CN115432970A - 一种自密实抗渗陶砂砂浆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自密实抗渗陶砂砂浆，利用水泥、污水处理烧结制陶砂、微硅粉和高效减水剂制得具有高流动性、抗离析性和高抗渗性能的C30自密实砂浆，其具有密实性好、无需振捣，具有良好的施工性能和填充性能，将其用于隧道衬砌脱空处置注浆，满足隧道衬砌脱空的处理要求实现一次注浆合格率可以达到97％，抗渗性能达到P10；同时利用城市污水处理厂制陶砂，不仅解决了城市污泥的排放和堆积问题，而且变废为宝，使城市污泥能大量运用到隧道工程建设中，可持续发展。

Description

一种自密实抗渗陶砂砂浆

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种自密实抗渗陶砂砂浆及其在隧道衬砌脱空处理中的应用。

背景技术

隧道工程是基础交通建设中的重要组成部分。对于已经运营的或正在施工中的隧道，隧道衬砌脱空已成为隧道建设中的通病。如果隧道衬砌背后存在脱空的情况，将在施工阶段和运营阶段影响隧道的安全性能，造成巨大的安全隐患，从而威胁到人民群众生命财产安全，例如重庆南城隧道事件和四川雅安青鼻山隧道事件。

目前隧道衬砌脱空在处理措施中多采用钻孔注水泥净浆或水泥砂浆。注水泥净浆存在收缩率大，一次注浆无法填充密实，工序繁复；注水泥砂浆则因砂浆工作性能较差、机制砂和中砂不适配等原因极易堵管，工艺效果不理想，经济效益较差。且上述两种方案均存在砂浆抗渗等级不满足隧道衬砌混凝土抗渗等级P8的要求，在后期极易发生渗水现象，影响隧道运营安全。

例如，专利号为CN109704693A的一种硫铝酸盐水泥基自密实砂浆及其使用方法，由硫铝酸盐水泥熟料、砂、石粉、石膏，石灰，调凝剂、减水剂、增稠剂、引气剂组成。硫铝酸盐水泥熟料的强度需达到42.5级及以上。砂为4.75mm机制砂。石粉为石灰质石粉，其粒径≤75μm。石膏为建筑石膏粉，初凝时间5min±30s。石灰为钙质石灰，MgO含量＜5％。调凝剂为葡萄糖酸钠、氯化钠或硫酸钠，有效含量≥35％。增稠剂为羟丙基甲基纤维素，分子量为8000；引气剂为十二烷基磺酸钠。所述硫铝酸盐水泥基自密实砂浆呈大自流态，无离析泌水，初始流动度≥360mm，可直接泵送至工作面使用，无需振捣；具有较快速的凝结时间，搅拌后可在5min～15min达到初凝，可在20min～30min达到终凝，施工1h后砂浆即可正常工作；具有较高的早期强度，2h抗压强度≥6.0MPa，1d抗压强度≥10MPa，7d抗压强度≥15MPa，28d抗压强度≥20MPa，施工1h后砂浆即可正常工作；无收缩现象，可保证砂浆能够与工作面紧密牢固粘结。该发明自密实砂浆无需振捣，具有较快的凝结时间，无收缩现象；其可解决一次注浆不密实的问题，但该自密实砂浆配合比原材料繁多，且部分原材料造价较高，例如引气剂十二烷基磺酸钠单价昂贵；隧道二次衬砌混凝土强度为C30，不满足隧道二次衬砌脱空处置要求；砂浆抗渗等级无法满足隧道衬砌混凝土P8抗渗等级的要求。

