CN115368076A - 一种富水破碎断裂带地层新型注浆材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种绿色环保的富水破碎断裂带地层新型注浆材料及其制备方法，涉及富水破碎地层的加固与防渗，属于岩土工程灾害防治领域。新型注浆材料主要由氧化石墨烯(GO)、水泥(PO)、粉煤灰(FA)和速凝剂组成，配比按重量份数计为：氧化石墨烯0.15份、水泥400份、粉煤灰100份、速凝剂5~8份以及水400份。使用时按上述配比混合搅拌均匀并注入富水破碎断裂带地层。本发明的新型注浆材料具有流动度高、析水率低、凝结时间可控、结石体强度高、防渗性能好、无毒、操作简便等优点，是一种低碳绿色、高性能的富水破碎断裂带地层注浆加固及防渗材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型注浆材料，具体涉及一种富水破碎断裂带地层新型注浆材料及其制备方法，属于岩土工程与材料学科交叉领域。
背景技术
随着我国城镇化水平的不断加快，城市地下空间开发和地铁建设蓬勃发展。城市地铁建设可有效缓解交通压力，缩短城乡之间的距离，加快地铁沿线区域的经济发展，同时提升城市居民的生活便利感和幸福感。为加快城市发展和满足人民对美好生活的向往和需要，我国各大城市的地铁网仍需不断的完善和扩大。工程建设中面临的地质条件更加复杂，富水破碎带是城市建设中经常遇到的不良地质条件。富水断裂带中岩体破碎导致其稳定性差、强度低，尤其在地下水丰富区破碎岩体含水量高、渗透性好。地铁隧道穿越富水破碎带区域因围岩承载力差，易导致顶板坍塌，同时诱发大量涌水突泥等地质灾害。地铁车站位于富水破碎带区域由于基坑开挖，破碎带周围水系相互连通，造成基坑外的水通过破碎带渗流进入基坑内部，引起基坑外地下水位下降，形成降水漏斗，导致不均匀沉降，危害周边建筑、地面道路、管线和地下设施的安全，同时易引起基坑突涌，延误工期，工程投资增加，引发工程事故，甚至造成人员伤亡，引发不良的社会风险。
注浆技术具有很强的适应性，已成为治理破碎带最主要的技术手段。通过注浆设备将浆液注入破碎岩体中，充填破碎带中岩体的空（孔）隙和裂隙，提高岩体间的胶结强度，改善岩体的力学性能，并提高整体稳定性；同时，浆液充填裂隙、空（孔）隙能阻隔破碎岩体间的水力联系，提高破碎岩体的抗渗性能，降低工程建设过程中地质灾害发生的风险。
注浆材料是影响工程注浆加固效果的重要因素。目前注浆材料种类繁多，主要分为有机类和无机类。有机化学类浆液流动性好、可注性强，但是化学类浆液一般具有毒性，耐久性差且价格较贵，在富水破碎带区域使用容易造成地下水污染，且用量难以控制。无机类水泥基注浆材料具有耐久性较好、强度高、无毒无味、价格低廉等优点，但是由于其凝结时间长、结石率低、早期强度不高、体积收缩，难以有效的治理富水破碎带。而且生产水泥需要消耗巨大的能源，研究数据显示，水泥生产消耗的能源约占工业总能源的12%~15%。此外，水泥生产过程排放的二氧化碳约占人类活动总二氧化碳的5% ~ 6%，约占全球变暖的2%。因此，针对富水破碎带注浆加固治理以及国家“双碳”目标下，研发一种低碳绿色、经济环保的注浆材料对富水破碎带治理和推广使用具有重要的实践意义和深远的科学价值。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统富水破碎带地层注浆材料存在的缺陷，导致注浆效果不理想。提供了富水破碎断裂带地层新型注浆材料及其制备方法，该新型注浆材料具有流动度高、析水率低、凝结时间可控、结石体强度高、防渗性能好、无毒、低碳绿色、操作简便等优点，能够很好加固富水破碎带地层，提高其强度和防渗性。此外，可降低水泥用量，节约能源消耗，同时实现粉煤灰工业废渣的高效利用，对促进低碳绿色发展具有积极作用。
为实现上述发明目的，本发明公开了以下技术方案：
一种富水破碎断裂带地层的新型注浆材料，包括GO-FA协同效应改性水泥注浆材料，其中，GO为氧化石墨烯，FA为粉煤灰。
新型注浆浆液配比按重量份数计为：氧化石墨烯0.15份、水泥400份、粉煤灰100份、速凝剂5~8份以及水400份。制备新型注浆材料时先将水泥和粉煤灰先混合均匀得到材料A，再把氧化石墨烯溶液和速凝剂与水混合均匀得到溶液B，最后将溶液B与材料A充分搅拌均匀，通过注浆泵将新型注浆浆液灌注到富水破碎带地层。
进一步：氧化石墨烯浓度为10mg/ml，所述水泥为PO42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为工业二级粉煤灰灰细度14-25；所述速凝剂为白色粉末状。
