CN115321927A - 复合水泥基高温动水注浆材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合水泥基高温动水注浆材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域。本发明针对现有灌浆难以同时满足绿色化、高性能化的要求，提供了复合水泥基高温动水注浆材料，包括：硫铝酸盐水泥300～400份，普通硅酸盐水泥5～50份，磷酸粉煤灰148～250份，聚氧化乙烯胶粉8～15份，羧酸减水剂4～7份，耐碱玻璃纤维3～7份，工业级糖酸3～5份，纤维素1.5～2.5份，聚丙烯酸1～2.5份，阴离子聚丙烯酰胺0.6～1份，碳酸锂0.3～0.5份，硼酸0.25～0.42份，纳米二氧化硅0.8～1.0份。本发明材料具有优异的高流动性、早强、良好的水下不分散、耐热性能和施工性能，绿色环保。

Description

复合水泥基高温动水注浆材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种复合水泥基高温动水注浆材料及其制备方法。
背景技术
由于近年来还有许多受到大渗漏、高压力、大流量涌水地层影响的病险水库的渗漏问题没有得到有效的治理，而该地质条件下需要的复合不分散灌浆材料，满足环保、施工简单、堵水能力强、固结强度高和耐高温动水等要求。且随着我国大量的铁路、公路、水电工程、跨流域引水工程等基础设施逐渐向地形、地质复杂的地区延伸，深埋隧道或隧洞成为必不可少的结构类型。针对地质条件复杂的山岭铁路、公路，修建隧道可以有效地缩短线路里程，提高运输效率，具有不可替代的优势。地壳恒温层以下埋深每下降1km，温度大约升高3℃。高地热主要是指高岩温和高水温，由地层岩性、地质构造、岩浆、地下水活动等引起。高水温隧道或隧洞称为湿热型隧道或隧洞，通常出现在断裂破碎、断裂转折复合及岩石破碎地段，裂隙发育程度高，地下热水容易富集，形成温泉。例如，在高黎贡山隧道，地下水温最高达102℃；连接阿根廷和智利的一条穿过安第斯山脉的公路隧道，水温有70℃。
高地热环境使得隧道岩壁温度高，开挖后岩壁和硐室之间温差较大，混凝土内部温度场梯度分布导致温度应力，高地热环境引起混凝土的早期水化反应速率提高，水化产物分布不均匀，导致喷射混凝土有害孔隙率增加，孔径增大，内部密实性降低，影响喷射混凝土的后期强度和耐久性。同时，水化产物的组成、形貌和数量也发生较大改变。动水环境使得灌浆料极易分散，影响灌浆料与岩壁的黏结性能，导致结构失稳。
CN202111079310.3公开了一种灌浆材料，其包括：环氧树脂混合物、硬化剂以及灌浆基材，所述环氧树脂混合物至少包括环氧树脂材料；该灌浆材料提升了灌浆材料的性能，具有流动性强、无收缩、防腐蚀、耐磨抗压强度高的特点。但其并未针对恶劣环境大温差下进行研究，且中成分复杂，成本较高，环保性低。
CN202111066183.3公开了一种半柔性混合料用水泥基灌浆材料及其制备方法，由以下重量份的组分组成：硫铝酸盐水泥35-50份，10-20份矿渣粉、10-20份粉煤灰、6-7份的化学添加剂、0.3-0.4份改性石墨烯纤维、水；改性石墨烯纤维采用简易湿纺丝和氧等离子体蚀刻技术制备，具有优异的灵活性，在水溶液中分散良好，高表面粗糙度和抗拉强度；该专利申请中，改性石墨烯纤维被纳入硫铝酸盐水泥基灌浆材料中，使合成的复合材料的机械性能和电气性能有显著提高，通过通过化学改性的减水剂能够显著提高其在水泥体系中的分散性能。但其是针对半柔性水泥基灌浆材料研究，未针对地下工程地况高速流水下进行研究。
地下施工工况复杂，虽然灌浆材料种类很多，但存在一定的弊端，比如普通水泥和黏土类颗粒材料由于粒度大、可灌性低，难以满足各种不同地层类型的不同要求；水玻璃类灌浆材料固结强度低；而高分子和化学浆材成本高，且有一定程度的毒性，易污染环境并危及人类人的身体健康。
因此，目前现有灌浆材料难以同时满足绿色化、高性能化的要求；有必要针对根据高原高温动水条件设计一种新的用于地下工程施工和大温差工况施工堵水的水泥基复合不分散灌浆材料，以提高混凝土在高原地区的服役寿命。
发明内容
本发明为解决上述现有技术存在的问题，提供了一种复合水泥基高温动水注浆材料，其包括以下质量分的组分：包括以下质量份的组分：硫铝酸盐水泥300～400份，普通硅酸盐水泥5～50份，磷酸粉煤灰148～250份，聚氧化乙烯胶粉8～15份，羧酸减水剂4～7份，耐碱玻璃纤维3～7份，工业级糖酸3～5份，纤维素1.5～2.5份，聚丙烯酸1～2.5份，阴离子聚丙烯酰胺0.6～1份，碳酸锂0.3～0.5份，硼酸0.25～0.42份，纳米二氧化硅0.8～1.0份。
本发明还提供了上述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法，其包括以下步骤：按质量份，将硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥混合均匀，得混合物1，再将磷酸粉煤灰、聚氧化乙烯胶粉、羧酸减水剂、耐碱玻璃纤维、工业级糖酸、纤维素、聚丙烯酸、阴离子聚丙烯酰胺、碳酸锂、硼酸和纳米二氧化硅混合均匀，得混合物2；将混合物1和混合物2混合均匀，即得。
