CN112608166B

CN112608166B - 一种水泥基-炭质板岩轻质回填材料及制备方法

Info

Publication number: CN112608166B
Application number: CN202011515856.4A
Authority: CN
Inventors: 谢亦朋; 张聪; 阳军生; 陈维; 彭雨杨; 梁雄; 张海太; 王康云; 邹小双
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: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2040-12-21
Also published as: CN112608166A

Abstract

本发明公开了一种水泥基‑炭质板岩轻质回填材料及制备方法，主要由下述原料按重量配比制成：硅酸盐水泥100份；碳质板岩弃渣40～60份；偏铝酸盐0.75～1.5份；发泡剂3～5份；水80～100份。本发明的轻质回填材料泵送性与凝结时间可控，固化后结石体中可形成均匀泡孔，结石体体积收缩率低，结石体重量小，抗压强度高于一般轻质回填材料，对于隧道与地下工程中的充填注浆作业具有较高适用性。

Description

一种水泥基-炭质板岩轻质回填材料及制备方法

技术领域

本发明涉及隧道与地下工程充填注浆材料领域，具体涉及到一种水泥基轻质回填材料及制备方法。

背景技术

随着西南地区交通路网的建设与发展，越来越多的隧道将不可避免地穿越复杂破碎岩层。其中，层状炭质板岩是一种广泛存在于西南地区的软岩地层，普遍具有层状节理发育、强度低、遇水易软化的特点，隧道开挖过程中易出现坍塌、掉块及围岩大变形，导致隧道开挖断面成型差、初期支护变形大等问题，最终在衬砌结构背后形成大面积脱空，影响运营期的隧道结构安全。

现阶段，回填注浆是解决隧道及地下工程中脱空问题的主要方法，目前常用水泥砂浆作为回填注浆材料。然而，普通水泥砂浆多存在析水率高、凝结时间不可控、固结后体积收缩率高等稳定性问题，难以将脱空部位充填密实；同时，传统水泥砂浆固结体质量较高，充填后作为附加荷载作用在支护结构上，会对支护结构受力带来不利影响。因此，研制一种稳定可控的轻质回填注浆材料已成为本领域工程师亟待解决的问题。

发明内容

通过成分分析可知，炭质板岩中富含绿泥石等层状粘土矿物，强度较低，遇水易软化、崩解，具有进一步加工破碎的可行性。为更合理的利用现有资源，本发明人想到若将隧道开挖产生的炭质板岩弃渣回收加工为细集料，取代常规轻质回填注浆材料中的砂石骨料，则可有效节约生产成本，并减少岩土弃渣对环境造成的影响。但这并非简单的原料替换与组合，需要对炭质板岩对物理、化学形态进行研究分析，并对整体配方进行大量实验，以达到性能稳定、泵送性与凝结时间可控、固结后体积收缩率低、抗压强度高等更好的综合性能。因此，本发明为克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供了一种水泥基-炭质板岩轻质回填材料及制备方法。

为此，本发明提出的技术方案为：

一种水泥基-炭质板岩轻质回填材料，主要由下述原料按重量配比制成：

进一步的，所述硅酸盐水泥为32.5#普通硅酸盐水泥，其比表面积不小于300m²或80μm方孔筛的筛余量不大于5％。

进一步的，所述炭质板岩弃渣粒径控制在5mm以下。

进一步的，所述偏铝酸盐为铝酸钠，Al₂O₃含量不低于45％。

进一步的，所述发泡剂为十二烷基苯磺酸盐。

本发明提供的一种所述水泥基-炭质板岩轻质回填材料的制备方法，包括下述的步骤：将隧道开挖产生的炭质板岩弃渣回收，通过浸水、搅拌、干燥及过筛加工为细集料；然后将碳质板岩弃渣细集料按所述配方制成回填材料，用于对隧道回填注浆。

进一步的，所述浸水、搅拌是将炭质板岩弃渣浸水10-40min并用搅拌机打碎。

进一步的，所述过筛将粒径控制在5mm以下。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)该轻质回填材料回收利用了隧道开挖产生的炭质板岩弃渣，产品生产成本低，绿色环保。

