CN113121187B

CN113121187B - 一种工业固废基注浆套管封固材料及其制备方法

Info

Publication number: CN113121187B
Application number: CN202110390735.XA
Authority: CN
Inventors: 林春金; 王川; 张明; 张华�; 李召峰
Original assignee: Shandong University; Shandong High Speed Group Co Ltd
Current assignee: Shandong University; Shandong High Speed Group Co Ltd
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-04-12
Also published as: CN113121187A

Abstract

本发明属于注浆套管封固施工技术领域，公开了一种工业固废基注浆套管封固材料及其制备方法，按照重量份数计包括：镍渣粉370～900份，钢渣700～1200份，脱硫石膏40～180份，水泥熟料50～200份，碱性激发剂50～200份，其他添加剂120～260份；本发明工业固废基注浆套管封固材料以镍渣粉、钢渣、脱硫石膏为主要原料，既实现了工业固废的有效利用，又降低了生产成本；制备出的封固材料流动性好，凝结时间短、起强快，并且具有一定的膨胀量，满足注浆工程套管封固施工的各项要求；1h抗压强度达到20～25MPa，结石体膨胀率大于10％，其良好的施工性能和力学性能能够最大限度满足规范及现场使用要求。

Description

一种工业固废基注浆套管封固材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及注浆套管封固施工技术领域，具体为一种工业固废基注浆套管封固材料及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着工业生产的发展，工业废物数量日益增加。尤其是冶金、火力发电等工业排放量最大。工业废物数量庞大，种类繁多，成分复杂，处理相当困难。为促进废物资源化和再利用，保护和改善环境，实现可持续发展，考虑工业废物在建筑行业的有效利用。

镍渣是金属镍和镍合金冶炼过程中产生的一种固体废渣，含有大量的二氧化硅和三氧化二铁，目前镍渣主要用于制备建筑材料包括水泥、混凝土掺和料、水泥制品等。钢渣中含有大量的硅酸三钙、硅酸二钙等活性物质，具有很好的水硬性，水化后能产生一定的强度。脱硫石膏的主要成分是二水硫酸钙晶体。脱硫石膏材料本身所具备的胶凝性能十分优秀，可以直接当作传统形式的胶凝材料使用。这些工业固废的有效处置和利用就成为一个很迫切的问题。

在注浆施工中，钻孔内注浆套管的密封质量直接影响施工安全。一般采用水泥单液浆注浆材料或水泥-水玻璃双液浆注浆材料对套管进行封固，但水泥单液浆封固材料凝结时间长，早期强度低，而水泥-水玻璃双液浆封固材料后期强度低。因此需要发明一种凝结时间短，起强快，强度高且具有环境效益的封固材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用工业固废制备的注浆套管封固材料的方法，解决了现有封固材料存在的问题，该工业固废基注浆套管封固材料凝结时间短、强度高、膨胀性高、水稳定性好、成本较低，并提高了对工业固废的利用。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种工业固废基注浆套管封固材料，由如下重量份的原料组成：镍渣粉370～900份，钢渣700～1200份，脱硫石膏40～180份，水泥熟料50～200份，碱性激发剂50～200份，其他添加剂120～270份。

本发明工业固废基注浆套管封固材料以镍渣粉、钢渣、脱硫石膏为主要原料，既实现了工业固废的有效利用，又降低了生产成本。制备出的封固材料流动性好，凝结时间短，强度高，成本较低，并且具有一定的膨胀量，满足注浆工程套管封固施工的各项要求。

本发明的第二个方面，提供了一种工业固废基注浆套管封固材料的制备方法，包括：

将镍渣粉、钢渣和脱硫石膏，碱激发剂和其他添加剂，混合，加水，混合均匀，得到浆液；

将所述浆液注浆，得到工业固废基注浆套管封固材料。

镍渣是是镍铁合金生产过程中产生的工业废渣，具有潜在的碱激发活性。在水泥中掺入镍渣会起到延长浆体的凝结时间的作用，并且能够改善新拌浆体的流动性，并有助于后期性能的提高。掺入镍渣能够降低水化热，延迟水化放热峰出现的时间。研究发现：适量的碱激发剂能够加速镍渣的前期反应，生成胶凝产物，但其中的Ca和Al含量较低。而钙、铝含量是评价其活性的决定性因素。因此，为了更好地改善镍渣的碱激发效果，本发明经过系统的研究和实验摸索发现：掺入适量的富含Ca和Al的钢渣能够改善碱激发镍渣的性能，获得凝胶材料流动性好，凝结时间短，强度高，实现了镍渣和钢渣的有效利用。

