CN115286340A - 一种基于淤泥质盾构土同步注浆材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及注浆材料技术领域，具体为一种基于淤泥质盾构土同步注浆材料及其制备方法。该同步注浆材料由成品土浆和土质胶凝材料混合而成；其中，所述成品土浆中由淤泥质盾构渣土、纯碱和铁铬木质素磺酸钠经造浆制得；每1m3同步注浆材料中含有0.75t/m3～0.82t/m3淤泥质盾构渣土干基，0.16t/m3～0.12t/m3土质胶凝材料，余量为水。本发明大掺量利用淤泥质盾构渣土，在造浆环节对土浆改性处理，设计了土质胶凝材料以及制备工艺流程和控制指标。为淤泥质盾构渣土的大量利用以及固体废弃物利用在盾构同步注浆技术领域中的应用开拓了新的途径，同时也提升了盾构同步注浆工程材料的性能。

Description

一种基于淤泥质盾构土同步注浆材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及注浆材料技术领域，特别是涉及一种基于淤泥质盾构土同步注浆材料及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的发展，各城市加快地铁和隧道的建设，盾构施工技术是主要的施工方法，同时也会产生大量废弃的盾构渣土，大量的盾构渣土堆积会污染环境、占用土地，成为制约我国城市发展的瓶颈之一。
目前，现有文献中盾构同步注浆材料多为42.5等级水泥、消石灰、膨润土、粉煤灰、各类冶金渣粉和中细砂等配制而成，该类配料组成不仅消耗大量的砂资源，同时在使用过程中存在以下问题：
(1)多数使用42.5等级以上的水泥，碳排放量较大；
(2)注入盾构管片后，因为注浆压力以及含有大量的砂子，因此使用过程中极易出现浆体泌水问题；
(3)凝结时间缓慢，强度较低；
(4)因含有砂等较粗颗粒，该类型的同步注浆材料很难渗入原状土中，导致管片与原状土之间的加固能力较弱，后期较易出现渗水和支撑力不足的问题。
同时，现有文献中虽然偶有涉及利用盾构渣土配制盾构同步注浆材料，但是仍存在一些不足之处，具体如下：
(1)使用的盾构渣土的类型为粉土、粉砂土或要求含砂量在30％～40％的渣土，使用盾构渣土多为部分替代中细砂的含量；
(2)盾构渣土的使用量较低，占同步注浆材料的使用量多为20％～40％，未实现大规模的利用废弃盾构渣土；
(3)目前利用盾构渣土的技术与胶凝材料直接混合，不能解决盾构渣土自身的粘聚性带来的分散性差和混匀性差的问题，导致配制出的同步注浆材料质量不均匀；
(4)无法大量使用淤泥质盾构渣土制备盾构同步注浆材料。
发明内容
根据国家“双碳”和“绿色环保”发展要求，以及针对上述盾构同步注浆材料存在的问题，本发明公开了一种基于淤泥质盾构土同步注浆材料及其制备方法，可大量利用淤泥质盾构渣土与土质胶凝材料制得盾构同步注浆材料，达到产品性能优良且绿色环保等特点，可用于隧道和地铁工程中的盾构管片注浆加固工程。
具体而言，本申请提供了如下技术方案：
一种基于淤泥质盾构土同步注浆材料，由成品土浆和土质胶凝材料混合而成；其中，所述成品土浆中由淤泥质盾构渣土、纯碱和铁铬木质素磺酸钠经造浆制得；每1m3同步注浆材料中含有0.75t/m3～0.82t/m3淤泥质盾构渣土干基，0.16t/m3～0.12t/m3土质胶凝材料，余量为水。
进一步的，所述纯碱占淤泥质盾构渣土干基的0.1％～0.2％，所述铁铬木质素磺酸钠占淤泥质盾构渣土干基的0.1％～0.2％。
其中，纯碱可显著中和土浆的负电荷，释放淤泥质黏土包裹的水分，降低淤泥质黏土的黏度，有利于土浆与土质胶凝材料之间的拌合均匀和制得的同步注浆材料的流动性。
铁铬木质磺酸钠可显著改善土浆的抗钙性，对土质胶凝材料混合后，水化释放出的Ca2+对土浆触变性的影响有抑制作用，避免同步注浆材料在运输和使用过程中流动度、黏度经时损失过大的问题，以及引起的堵塞管道和注浆设备。
