CN112592138A

CN112592138A - 一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆及其制备方法

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Publication number: CN112592138A
Application number: CN202011626159.6A
Authority: CN
Inventors: 陈雷; 张转转; 陈兴强; 梁超; 杨基好; 刘顿; 段超; 李亮
Original assignee: China Railway No 10 Engineering Group Co Ltd; Urban Rail Transit Engineering Co Ltd of China Railway No 10 Engineering Group Co Ltd
Current assignee: China Railway No 10 Engineering Group Co Ltd; Urban Rail Transit Engineering Co Ltd of China Railway No 10 Engineering Group Co Ltd
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-04-02
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112592138B

Abstract

本发明涉及一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆及其制备方法，该同步砂浆按重量份，包括以下原料：水泥15～30份、矿粉10～17份、膨润土3～6份、高岭土1.5～3份、聚氧化乙烯粉0.05～0.1份、植物胶粉0.05～0.2份、缓释保坍型聚羧酸减水剂0.1～0.5份、淀粉包裹水玻璃颗粒0.5～1份、早强剂0.2～0.5份、中细砂40～50份、水15～25份。本发明解决了单组分同步砂浆凝结时间长和易被地下水侵蚀的技术难题，克服了双组分同步砂浆存在的施工过程经常堵管的不足，获得的单组分同步砂浆凝结时间可控、触变大、抗水侵蚀性能优和硬化后强度高，可用于富水地质的盾构施工一次同步注浆，增大了一次注浆填充密实率和硬化后的饱满率，且注浆后较短时间内砂浆即达初凝状态。

Description

一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及盾构工程材料技术领域，具体地说涉及一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆及其制备方法。

背景技术

盾构施工过程中，盾构机盾尾脱离管片后，管片与围岩面间存在15cm左右的空隙，极易导致上层土体沉降、构筑物沉降以及管片上浮等施工现象，为避免出现以上施工现象，常采用同步注浆的方式及时填充空隙。同步注浆常见种类有惰性同步砂浆、单组分活性砂浆和双组分活性砂浆。其中，惰性同步砂浆适用于地下水少的地质；单组分活性砂浆和双组分活性砂浆适用于富水地质的同步注浆和二次注浆。双组分活性砂浆由盾构机壳体尾部的双注浆管同时喷射出的水泥浆组分和水玻璃组分混合而成，两种组分混合后浆体快速失去流动性并凝结硬化，但很难完全填充空隙，且经常堵管，工程中多用于二次注浆和定点堵漏用。单组分活性砂浆具备较长的工作时间，通过长距离流动密实填充管片周围的空隙，是富水地质盾构施工常用的同步注浆材料，但应用表明：常用单组分活性砂浆的凝结时间过长(通常充填后4～6h达初凝状态)且无有效的控制方法，富水地质盾构施工时极易被地下水侵蚀，形成填充空洞，造成地面沉降、管片上浮和隧道漏水等众多施工问题，影响了盾构施工质量，增大了隧道堵漏维修成本。单组分活性砂浆具有工作时间长的显著优势，但必须解决其凝结时间长且不可控等技术缺陷，方可最大限度发挥其密实填充效果。

目前，尚未见相关专利及文献提及解决单组分活性砂浆凝结时间长且不可控等技术缺陷的有效技术方法，本发明协调运用保坍型聚羧酸减水剂分时缓释、速凝组分定时释放和早强等技术原理，提出一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆及其制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是单组分活性砂浆凝结时间长和凝结时间不可控，提供一种凝结时间可控、触变大、抗水侵蚀性能优和硬化后强度高的单组分活性同步砂浆及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆，按重量份，包括以下原料：水泥15～30份、矿粉10～17份、膨润土3～6份、高岭土1.5～3份、聚氧化乙烯粉0.05～0.1份、植物胶粉0.05～0.2份、缓释保坍型聚羧酸减水剂0.1～0.5份、淀粉包裹水玻璃颗粒0.5～1份、早强剂0.2～0.5份、中细砂40～50份、水15～25份。

进一步地，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥中的任意一种，强度等级不低于42.5；所述矿粉为S95级及以上。

进一步地，所述膨润土为钠基膨润土；所述高岭土中粒径小于2μm的颗粒含量不低于90％。

进一步地，所述聚氧化乙烯粉的相对分子量为30万～40万，细度为100目及以上。

进一步地，所述植物胶粉为菁胶、瓜尔胶、胡麻胶和香豆胶中的任意一种，分子量为20万～100万，中粘型。

进一步地，所述缓释保坍型聚羧酸减水剂由多种减水功效释放时间不同的聚醚型聚羧酸减水剂母液复配而成，通过调控各聚醚型聚羧酸减水剂母液用量复配出1～4h内任意保坍时间的缓释保坍型聚羧酸减水剂。