又如，专利号为CN112645666A的一种自密实砂浆及其制备方法,由硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、钼尾矿粉、石灰石粉、膨胀剂、钼尾矿陶粒、纤维、减水剂和水混合得到。钼尾矿陶粒由钼尾矿粉、陶瓷抛光废粉、粉煤灰、石灰石粉、水泥、石膏、碱激发剂和水混合后，再经造粒和养护制成。该发明提供的砂浆以钼尾矿粉和钼尾矿陶粒作为生产原料，实现了钼尾矿的资源化利用；该砂浆的施工时间可在20分钟～1小时内进行调整，初凝时间为2～4小时，28d强度达到C30～C50，容重在2000kg/m3以内，属于轻质高强砂浆；而且，该砂浆在浇铸过程中全程无需人工振捣，施工方便，可广泛应用于混凝土现浇带连接的施工作业中，带来良好的经济效益和更好的建筑质量。此外，在本发明提供的优选技术方案中，对砂浆中的钼尾矿陶粒进行了改性处理，改性处理后的钼尾矿陶粒的吸水性能被大大抑制，从而更有助于陶粒与砂浆中其他组分的混合，提升砂浆的性能。但是，该发明原材料种类繁多，有十余种之多，难以利用到实际施工当中；且原材料地域局限性较大(例如无钼尾矿，很多区域并没有该原料)，从原材料产地运输成本较高，且部分外加剂价格昂贵；该自密实砂浆制备过程繁复，制备自密实砂浆前要先制备钼尾矿陶粒然后制备改性钼尾矿陶粒；陶粒粒径较大，在注浆过程中极易发生堵管现象，影响施工进度。

为了克服现有技术中存在的上述不足，本发明创新性的引入污水处理烧结制陶砂代替河砂做注浆材料的配比，掺入硅粉、高效减水剂运用正交试验进行配合比技术论证，得出一种收缩性小、注浆工作性能好、抗渗性能好、免振自密实性能好的砂浆材料。

发明内容

本发明提供一种自密实抗渗陶砂砂浆，其由水泥、硅粉、污水处理烧结制陶砂、减水剂和水按比例混合而成，其可用于满足隧道衬砌脱空处理等的要求。

本自密实砂浆具有高流动性、保水性和抗渗性，能极大的减少泵送阻力，自密实性能良好，收缩性小，能大幅提高一次注浆合格率，并与衬砌混凝土形成良好的整体受力结构。将本自密实抗渗砂浆用于隧道衬砌脱空处置中，取得良好的质量效益和经济效益，消除了后期运营过程中的安全风险。同时随着城市不断发展壮大，城市的污水污泥越来越多，本发明将污水厂污泥烧结处理物陶砂变废为宝，开创性的应用于隧道衬砌脱空处置中，环保效益显著，应用前景广阔，推广性极高。

由于微硅粉采用的是内掺法，用等量的硅粉取代水泥，硅粉的颗粒更细，水化速度慢，初始阶段水化反应需水量小，使得砂浆混合物的均匀性和保水性得到改善，降低了砂浆流动所需要克服的剪切屈服应力，流动性增加，同时由于减水剂的减水作用，降低了颗粒之间的吸附力，使得砂浆流动需要克服的剪切屈服强度及粘聚性降低，流动扩展度增加，大幅度增加了砂浆的流动性和减少了泵送阻力，使之具有良好的自密实性能和泵送工作性能。陶砂具有密度低、内部多封闭孔、抗渗性优异、吸水率低、耐久性能好等众多优点，其中利用其优异的抗渗性能配置隧道注浆用砂浆，确保其满足P8的抗渗性能要求。

基于正交试验法设计配合比试验，通过正交试验可筛选出具有代表性的试验配合比，节省了大量的配比工作量。同时采用粒径≤4.75mm的陶砂(中砂)、微硅粉和高效减水剂配置自密实砂浆，解决了中砂不适配、易堵管等问题，节省了过筛成本，同时加快施工进度确保其经济性，为该工艺的推广解决成本、技术问题。

优选的，本发明使用的水泥要求规格型号为PO.42.5，比重3:1；初凝时间大于45min，终凝时间小于12小时；28d抗压强度不小于42.5Mpa，28d抗折强度不小6.5Mpa，例如水泥可以采用贵州沿河西南水泥有限公司生产的PO.42.5普通硅酸盐水泥，其富余系数rc＝1.16。

优选的，本发明使用的陶砂要求粒径≤4.75mm，以城市污水厂生物污泥为主要原材料，采用烘干、磨碎、成球、烧结而得；例如表观密度ρs＝500kg/m3。用生物污泥代替黏土来烧制陶砂既节省黏土，又保护农田，也起到了很好的环保作用。