进一步的，所述成品土浆的比重为1.5～1.54t/m3，通过流锥法黏度计测得的成品土浆黏度为20s～30s。
进一步的，所述淤泥质盾构渣土中的淤泥质含量达到90％以上；所述淤泥质盾构渣土在造浆前经过3mm方格筛筛分。
其中，所述土质胶凝材料包括以下质量百分比原料：32.5等级水泥20％～30％、高炉矿渣粉20％～30％、钢渣粉17.9％～39.45％、粉煤灰10％～15％、石膏粉5％～10％、元明粉0.5％～2％、聚丙烯酰胺0.02～0.05％、硼酸0.03％～0.1％。
所述32.5等级水泥可包括矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰水泥等通用水泥；
所述高炉矿渣粉为印巴法冲制而成，经过粉磨后，比表面积≥400m2/kg，7d活性指数≥80％，28d活性指数≥105％；
所述钢渣粉为转炉钢渣，经热闷或风淬处理，经过粉磨后，其比表面积≥400m2/kg，7d活性指数≥65％，28d活性指数≥75％；
所述粉煤灰为二级粉煤灰。
其中，所述石膏粉为CaSO4·2H2O，可以是副产物脱硫石膏或天然矿石膏经烘干和粉磨制得的粉体，比表面积≥350m2/kg；
所述元明粉为Na2SO4，有效含量达90％以上；
所述聚丙烯酰胺包括水解或非水解的非离子型聚丙烯酰胺；可增强同步注浆材料的润滑性，对输送管道和设备进行减阻。
所述硼酸的有效含量达到90％以上。其主要作用可在早期抑制土质胶凝材料与水反应释放出Ca2+的速度，避免同步注浆材料在3h内的流动度和黏度的经时损失过大，进而产生堵塞输送管道和设备的问题，其不影响同步注浆材料7d及以后的强度发挥。
每吨成品土浆中加入80kg～110kg土质胶凝材料。根据土浆的比重、黏度进行控制，要求制得的同步注浆材料的流动度控制在12cm～13cm，利用旋转黏度计检测的初始黏度为2500～3000mpa·s；3h后，流动度要求为9cm～10cm，旋转黏度为4000～5000mpa·s。
所述同步注浆材料，比重为1.57t/m3～1.59t/m3；
淤泥质盾构渣土干基消耗占比47.8％～51.6％，土质胶凝材料消耗占比7.5％～10.2％；，实现大规模利用淤泥质盾构渣土，低量消耗土质胶凝材料，具有低碳、绿色、经济的优势。
所述的同步注浆材料凝胶时间为5h～7h；初凝时间为10h～13h，终凝时间为20h～24h；
所述的同步注浆材料在注浆压力0.3MPa～0.5MPa下，注浆率≥240％；
所述的同步注浆材料的7d抗压强度≥0.5MPa，28d抗压强度≥1.5MPa。
本发明所述的基于淤泥质盾构土同步注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对淤泥质盾构渣土进行造浆，同时在造浆环节添加纯碱和铁铬木质素磺酸钠对土浆进行改性，制得成品土浆；
淤泥质盾构渣土通过皮带上料进入造浆机中，在造浆机中加入新水和循环利用土浆池中的泥浆，纯碱和铁铬木质素磺酸钠根据淤泥质盾构渣土的计量称和土中的水分计算可得。
(2)将32.5等级水泥、高炉矿渣粉、粉煤灰、钢渣粉、石膏粉、元明粉、聚丙烯酰胺和硼酸按照配比要求配制成土质胶凝材料；
(3)将土质胶凝材料按照80kg～110kg/t成品土浆的比例，在搅拌机内与土浆液混合搅拌5min后，制得同步注浆浆液。
本发明基于淤泥质盾构渣土的资源化利用，通过对淤泥质盾构渣土进行造浆，同时在造浆环节添加纯碱和铁铬木质素磺酸钠(FCLS)对土浆进行改性，中和土浆中的负电荷，降低土浆的触变性，同时提高土浆的分散性和抗钙性。并通过使用32.5等级水泥、高炉矿渣粉、粉煤灰、钢渣粉、石膏粉、元明粉、聚丙烯酰胺和硼酸配制一种土质胶凝材料，将土质胶凝材料添加至已制备好的土浆中，制备出了一种用于隧道、地铁管片加固的同步注浆材料，确保淤泥质盾构渣土得到有效的分散以及和土质胶凝材料混合均匀，质量满足要求。在最大限度利用淤泥质盾构渣土的基础上，同时也最大限度的利用固体废弃物，实现该材料的低碳性、绿色性和经济性。
