CN115504747A - 一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料、制备方法及应用 - Google Patents
一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料、制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料、制备方法及应用，动水条件下抗分散高抗渗注浆材料是一种混合粉体注浆材料，材料来源广泛、无毒无害，可用于封堵地层裂缝、孔隙或大的通道等地下水的突涌，流动度达到20cm以上，凝结时间可调，具有极好流动扩散效果，可满足不同泵送距离、凝结时间和温度的要求；1.2m/s的动水环境下的留存率达到91.5％，渗透系数小于10‑7cm/s；动水条件下抗分散高抗渗注浆材料按重量份数计，包括以下组分：硫铝酸盐水泥熟料20～40份、矿粉6～10份、钢渣4～8份、粉煤灰10～25份、膨润土1～3份、羟丙基甲基纤维素醚0.02～0.05份、可分散性乳胶粉0.02～0.05份、木质纤维素纤维1～5份、醚类聚羧酸减水剂0.1～0.4份、柠檬酸0.007～0.07份和水20～40份。
Description
技术领域
本发明属于注浆堵水与水害治理技术领域，涉及水害治理材料，具体涉及一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料、制备方法及应用。
背景技术
煤炭是我国支柱能源，每年开采量在40亿吨左右，随着煤炭开采深度的逐年增加，面临的地质条件日趋复杂，掘进巷道、生产工作面等遇有富水断层、老空区、封闭不良钻孔等情况时，极易发生突水、溃沙、溃泥等灾害，此类灾害具有涌水面积大、涌水量大、水流急、水压大、不易封堵等特点。同时，隧道、城市轨道交通等地下工程也易遇到类似的动水条件下注浆封堵困难的问题。
钻孔注浆是封堵大通道、裂隙或孔隙涌水的有效手段，在地下工程中得到了越来越多的应用。在动水条件下，普通水泥材料的凝结时间长、抗分散性差、留存率低，注入地层后很难留存，无法实现涌水封堵。针对动水条件，国内外学者研发了一些抗分散注浆材料，例如，CN105152599A公开的用于富水破碎岩体注浆治理的水泥基复合材料以硅酸盐水泥熟料、石英粉、氯化钙、氯化锂、滑石粉、羟丙基甲纤维素、硅灰石粉、钛白粉、六偏磷酸钠、超塑化剂等矿化剂和粉体缓凝剂为原料；CN108484058A公开的动水抗分散封堵材料由A、B两种组分构成，A组分包括水硬性胶凝材料、水，B组分包括水溶性植物胶、聚合物多元醇、醇类多糖、水玻璃、水；CN111763063A公开的注浆材料由聚丙烯酸钾结晶体颗粒、聚丙烯酸钠结晶体、硅酸钙、石灰石、粒化高炉矿渣、细磨石膏的胶凝材料、膨胀材料、水玻璃速凝材料组成；CN112194455A公开的注浆材料采用轻烧氧化镁、磷酸二氢钾、粉煤灰、膨润土、水、水玻璃、羟丙基甲基纤维素、硼砂和聚丙基酰胺；CN112299797A公开的用于动水条件下裂隙岩体的抗渗加强型注浆材料由硫铝酸盐水泥、偏高岭土、矿粉、粉煤灰和塑性膨胀剂组成；CN113693369A公开的动水环境下强渗透地层双液注浆新材料由A液与B液组成，A液为聚丙烯酰胺颗粒、水泥、硫酸亚铁、氯化钠、柠檬酸以及水组成的改性水泥浆液，B液为聚氨酯；CN109020361A公开的高流速大流量动水封堵纤维注浆材料包括纤维、普通硅酸盐水泥胶凝材料、水玻璃速凝材料，将胶凝材料制成注浆浆体，在步骤注浆浆体中加入纤维，搅拌均匀，然后加入速凝剂，进行注浆；CN114262195A公开的抗分散纤维膨润土动水注浆材料由钠基膨润土或锂基膨润土、水、火山灰水泥、二氧化硅、氧化钙、硫酸钾铝和氢氧化钠等助剂以及单丝束状聚丙烯纤维组成。上述动水条件下抗分散注浆材料大多掺加水玻璃、聚氨酯和有机材料，其缺陷在于：水泥-水玻璃浆液的凝结时间难以控制、聚氨酯浆液具有毒性、有机材料固结体易老化，双组份浆液现场施工难度大，浆液混合不均匀、扩散效果差、封堵效果弱，采用水泥熟料时原材料选用困难，材料不易获取。
