CN113816701A - 一种铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑施工技术领域，具体涉及一种铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料及其制备方法。本发明的双液注浆材料由A料浆和B料浆等体积组成；其中：A料浆由铝酸盐水泥、复合外加剂一与水组成；B料浆由硅酸盐水泥、复合外加剂二与水组成。本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，将铝酸盐水泥和硅酸盐水泥配合作为胶凝材料，充分利用铝酸盐水泥早强的特点，在外加剂作用下达到速凝快硬的效果；同时，单液存放时间不小于2h、浆液流动性好，其浆液流动度可达300mm，混合后的双液注浆材料可根据工程需要，初凝时间可调整缩短至2min以内，终凝时间可调整缩短至5min以内，2h抗压强度可达到6MPa。
Description
技术领域
本发明属于建筑施工技术领域，具体涉及一种铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料及其制备方法。
背景技术
注浆材料在建筑施工领域应用广泛。一方面，有些情况下，工程需要快速修补加固或堵水；另一方面，在采煤的过程中，需要对裸露的煤巷或采煤工作面进行注浆加固。这些情况下，采用单液注浆材料往往不能实现既满足施工性能，又能快速补强的目的，为此，需要设计双液注浆材料。根据双液注浆材料的化学组成，双液注浆材料可分为无机双液注浆材料和有机双液注浆材料。其中，有机双液注浆材料具有速凝快硬的特点，且粘接性较好，但也存在一些不足，如水化过程中放热量大、成本高，以及常用的聚氨酯类遇水易发泡等。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料及其制备方法，以解决现有注浆材料的速凝快干性能不能满足施工要求、成本高等问题。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，所述双液注浆材料由A料浆和B料浆等体积组成；其中：
A料浆由A粉料和水按重量比A粉料∶水＝100∶(28～36)组成；
A粉料由以下重量份的组分组成：铝酸盐水泥80～95份，复合外加剂一5～20份；
所述复合外加剂一由以下重量份的原料组成：碳酸钠10～30份、偏铝酸钠10～30份、元明粉10～30份、羟丙基甲基纤维素10～20份、减水剂一30～50份；
B料浆由B粉料和水按重量比B粉料∶水＝100∶(28～36)组成；
B粉料由以下重量份的组分组成：硅酸盐水泥80～95份，复合外加剂二5～20份；
所述复合外加剂二由以下重量份的原料组成：葡萄糖酸钠10～20份、羟丙基甲基纤维素10～20份、减水剂二60～80份。
在上述铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，优选地，所述铝酸盐水泥为符合国家标准《铝酸盐水泥》GB/T 201-2015表1中要求的铝酸盐水泥，且比表面积不小于350m2/kg。
在上述铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，优选地，所述碳酸钠为符合国标《工业碳酸钠》GB210-1992中II类或Ⅲ类中一等品和/或合格品要求的工业纯碱。
在上述铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，优选地，所述偏铝酸钠的质量纯度在80％以上。
在上述铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，优选地，所述元明粉的质量纯度在95％以上。
在上述铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，优选地，所述羟丙基甲基纤维素的2％水溶液的粘度为10万mPa·s。
在上述铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，优选地，所述减水剂一、减水剂二均为市售萘系粉体减水剂，其减水率均不小于20％。
在上述铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，优选地，所述硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥，且比表面积不小于350m2/kg。
在上述铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，优选地，所述葡萄糖酸钠的质量纯度在95％以上。
上述铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，按配比分别制备复合外加剂一、复合外加剂二；