与现有技术相比，本发明基于淤泥质盾构土同步注浆材料及其制备方法至少具有以下有益效果：
(1)本发明创新的采用淤泥质盾构渣土，同时将淤泥质盾构渣土的利用工艺分为渣土造浆和土质胶凝材料混合两个流程。
(2)本发明在造浆环节加入纯碱和铁铬木质磺酸钠，调节土浆的负电荷和抗钙性，为其与土质胶凝材料的混合搅拌的均匀性提供了可靠的前提条件。
(3)本发明的土质胶凝材料使用低等级的32.5水泥和多种固废原材料，同时利用硼酸降低土质胶凝材料早期的Ca2+的水化释放，避免的早期淤泥质盾构渣土与土质胶凝材料之间引起的触变带来的流动度和黏度损失大的问题，避免了同步注浆材料在使用过程中出现的凝胶时间不可控，堵塞管道和输送设备。
(4)本发明可实现大掺量淤泥质盾构渣土的利用，低掺量的土质胶凝材料的使用。直接材料成本较目前市场上的盾构同步注浆材料，同步注浆材料成本可降低160元/m3，具有明显的环保和经济效益。
下面结合附图对本发明基于淤泥质盾构土同步注浆材料及其制备方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明基于淤泥质盾构土同步注浆材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
实施例1
一种基于淤泥质盾构土同步注浆材料，由成品土浆和土质胶凝材料混合而成。
其中，所述成品土浆中由淤泥质盾构渣土、0.1％纯碱和0.1％铁铬木质素磺酸钠经造浆制得；其中，淤泥质盾构渣土中的淤泥质含量达到90％以上；所述淤泥质盾构渣土在造浆前经过3mm方格筛筛分。制得成品土浆比重1.5t/m3，土浆黏度28s。
土质胶凝材料按照以下各组分质量百分比制得，32.5等级水泥20％、高炉矿渣粉20％、钢渣粉39.45％、粉煤灰15％、石膏粉5％、元明粉0.5％、聚丙烯酰胺(PAM)0.02％、硼酸0.03％。
其中，所述32.5等级水泥为矿渣硅酸盐水泥；
高炉矿渣粉为印巴法冲制而成，经过粉磨后，比表面积≥400m2/kg，7d活性指数≥80％，28d活性指数≥105％；
钢渣粉为转炉钢渣，经热闷或风淬处理，经过粉磨后，其比表面积≥400m2/kg，7d活性指数≥65％，28d活性指数≥75％；
粉煤灰为二级粉煤灰。
石膏粉为CaSO4·2H2O，比表面积≥350m2/kg；
元明粉为Na2SO4，有效含量达90％以上；
聚丙烯酰胺包括水解的非离子型聚丙烯酰胺。
硼酸的有效含量达到90％以上。
结合图1所示，上述基于淤泥质盾构土同步注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)淤泥质盾构渣土经过造浆单元，在造浆单元中加入纯碱和铁铬木质素磺酸钠进行土浆的改性，得到符合指标要求的成品土浆。
(2)将32.5等级水泥、高炉矿渣粉、粉煤灰、钢渣粉、石膏粉、元明粉、聚丙烯酰胺和硼酸按照配比要求配制成土质胶凝材料；
(3)将成品土浆用渣浆泵抽入搅拌单元，按照土质胶凝材料与成品土浆为110kg/t的比例加入已配制好的土质胶凝材料，进行混合搅拌5min，最终得到同步注浆材料，记为TBZJ-1。
实施例2
与实施例1相比，区别在于：在淤泥质盾构渣土造浆单元加入0.2％纯碱和0.2％铁铬木质素磺酸钠，制得成品土浆比重1.54t/m3，土浆黏度25s。
按照以下各组分质量百分比制得土质胶凝材料，32.5等级水泥20％、高炉矿渣粉20％、钢渣粉39.45％、粉煤灰15％、石膏粉5％、元明粉0.5％、聚丙烯酰胺(PAM)0.02％、硼酸0.03％。