因此，亟需研发一种流动度和凝结时间可调、原料来源广泛、制备简单、适应性强的抗分散高抗渗注浆材料，使其在矿山、隧道、边坡、地下工程的防渗、堵漏、地基和软岩加固、矿井堵水等工程中发挥重要作用。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料、制备方法及应用，以解决现有技术中存在的动水条件下抗分散注浆材料凝结时间不可控、抗分散性和扩散性差，以及原材料获取困难的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，所述注浆材料按重量份数计，包括以下组分：硫铝酸盐水泥熟料20～40份、矿粉6～10份、钢渣4～8份、粉煤灰10～25份、膨润土1～3份、羟丙基甲基纤维素醚0.02～0.05份、可分散性乳胶粉0.02～0.05份、木质纤维素纤维1～5份、醚类聚羧酸减水剂0.1～0.4份、柠檬酸0.007～0.07份和水20～40份。
本发明还具有如下技术特征：
具体的，所述硫铝酸盐水泥熟料的强度为42.5级，比表面积为380～450m2/kg，初凝时间为8～15min，终凝时间为13～22min，1天抗压强度为34～39.5MPa，1天抗折强度为6.1～7.5MPa；3天抗压强度为42～49MPa，3天抗折强度为6.6～8.1MPa。
更进一步的，所述硫铝酸盐水泥熟料，按质量百分比计，包括以下组分：Al2O3:18～24％，SiO2:3～6％，CaO:22～28％，Fe2O3:1～2％，SO3:9～12％，4CaO·3Al2O3·SO3:25～35％，2CaO·SiO2:12～18％，4CaO·Al 2O3·Fe2O3:4～6％，以上各组分之和为100％。
更进一步的，所述钢渣粒径＜200目，所述钠基膨润土平均粒径＜38μm，所述白木质素纤维的平均长度尺寸＜180μm。
更进一步的，所述粉煤灰按质量百分比计，包括以下组分：SiO2：45.6～51.6％，Al2O3：34.8～40.6％，Fe2O3：1.0～1.4％，CaO：1.8～2.6％，MgO：1.1～1.5％，SO3：1.0～1.3％，Na2O：1.2～1.6％，K2O：1.0～1.4％，其他：3.0～6.0％，以上各组分之和为100％。
更进一步的，所述粉煤灰中按质量百分比计，活性硅含量为16.6～21.5％，活性铝含量为：15.5～18.5％。
更进一步的，所述羟丙基甲基纤维素醚的粘度≥20×104mPa.s，比重为1.26～1.31，100目通过率大于98.5％，80目通过率为100％。
更进一步的，所述注浆包括以下组分：硫铝酸盐水泥30份、矿粉7.2份、钢渣7份、粉煤灰20份、膨润土2份、羟丙基甲基纤维素醚0.025份、可分散性乳胶粉0.03份、M-180木质纤维素纤维2份、醚类聚羧酸减水剂0.2份、柠檬酸0.05份和水30份。
本发明还保护一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将配方量的硫铝酸盐水泥、矿粉、钢渣、粉煤灰、膨润土、羟丙基甲基纤维素醚、可分散性乳胶粉、木质纤维素纤维、醚类聚羧酸减水剂、柠檬酸，放入螺旋搅拌装置中搅拌均匀，得到粉体混合材料；
步骤2、将配方量的水倒入制浆装置中，然后启动制浆装置；
步骤3、将步骤1得到的粉体混合材料倒入制浆装置中，搅拌均匀得到注浆材料；
其中，按重量份数计，所述注浆包括以下组分：硫铝酸盐水泥熟料20～40份、矿粉6～10份、钢渣4～8份、粉煤灰10～25份、膨润土1～3份、羟丙基甲基纤维素醚0.02～0.05份、可分散性乳胶粉0.02～0.05份、木质纤维素纤维10～5份、醚类聚羧酸减水剂0.1～0.4份、柠檬酸0.007～0.07份和水200～40份。