进一步地，所述淀粉包裹水玻璃颗粒是表面包裹0.5～1mm厚淀粉胶的速溶硅酸钠颗粒。

进一步地，所述早强剂为碳酸钠、甲酸钙和硫代硫酸钠中的任意一种。

进一步地，所述中细砂为河砂和机制砂中的任意一种。

上述凝结时间可控的单组分活性同步砂浆的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照重量份称取水泥、矿粉、膨润土、高岭土、聚氧化乙烯粉、植物胶粉、早强剂和中细砂于卧式强制式砂浆搅拌机中搅拌15s，然后同步加入缓释保坍型聚羧酸减水剂和水搅拌300s，制得凝结时间可控的单组分活性同步砂浆半成品；

(2)步骤(1)获得的同步砂浆半成品在临时存放和运输过程中需持续不间断低速搅拌；

(3)同步砂浆半成品注浆前1～1.5h，在盾构机尾部同步砂浆搅拌罐中向同步砂浆半成品中加入淀粉包裹水玻璃颗粒，搅拌5min后即得所述凝结时间可控的单组分活性同步砂浆。后续即可进行单组分同步注浆施工作业。

本发明的主要技术原理为：

(1)本发明运用了保坍型聚羧酸减水剂母液减水效果分时释放的技术原理，目前市场上已经具有0～4h可设计的分时释放减水效果的聚羧酸减水剂母液，将不同释放时间点的母液按照比例复配，即可获得4h内任意保坍时间的聚羧酸减水剂，用其调控单组分活性同步砂浆中胶凝材料的水化速度，即可实现单组分同步砂浆工作时间和凝结时间的精确控制。

(2)包裹0.5～1mm厚淀粉的水玻璃颗粒，只有颗粒表面的淀粉溶解后，水玻璃才会溶解于砂浆体系，才可与体系中的胶凝材料发生相互促进的快速胶凝凝结作用，表面0.5～1mm厚淀粉层溶解时间约为1h，将缓释保坍型聚羧酸减水剂的减少保持时间和淀粉层的溶解时间统一一致，即可实现单组分活性同步砂浆工作时间和凝结时间的精确控制，可实现灌注后同步砂浆1h内达到初凝状态。

(3)溶解后的水玻璃，部分与膨润土快速发生反应，键合连接大量膨润土颗粒形成空间网络结构，砂浆流动填充满空隙后，流动造成的剪切作用消失，单组分活性同步砂浆失去流动性迅速变稠，展现出大触变的特性，抗水侵蚀能力同步增强。

(4)胶凝体系的早强技术运用，是为促使砂浆体系可较快达到硬化状态，进一步提升单组分活性同步砂浆的抗水侵蚀效果。

(5)保坍型聚羧酸减水剂分时缓释和速凝组分定时释放技术的协调应用，为同步砂浆大量使用胶凝组分提供了技术支撑，本发明中同步砂浆采用的活性胶凝组分(水泥、矿粉)明显多于传统方案，这也是实现同步砂浆凝结时间可控和快凝的前提条件。

本发明的有益效果体现在：

(1)协调运用保坍型聚羧酸减水剂分时缓释、速凝组分定时释放和早强等技术原理，解决了单组分活性同步砂浆凝结时间长和不可控等技术缺陷，可根据实际工况，设计同步砂浆工作时间和凝结时间，即实现了单组分活性砂浆的凝结时间的精确控制，也避免了双组分砂浆堵管和填充不密实的不足，扩大了单组分活性同步砂浆的应用范围。

(2)本发明保留了单组分同步砂浆流动距离长的技术优势，保证了注浆的填充密实率。

(3)相较于传统单组分活性同步砂浆灌注后4～6h达初凝，本发明实现了同步砂浆灌注后1h内达初凝状态，然后强度持续发展，极大地缩短了同步砂浆流塑状态下被地下水侵蚀的时间，显著增强单组分活性同步砂浆抗地下水侵蚀性能和硬化后强度高，用于富水地质的盾构施工一次同步注浆，增大了一次注浆填充密实率和硬化后的饱满率，大幅降低二次注浆量及频次，且注浆后较短时间内砂浆即达初凝状态，有助于解决盾构管片上浮和隧道漏水等施工难题。

(4)本发明提供的单组分活性同步砂浆，尤其适用富水地质盾构同步注浆施工，降低富水地质盾构施工难度和防水堵漏成本。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。以下实施例和对比例所使用的各种原料，如未作特别说明，均为本领域公知的市售产品：

本发明凝结时间可控的单组分活性同步砂浆，按重量份，由以下原料制成：水泥15～30份、矿粉10～17份、膨润土3～6份、高岭土1.5～3份、聚氧化乙烯粉0.05～0.1份、植物胶粉0.05～0.2份、缓释保坍型聚羧酸减水剂0.1～0.5份、淀粉包裹水玻璃颗粒0.5～1份、早强剂0.2～0.5份、中细砂40～50份、水15～25份。