第二步，按配比将复合外加剂一与铝酸盐水泥混合，制备A粉料；按配比将复合外加剂二与硅酸盐水泥混合，制备B粉料；
第三步，将A粉料与水按比例混合得A料浆；将B粉料与水按比例混合得B料浆，将A料浆、B料浆等体积混合均匀，得所述双液注浆材料。
有益效果：
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，将铝酸盐水泥和硅酸盐水泥配合作为胶凝材料，充分利用铝酸盐水泥早强的特点，在外加剂作用下达到速凝快硬的效果；同时，单液存放时间不小于2h、浆液流动性好，其浆液流动度可达300mm，混合后的双液注浆材料则可根据工程需要，初凝时间可调整缩短至2min以内，终凝时间可调整缩短至5min以内，2h抗压强度可达到6MPa。
并且，本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料的制备方法简单易行，对生产设备及人员要求低，生产周期短，全过程不产生三废，不影响环境。
具体实施方式
下面将对本发明实施例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的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，具有速凝快硬的特点，而且成本低，适宜在工程中大规模应用。
本发明的铝酸盐水泥和硅酸盐水泥基双液注浆材料，由A料浆和B料浆等体积组成；其中，A料浆由A粉料和水按重量比A粉料∶水＝100∶(28～36)组成(例如100∶28、100∶29、100∶30、100∶31、100∶32、100∶33、100∶34、100∶35或100∶36)，B料浆由B粉料和水按重量比B粉料∶水＝100∶(28～36)组成(例如100∶28、100∶29、100∶30、100∶31、100∶32、100∶33、100∶34、100∶35或100∶36)；A粉料、B粉料的具体组成如下：
A粉料由以下重量份的组分组成：铝酸盐水泥(简称A1)80～95份(例如80份、84份、88份、90份、92份或95份)，复合外加剂一(简称A2)5～20份(例如5份、7份、10份、15份、17份或20份)；其中，A2由以下重量份的原料组成：碳酸钠10～30份(例如10份、15份、20份、25份、27份或30份)、偏铝酸钠10～30份(例如10份、15份、20份、25份、27份或30份)、元明粉10～30份(例如10份、15份、20份、25份、27份或30份)、羟丙基甲基纤维素10～20份(例如10份、12份、14份、16份、18份或20份)、减水剂一30～50份(例如30份、35份、40份、45份、47份或50份)；
B粉料由以下重量份的组分组成：硅酸盐水泥(简称B1)80～95份(例如80份、84份、88份、90份、92份或95份)，复合外加剂二(简称B2)5～20份(例如5份、7份、10份、15份、17份或20份)；其中，B2由以下重量份的原料组成：葡萄糖酸钠10～20份(例如10份、12份、14份、16份、18份或20份)、羟丙基甲基纤维素10～20份(例如10份、12份、14份、16份、18份或20份)、减水剂二60～80份(例如60份、65份、70份、75份、77份或80份)。
可以理解的是，减水剂一、减水剂二可以相同，也可以不同，本发明不做特别要求。以下实施例中，两减水剂均相同，因此不再区分，均用“减水剂”指代。
铝酸盐水泥的主要矿物为铝酸一钙和少量的硅酸二钙，具有凝结硬化快的特点，主要水化产物为水化铝酸钙等。
硅酸盐水泥的主要矿物为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙，在碳酸钠和偏铝酸钠的作用下，具有速凝快硬的特点，主要水化产物为水化硅酸钙、钙矾石和水化铝酸钙等。
碳酸钠可以提供CO3 2-离子，可以与硅酸盐水泥水化产物氢氧化钙反应生成碳酸钙，从而加速硅酸盐水泥的水化。
偏铝酸钠可以提供AlO2 -离子，从而有利于早期钙矾石的生成，从而缩短双液注浆材料的初凝时间和终凝时间。
元明粉(即硫酸钠)可以提供SO4 2-离子，有助于早期钙矾石的生成，从而缩短双液注浆材料的初凝时间和终凝时间。
羟丙基甲基纤维素可以避免浆液在较大流动度时离析。
减水剂可以使浆液具有较好的流动性，从而具有较好的施工性能。
葡萄糖酸钠可以延长硅酸盐水泥的凝结硬化，从而确保B料浆的存放时间。
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，铝酸盐水泥为符合国家标准《铝酸盐水泥》GB/T 201-2015表1中要求的铝酸盐水泥，且比表面积不小于350m2/kg。
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，碳酸钠为符合国标《工业碳酸钠》GB210-1992中II类或Ⅲ类中一等品和/或合格品要求的工业纯碱。
