构中释放游离水，并导致水泥颗粒趋向于滑动，改善浆液的流动性。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明注浆材料水下抗分散性好，在富水地层中可稳定存在。

(2)本发明注浆材料析水率小，稳定性好，完成注浆后，加固体强度分布均匀，加固效果好。

(3)本发明注浆材料胶凝时间、早期强度适中，满足工序衔接时间要求，保障隧道开挖稳定。

(4)本发明注浆材料流动度适中，浆液可灌性好且扩散范围可控。

(5)本发明注浆材料配制简单，原材料廉价易得、绿色环保，对环境无污染。

本发明的注浆材料在罗打拉富水堆积体隧道注浆加固工程中进行了试验应用，在解决了传统注浆材料难以实现的水下抗分散性和可控性的同时，也满足了隧道开挖对于浆材的胶凝时间、早期强度、析水率等性能的要求，在注浆结束后，富水堆积体地层加固效果良好，对环境无污染，节省了造价且满足施工进度要求。

附图说明

图1为本发明实施例1中的超前小导管可控注浆材料凝结后的外观形态照片。

图2为本发明实施例1中的超前小导管可控注浆材料在罗打拉富水堆积体隧道注浆加固工程隧道中的注浆效果和开挖效果图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种本发明的富水堆积体地层隧道超前小导管可控注浆材料，该注浆材料由水泥浆与添加剂组成，水泥浆由水泥(42.5#普通硅酸盐水泥，该水泥通过80μm方孔筛的筛余量不大于5％)与普通工程用水按1:1的水灰比均匀混合而成，其中，添加剂为聚乙二醇PEG-800固体、氢氧化钠(100～200目)、硅砂(二氧化硅含量≥99.5)和木质素磺酸钙，聚乙二醇PEG-800的掺入量为水泥质量的3％，氢氧化钠的掺入量为水泥质量的2％，硅砂的掺入量为水泥质量的6.5％，木质素磺酸钙掺入量为水泥质量的0.3％。

本实施例的富水堆积体地层隧道超前小导管可控注浆材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按所设配合比称取42.5#普通硅酸盐水泥、工业用水、聚乙二醇PEG-800固体、氢氧化钠、硅砂和木质素磺酸钙；

(2)将工业用水与42.5#普通硅酸盐水泥在搅拌机内均匀混合5min，制成水泥浆；

(3)将氢氧化钠与硅砂加入水中，均匀混合、加热至充分溶解，得到波美浓度为40°Be’的溶液A，其溶质硅酸钠的细度模数为3.2；

(4)将PEG-800固体加入水中溶解，得到溶液B；溶液B中羟基数量为600mg KOH/g，溶液铂钴色度不超过20度，pH为5-7，纯度不低于99％；

(5)将溶液A、溶液B和木质素磺酸钙加入到步骤(2)所制得的水泥浆中，采用搅拌机搅拌5min，使各组分充分混合，即可获得一种富水堆积体地层隧道超前小导管可控注浆材料(其凝结后的外观形态照片如图1所示)。

将本实施例配制的注浆材料在云南罗打拉隧道富水堆积体地层超前小导管预注浆中进行应用(见图2所示：a、松散堆积体，b、现场配制注浆浆料，c、注浆5h后开挖，d、施工完成)，浆液胶凝时间为34min，浆液2小时内析水率为2％，注浆材料的流动度(截锥圆模测得)为180mm，可控注浆材料5h后抗压强度0.8MPa，28d抗压强度3.15MPa。现场施工表明，注浆过程中未发生堵管现象，注浆量较常规浆材明显较少，平均注浆压力可达2MPa，隧道开挖面基本无渗水量；注浆结束5h后进行掌子面开挖，开挖过程未发生掉块、塌方以及突水等工程事故，注浆材料已与围岩形成明显的注浆加固圈，掌子面开挖轮廓线附近土体含有大量浆脉，其分布层理清晰。与传统材料比较，一个注浆断面可减少水泥用量2/5，降低工程成本约1/3；可有效减短工序衔接时间约3/5，大大提高施工进度。

由以上实施例的应用效果可见，本发明的注浆材料水下抗分散性好，胶凝时间及早期强度适中，可缩短工序衔接时间，扩散范围可控，减少了注浆量，降低了施工成本，能满足隧道施工中富水堆积体地层超前小导管预注浆的要求，可有效确保地下工程结构的稳定与安全。

Claims

1.一种用于富水堆积体地层隧道超前小导管可控注浆材料，其特征在于，所述可控注浆材料由水泥浆和添加剂制成，所述水泥浆的水灰比为0.8:1～1:1，所述添加剂包括聚乙二醇、氢氧化钠、硅砂和木质素磺酸盐；

所述聚乙二醇的添加量占所述水泥浆中水泥质量的2％～4％，所述氢氧化钠的添加量占所述水泥浆中水泥质量的2％～2.5％，所述硅砂的添加量占所述水泥浆中水泥质量的6％～7.5％，所述木质素磺酸盐的添加量占所述水泥浆中水泥质量的0.2％～0.4％；所述可控注浆材料2小时内析水率小于5％；所述可控注浆材料的流动度为150～200mm；浆液胶凝时间为34～40min，所述可控注浆材料5h后抗压强度为0.5～1MPa，28d抗压强度大于2MPa。

2.如权利要求1所述的可控注浆材料，其特征在于，所述水泥浆中的水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，该水泥通过80μm方孔筛的筛余量不大于5％。

3.如权利要求1所述的可控注浆材料，其特征在于，所述聚乙二醇为试剂纯PEG-800固体；所述木质素磺酸盐为木质素磺酸钙；所述氢氧化钠粒度为100～200目；所述硅砂中的二氧化硅含量≥99.5％。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的可控注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)准备42.5^#普通硅酸盐水泥、水、聚乙二醇、氢氧化钠、硅砂和木质素磺酸盐；

(2)将水与42.5^#普通硅酸盐水泥均匀混合制成水泥浆；

将氢氧化钠与硅砂加入水中均匀混合、溶解，得到溶液A；

将PEG-800固体加入水中溶解，得到溶液B；

(3)将溶液A、溶液B和木质素磺酸盐加入到所述水泥浆中充分混合，即得到所述可控注浆材料。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，溶液A的波美浓度为40°Be’，其溶质硅酸钠的细度模数为3.2。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，溶液B中羟基数量为600mgKOH/g，溶液铂钴色度不超过20度，pH为5-7，纯度不低于99％。