本发明还保护上述动水条件下抗分散高抗渗注浆材料用于对动水条件下地层中大通道、裂隙或孔隙涌水进行封堵的应用；或上述动水条件下抗分散高抗渗注浆材料的制备方法制得的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料用于对动水条件下地层中大通道、裂隙或孔隙涌水进行封堵的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下有益的技术效果：
(1)本发明公开的以硫铝酸盐水泥+辅助胶凝材料制得的注浆材料，是一种混合粉体注浆材料，材料来源广泛、运输和现场施工简便，材料无毒无害。可用于封堵地层裂缝、孔隙或大的通道等地下水的突涌。
(2)本发明提供的注浆材料的流动度达到20cm以上，且凝结时间可调，具有极好流动扩散效果，可满足不同泵送距离、凝结时间和温度的要求。
(3)经试验检测，本发明提供的注浆材料在1.2m/s的动水环境下的留存率达到91.5％，渗透系数小于10-7cm/s，具有极高的动水条件下的堵水效果。
(4)本发明公开的制备方法简单，操作方便，制得的注浆材料可用于封堵地层裂缝、孔隙或大的通道等地下水的突涌，具有很强的推广使用价值。
附图说明
图1为动水条件抗分散注浆材料的制备流程图；
图2为实施例1至7制得的注浆材料的经时流动度，其中，1～7为材料编号，对应实施例7～实施例1；
图3为实施例1至7制得的注浆材料的动水抗冲刷性能，其中，1～7为材料编号，对应实施例7～实施例1；
图4为本发明所制得的不同注浆材料的凝结时间。
以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步说明。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，任何本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明中的所有原材料，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的原材料。
本发明所用的主要原材料来源：
硫铝酸盐水泥熟料由石灰石、矾土和石膏制备而成，矿粉采用采石场的废料加工制备而得，钢渣是从钢厂购买后二次加工而得，粉煤灰是从电厂直接购买或直接运走，膨润土、羟丙基甲基纤维素醚、可分散性乳胶粉、木质纤维素纤维、柠檬酸均是从市场直接购买，醚类聚羧酸减水剂根据需求参数配制。
流动度测试执行标准《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077-2012)，浆液凝结时间测试执行标准《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB T 1346-2011)，抗渗性能测试参照标准《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/70-2009)。
下面对本发明所涉及的技术术语予以解释；
留存率：动水条件下沉积在水槽内的浆液凝胶体质量与注入浆液质量之比，用于定量评价速凝浆液在动水条件下的抗分散性质。
流动度：将拌好的净浆迅速注入截锥圆模内，用刮刀刮平，将截锥圆模按垂直方向提起，同时开启秒表计时，任注浆材料净浆在玻璃板上流动30秒，然后用直尺量取流淌部分互相垂直的两个方向的最大直径，取平均值即为流动度，流动度越大，稠度越稀。
本发明公开一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，按重量份数计，包括以下组分：硫铝酸盐水泥20～40份、矿粉6～10份、钢渣4～8份、粉煤灰10～25份、膨润土1～3份、羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)0.02～0.05份、可分散性乳胶粉(EVA)0.02～0.05份、木质纤维素纤维1～5份、醚类聚羧酸减水剂0.1～0.4份、柠檬酸0.007～0.07份和水200～40份。