按照土质胶凝材料与土浆比例80kg/t，混合搅拌5min，制得同步注浆材料，标记为TBZJ-2。
其余制备步骤及组分要求均保持与实施例1相同。
实施例3
与实施例1相比，区别在于：在淤泥质盾构渣土造浆单元加入0.1％纯碱和0.1％铁铬木质素磺酸钠，制得成品土浆比重1.50t/m3，土浆黏度28s。
按照以下各组分质量百分比制得土质胶凝材料，32.5等级水泥25％、高炉矿渣粉25％、钢渣粉31.91％、粉煤灰10％、石膏粉7％、元明粉1％、聚丙烯酰胺(PAM)0.04％、硼酸0.05％。
按照土质胶凝材料与土浆比例110kg/t，混合搅拌5min，制得同步注浆材料，标记为TBZJ-3。
其余制备步骤及组分要求均保持与实施例1相同。
实施例4
与实施例1相比，区别在于：在淤泥质盾构渣土造浆单元加入0.2％纯碱和0.2％铁铬木质素磺酸钠，制得成品土浆比重1.54t/m3，土浆黏度25s。
按照以下各组织分质量百分比制得土质胶凝材料，32.5等级水泥25％、高炉矿渣粉25％、钢渣粉31.91％、粉煤灰10％、石膏粉7％、元明粉1％、聚丙烯酰胺(PAM)0.04％、硼酸0.05％。
按照土质胶凝材料与土浆比例80kg/t，混合搅拌5min，制得同步注浆材料，标记为TBZJ-4。
其余制备步骤及组分要求均保持与实施例1相同。
实施例5
与实施例1相比，区别在于：在淤泥质盾构渣土造浆单元加入0.1％纯碱和0.1％铁铬木质素磺酸钠，制得成品土浆比重1.50t/m3，土浆黏度28s。
按照以下各组织分质量百分比制得土质胶凝材料，32.5等级水泥30％、高炉矿渣粉30％、钢渣粉17.9％、粉煤灰10％、石膏粉10％、元明粉2％、聚丙烯酰胺(PAM)0.05％、硼酸0.05％。
按照土质胶凝材料与土浆比例110kg/t，混合搅拌5min，制得同步注浆材料，标记为TBZJ-5。
其余制备步骤及组分要求均保持与实施例1相同。
实施例6
与实施例1相比，区别在于：在淤泥质盾构渣土造浆单元加入0.2％纯碱和0.2％铁铬木质素磺酸钠，制得成品土浆比重1.54t/m3，土浆黏度25s。
按照以下各组织分质量百分比制得土质胶凝材料，32.5等级水泥30％、高炉矿渣粉30％、钢渣粉17.9％、粉煤灰10％、石膏粉10％、元明粉2％、聚丙烯酰胺(PAM)0.05％、硼酸0.05％。
按照土质胶凝材料与土浆比例80kg/t，混合搅拌5min，制得同步注浆材料，标记为TBZJ-6。
其余制备步骤及组分要求均保持与实施例1相同。
为突出本发明产品和应用产品的性能特点，以市面上常用的惰性浆液为对比样。
市面上常用的惰性浆液的配比为，按照惰性浆液kg/m3为单位，各组分的配比为消石灰60kg/m3、粉煤灰400kg/m3、中细砂800kg/m3、膨润土160kg/m3、聚羧酸减水剂2kg/m3、水530kg/m3，标记为常规DXJY。
按照上述六种实施例产品TBZJ-1、TBZJ-2、TBZJ-3、TBZJ-4、TBZJ-5、TBZJ-6和常规DXJY，使用净浆流动度测定仪、旋转黏度计分别测试其3h内的流动度和黏度的经时损失，使用维卡仪测试凝结时间变化，分别成型70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方试模中，试件拆模后置于标准养护制度下进行养护，并于7d和28d进行抗压强度测试，结果见表1所示。
表1实施例产品与常规惰性浆液试块的性能对比
Figure BDA0003757324640000071
由表1可知，使用大掺量淤泥质盾构渣土配以合适的土质胶凝材料，制得的同步注浆材料，对比市场常规的同步注浆材料，具有流动度和黏度经时损失小，凝结时间缩短，各龄期抗压强度高的优点。