为了便于理解本发明各原料对材料性能的影响，下面提供本发明的5个实施例与3个对比例进行效果对比，各实施例和各对比例的配方如表1所示，其中：

水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；矿粉为S95级。

膨润土为钠基膨润土；高岭土粒径小于2μm的颗粒含量为92％。

聚氧化乙烯粉相对分子量30万～40万，细度为150目。

植物胶粉为瓜尔胶，分子量为20万～50万，中粘型。

缓释保坍型聚羧酸减水剂选用申请号为201510131305.0的中国专利公开的一种CRTS III型板自密实混凝土专用缓释可控型聚羧酸减水剂，实施例1至3使用的缓释保坍型聚羧酸减水剂的缓释时间为90分钟，实施例4和5使用的缓释保坍型聚羧酸减水剂的缓释时间为150分钟，各对比例使用的是普通减水剂。

淀粉包裹水玻璃颗粒是表面包裹0.5～1mm厚淀粉胶的速溶硅酸钠颗粒。

早强剂为甲酸钙。

中细砂为河砂。

各实施例和对比例均采用本发明专利提供的方法进行制备(对比例中，若原料没有则不添加，步骤仍旧操作)，具体步骤如下：

(3)同步砂浆半成品注浆前1～1.5h，在盾构机尾部同步砂浆搅拌罐(盾构机标准配件，用于注浆前的同步砂浆搅匀)中向同步砂浆半成品中加入淀粉包裹水玻璃颗粒，搅拌5min后即完成凝结时间可控的单组分活性同步砂浆的制备工作，后续即可进行单组分同步注浆施工作业。

表1实施例和对比例同步砂浆的组成(单位：重量份)

实施例1-5和对比例1-3凝结时间可控的单组分活性同步砂浆的性能测试结果如表2所示：

表2实施例和对比例中同步砂浆性能测试结果

表2备注说明：1、盾构同步砂浆适用稠度范围为90～140mm；2、同步砂浆灌注后越早达到初凝状态，其抗水侵蚀效果越好，传统单组分同步砂浆达初凝状态的时间为6～8h；3、同步砂浆抗水侵蚀通常采用30min滤失量表征，数值越小表明砂浆抗水侵蚀性能越强；4、盾构同步砂浆结石率通常以不低于95％为宜；5、盾构同步砂浆硬化后的抗压强度通常以不低于2.5MPa为宜。

从以上可以看出，实施例1-5为采用本技术方案获得的同步砂浆，具有凝结时间可控、触变大、抗水侵蚀性能优和硬化后强度高等技术特点。

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆，其特征在于：按重量份，包括以下原料：水泥15～30份、矿粉10～17份、膨润土3～6份、高岭土1.5～3份、聚氧化乙烯粉0.05～0.1份、植物胶粉0.05～0.2份、缓释保坍型聚羧酸减水剂0.1～0.5份、淀粉包裹水玻璃颗粒0.5～1份、早强剂0.2～0.5份、中细砂40～50份、水15～25份。

2.如权利要求1所述的一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥中的任意一种，强度等级不低于42.5；所述矿粉为S95级及以上。

3.如权利要求1所述的一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆，其特征在于：所述膨润土为钠基膨润土；所述高岭土中粒径小于2μm的颗粒含量不低于90％。

4.如权利要求1所述的一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆，其特征在于：所述聚氧化乙烯粉的相对分子量为30万～40万，细度为100目及以上。

5.如权利要求1所述的一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆，其特征在于：所述植物胶粉为菁胶、瓜尔胶、胡麻胶和香豆胶中的任意一种，分子量为20万～100万，中粘型。

6.如权利要求1所述的一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆，其特征在于：所述缓释保坍型聚羧酸减水剂由多种减水功效释放时间不同的聚醚型聚羧酸减水剂母液复配而成，通过调控各聚醚型聚羧酸减水剂母液用量复配出1～4h内任意保坍时间的缓释保坍型聚羧酸减水剂。

7.如权利要求1所述的一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆，其特征在于：所述淀粉包裹水玻璃颗粒是表面包裹0.5～1mm厚淀粉胶的速溶硅酸钠颗粒。

8.如权利要求1所述的一种凝结时间可控的单组分活性同步注浆液，其特征在于：所述早强剂为碳酸钠、甲酸钙和硫代硫酸钠中的任意一种。

9.如权利要求1所述的一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆，其特征在于：所述中细砂为河砂和机制砂中的任意一种。

10.如权利要求1至9中任一项所述的一种凝结时间可控的单组分活性同步砂浆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(3)同步砂浆半成品注浆前1～1.5h，在盾构机尾部同步砂浆搅拌罐中向同步砂浆半成品中加入淀粉包裹水玻璃颗粒，搅拌5min后即得所述凝结时间可控的单组分活性同步砂浆。