其中，矿粉为S95系列的活性辅助胶凝材料，28天粉活性指数≥95％，活性钙、硅、铝等无机物的含量≥30％。可分散性乳胶粉是水溶性白色或者类白色可流动性粉末，为乙烯、醋酸乙烯酯的共聚物，以聚乙烯醇作为保护胶体，具有极突出的防水性能，可以改善注浆材料的和易性，稠度和粘聚性能；醚类聚羧酸高性能减水剂是水泥分散剂，具有高效的分散水泥颗粒微观结构，分散性强、减水率高、收缩小，可保持水泥坍塌度，在低掺量的情况下可以保持水泥混凝土良好的塑性和流动度；柠檬酸为白色结晶性粉末材料，无色晶体，无臭，密度1.542g/cm3，熔点153-159℃，易溶于水，可保持注浆材料的流动度。
优选的，所述硫铝酸盐水泥熟料的强度为42.5级，比表面积为380～450m2/kg，初凝时间为8～15min，终凝时间为13～22min，1天抗压强度为34～39.5MPa，1天抗折强度为6.1～7.5MPa；3天抗压强度为42～49MPa，3天抗折强度为6.6～8.1MPa。
优选的，所述硫铝酸盐水泥熟料，按质量百分比计，包括以下组分：Al2O3:18～24％，SiO2:3～6％，CaO:22～28％，Fe2O3:1～2％，SO3:9～12％，4CaO·3Al2O3·SO3:25～35％，2CaO·SiO2:12～18％，4CaO·Al 2O3·Fe2O3:4～6％，以上各组分之和为100％。
优选的，所述钢渣粒径＜200目，所述钠基膨润土平均粒径＜38μm，所述白木质素纤维的平均长度尺寸＜180μm。
其中，钢渣的矿物组以硅酸三钙为主，其次是硅酸二钙、RO相、铁酸二钙和游离氧化钙，可增加注浆材料的密度，提高材料的动水抗冲刷性；钠基膨润土是一种以蒙脱石为主要介质的粘土矿物，具有优良的粘结性、膨润性以及保水性，用于提高注浆材料的稳定性；白木质素纤维是含天然木质素的有机纤维，通常为棉絮状或片状，色泽呈白色或灰白色，柔韧性较好，加入水泥浆体后具有优良的分散性以及物理化学稳定性，吸水性较强，有增稠抗分散效果。
更进一步的，所述粉煤灰为Ⅱ级及以上粉煤灰，D50：2.06～2.46μm，按质量百分比计，包括以下组分：SiO2：45.6～51.6％，Al2O3：34.8～40.6％，Fe2O3：1.0～1.4％，CaO：1.8～2.6％，MgO：1.1～1.5％，SO3：1.0～1.3％，Na2O：1.2～1.6％，K2O：1.0～1.4％，其他组分：3.0～6.0％，以上各组分之和为100％。
更进一步的，所述粉煤灰中按质量百分比计，活性硅含量16.6～21.5％，活性铝：15.5～18.5％。
更进一步的，所述羟丙基甲基纤维素醚的粘度≥20×104mPa.s，比重为1.26～1.31，100目通过率大于98.5％，80目通过率为100％
本发明的各组分的作用原理如下：
硫铝酸盐水泥熟料遇水发生如式(1)至式(4)所示的水化反应，生成结构致密的水泥石，水化反应时间短，结晶体稳固，快速形成的凝结结构受水流冲刷影响小。
4CaO·3Al2O3·SO3+2CaSO4+38H2O→
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2(Al2O3·3H2O) (式1)
4CaO·3Al2O3·SO3+18H2O→
3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O+2(Al2O3·3H2O) (式2)
2CaO·SiO2+Al(OH)3+5H2O→2CaO·Al2O3·SiO2·8H2O (式3)
Ca2++CO3 2-→CaCO3 (式4)
矿粉可减少水泥熟料的使用量，降低材料成本，促进4CaO·3Al2O3·SO3矿物的早期水化，缩短水泥浆体的凝结时间，填充水化产物的空隙，降低体系的总孔隙率，提升水泥浆液结石体的强度和密实性。