(2)该轻质回填材料性能稳定，泵送性与凝结时间可控。

(3)该轻质回填材料固结后结石体中可形成均匀泡孔，结石体体积收缩率低，结石体重量小，抗压强度高于一般轻质回填材料。

(4)该轻质回填材料配制便捷，现场施工操作工艺简单，对于隧道与地下工程中的充填注浆作业具有较高适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中水泥基-炭质板岩轻质回填材料所用炭质板岩弃渣照片；

图2为实施例1中水泥基-炭质板岩轻质回填材料固结体照片。

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。

本发明一个具体实施方式的水泥基-炭质板岩轻质回填材料，主要由下述组分原料按重量配比制成：

在一个优选实施例中，所述水泥基-炭质板岩轻质回填材料中水泥为32.5#普通硅酸盐水泥，其比表面积不小于300m²或80μm方孔筛的筛余量不大于5％，性能满足(GB 175-2007)标准的有关要求。

本发明所用炭质板岩弃渣由隧道开挖产生，岩体呈片状层理结构，强度低，自然状态下用手可掰碎，遇水易崩解、泥化，浸水10min即可崩解为颗粒状块体；内部结构呈薄片状，黏土矿物含量丰富，其中绿泥石含量达到24.38％。炭质板岩弃渣可替代常规轻质回填材料中的砂、石骨料，降低了生产成本；同时，与常规的机制砂料相比，炭质板岩颗粒球度低，棱角显著，细集料间的咬合作用可提高轻质回填材料的抗压强度。

在一个优选实施例中，所述炭质板岩弃渣通过浸水、搅拌等操作破碎成为较小颗粒，经方孔筛将粒径控制在5mm以下，并满足I类工程用砂需求。例如，浸水30min并用手持式搅拌机打碎，晒干后先通过4.75mm方孔筛剔除粗颗粒，再通过0.15mm～4.75mm方孔筛将细颗粒按照I类机制工程用砂的级配标准进行配比，细度模数为3.61，性能满足(GB/T17431.1-2010)标准的有关要求。

在一个优选实施例中，所述偏铝酸盐为铝酸钠试剂纯，Al₂O₃含量不低于45％。在水泥水化过程中，铝酸钠与水泥中的石膏在碱性环境下发生反应，抑制了石膏的缓凝作用，从而促进水泥水化进行，起到调节凝结时间、提高固化强度的作用。

在一个优选实施例中，所述发泡剂为分析纯级十二烷基苯磺酸盐，发泡剂干燥失重与硫酸盐杂质含量不大于10％，发泡效率较高。该化合物是一种环境友好型阴离子表面活性剂，分子结构为直链型(LAS)，具有易生物降解，环境污染程度小等特点。发泡剂可以在砂浆中生成大量气泡，固结后在结石体中形成密集的孔洞，可显著减小回填材料的干燥密度，以降低回填材料对支护结构带来的额外荷载。

本发明的水泥基-炭质板岩轻质回填材料回收加工隧道开挖产生的炭质板岩弃渣作为细集料，具有泵送性与凝结时间可控，固结后体积收缩率低，干燥密度低，抗压强度高等特点。

实施例1

一种水泥基-炭质板岩轻质回填材料，该材料主要由32.5#普通硅酸盐水泥、碳质板岩弃渣(如图1)、偏铝酸盐、十二烷基苯磺酸盐发泡剂及水组成，水灰比为1：1。其中，水泥的质量为2.0kg，炭质板岩弃渣质量为0.8kg(为水泥质量的40％)，偏铝酸盐质量为0.03kg(为水泥质量的1.5％)，十二烷基苯磺酸盐发泡剂质量为0.1kg(为水泥质量的5％)材料配比如表1所示。

