CN114573252A - 一种聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料技术领域，涉及隧道注浆加固材料，具体涉及一种聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料及其制备方法。按重量份计，其原料组成包括以下组分：赤泥55～85份、高钙质固废30～50份、水泥5～30份、聚合物1～20份、激发剂5～20份、减水剂1～3份；其中，所述高钙质固废为砂岩煤矸石、高炉矿渣、电石渣或脱硫石膏；所述聚合物为纳米芳纶纤维、纤维素纳米晶、聚丙烯酸酯乳液、丁苯乳液、丁腈乳液、丁基乳液中的至少一种。本发明提供的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料具有良好的防水性能、耐磨性能及力学性能，使其能够代替普通硅酸盐水泥作为盾构隧道壁后注浆材料。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及隧道注浆加固材料，具体涉及一种聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料及其制备方法。
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。
盾构法已成为地铁隧道施工的主要施工方法，在盾构隧道施工的过程中，由于盾构机的开挖直径大于盾构管片的直径，管片壁后会产生建筑空隙。为了控制此空隙引起的地层沉降变形，采取管片壁后同步注浆是一种行之有效的施工方法。
衬砌发生开裂和渗漏水是隧道建设、运营期面临的最普遍的安全挑战。盾构法施工如果没有可靠的防渗漏措施，地下水就会侵入隧道，影响其内部结构与附属管线，甚至危害到地铁的运营和降低隧道使用寿命。一方面管片拼装并由螺栓连接而成，隧道结构存在大量的接缝，抵抗变形的能力较弱，管片接缝的变形将导致结构防水功能的失效，在地下水丰富的区域引起结构严重的渗漏水情况。另一方面盾构隧道壁后注浆材料通常使用的是普通硅酸盐水泥。然而，水泥不仅在生产时会造成石灰石、黏土和能源的大量消耗以及二氧化碳的大量排放，对全球生态环境和资源产生不良影响。而且在使用性能上普通硅酸盐水泥析水率高，抗渗性能差，结石体体积稳定性差，抗水性能和断裂韧性一般。用水泥进行壁后注浆能源消耗量大且效果不够明显，因此需要寻找一种效果更加优良的材料进行代替。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料及其制备方法，该胶凝材料具有良好的防水性能、耐磨性能及力学性能，使其能够代替普通硅酸盐水泥作为盾构隧道壁后注浆材料。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料，按重量份计，其原料组成包括以下组分：赤泥55～85份、高钙质固废30～50份、水泥5～30份、聚合物1～20份、激发剂5～20份、减水剂1～3份；
其中，所述高钙质固废为砂岩煤矸石、高炉矿渣、电石渣或脱硫石膏；
所述聚合物为纳米芳纶纤维、纤维素纳米晶(CNC)、聚丙烯酸酯乳液、丁苯乳液(SBRL)、丁腈乳液、丁基乳液中的至少一种。
另一方面，一种上述聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料的制备方法，所述聚合物为乳液，其过程为：将赤泥、水泥、高钙质固废混合均匀后，加入激发剂、减水剂继续混合获得A组分；将聚合物搅拌均匀使乳液分散均匀获得B组分；将A组分与B组分混合均匀，即得。
第三方面，一种上述聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料的制备方法，所述聚合物为粉体，其过程为：将赤泥、水泥、高钙质固废混合均匀，然后依次加入激发剂、减水剂和聚合物搅拌均匀，即得。
第四方面，一种上述聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料在盾构隧道壁后注浆中的应用。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明获得的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料，聚合物具有稳定的网络结构，可以增强材料的粘结力；聚合物可以完成避免普通水泥因碱金属离子迁移与骨料反应而引起的碱集料反应，没有膨胀，因而经受自然破坏的能力很强；聚合物具有耐磨、耐老化的效果还可在一定程度上充填结石体的空隙，是结石体的结构更加致密；聚合物可以进行混合使用，混合使用可以使聚合物的性能进行互补，改善单个聚合物存在的不足，使材料性能更加优良。
(2)普通硅酸盐水泥作为壁后注浆材料，往往结石体稳定性差，抗水性和断裂韧性一般。聚合物具有很高的拉伸强度、耐腐蚀性和耐侵蚀性较好。加入适当比例的聚合物可显著提高其抗折强度和粘结抗拉强度，大幅度降低压折比，明显改善浆液的防水性能、抗碳化性能和干缩性能，使其可以缓解衬砌的变形，并在衬砌发生开裂是仍能起到防水效果。