钢渣的密度较大，在注浆浆液中由水泥浆液和纤维等包裹，增大了注浆浆体的密度，提高了抗冲刷能力，其矿物成分硅酸三钙也可参与水化反应，将硫铝酸盐水泥水化产物中的3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O转变为3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，提高了注浆材料的后期强度，弥补了水泥浆体强度的倒缩。
粉煤灰具有火山灰活性，能够发生水化反应，粉煤灰发挥矿物掺合料的微集料与火山灰叠加效应，使水泥浆液结石体的微观结构更加致密，缩短注浆材料的凝结时间，提高浆液结石体的强度。
膨润土通过吸收浆液中大量的自由水提高注浆材料的稳定性，进而降低材料的流动度，同时，膨润土填充了硫铝酸盐水泥浆液中颗粒骨架之间的孔隙，形成致密的结石体，提高了抗渗性能。
羟丙基甲基纤维素醚使注浆材料水化产物3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O易形成短棒状、降低其长径比，在注浆浆液中形成大量的封闭孔隙，减少连通孔的数量，吸附浆体中的水分，提高注浆材料浆体粘度，增强对水泥颗粒的吸附作用，降低絮凝结构间的水分自由度，提升注浆材料的保水率和稠度。
可分散性乳胶粉在注浆材料水化过程中可聚集在水化和未水化产物表面，具有极突出的防水功能，增大浆液内部的粘聚性，保护浆体避免水流冲刷分散，同时可吸水增稠浆液，增大浆液内聚力，改善浆液和易性。
醚类聚羧酸高性能减水剂具有非常高的减水作用，可减少注浆材料的用水量，降低水灰比，提高浆液的粘聚力，促进结构致密，浆液结石体收缩小，塌落度经时损失小，可保持水泥坍塌度，同时保持良好的塑性和流动度。
白木质素纤维材料在加入注浆材料浆体搅拌之前为棉絮状或片状，加入注浆浆体搅拌后均匀分布在注浆浆体中，并形成网状，在浆液开始初凝时，网状的纤维之间相互拉扯，形成注浆浆体的骨架，浆液附着在纤维表面，乱序排列的纤维能够形成复杂的三维网状结构，对注浆浆体起到良好的稳定作用，提高浆体的抗动水冲刷能力，防止封堵过程中浆体被分散。
柠檬酸加入注浆浆液后进入水泥颗粒层间，阻隔了水泥水化之间的连续性，延缓了水化凝结时间，实现动水条件下抗分散注浆材料的凝结时间的可调可控。尤其是，通过柠檬酸、聚羧酸减水剂、粉煤灰和膨润土等材料的配比调整可以实现凝结时间的调整。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例提供一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，所述注浆材料采用以下方法制备：
步骤1、将30份硫铝酸盐水泥、7.2份矿粉、7份钢渣、20份粉煤灰、2.0份膨润土、0.025份羟丙基甲基纤维素醚、0.03份可分散性乳胶粉、2份木质纤维素纤维、0.2份醚类聚羧酸减水剂、0.05份柠檬酸，放入螺旋搅拌装置中搅拌10分钟，混合均匀后得到粉体混合材料；
步骤2、将30份水倒入制浆装置中，然后启动制浆装置；
步骤3、将步骤1得到的粉体混合材料倒入制浆装置中，搅拌2分钟以上，混合均匀后得到注浆材料。
实施例2
本实施例中的制备方法与实施例1相同，与实施例1的区别在：调整了部分原料的组分，详情参见表1，最终制得了注浆材料。
实施例3
本实施例中的制备方法与实施例1相同，与实施例1的区别在：调整了部分原料的组分，详情参见表1，最终制得了注浆材料。
实施例4
本实施例中的制备方法与实施例1相同，与实施例1的区别在：调整了部分原料的组分，详情参见表1，最终制得了注浆材料。
实施例5
本实施例中的制备方法与实施例1相同，与实施例1的区别在：调整了部分原料的组分，详情参见表1，最终制得了注浆材料。
实施例6
本实施例中的制备方法与实施例1相同，与实施例1的区别在：调整了部分原料的组分，详情参见表1，最终制得了注浆材料。
实施例7
本实施例中的制备方法与实施例1相同，与实施例1的区别在：调整了部分原料的组分，详情参见表1，最终制得了注浆材料。