对该回填材料的析水率、流动度、胶凝时间、固结体收缩率、干燥密度以及14d抗压强度进行测试，浆液的测试结果如表2所示，回填材料固结体照片如图2。

实施例2

一种水泥基-炭质板岩轻质回填材料，该材料主要由32.5#普通硅酸盐水泥、碳质板岩弃渣、偏铝酸盐、十二烷基苯磺酸盐发泡剂及水组成，水灰比为0.8：1。其中，水泥的质量为3.0kg，炭质板岩弃渣质量为1.8kg(为水泥质量的60％)，偏铝酸盐质量为0.0225kg(为水泥质量的0.75％)，十二烷基苯磺酸盐发泡剂质量为0.09kg(为水泥质量的3％)材料配比如表1所示。

对该回填材料的析水率、流动度、胶凝时间、固结体收缩率、干燥密度以及14d抗压强度进行测试，浆液的测试结果如表2所示。

对比例1

本对比例与实施例1、2同为轨道交通领域的回填材料，不同之处在于对比例用复合砂替换了炭质板岩弃渣，且未添加十二烷基苯磺酸盐发泡剂和偏铝酸盐，水胶比、胶砂比均与实施例2保持一致。该对比例涉及一种水泥基-砂石骨料砂浆，该材料主要由胶凝材料(包括32.5#普通硅酸盐水泥与粉煤灰)、复合砂、水组成，水胶比为0.8：1，砂胶比为0.6。胶凝材料的质量为2.128kg，复合砂质量为1.277kg。材料配比如表1所示。对该回填材料的析水率、流动度、胶凝时间、固结体收缩率、湿密度、干燥密度以及14d抗压强度进行测试，浆液的测试结果如表2所示。

表1水泥基-炭质板岩轻质回填材料实施例配比

表2水泥基-炭质板岩轻质回填材料实施例性能测试结果

在本发明实施例中，所述水泥基-炭质板岩轻质回填材料性能稳定，泵送性与凝结时间可控，其浆液2小时析水率可控制在0％～2％，流动度可控制在150mm～250mm内，胶凝时间可控制在5min～15min内。固结后体积收缩率低，结石体重量小，抗压强度高于一般轻质回填材料，回填材料固结体体积收缩率小于3.2％，干燥密度控制在0.708g/cm³～1.754g/cm³内，14d单轴抗压强度最高可达8.176MPa。

对比例与实施例相比，流动度、析水率、固结体收缩率较高，说明对比例回填材料的稳定性劣于本发明实施例；同时，湿密度、干密度较大，说明对比例回填材料与实施例相比较重；14d抗压强度较低，说明对比例回填材料的强度劣于本发明实施例。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种应用于隧道中的水泥基-炭质板岩轻质回填材料，其特征在于，由下述原料按重量配比制成：

硅酸盐水泥 100份；

炭质板岩弃渣 40～60份；

所述炭质板岩弃渣通过浸水、搅拌、干燥及过筛加工，控制粒径在5mm以下；

偏铝酸盐 0.75～1.5份；

发泡剂 3～5份；

所述发泡剂为十二烷基苯磺酸盐；

水 80～100份。

2.根据权利要求1所述的应用于隧道中的水泥基-炭质板岩轻质回填材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥为32.5#普通硅酸盐水泥，其80μm方孔筛的筛余量不大于5%。

3.根据权利要求1所述的应用于隧道中的水泥基-炭质板岩轻质回填材料，其特征在于，所述偏铝酸盐为铝酸钠，Al₂O₃含量不低于45%。

4.一种权利要求1～3中任一项所述的应用于隧道中的水泥基-炭质板岩轻质回填材料的制备方法，其特征在于，包括下述的步骤：将隧道开挖产生的炭质板岩弃渣回收，通过浸水、搅拌、干燥及过筛加工为细集料；然后将炭质板岩弃渣细集料按配方制成回填材料，用于对隧道回填注浆。

5.根据权利要求4所述的应用于隧道中的水泥基-炭质板岩轻质回填材料的制备方法，其特征在于，所述浸水、搅拌是将炭质板岩弃渣浸水10-40min并用搅拌机打碎。

6.根据权利要求4所述的应用于隧道中的水泥基-炭质板岩轻质回填材料的制备方法，其特征在于，所述过筛将粒径控制在5mm以下。