(3)由于传统的盾构隧道壁后注浆多采用普通硅酸盐水泥，对水泥的需求量大。采用赤泥作为原材料可以减少水泥的使用和对环境的污染，还可以有效缓解赤泥大量堆存的问题。本发明所使用的主要原料赤泥、高钙质固废均为数量巨大的废弃资源，能够大宗利用固废，实现固废资源化利用，具有显著的环保、经济及工程应用价值。
(4)赤泥具有一定的胶凝性，加入激发剂会促进其水化反应，在水化反应的过程中，生成胶凝，材料结构伴随水化时间越来越致密。并且激发剂提供碱性环境，能够实现赤泥、矿粉等原料共价键的断裂和重组，发生聚合反应，形成硅铝酸盐溶解产物，提供强度。加入聚合物进行改性后，使其具有部分聚合物的性质，例如韧性提高，具有防水性并在耐磨性和耐冲击等方面有所改善。
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，本文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。
鉴于现有盾构隧道壁后注浆材料主要为普通硅酸盐水泥存在性能较差等问题，本发明提出了一种聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料及其制备方法，可以代替普通硅酸盐水泥作为盾构隧道壁后注浆材料。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料，按重量份计，其原料组成包括以下组分：赤泥55～85份、高钙质固废30～50份、水泥5～30份、聚合物1～20份、激发剂5～20份、减水剂1～3份；
其中，所述高钙质固废为砂岩煤矸石、高炉矿渣、电石渣或脱硫石膏；
所述聚合物为纳米芳纶纤维、纤维素纳米晶、聚丙烯酸酯乳液、丁苯乳液、丁腈乳液、丁基乳液中的至少一种。
赤泥为拜耳法、烧结法或联合法生产氧化铝时排出的污染性废渣的任意一种，该实施方式的一些实施例中，所述赤泥含水率小于5％。生产氧化铝时排出的赤泥经过烘干即可实现含水率的降低。
该实施方式的一些实施例中，高钙质固废的粒径为10～30μm。
该实施方式的一些实施例中，高钙质固废含水率小于5％。
该实施方式的一些实施例中，所述水泥为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、磷酸盐水泥中的一种。水泥强度可为32.5、32.5R、42.5、42.5R中的一种。
该实施方式的一些实施例中，所述激发剂为水玻璃、氢氧化纳、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、硫酸钠中的任意一种或几种复合。研究表明当采用水玻璃为激发剂时，性能更好。
该实施方式的一些实施例中，所述减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂、木质素磺酸钠盐减水剂或脂肪族高效减水剂。所述减水剂为粉末减水剂。
本发明的另一种实施方式，提供了一种上述聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料的制备方法，所述聚合物为乳液，其过程为：将赤泥、水泥、高钙质固废混合均匀后，加入激发剂、减水剂继续混合获得A组分；将聚合物搅拌均匀使乳液分散均匀获得B组分；将A组分与B组分混合均匀，即得。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料的制备方法，所述聚合物为粉体，其过程为：将赤泥、水泥、高钙质固废混合均匀，然后依次加入激发剂、减水剂和聚合物搅拌均匀，即得。
该实施方式的一些实施例中，混合粉末原料时，采用干粉混合机进行搅拌。
本发明的第四种实施方式，提供了一种上述聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料在盾构隧道壁后注浆中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
(1)A组分的制备：按照配比精确称取55份赤泥、40份高炉矿渣、25份水泥加入干粉混合机内搅拌均匀。然后精确称取15份粉状硅酸钠、2.5份粉状聚羧酸减水剂混入搅拌好的粉料中再次搅拌均匀。
(2)B组分的制备：按照配比精确称取5份聚丙烯酸酯乳液加入搅拌装置中使乳液分散均匀。
(3)将A组分与B组分混合均匀可得到聚合物改性赤泥基杂化胶凝材料。
实施例2
(1)A组分的制备：按照配比精确称取65份赤泥、35份高炉矿渣、20份水泥加入干粉混合机内搅拌均匀。然后精确称取10份粉状硅酸钠、2份粉状聚羧酸减水剂混入搅拌好的粉料中再次搅拌均匀。
(2)B组分的制备：按照配比精确称取10份聚丙烯酸酯乳液加入搅拌装置中使乳液分散均匀。
(3)将A组分与B组分混合均匀可得到聚合物改性赤泥基杂化胶凝材料。
实施例3