表1实施例及材料编号对应的材料配比
然后分别对实施例1～7制得的注浆材料进行了流动性、抗冲刷性、渗透系数测试，根据得到的测试结果绘制如图1所示的注浆材料的经时流动度曲线、图2所示的注浆材料的动水抗冲刷留存率图和图3所示的注浆材料结石体渗透系数。
从图2可以看出：实施例6和实施例7中(图中编号2和1)采用硫铝酸盐水泥熟料、矿粉、粉煤灰和醚类聚羧酸减水剂制备的注浆材料的流动度极小，无法满足泵送要求，实施例4和实施例5(图中编号4和3)中，由于未添加木质纤维素纤维，且钢渣的添加量也较小，其流动度随着时间的推移也大幅度降低；实施例3和4(图中编号5和4)中，由于增加了膨润土和钢渣，而适当减少了硫铝酸盐水泥熟料，10分钟以内的流动度大于20cm，而在10分钟以后急剧减小，极大的影响注浆浆液的正常输送；而且可以发现，由于实施例3比实施例4增加了钢渣，减少了粉煤灰掺量，实施例3的流动度要好于实施例4，可见钢渣的适量增加提高了流动度；实施例1和实施例2制得的注浆材料，由于添加了适量的可再分散性乳胶粉(EVA)、钢渣、膨润土和柠檬酸，注浆浆液的流动度明显增大，具有非常好的流动效果，可以满足不同工况的注浆需求。
由上述分析可知，由于钢渣粉的密度大、吸水性弱，增加了浆液中的自由水，相当于提高了水胶比，从而引起流动度较大。膨润土是以蒙脱石为主的黏土矿物，吸收浆液中大量的自由水后，形成膨润土泥浆，具有良好的膨润性和润滑性能，以及吸水膨胀性，在吸水早期促进了浆液的流动性，而在后期吸水膨胀后则会阻碍浆液流动性。可分散性乳胶粉在注浆材料水化过程中可聚集在水化和未水化产物表面，具有极突出的防水功能，增大浆液内部的粘聚性，改善浆液和易性，使浆液早期具有良好的流动性。柠檬酸加入注浆浆液后进入水泥颗粒层间，主要是阻隔了水泥水化之间的连续性，延缓了水化凝结时间，使抗分散注浆材料的早期流动性较好。
从图3可以看出：实施例6和实施例7(注浆材料编号2和1)制备的注浆材料在水流速度1.2m/s的动水通道环境下，冲刷后留存率较低，均低于65％，尤其是实施例7制备的注浆材料的留存率仅为58.6％，在实施例6中添加可再分散性乳胶粉(EVA)后，在水流速度1.2m/s的动水冲刷下，留存率较实施例7提高10.92％；实施例5(注浆材料编号3)增加了钢渣、膨润土及少量的可再分散性乳胶粉(EVA)和柠檬酸后，在水流速度1.2m/s的动水冲刷下，留存率达到68.5％，较实施例7提高了16.89％；实施例4(注浆材料编号4)较实施例5适当增加了钢渣、膨润土及少量的柠檬酸后，在水流速度1.2m/s的动水冲刷下，留存率达到76.6％，较实施例7提高了30.72％；实施例3(注浆材料编号5)较实施例4增加了钢渣的掺量，减少了粉煤灰的掺量，在水流速度1.2m/s的动水冲刷下，留存率达到85.2％，较实施例7提高了45.39％；实施例2(注浆材料编号6)较实施例3(注浆材料编号5)增加了纤维和柠檬酸的掺量，在水流速度1.2m/s的动水冲刷下，留存率达到89.6％，较实施例7提高了52.90％；实施例1(注浆材料编号7)较实施例2增加了膨润土、纤维和柠檬酸的掺量，在水流速度1.2m/s的动水冲刷下，留存率达到91.5％，较实施例7提高了56.14％。可见，通过添加可再分散性乳胶粉(EVA)、钢渣、膨润土、木质纤维素纤维和柠檬酸，在实施例1～5中制得的注浆材料在水流速度1.2m/s的动水通道环境下，冲刷后留存率明显提高，尤其是，实施例1的注浆材料的留存率达到了91.5％。说明本发明提供的注浆材料具有非常好的动水条件下抗冲刷性能，能够满足特殊工况的注浆需求，实现高效注浆堵水。