优选的，本发明使用的硅粉为93U微硅粉，其二氧化硅含量≥90％；总碱量≤1.5％；含水率≤3.0％；例如可以为上海胜阔建筑材料有限公司生产。

优选的，本发明使用的减水剂为SMS聚羧酸盐系高性能减水剂(缓凝型)，例如可以为山西桑穆斯建材化工有限公司生产的SMS聚羧酸盐系高性能减水剂(缓凝型)，其减水率25—35％；泌水率比≤20％；坍落度增加值为＞100mm；含气量在2.0-5.0％之间。

优选的，本发明自密实抗渗砂浆使用的水为当地饮用水，密度ρw＝1000kg/m³。

经过试验结果分析，自密实砂浆水灰质量比控制在0.33-0.36；微硅粉/水泥质量比控制在8％-10％；砂胶质量比比宜控制在150％-230％；减水剂/胶凝材料质量比控制在0.6％-0.8％即可。基于正交试验法采用L₉(3⁴)正交表设计9个配合比试验(实施例)，经多组正交试验确定C30强度发自密实砂浆基准配合质量比为，水泥(胶凝材料)：水：陶砂：微硅粉：减水剂＝1:0.33:1.5：0.08：0.008，每方自密实抗渗砂浆配合比为水泥：水：机制砂：微硅粉：减水剂＝685Kg:226Kg:1028Kg:55Kg:5Kg。

将上述自密实抗渗陶砂砂浆在隧道衬砌脱空处理中使用时，本发明所述自密实砂浆施工时间可在10分钟-1小时内进行调整，初凝时间在3小时左右，通过对配合比设计进行调整，28d强度达到C30-C50之间，容重在1770kg/m3以内；抗渗等级≥P10。

本发明基于正交试验法，通过采用轻质硅粉、高效减水剂和污水处理烧结制陶砂配置满足注浆工作性能的自密实砂浆，解决了中砂不适配，在注浆过程中易堵管的问题，极大节约了成本，加快了施工进度，环保性能高。

本发明的有益效果：

本发明利用轻质硅粉、高效减水剂和污水处理烧结制陶砂配制同时具有高流动性、抗离析性和高抗渗性的自密实砂浆，其具有密实性好、保水性好、抗渗性好、耐久性强、无需振捣，具有良好的施工性能和填充性能，能有效与二衬混凝土结合形成良好的受力结构，满足隧道衬砌脱空处置要求；能经济性的解决隧道二衬脱空注浆一次性合格率的问题，一次注浆合格率可以达到97％，不仅提高了注浆工作效率，节省了大量成本，同时也消除了隧道运营期间的安全隐患，环保性能显著，社会效益高。

具体实施方式

为便于理解本发明，现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明，不应视为对本发明的具体限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

关于原料，下述实施例所使用的水泥要求规格型号为PO.42.5，比重3:1；初凝时间大于45min，终凝时间小于12小时；28d抗压强度不小于42.5Mpa，28d抗折强度不小6.5Mpa；所用水泥为贵州沿河西南水泥有限公司生产的PO.42.5普通硅酸盐水泥，其富余系数rc＝1.16。陶砂粒径≤4.75mm，以城市污水厂生物污泥为主要原材料，采用烘干、磨碎、成球、烧结而得；表观密度ρs＝500kg/m3。硅粉为93U微硅粉，其二氧化硅含量≥90％；总碱量≤1.5％；含水率≤3.0％；其为上海胜阔建筑材料有限公司生产。减水剂为山西桑穆斯建材化工有限公司生产的SMS聚羧酸盐系高性能减水剂(缓凝型)，其减水率25—35％；泌水率比≤20％；坍落度增加值为＞100mm；含气量在2.0-5.0％之间。水为当地饮用水，密度ρw＝1000kg/m³。

本发明基于正交试验法，通过采用轻质硅粉、高效减水剂和污水处理烧结制陶砂配置满足注浆工作性能的自密实砂浆，解决了中砂不适配，在注浆过程中易堵管的问题，节约了成本，加快了施工进度，环保性能高。运用于实体工程后，一次注浆合格率可以达到97％，与常规组合格率51.3％形成对比，突出其优越的技术性能。本自密实抗渗砂浆具有高流动性、保水性和抗渗性，能极大的减少泵送阻力，自密实性能良好，收缩性小，能与衬砌混凝土形成良好的整体受力结构。将自密实抗渗砂浆运用于隧道衬砌脱空处置中取得良好的质量效益和经济效益，消除了后期运营过程中的安全风险，积攒了大量施工经验，开创了一种全新的处置隧道衬砌脱空的工艺方法。实施例1-9的具体配比设计如下：