综上可知，本发明产品在隧道、地铁盾构同步注浆工程中，具有低碳、绿色、工作性能优良及强度发展高，适用性广的系列有点，本发明大量的利用淤泥质盾构渣土及各类固废资源，应用前景广阔。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于淤泥质盾构土同步注浆材料，其特征在于：由成品土浆和土质胶凝材料混合而成；其中，所述成品土浆中由淤泥质盾构渣土、纯碱和铁铬木质素磺酸钠经造浆制得；每1m3同步注浆材料中含有0.75t/m3～0.82t/m3淤泥质盾构渣土干基，0.16t/m3～0.12t/m3土质胶凝材料，余量为水。
2.根据权利要求1所述的基于淤泥质盾构土同步注浆材料，其特征在于：所述纯碱占淤泥质盾构渣土干基的0.1％～0.2％，所述铁铬木质素磺酸钠占淤泥质盾构渣土干基的0.1％～0.2％。
3.根据权利要求2所述的基于淤泥质盾构土同步注浆材料，其特征在于：所述成品土浆的比重为1.5～1.54t/m3，通过流锥法黏度计测得的成品土浆黏度为20s～30s。
4.根据权利要求3所述的基于淤泥质盾构土同步注浆材料，其特征在于：所述淤泥质盾构渣土中的淤泥质含量达到90％以上；所述淤泥质盾构渣土在造浆前经过3mm方格筛筛分。
5.根据权利要求1所述的基于淤泥质盾构土同步注浆材料，其特征在于：所述土质胶凝材料包括以下质量百分比原料：32.5等级水泥20％～30％、高炉矿渣粉20％～30％、钢渣粉17.9％～39.45％、粉煤灰10％～15％、石膏粉5％～10％、元明粉0.5％～2％、聚丙烯酰胺0.02～0.05％、硼酸0.03％～0.1％；
所述32.5等级水泥包括矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰水泥；
所述高炉矿渣粉的比表面积≥400m2/kg，7d活性指数≥80％，28d活性指数≥105％；
所述钢渣粉为转炉钢渣，其比表面积≥400m2/kg，7d活性指数≥65％，28d活性指数≥75％；
所述粉煤灰为二级粉煤灰。
6.根据权利要求5所述的基于淤泥质盾构土同步注浆材料，其特征在于：所述石膏粉为CaSO4·2H2O，比表面积≥350m2/kg；
所述元明粉为Na2SO4，有效含量达90％以上；
所述聚丙烯酰胺包括水解或非水解的非离子型聚丙烯酰胺；
所述硼酸的有效含量达到90％以上。
7.根据权利要求1所述的基于淤泥质盾构土同步注浆材料，其特征在于：每吨成品土浆中加入80kg～110kg土质胶凝材料。
8.根据权利要求7所述的基于淤泥质盾构土同步注浆材料，其特征在于：制得的同步注浆材料的流动度控制在12cm～13cm，利用旋转黏度计检测的初始黏度为2500～3000mpa·s；3h后，流动度要求为9cm～10cm，旋转黏度为4000～5000mpa·s。
9.根据权利要求8所述的基于淤泥质盾构土同步注浆材料，其特征在于：所述同步注浆材料，比重为1.57t/m3～1.59t/m3；
淤泥质盾构渣土干基消耗占比47.8％～51.6％，土质胶凝材料消耗占比7.5％～10.2％；
所述的同步注浆材料凝胶时间为5h～7h；初凝时间为10h～13h，终凝时间为20h～24h；
所述的同步注浆材料在注浆压力0.3MPa～0.5MPa下，注浆率≥240％；
所述的同步注浆材料的7d抗压强度≥0.5MPa，28d抗压强度≥1.5MPa。
10.权利要求1-9任一所述的基于淤泥质盾构土同步注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对淤泥质盾构渣土进行造浆，同时在造浆环节添加纯碱和铁铬木质素磺酸钠对土浆进行改性，制得成品土浆；
(2)将32.5等级水泥、高炉矿渣粉、粉煤灰、钢渣粉、石膏粉、元明粉、聚丙烯酰胺和硼酸按照配比要求配制成土质胶凝材料；
(3)按照一定比例，将成品土浆和土质胶凝材料经过搅拌混合制得同步注浆材料。
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