本发明的第三个方面，提供了任一上述的工业固废基注浆套管封固材料在建筑、隧道、桥梁、公路施工中的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明工业固废基注浆套管封固材料以镍渣粉、钢渣、脱硫石膏为主要原料，既实现了工业固废的有效利用，又降低了生产成本。

(2)本发明制备出的封固材料流动性好，凝结时间短，强度高，成本较低，并且具有一定的膨胀量，满足注浆工程套管封固施工的各项要求。

(3)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种工业固废基注浆套管封固材料，其原料组分按重量份比包括：镍渣粉370～900份，钢渣700～1200份，脱硫石膏40～180份，水泥熟料50～200份，碱性激发剂50～200份，其他添加剂120～270份。

本发明中对水泥熟料的具体类型并不作特殊的限定，在一些实施例中，所述水泥熟料包括：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或几种，可根据不同的工况进行选择。

进一步的，本发明的碱性激发剂包括：硅酸钠、氢氧化钠、硫酸钙和碳酸钙中的一种或几种，通过加入适量的碱激发剂有效地加速了镍渣的前期反应，生成了胶凝产物。

为了满足注浆工程套管封固施工的各项要求，本发明还加入了各种添加剂，以综合改善浆料的性能，包括硫铝酸钙型混凝土膨胀剂、早强剂氯化钙、触变剂羟丙基甲基纤维素、聚醚类消泡剂，制备的浆料流动性好，凝结时间短，强度高，成本较低，并且具有一定的膨胀量。

本发明的注浆材料主要用于套管的封固，因此，要求其快速凝结和早起强度较高。为达到此目的，在注浆材料中加入了胶凝材料的2％左右的早强剂，以提高注浆材料的早期强度。

进一步的，本发明的其他添加剂按照重量份数计：膨胀剂80～140份、早强剂10～50份、触变剂10～30份、消泡剂20～50份。

本发明中的膨胀剂用于弥补结构体的体积收缩，并使结构体具有一定的膨胀量。早强剂能够促进工业固废和水泥的水化速度，促进封固材料快速凝结，并提高封固材料的早期强度。触变剂能使胶液在静态时具有较大的黏度，同时使胶液在与水接触时能够在外力作用下保持流动。消泡剂能够消除封固材料在搅拌过程中产生的气泡，使封固材料内部具有良好的密实性。

一种工业固废基注浆套管封固材料制备方法，包括以下步骤：

步骤1:按重量比例称好镍渣粉、钢渣和脱硫石膏，并掺入相应比例的碱激发剂和其他添加剂。所述镍渣粉为370～900份，所述钢渣为700～1200份，所述脱硫石膏为40～180份，所述水泥熟料为50～200份，所述碱性激发剂为50～200份，所述其他添加剂为120～270份。

步骤2:将上述材料倒入搅拌锅内搅拌均匀。

步骤3:按照水灰比0.8称量水并倒入搅拌锅内，然后充分搅拌即可得到所需材料。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

以下实施例1-5中镍渣粉的比表面积范围控制在300～500m²/kg之间，主要的化学组成如表1所示：

表1镍渣粉的主要化学组成(质量百分比％)

SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	MgO	MnO	TiO<sub>2</sub>	损耗	总和
									33.78	2.32	58.31	1.59	2.53	0.96	0.15	0.36	100

注：镍渣中的镍主要以氧化物形式存在，且含量非常少，因此并不是主要的化学成分。所以未在表中体现。

钢渣的比表面积范围控制在380～420m²/kg之间，主要的化学组成如表2所示：

表2钢渣的主要化学组成(质量百分比％)

SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	MgO	Na<sub>2</sub>O	损耗	总和
								6.65	17.84	23.51	43.39	6.66	0.87	1.08	100

使用的硫铝酸钙型混凝土膨胀剂购于重庆高新技术产业开发区渝磊建材厂型号GH-402；氯化钙购于济南英出化工科技有限公司型号15654；羟丙基甲基纤维素购于淄博华普化工技术有限公司；聚醚类消泡剂购于四川普合化工有限公司型号PH-57-43。

实施例1

步骤1：按照如下比例称量原材料：取镍渣粉370份、钢渣700份、脱硫石膏40份、水泥50份；取硅酸钠25份、氢氧化钠25份；取硫铝酸钙型混凝土膨胀剂80份、氯化钙24份、羟丙基甲基纤维素10份、聚醚类消泡剂20份。