(1)A组分的制备：按照配比精确称取75份赤泥、30份高炉矿渣、15份水泥加入干粉混合机内搅拌均匀。然后精确称取8份粉状硅酸钠、1.5份粉状聚羧酸减水剂混入搅拌好的粉料中再次搅拌均匀。
(2)B组分的制备：按照配比精确称取15份聚丙烯酸酯乳液加入搅拌装置中使乳液分散均匀。
(3)将A组分与B组分混合均匀可得到聚合物改性赤泥基杂化胶凝材料。
实施例4
(1)A组分的制备：按照配比精确称取85份赤泥、25份高炉矿渣、10份水泥加入干粉混合机内搅拌均匀。然后精确称取5份粉状硅酸钠、1份粉状聚羧酸减水剂混入搅拌好的粉料中再次搅拌均匀。
(2)B组分的制备：按照配比精确称取20份聚丙烯酸酯乳液加入搅拌装置中使乳液分散均匀。
(3)将A组分与B组分混合均匀可得到聚合物改性赤泥基杂化胶凝材料。
实施例5
与实施例4相比，区别在于：将激发剂换为氢氧化钠。
实施例6
与实施例2相比，区别在于：将聚丙烯酸酯乳液换成纤维素纳米晶-丁苯乳液。
实施例7
与实施例4相比，区别在于：采用将聚丙烯酸酯乳液换成丁腈乳液。
实施例8
与实施例4相比，区别在于：采用将聚丙烯酸酯乳液换成纳米芳纶纤维，其步骤为：
(1)按照配比精确称取85份赤泥、10份水泥、25份高炉矿渣并将称取的粉料加入干粉混合机内搅拌均匀。
(2)按照配比精确称取5份粉状硅酸钠、1份粉状聚羧酸减水剂和20份纳米芳纶纤维，并依次加入(1)中得粉体中搅拌均匀可得到聚合物改性赤泥基杂化胶凝材料。
将实施例1-8制备的材料按照T-CECS 563-2018《盾构法隧道同步注浆材料应用技术规程》进行试验，实验结果均满足国家标准要求，如表1所示。
表1实施例1-8制备的材料的性能
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，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)
1.一种聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料，其特征是，按重量份计，其原料组成包括以下组分：赤泥55～85份、高钙质固废30～50份、水泥5～30份、聚合物1～20份、激发剂5～20份、减水剂1～3份；
其中，所述高钙质固废为砂岩煤矸石、高炉矿渣、电石渣或脱硫石膏；
所述聚合物为纳米芳纶纤维、纤维素纳米晶、聚丙烯酸酯乳液、丁苯乳液、丁腈乳液、丁基乳液中的至少一种。
2.如权利要求1所述的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料，其特征是，所述赤泥含水率小于5％。
3.如权利要求1所述的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料，其特征是，高钙质固废的粒径为10～30μm。
4.如权利要求1所述的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料，其特征是，高钙质固废含水率小于5％。
5.如权利要求1所述的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料，其特征是，所述水泥为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、磷酸盐水泥中的一种。
6.如权利要求1所述的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料，其特征是，所述激发剂为水玻璃、氢氧化纳、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、硫酸钠中的任意一种或几种复合。
7.如权利要求1所述的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料，其特征是，所述减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂、木质素磺酸钠盐减水剂或脂肪族高效减水剂。
8.一种权利要求1～7任一所述的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料的制备方法，其特征是，所述聚合物为乳液，其过程为：将赤泥、水泥、高钙质固废混合均匀后，加入激发剂、减水剂继续混合获得A组分；将聚合物搅拌均匀使乳液分散均匀获得B组分；将A组分与B组分混合均匀，即得。
9.一种权利要求1～7任一所述的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料的制备方法，其特征是，所述聚合物为粉体，其过程为：将赤泥、水泥、高钙质固废混合均匀，然后依次加入激发剂、减水剂和聚合物搅拌均匀，即得。
10.一种权利要求1～7任一所述的聚合物改性赤泥基杂化碱性胶凝材料在盾构隧道壁后注浆中的应用。
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