其次，本发明公开了富水破碎断裂带地层新型注浆材料及其制备方法，具体步骤如下：
（1）配比按重量份数计为：氧化石墨烯0.15份、水泥400份、粉煤灰100份、速凝剂5~8份以及水400份。称量上述配比材料，先将粉末状的水泥和粉煤灰放混合搅拌，应持续搅拌2分钟以上，得到混合均匀的粉体材料A。
（2）再将0.15份氧化石墨溶液和400份水利用超声波进行混合，超声波分散不少于5分钟，氧化石墨烯溶液与水混合均匀，得到溶液B。
（3）将粉体材料A和溶液B进行混合搅拌，先进行慢搅2分钟，搅拌速度140r/min，在进行快搅3分钟，搅拌速度285r/min,使其充分混合均匀，使氧化石墨烯溶液与胶凝材料接触更加充分，促进浆液快速的发生水化反应。
（4）将制备好的注浆浆液通过注浆泵注入到富水破碎带地层中。
与现有注浆材料及技术比较，本发明的有益效果如下：
（1）本发明利用GO-FA协同效应改性水泥基注浆材料，新型注浆材料具有稳定性好、可注性好、凝结时间可控、结石体强度高、抗渗性能好、绿色环保等特点，能够实现对富水破碎带地层有效的加固及防渗。此外，新型注浆材料的凝结时间可调控在十几分钟到数小时之间，可满足不同工程的注浆需求。
（2）本发明通过实验证明，在水泥浆液中掺入适量的GO和FA时，在浆液工作性能方面可充分发挥GO的促凝增稠和FA的润滑剂滚珠效应，可在保证浆液流动度的前提下增加浆液的黏度有利于其在富水破碎地层的留存；在力学性能改善方面，GO具有成核纳米填充效应和化学键合作用，后期充分激活FA的充填和火山灰效应，促进二次水化反应，致使结石体内部更加密实。
（3）本发明的材料在节能减排方面优势明显。根据目前各材料价格，普通硅酸盐水泥PO42.5为550元/吨，本项目研发的新型注浆材料价格在662元~750元/吨，新型GO-FA注浆材料价格较传统水泥基注浆材料价格略有增加，但是可以节省20%的水泥用量，同时消耗20%的工业废料粉煤灰。节省20%的水泥用量时，分别可以节约0.22t石灰石用量、20kg标准煤，同时减少172kg的二氧化碳排放。研究成果不但能有效的提高富水破碎断裂带地层注浆加固防渗效果，而且可以推动注浆材料和技术的完善和发展，同时可以极大的降低能源的消耗和二氧化碳的排放，有利于推动绿色可持续发展，具有重要科学价值和广阔的工程应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的富水破碎断裂带地层新型注浆材料及其制备流程图；
图2为本发明在建议配合比的情况下新型注浆材料结石体试样的抗折强度和抗压强度曲线；
图3为本发明所述材料结石体试样内部微观结构；
图4为本发明对比例和实施例注浆效果检验。
具体实施方式
为了使本发明的新型注浆材料和制备方法及优点更加清楚简单易懂，以下结合示例，对本发明进行进一步详细的描述。应该指出，以下详细说明均是示范性的，旨在对本发明提供进一步的说明，说明中所使用的技术和科学术语与本申请所属技术领域中普通技术人员理解的含义相同。
一种富水破碎断裂带地层的新型注浆材料，包括GO-FA协同效应改性水泥注浆材料，其中，GO为氧化石墨烯，FA为粉煤灰。
（1）配比按重量份数计为：氧化石墨烯0.15份、水泥400份、粉煤灰100份、速凝剂5~8份以及水400份。称量上述配比材料，先将粉末状的水泥和粉煤灰放混合搅拌，应持续搅拌2分钟以上，得到混均匀的胶凝材料A。
（2）再将0.15份氧化石墨溶液和400份水利用超声波进行混合，超声波分散不少于5分钟，得到溶液B。
（3）将粉体材料A和溶液B进行混合搅拌，先进行慢搅2分钟，搅拌速度140r/min，在进行快搅3分钟，搅拌速度285r/min,使其充分混合均匀，使氧化石墨烯溶液与胶凝材料接触更加充分，促进浆液快速的发生水化反应。制备得到富水破碎带新型注浆浆液，利用注浆泵采用多次间歇注浆法浆液灌入到富水破碎地层。
（4）本发明所具体使用的多次间歇注浆法如下：第一次注浆持续时间3~5分钟，暂停1分钟，多重复以上注浆步骤半小时；间歇2小时后，进行第二次注浆，重复第一次注浆的步骤半小时；在间歇6小时，进行第三次注浆，同样重复第一次注浆步骤；当注浆压力维持在0.6MPa~1.0MPa时，且注浆量小于1~2L/min，稳压20min即完成本次注浆。
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。
实施例
分别对比了传统水泥类注浆材料和本发明富水破碎断裂带地层，新型注浆材料相关性能，对比例与实施例水胶比相同为0.8，对比例不添加任何外加剂。