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，偏铝酸钠为市售铝酸钠(铝酸钠又名偏铝酸钠)，其质量纯度在80％以上。
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，元明粉为市售无水硫酸钠粉体，其质量纯度在95％以上。
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，羟丙基甲基纤维素为市售白色粉体羟丙基甲基纤维素，粘度为10万mPa·s(质量分数为2％的水溶液)。
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，减水剂为市售萘系粉体减水剂，其减水率不小于20％。
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥，且比表面积不小于350m2/kg。
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料中，葡萄糖酸钠为市售粉体葡萄糖酸钠，其质量纯度在95％以上。
本发明的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料制备方法，包括如下步骤：
第一步，按复合外加剂一、复合外加剂二的重量份组成，分别称量对应的原料，混合均匀，分别制得复合外加剂一、复合外加剂二；
第二步，分别按重量份称量A1和A2、B1和B2，将A1和A2、B1和B2分别混合均匀，分别制得A粉料和B粉料；
第三步，将A粉料(即A1和A2的混合料)和水按A粉料∶水＝100∶(28～36)的重量比混合均匀，制得A料浆；将B粉料(即B1和B2的混合料)和水按B粉料∶水＝100∶(28～36)的重量比混合均匀，制得B料浆；
第四步，将A料浆和B料浆按相同的体积混合均匀，即得铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料。
以下实施例中：
铝酸盐水泥为符合国家标准《铝酸盐水泥》GB/T 201-2015表1中要求的CA70型铝酸盐水泥；
碳酸钠为符合国标《工业碳酸钠》GB210-1992中一等品要求的工业纯碱；
羟丙基甲基纤维素的粒度大小为不小于200目。
减水剂为市售萘系减水剂粉剂，其减水率不小于20％。
实施例1
本实施例的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，由A料浆和B料浆按体积比1∶1组成；其中，A料浆由850g A1、150g A2和300g水组成，B料浆由850g B1、150g B2和300g水组成；其中：
A1为CA70型铝酸盐水泥；
A2由以下重量份的原料组成：碳酸钠30份、偏铝酸钠10份、元明粉10份、羟丙基甲基纤维素10份、减水剂40份；可以理解的是，根据原料之间的重量份的相对大小，可计算出制备150g的A2所需的各原料的质量；
B1为42.5级硅酸盐水泥，且比表面积不小于350m2/kg；
B2由以下重量份的原料组成：葡萄糖酸钠15份、羟丙基甲基纤维素15份、减水剂70份；可以理解的是，根据原料之间的重量份的相对大小，可计算出制备150g的B2所需的各原料的质量。
本实施例的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，以重量份计，将碳酸钠30份、偏铝酸钠10份、元明粉10份、羟丙基甲基纤维素10份、减水剂40份，混合均匀得A2，即复合外加剂一；
步骤二，以重量份计，将葡萄糖酸钠15份、羟丙基甲基纤维素15份、减水剂70份，混合均匀得B2，即复合外加剂二；
步骤三，以重量份计，将铝酸盐水泥85份、复合外加剂一15份，混合均匀得A粉料；
步骤四，以重量份计，将硅酸盐水泥85份、复合外加剂二15份，混合均匀得B粉料；
步骤五，将A粉料1000g、水300g混合，搅拌至均匀，获得A料浆；
步骤六，将B粉料1000g、水300g混合，搅拌至均匀，获得B料浆；
步骤七，按照体积比A料浆∶B料浆＝1∶1将A料浆与B料浆混合均匀，得铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，通过双液注浆泵进行充填。
参照国家标准GB8076-2008《混凝土外加剂》分别进行单液存放时间、单液流动度、双液注浆材料初凝时间和终凝时间以及抗压强度的测试，其他实施例中的检测方法与本实施例中的相同，不再赘述。经取样检测为：A料浆和B料浆的单液存放时间分别为2h 30min和2h 50min，A料浆和B料浆的单液流动度分别为305mm和320mm；双液注浆材料的初凝时间为1min 35s、终凝时间为4min 39s，2h抗压强度为6.8MPa。
实施例2