由上述分析可知，由于可分散性乳胶粉(EVA)在注浆材料水化过程中聚集在水化和未水化产物表面，具有极突出的防水功能，增大浆液内部的粘聚性，保护浆体避免水流冲刷分散，同时可吸水增稠浆液，增大浆液内聚力，改善浆液和易性。钢渣粉的密度较大，在注浆浆液中由水泥浆液和纤维等包裹，增大了注浆浆体的密度，提高了抗冲刷能力，其矿物成分硅酸三钙参与水化反应，将硫铝酸盐水泥水化产物中的3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O转变为3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，提高了注浆材料的后期强度，弥补水泥浆体强度倒缩。膨润土通过吸收浆液中大量的自由水，减少了浆液中自由水的活动空间，浆液中的颗粒粘聚在一起，提高注浆材料的稳定性，进而降低材料的流动度，膨润土填充了硫铝酸盐水泥浆液中颗粒骨架之间的孔隙，形成致密的结石体，提高了抗冲刷能力。纤维在加入注浆材料浆体搅拌之前为棉絮状或片状，加入注浆浆体搅拌后均匀分布在注浆浆体中，并形成网状，在浆液开始初凝时，网状的纤维之间相互拉扯，形成注浆浆体的骨架，浆液附着在纤维表面，乱序排列的纤维能够形成复杂的三维网状结构，对注浆浆体起到良好的稳定作用，提高浆体的抗动水冲刷能力，防止封堵过程中浆体被分散。
实施例1～7制得的注浆材料的结石体渗透系数如表2所示，其中，实施例1的渗透系数最小，渗透系数从实施例7～实施例1整体上呈现递减的趋势，动水抗分散注浆材料在钢渣、膨润土、可分散性乳胶粉(EVA)、木质纤维素纤维和柠檬酸后，渗透系数由实施例7～实施例1减少了47.23％。
表2
| 实施例 | 材料编号 | 渗透系数(10<sup>-7</sup>cm/s) |
| 1 | 7 | 3.62 |
| 2 | 6 | 4.37 |
| 3 | 5 | 5.28 |
| 4 | 4 | 6.06 |
| 5 | 3 | 7.41 |
| 6 | 2 | 6.35 |
| 7 | 1 | 6.86 |
如下表所示，在实施例1的基础上，调整柠檬酸、聚羧酸减水剂、粉煤灰和膨润土等材料的掺量制备了多个注浆材料样品，然后测试每个注浆材料样品的凝结时间，测试结果如图4所示，由图4可知，在保证较好的动水抗冲刷性能的条件下下实现凝结时间根据工程需求而调整变化。
本发明制备得到的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料的用途：
可用于对动水条件下地层中大通道、裂隙或孔隙涌水进行封堵。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (10)
1.一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，其特征在于，所述注浆材料按重量份数计，包括以下组分：硫铝酸盐水泥熟料20～40份、矿粉6～10份、钢渣4～8份、粉煤灰10～25份、膨润土1～3份、羟丙基甲基纤维素醚0.02～0.05份、可分散性乳胶粉0.02～0.05份、木质纤维素纤维1～5份、醚类聚羧酸减水剂0.1～0.4份、柠檬酸0.007～0.07份和水20～40份。
2.如权利要求1所述的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥熟料的强度为42.5级，比表面积为380～450m2/kg，初凝时间为8～15min，终凝时间为13～22min，1天抗压强度为34～39.5MPa，1天抗折强度为6.1～7.5MPa；3天抗压强度为42～49MPa，3天抗折强度为6.6～8.1MPa。
3.如权利要求1所述的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥熟料，按质量百分比计，包括以下组分：Al2O3:18～24％，SiO2:3～6％，CaO:22～28％，Fe2O3:1～2％，SO3:9～12％，4CaO·3Al2O3·SO3:25～35％，2CaO·SiO2:12～18％，4CaO·Al2O3·Fe2O3:4～6％，以上各组分之和为100％。