表1
| 水泥 | 粉煤灰 | 氧化石墨烯wt% | 速凝剂wt% | 水 | |
| 对比例1 | 400 | 100 | 0 | 1.2 | 400 |
| 实施例1 | 400 | 100 | 0.03 | 1.2 | 400 |
表1中，上述氧化石墨烯浓度为10mg/ml，水泥为PO 42.5的普通硅酸盐水泥，粉煤灰为工业二级粉煤灰灰细度14-25。
本实施例的富水破碎断裂带地层新型注浆材料及其制备方法具体步骤如下：
S1：配比按重量份数计为：氧化石墨烯0.15份、水泥400份、粉煤灰100份、速凝剂5~8份以及水400份。称量上述配比材料，先将粉末状的水泥和粉煤灰放混合搅拌，应持续搅拌2分钟以上，得到混均匀的胶凝粉体材料A。
S2：再将0.15份氧化石墨溶液和400份水利用超声波进行混合，超声波分散不少于5分钟，得到溶液B。
S3：将胶凝材料A和溶液B进行混合搅拌，将粉体材料A和溶液B进行混合搅拌，先进行慢搅2分钟，搅拌速度140r/min，在进行快搅3分钟，搅拌速度285r/min，使其充分混合均匀，使氧化石墨烯溶液与胶凝材料接触更加充分，促进浆液快速的发生水化反应，制备得到富水破碎带新型注浆浆液，利用注浆泵采用多次间歇注浆法浆液灌入到富水破碎地层。
S4：针对广州地铁十一号线五凤站富水破碎带深基坑封底注浆，采用多次间歇注浆法如下：第一次注浆持续时间3~5分钟，暂停1分钟，多重复以上注浆步骤半小时；间歇2小时后，进行第二次注浆，重复第一次注浆的步骤半小时；在间歇6小时，进行第三次注浆，同样重复第一次注浆步骤；当注浆压力维持在0.6MPa~1.0MPa时，且注浆量小于1~2L/min，稳压20min即完成本次注浆。
S5：注浆28d后进行现场抽芯取样对比。
富水破碎断裂带地层新型注浆材料基本性能如表2所示，步骤S5现场抽芯取样结果如图4所示，对比例注浆后破碎岩体结实率约为52%，实施例注浆后的结实率达到75%以上。
表2对比例和实施例中富水破碎断裂带地层新型注浆材料对比结果。
表2
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化或修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种富水破碎断裂带地层的新型注浆材料，包括GO-FA协同效应改性水泥注浆材料，其中，GO为氧化石墨烯，FA为粉煤灰，其特征在于：配比按重量份数计为：氧化石墨烯0.15份、水泥400份、粉煤灰100份、速凝剂5~8份以及水400份；制备新型注浆材料时先将水泥、粉煤灰和速凝剂先混合均匀得到材料A，再把氧化石墨烯溶液和水混合均匀得到溶液B，最后将溶液B与材料A充分搅拌均匀，通过注浆泵将新型注浆浆液灌注到富水破碎带地层。
2.根据权利要求1所述的一种富水破碎断裂带地层的新型注浆材料，所述氧化石墨烯浓度为10mg/ml，所述水泥为PO42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为工业二级粉煤灰灰细度14-25；所述速凝剂为白色粉末状。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种富水破碎断裂带地层新型注浆材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）配比按重量份数计为：氧化石墨烯0.15份、水泥400份、粉煤灰100份、速凝剂5~8份以及水400份；称量上述配比材料，先将粉末状的水泥和粉煤灰放混合搅拌，应持续搅拌2分钟以上，得到混合均匀的粉体材料A；
（2）再将0.15份氧化石墨溶液和400份水利用超声波进行混合，超声波分散不少于5分钟，氧化石墨烯溶液与水混合均匀，得到溶液B；
（3）将粉体材料A和溶液B进行混合搅拌，先进行慢搅2分钟，搅拌速度140r/min，在进行快搅3分钟，搅拌速度285r/min,使其充分混合均匀，使氧化石墨烯溶液与胶凝材料接触更加充分，促进浆液快速的发生水化反应；
（4）将制备好的注浆浆液通过注浆泵注入到富水破碎带地层中。
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| CN116217173A (zh) * | 2023-03-07 | 2023-06-06 | 北京交通大学 | 新型高性能绿色注浆阻水材料、制备方法及其应用 |
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