步骤2：将上述原料倒入搅拌锅内搅拌均匀。

步骤3：按照水灰比0.8称量水并倒入搅拌锅内，充分搅拌即可得到所需材料。

将步骤3搅拌均匀的浆体立即倒入凝结时间测定试模内，测定封固材料的初凝时间和终凝时间。

按上述步骤再次称量制备一份封固材料，将封固材料浆体倒入尺寸为31.6mm×31.6mm×50mm的三联试模内，共浇筑三组(每组3个试件)，放置于振动台上震动60s，刮平表面，20分钟时即可拆模，将成型的试件放置于温度20±2℃，湿度不低于80％的养护箱内养护。然后分别测试0.5h、1h、24h的抗压强度。

按上述步骤再次称量制备一份封固材料，倒入尺寸为25mm×25mm×280mm的模具中，夯实，刮去表面多余浆料，抹平表面。从加水时间起计，15min时将已拆掉的试件立即放入测长仪测读初始读数，每5min测读一次读数，直至0.5h。取下试件，待28d时再测读一次数据并计算膨胀率。

实施例2

步骤1：按照如下比例称量原材料：取镍渣粉530份、钢渣1040份、脱硫石膏70份、水泥110份；取硅酸钾50份、氢氧化钠60份；取硫铝酸钙型混凝土膨胀剂105份、氯化钙37份、羟丙基甲基纤维素18份、聚醚类消泡剂30份。

步骤2：将上述原料倒入搅拌锅内搅拌均匀。

按上述步骤再次称量制备一份封固材料浆体，将封固材料浆体倒入尺寸为31.6mm×31.6mm×50mm的三联试模内，共浇筑三组(每组3个试件)，放置于振动台上震动60s，刮平表面，20分钟时即可拆模，将成型的试件放置于温度20±2℃，湿度不低于80％的养护箱内养护。然后分别测试0.5h、1h、24h的抗压强度。

实施例3

步骤1：按照如下比例称量原材料：取镍渣粉570份、钢渣1000份、脱硫石膏100份、水泥125份；取电石渣60份、氢氧化钠60份；取硫铝酸钙型混凝土膨胀剂110份、氯化钙39份、羟丙基甲基纤维素20份、聚醚类消泡剂35份。

步骤2：将上述原料倒入搅拌锅内搅拌均匀。

实施例4

步骤1：按照如下比例称量原材料：取镍渣粉600份、钢渣970份、脱硫石膏120份、水泥130份；取硅酸钠60份、碳酸钙70份；取硫铝酸钙型混凝土膨胀剂120份、氯化钙40份、羟丙基甲基纤维素24份、聚醚类消泡剂40份。

步骤2：将上述原料倒入搅拌锅内搅拌均匀。

实施例5

步骤1：按照如下比例称量原材料：取镍渣粉870份、钢渣1200份、脱硫石膏180份、水泥200份；取硫酸钙100份、碳酸钙100份；取硫铝酸钙型混凝土膨胀剂140份、氯化钙50份、羟丙基甲基纤维素30份、聚醚类消泡剂50份。

步骤2：将上述原料倒入搅拌锅内搅拌均匀。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。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。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种工业固废基注浆套管封固材料，其特征在于，由如下重量份的原料组成：镍渣粉370～900份，钢渣700～1200份，脱硫石膏40～180份，水泥熟料50～200份，碱性激发剂50～200份，其他添加剂120～270份；

所述其他添加剂包括：硫铝酸钙型混凝土膨胀剂、早强剂氯化钙、触变剂羟丙基甲基纤维素和聚醚类消泡剂；

所述其他添加剂由如下重量份的原料组成：膨胀剂80～140份、早强剂10～50份、触变剂10～30份、消泡剂20～50份；

所述碱性激发剂包括：硅酸钠、硅酸钾、氢氧化钠、硫酸钙、电石渣和碳酸钙中的一种或几种。

2.如权利要求1所述的工业固废基注浆套管封固材料，其特征在于，由如下重量份的原料组成：镍渣粉370～635份，钢渣700～1050份，脱硫石膏40～110份，水泥熟料50～125份，碱性激发剂50～125份，其他添加剂120～225份。

3.如权利要求1所述的工业固废基注浆套管封固材料，其特征在于，由如下重量份的原料组成：镍渣粉635～900份，钢渣1050～1200份，脱硫石膏110～180份，水泥熟料125～200份，碱性激发剂125～200份，其他添加剂225～270份。

4.如权利要求1所述的工业固废基注浆套管封固材料，其特征在于，所述水泥熟料包括：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或几种。

5.权利要求1-4任一项所述的工业固废基注浆套管封固材料的制备方法，其特征在于，包括：

将所述浆液注浆，得到工业固废基注浆套管封固材料；

水灰比为0.7-0.9。

6.如权利要求5所述的工业固废基注浆套管封固材料的制备方法，其特征在于，水灰比为0.8。

7.权利要求1-4任一项所述的工业固废基注浆套管封固材料在建筑、隧道、桥梁、公路施工中的应用。