4.如权利要求1所述的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，其特征在于，所述钢渣粒径＜200目，所述钠基膨润土平均粒径＜38μm，所述白木质素纤维的平均长度尺寸＜180μm。
5.如权利要求1所述的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅱ级及以上粉煤灰，D50：2.06～2.46μm，按质量百分比计，包括以下组分：SiO2：45.6～51.6％，Al2O3：34.8～40.6％，Fe2O3：1.0～1.4％，CaO：1.8～2.6％，MgO：1.1～1.5％，SO3：1.0～1.3％，Na2O：1.2～1.6％，K2O：1.0～1.4％，其他组分：3.0～6.0％，以上各组分之和为100％。
6.如权利要求5所述的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，其特征在于，所述粉煤灰中按质量百分比计，活性硅含量为16.6～21.5％，活性铝含量为：15.5～18.5％。
7.如权利要求1所述的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，其特征在于，所述羟丙基甲基纤维素醚的粘度≥20×104mPa.s，比重为1.26～1.31，100目通过率大于98.5％，80目通过率为100％。
8.如权利要求1所述的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料，其特征在于，所述注浆包括以下组分：硫铝酸盐水泥熟料30份、矿粉7.2份、钢渣7份、粉煤灰20份、膨润土2份、羟丙基甲基纤维素醚0.025份、可分散性乳胶粉0.03份、M-180木质纤维素纤维2份、醚类聚羧酸减水剂0.2份、柠檬酸0.05份和水30份。
9.一种动水条件下抗分散高抗渗注浆材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、将配方量的硫铝酸盐水泥熟料、矿粉、钢渣、粉煤灰、膨润土、羟丙基甲基纤维素醚、可分散性乳胶粉、木质纤维素纤维、醚类聚羧酸减水剂、柠檬酸，放入螺旋搅拌装置中搅拌均匀，得到粉体混合材料；
步骤2、将配方量的水倒入制浆装置中，然后启动制浆装置；
步骤3、将步骤1得到的粉体混合材料倒入制浆装置中，搅拌均匀得到注浆材料；
其中，按重量份数计，所述注浆包括以下组分：硫铝酸盐水泥20～40份、矿粉6～10份、钢渣4～8份、粉煤灰10～25份、膨润土1～3份、羟丙基甲基纤维素醚0.02～0.05份、可分散性乳胶粉0.02～0.05份、木质纤维素纤维1～5份、醚类聚羧酸减水剂0.1～0.4份、柠檬酸0.007～0.07份和水20～40份。
10.如权利要求1至7任一权利要求所述的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料用于对动水条件下地层中大通道、裂隙或孔隙涌水进行封堵的应用；或如权利要求8所述的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料的制备方法制得的动水条件下抗分散高抗渗注浆材料用于对动水条件下地层中大通道、裂隙或孔隙涌水进行封堵的应用。
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| CN101693615A (zh) * | 2009-09-29 | 2010-04-14 | 武汉市商品混凝土管理站 | 一种硫铝酸盐水泥基同步注浆材料及其制备方法 |
| CN109020361A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-12-18 | 山东大学 | 一种高流速大流量动水封堵纤维注浆材料及其制备方法 |
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