表1L₉(3⁴)正交试验配合比参数表

表2砂浆配合比及试验结果

表3正交表因素重要程度分析

综合评定：通过观察结果和分析表中的数据发现，主要存在以下几种情况：第一种为扩展度超过270mm，TV小于7s，且表现为中间粘稠，两侧浆体较多，出现离析现象，保水性差，抗渗等级不满足P8要求，如第3、7、8组试验(实施例3、7、8)；第二组为扩展度小于230mm，TV大于11s，表现为砂浆粘稠，无法克服屈服应力，振捣和不振捣强度差别较大，自密实能力差，抗渗等级不满足P8要求，如第1、2、5组试验(实施例1、2、5)；第三种为单项数据超过规范建议值扩展度240—260mm，强度较低，造价较高，整体表现差强人意，如第9组试验(实施例9)；第四种为未振捣强度和振捣强度相差较小，扩展度满足要求，TV时间短，流动性好，保水性强，自密实能力好，抗渗等级满足隧道衬砌混凝土要求，如第4、6组试验(实施例4、6)。

综上所述，考虑隧道衬砌混凝土强度为C30、注浆流动性和经济性原则，选用第4、6组试验(尤其第4组)配合比运用于隧道缺陷处置中。

可见，本发明研制的同时具有高流动性和抗离析性的自密实砂浆，其具有密实性好、保水性好、耐久性强、无需振捣，具有良好的施工性能和填充性能，能有效与二衬混凝土结合形成良好的受力结构，满足隧道衬砌脱空处置要求。

目前上述成果已成功应用于多条隧道，并在人工、材料、机械方面较大节约了成本。其在未来高边坡预应力锚索、锚杆框架梁注浆中具有广泛的应用前景，推广价值极高。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种自密实抗渗陶砂砂浆，其特征在于，由水泥、微硅粉、污水处理烧结制陶砂、减水剂和水混合而成。

2.如权利要求1所述一种自密实抗渗陶砂砂浆，其特征在于，所述自密实砂浆水灰质量比控制在0.33-0.36；微硅粉/水泥质量比控制在8％-10％；砂胶质量比控制在150％-230％；减水剂/胶凝材料质量比控制在0.6％-0.8％。

3.如权利要求1或2所述一种自密实抗渗陶砂砂浆，其特征在于，其质量比优选为水泥：水：污水处理烧结制陶砂：微硅粉：减水剂＝1:0.33:1.5：0.08：0.008。

4.如权利要求1所述一种自密实抗渗陶砂砂浆，其特征在于，所述污水处理烧结制陶砂粒径≤4.75mm；其以污水厂生物污泥为主要原材料，通过烘干、磨碎、成球、烧结而成。

5.如权利要求1所述一种自密实抗渗陶砂砂浆，其特征在于，所述水泥规格型号为PO.42.5，比重3:1；初凝时间大于45min，终凝时间小于12小时。

6.如权利要求1所述一种自密实抗渗陶砂砂浆，其特征在于，所述微硅粉为93U微硅粉，其二氧化硅含量≥90％；总碱量≤1.5％；含水率≤3.0％。

7.如权利要求1所述一种自密实抗渗陶砂砂浆，其特征在于，所述减水剂为SMS聚羧酸盐系高性能减水剂。

8.如权利要求1-7所述一种自密实抗渗陶砂砂浆在隧道衬砌脱空处理中的应用。

9.如权利要8所述一种自密实抗渗陶砂砂浆在隧道衬砌脱空处理中的应用，其中，所述自密实砂浆施工时间为10分钟-1小时，初凝时间在3小时左右。

10.如权利要求8或9所述一种自密实抗渗陶砂砂浆在隧道衬砌脱空处理中的应用，所述自密实抗渗陶砂砂浆28d强度达到C30-C50之间，抗渗等级≥P10。