本实施例的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，由A料浆和B料浆按体积比1∶1组成；其中，A料浆由820g A1、180g A2和320g水组成，B料浆由820g B1、180g B2和320g水组成；其中：
A1为CA70型铝酸盐水泥；
A2由以下重量份的原料组成：碳酸钠25份、偏铝酸钠15份、元明粉10份、羟丙基甲基纤维素15份、减水剂35份；可以理解的是，根据原料之间的重量份的相对大小，可计算出制备180g的A2所需的各原料的质量；
B1为42.5级硅酸盐水泥，且比表面积不小于350m2/kg；
B2由以下重量份的原料组成：葡萄糖酸钠12份、羟丙基甲基纤维素18份、减水剂70份；可以理解的是，根据原料之间的重量份的相对大小，可计算出制备180g的B2所需的各原料的质量。
本实施例的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，以重量份计，将碳酸钠25份、偏铝酸钠15份、元明粉10份、羟丙基甲基纤维素15份、减水剂35份，混合均匀得A2，即复合外加剂一；
步骤二，以重量份计，将葡萄糖酸钠12份、羟丙基甲基纤维素18份、减水剂70份，混合均匀得B2，即复合外加剂二；
步骤三，以重量份计，将铝酸盐水泥82份、复合外加剂一18份，混合均匀得A粉料；
步骤四，以重量份计，将硅酸盐水泥82份、复合外加剂二18份，混合均匀得B粉料；
步骤五，将A粉料1000g、水320g混合，搅拌至均匀，获得A料浆；
步骤六，将B粉料1000g、水320g混合，搅拌至均匀，获得B料浆；
步骤七，按照体积比A料浆∶B料浆＝1∶1将A料浆与B料浆混合均匀，得铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，通过双液注浆泵进行充填。
经取样检测为：A料浆和B料浆的单液存放时间分别为2h 55min和3h 35min，A料浆和B料浆的单液流动度分别为315mm和335mm；双液注浆材料的初凝时间为1min 58s、终凝时间为5min 5s，2h抗压强度为6.5MPa。
实施例3
本实施例的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，与实施例1的区别在于：A料浆、B料浆制备时的加水量不同，其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。A料浆、B料浆制备时的加水量(每次实验中的两料浆的加水量都相同)以及最终制备的A料浆、B料浆、双液注浆材料的性能测试结果如下表1所示。
表1加水量对双液注浆材料性能的影响
从表1结合实施例1的数据可以看出，随着水量的增加，单料料浆的存放时间越来越长，单料料浆的流动度越来越大，双液注浆材料的初凝时间和终凝时间越来越长，双液注浆材料硬化后2h的抗压强度越来越小。其中在水量较小时，单料料浆较粘稠，不能泵送；当水量较大时，单料料浆粘度太小而离析，双液注浆材料的初凝时间和终凝时间太长，2h的抗压强度也较小，因此，综合考虑各项因素，将水量的范围定在280～360g之间。
实施例4
本实施例的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，与实施例1的区别在于：A料浆制备时铝酸盐水泥的加入量不同，其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。A料浆制备时铝酸盐水泥的加入量以及最终制备的A料浆、B料浆、双液注浆材料的性能测试结果如下表2所示。
表2铝酸盐水泥的加入量对双液注浆材料性能的影响
从表2结合实施例1的数据可以看出，随着铝酸盐水泥量的增加，A料浆的存放时间越来越短，A料浆的流动度越来越小，双液注浆材料的初凝时间和终凝时间先缩短后延长，2h抗压强度先增大后减小。其中在铝酸盐水泥的量较小时，A料浆离析；当铝酸盐水泥的量较大时，A料浆太粘稠，不能泵送，且双液注浆材料的初凝时间和终凝时间较长，2h抗压强度较小。因此，综合考虑各项因素的影响，将铝酸盐水泥量的范围确定在800～950g之间。
实施例5
本实施例的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，与实施例1的区别在于：B料浆制备时硅酸盐水泥的加入量不同，其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。B料浆制备时硅酸盐水泥的加入量以及最终制备的A料浆、B料浆、双液注浆材料的性能测试结果如下表3所示。
表3硅酸盐水泥的加入量对双液注浆材料性能的影响
从表3结合实施例1的数据可以看出，随着硅酸盐水泥量的增加，B料浆的存放时间越来越短，B料浆的流动度越来越小，双液注浆材料的初凝时间和终凝时间越来越短，2h抗压强度越来越大。其中，当硅酸盐水泥的量较小时，B料浆离析，影响泵送施工；当硅酸盐水泥的量较大时，B料浆太粘稠，同样影响泵送施工。综合考虑各因素的影响，将硅酸盐水泥量的范围确定在800～950g之间。