其中，上述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法中，所述混合物1混合均匀的方式为以140±5r/min转速搅拌。
其中，上述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法中，所述混合物1混合均匀的搅拌时间为10min～15min。
其中，上述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法中，所述混合物2混合均匀的方式为以1000～1300r/min转速研磨。
其中，上述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法中，所述混合物2混合均匀的研磨时间为100～120min。
其中，上述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法中，所述混合物1和混合物2两者混合均匀的方式为低速140±5r/min搅拌。
其中，上述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法中，所述混合物1和混合物2两者混合均匀的搅拌时间为10min～15min。
本发明的有益效果是：
本发明通过对配方进行优化，制备得到了一种高性能复合水泥基高温动水注浆材料，其抗冲性能：模拟实验，浆体留存性能好，抗冲击能力强；高温力学性能：0.5d抗压强度≥20MPa，1d抗压强度≥30MPa，3d抗压强度≥60MPa，28d抗压强度≥80MPa；施工性能：施工工艺简单，可灌注和涂刷；耐热性能：使用温度为-10℃至80℃。本发明采用瞬凝技术，除了具备超细水泥灌浆料的特性外，还具有优异的抗分散性、流动性、界面结合能力等，并且不含对混凝土有害的离子，绿色环保，可广泛地适用于高温流水条件下的堵水灌浆工程。
附图说明
图1为本发明复合水泥基高温动水注浆材料在水中的留存图。
具体实施方式
具体的，复合水泥基高温动水注浆材料，其包括以下质量份的组分：硫铝酸盐水泥300～400份，普通硅酸盐水泥5～50份，磷酸粉煤灰148～250份，聚氧化乙烯胶粉8～15份，羧酸减水剂4～7份，耐碱玻璃纤维3～7份，工业级糖酸3～5份，纤维素1.5～2.5份，聚丙烯酸1～2.5份，阴离子聚丙烯酰胺0.6～1份，碳酸锂0.3～0.5份，硼酸0.25～0.42份，纳米二氧化硅0.8～1.0份。
本发明采用普通硅酸盐和硫铝酸盐水泥复配作为主要的胶凝材料，颗粒粒径小，同时复配一定比例的纳米级材料，改善了浆液对细小裂缝的渗透性。
采用含有聚氧化乙烯胶粉、聚丙烯酸和阴离子聚丙烯酰胺等有机胶凝材料提高浆体的粘聚力和柔性，使灌浆料水下不分散，灌浆固结体和原基材之间产生的相互作用力均匀分散，避免再次应力集中造成固结体中断，保证浆体均一，固结体能自始至终保持相同的性质。所得复合水泥基高温动水注浆材料属于一种有机与无机复合灌浆材料，其除了具备超细水泥灌浆料的特性外，其显著特点是具备瞬凝特性，能达到控制灌浆范围的目的；此外还具有优异的抗分散性、流动性、界面结合能力等，并且不含对混凝土有害的离子。
本发明对配方进行优化，控制灌浆料的初凝时间和终凝时间，同时采用瞬凝技术，硫铝酸盐水泥拥有调节快速凝结功能，混合物2的力化学研磨方法使得各项功能材料均匀附着拥有极佳的反应能力，使初凝和终凝时间的间隔控制在5min～15min之内，同时磷酸粉煤灰反应不消耗水分，防止高温环境过快蒸发对浆材加快凝结时间。灌浆料在初凝之前具备良好的流动性，同时流动性随时间损失小，接近初凝时突变快速失去流动性而凝结硬化。
本发明通过对配方的研究，开发了一种耐高地温、动水条件下浆液在地层中的留存性优异、无毒环保、施工工艺简单的复合不分散灌浆材料，其具备速凝、抗冲性、耐高地温和具有一定的扩散性等优异性能，非常适用于高温流水条件下的堵水灌浆工程。
本发明还提供了上述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法，其包括以下步骤：按质量份，将硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥混合均匀，得混合物1，再将磷酸粉煤灰、聚氧化乙烯胶粉、羧酸减水剂、耐碱玻璃纤维、工业级糖酸、纤维素、聚丙烯酸、阴离子聚丙烯酰胺、碳酸锂、硼酸和纳米二氧化硅混合均匀，得混合物2；将混合物1和混合物2混合均匀，即得。
其中，上述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法中，所述混合物1混合均匀的方式为低速140±5r/min搅拌10min-15min。所述混合物2混合均匀的方式为研磨转速1000～1300r/min，复合时间为100～120min。所述混合物1和混合物2两者混合均匀的方式为低速140±5r/min搅拌10min-15min。