对比例1
本对比例的双液注浆材料，与实施例1的区别在于：将某一组分从A料浆和B料浆中去除，其他参数均与实施例1中的相同，不再赘述。某一组分对最终制备的A料浆、B料浆、双液注浆材料的性能测试结果如下表4所示。
表4某一组分对双液注浆材料性能的影响
从表4结合实施例1的数据可以看出，当双液注浆材料的某一组分去除时，会对其性能产生相应的影响。其中，将碳酸钠从A料浆中去除时，对A料浆的存放时间和流动度影响较小，但对双液注浆材料的凝结时间和2h抗压强度会产生影响，尤其对双液注浆材料的初凝时间和终凝时间的影响较大；将偏铝酸钠从A料中去除时，同样，对A料浆的存放时间和流动度影响较小，但对双液注浆材料的凝结时间和2h抗压强度会产生影响，尤其对双液注浆材料的初凝时间和终凝时间影响较大；将元明粉(即硫酸钠)从A料浆中去除时，对A料浆的存放时间和流动度影响较小，双液注浆材料的凝结时间略微延长，2h抗压强度减小了约11.5％。将减水剂分别从A料浆和B料浆中去除时，对A料浆和B料浆的存放时间和流动度有较大的影响，对双液注浆材料的凝结时间和2h抗压强度则影响较小；将葡萄糖酸钠从B料中去除，B料浆的存放时间明显缩短，对B料浆的流动性影响较小，对双液注浆材料的凝结时间和2h抗压强度则略微有利；将羟丙基甲基纤维素分别从A料浆和B料浆中去除，A料浆和B料浆会产生离析现象，从而影响泵送施工，对双液注浆材料的凝结时间和2h抗压强度的影响则较小。从以上分析可知，当将复合外加剂的某一组分去除时，会对双液注浆材料的某一性能产生不利影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，其特征在于，所述双液注浆材料由A料浆和B料浆等体积组成；其中：
A料浆由A粉料和水按重量比A粉料∶水＝100∶(28～36)组成；
A粉料由以下重量份的组分组成：铝酸盐水泥80～95份，复合外加剂一5～20份；
所述复合外加剂一由以下重量份的原料组成：碳酸钠10～30份、偏铝酸钠10～30份、元明粉10～30份、羟丙基甲基纤维素10～20份、减水剂一30～50份；
B料浆由B粉料和水按重量比B粉料∶水＝100∶(28～36)组成；
B粉料由以下重量份的组分组成：硅酸盐水泥80～95份，复合外加剂二5～20份；
所述复合外加剂二由以下重量份的原料组成：葡萄糖酸钠10～20份、羟丙基甲基纤维素10～20份、减水剂二60～80份。
2.根据权利要求1所述的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，其特征在于，所述铝酸盐水泥为符合国家标准《铝酸盐水泥》GB/T 201-2015表1中要求的铝酸盐水泥，且比表面积不小于350m2/kg。
3.根据权利要求1所述的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，其特征在于，所述碳酸钠为符合国标《工业碳酸钠》GB210-1992中II类或Ⅲ类中一等品和/或合格品要求的工业纯碱。
4.根据权利要求1所述的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，其特征在于，所述偏铝酸钠的质量纯度在80％以上。
5.根据权利要求1所述的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，其特征在于，所述元明粉的质量纯度在95％以上。
6.根据权利要求1所述的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，其特征在于，所述羟丙基甲基纤维素的2％水溶液的粘度为10万mPa·s。
7.根据权利要求1所述的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，其特征在于，所述减水剂一、减水剂二均为市售萘系粉体减水剂，其减水率均不小于20％。
8.根据权利要求1所述的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥，且比表面积不小于350m2/kg。
9.根据权利要求1所述的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料，其特征在于，所述葡萄糖酸钠的质量纯度在95％以上。
10.根据权利要求1所述的铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
第一步，按配比分别制备复合外加剂一、复合外加剂二；
第二步，按配比将复合外加剂一与铝酸盐水泥混合，制备A粉料；按配比将复合外加剂二与硅酸盐水泥混合，制备B粉料；
第三步，将A粉料与水按比例混合得A料浆；将B粉料与水按比例混合得B料浆，将A料浆、B料浆等体积混合均匀，得所述双液注浆材料。
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