用力化学研磨方式使改性剂在粉体材料颗粒表面均匀包覆并发生化学作用，达到改性目的；通过研磨使不同化学成分的粉体在固态下达到合金化；利用在振动磨中产生的机械力引发胶粉等有机物聚合成高聚物等。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
硫铝酸盐水泥350份，普通硅酸盐水泥50份，磷酸粉煤灰250份，聚氧化乙烯胶粉8份，羧酸减水剂4份，耐碱玻璃纤维3份，工业级糖酸3份，纤维素1.5份，聚丙烯酸1份，阴离子聚丙烯酰胺1份，碳酸锂0.5份，硼酸0.25份，纳米二氧化硅0.8份，纳米二氧化硅0.8份。
制备方法：将上述硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，低速140r/min搅拌10min混合均匀，得到混合物1，再将磷酸粉煤灰、聚氧化乙烯胶粉、羧酸减水剂、耐碱玻璃纤维、工业级糖酸、纤维素、聚丙烯酸、阴离子聚丙烯酰胺、碳酸锂、硼酸和纳米二氧化硅，转速1300r/min研磨120min，得混合物2；将混合物1和混合物2，低速140r/min搅拌10min混合均匀，密封保存，即为产品。
对比例1
与实施例1的区别仅在于：
制备方法：将上述硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、磷酸粉煤灰、聚氧化乙烯胶粉、羧酸减水剂、耐碱玻璃纤维、工业级糖酸、纤维素、聚丙烯酸、阴离子聚丙烯酰胺、碳酸锂、硼酸和纳米二氧化硅，低速140r/min搅拌10min混合均匀，密封保存。
对比例2
与实施例1的区别仅在于：不加入聚丙烯酸作为高温激发磷酸粉煤灰材料。
对比例3
与实施例1的区别仅在于：不加入阴离子聚丙烯酰胺作为水中不分散聚合物网络材料。
性能检测
按GB/T 50448-2008测试水泥基高强水下不分散灌浆材料的流动度。
按GB/T 17671-1999测试水泥基高强水下不分散灌浆材料的抗压强度。
热震性要求标准为：(1)试块表面无脱落；(2)热震后的试件浸水端抗压强度与试件标准养护28d的抗压强度比(％)≥90。
表1实施例和对比例所得产品性能
Figure BDA0003826359920000051
本发明实施例所得水下灌浆材料灌浆具有80MPa以上的抗压强度，降低了因粘度增加而导致的浆体硬化强度损失。灌浆硬化前能够抵抗2m/s的水流冲击而保持表层的完整性，具有更好的水中抗分散性能。

Claims (8)

1.复合水泥基高温动水注浆材料，其特征在于：包括以下质量份的组分：硫铝酸盐水泥300～400份，普通硅酸盐水泥5～50份，磷酸粉煤灰148～250份，聚氧化乙烯胶粉8～15份，羧酸减水剂4～7份，耐碱玻璃纤维3～7份，工业级糖酸3～5份，纤维素1.5～2.5份，聚丙烯酸1～2.5份，阴离子聚丙烯酰胺0.6～1份，碳酸锂0.3～0.5份，硼酸0.25～0.42份，纳米二氧化硅0.8～1.0份。
2.权利要求1所述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：按质量份，将硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥混合均匀，得混合物1，再将磷酸粉煤灰、聚氧化乙烯胶粉、羧酸减水剂、耐碱玻璃纤维、工业级糖酸、纤维素、聚丙烯酸、阴离子聚丙烯酰胺、碳酸锂、硼酸和纳米二氧化硅混合均匀，得混合物2；将混合物1和混合物2混合均匀，即得。
3.根据权利要求2所述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法，其特征在于：所述混合物1混合均匀的方式为以140±5r/min转速搅拌。
4.根据权利要求3所述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法，其特征在于：所述混合物1混合均匀的搅拌时间为10min～15min。
5.根据权利要求2所述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法，其特征在于：所述混合物2混合均匀的方式为以1000～1300r/min转速研磨。
6.根据权利要求5所述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法，其特征在于：所述混合物2混合均匀的研磨时间为100～120min。
7.根据权利要求2所述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法，其特征在于：所述混合物1和混合物2两者混合均匀的方式为低速140±5r/min搅拌。
8.根据权利要求7所述复合水泥基高温动水注浆材料的制备方法，其特征在于：所述混合物1和混合物2两者混合均匀的搅拌时间为10min～15min。
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