CN116639893A

CN116639893A - 一种同步注浆用胶凝材料及同步注浆材料和制备方法

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Publication number: CN116639893A
Application number: CN202310775751.XA
Authority: CN
Inventors: 张玉露; 曲效成; 樊祥运; 高利立; 苏岳威; 王栋磊; 解国亮
Original assignee: Beijing Anke Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Anke Technology Co ltd
Priority date: 2023-06-28
Filing date: 2023-06-28
Publication date: 2023-08-25

Abstract

本发明涉及盾构同步注浆材料技术领域，具体为一种同步注浆用胶凝材料及同步注浆材料和制备方法。同步注浆用胶凝材料的原料按质量份数计包括：矿渣微粉20‑30份，高钙粉煤灰20‑40份，超细钢渣粉20‑30份，副产石膏7‑15份，电石渣5‑8份，超细硅灰3‑5份；用于同步注浆用胶凝材料的高性能复合激发剂的原料按照质量份数计，硅酸钠30‑50份，烧碱8‑15份，纯碱5‑15份，元明粉30‑50份，水0‑100份。本发明还制备了单液浆同步注浆材料和双液浆同步注浆材料，其凝结时间可通过配方调整实现十几秒到几小时的精确控制，并且硬化后性能完全可以满足甚至超过传统水泥砂浆类注浆材料的力学性能。

Description

一种同步注浆用胶凝材料及同步注浆材料和制备方法

技术领域

本发明涉及盾构同步注浆材料技术领域，特别是涉及一种同步注浆用胶凝材料、同步注浆材料和制备方法。

背景技术

盾构同步注浆主要用于解决盾构过程中围岩变形、控制地表沉降，确保衬砌管片的稳定性及受力均匀性，预防盾尾水源进入土仓形成喷涌，提高隧道的抗渗性等作用，隧道曲线超限修正，以保证盾构隧道开挖过程中周边围岩的稳定性及其施工质量的基本措施。

常用的双组分(亦称双液浆)同步注浆材料具有凝结硬化快、早期强度高、注浆加固效果好等优势。常用的水泥-水玻璃型双组分同步注浆材料主要存在大量使用硅酸盐水泥，而水泥的生产具有高耗能、高污染、高成本等环保方面的不利因素。另一方面，盾构施工过程中产生大量的废弃渣土，尤其是泥水平衡施工，会形成大体量的稀泥浆，无论是处理还是外运弃置，都十分困难，同时会大大增加处置成本，严重影响盾构施工项目的经济性。因此，盾构渣土(泥浆)实现原位无害化处理和资源化利用是提升项目经济效益，解决盾构渣土外运处置的有效措施，具有重要意义。

CN115286340A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，主要是利用淤泥质盾构渣土预处理制备泥浆，在硅酸盐水泥、矿渣、钢渣、石膏等固废基胶固粉的作用下，制备成同步注浆材料。该方案具备消纳盾构渣土，工业固废，降低注浆材料成本等特点。但是该方案仍具有一些不足之处：

(1)该方案仅适用于淤泥质含量达到90％以上的淤泥质盾构渣土，对于粉质粘土、砂土、硬质岩体等盾构渣土并不适用，并且该方案只适用于土压平衡盾构渣土，对泥水平衡盾构泥浆的处置并不适用；

(2)该方案利用盾构渣土预制泥浆单元工艺复杂，设备投资成本高，技术稳定性较差；

(3)该方案中土胶粉材料依然无法避免使用硅酸盐水泥等高污染、高能耗、高成本的传统材料，整体方案的环保性较差。

CN114516741A公开了一种同步注浆材料及其制备方法，利用水泥、粉煤灰、渣土、砂、水和右钠质膨润土、钙质膨润土等组成的调节剂制备出同步注浆浆液。该方案具备同步注浆材料的抗渗性能好，浆液材料制备方法步骤简洁且操作便捷等特点。但是该方案也具有一些不足之处：

(1)该方案仅适用于含砂率在30-40％的盾构渣土，对于渣土的要求较高，对于粘土类盾构渣土和硬岩类盾构渣土不具有普遍的适用性；

(2)该方案中大量使用(200-330份)硅酸盐水泥作为固化胶凝材料的主要成分，材料组成具有明显的高能耗、高成本、环保性差等特点。

CN112723823A公开了一种利用盾构浆液制备同步砂浆的方法，该方案是利用盾构渣土浆液、水泥、膨润土、中细砂、粉煤灰、辅助小料(消泡剂、增粘剂、抑泡剂等)等为主要材料，制备出同步注浆浆液。该方案具有可使用硬质盾构渣土、解决浆液发泡、凝结时间适中、抗水侵蚀性能良好、工作性能稳定、成本合理等特点。但是该方案同样有一些不足之处：

(1)该方案使用水泥作为主要的胶凝材料，与前两个案例类似，无法避免传统建材的大量使用，无法改善材料环保性差这一本质问题；

(2)该方案依然需要额外加入中细砂骨料(10-20份)，无法避免消耗砂石等有限资源；

(3)该方案只适用于硬岩类地质盾构渣土，对于粘土、粉土等软土地质盾构渣土的缺少广泛的适用性。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种同步注浆用胶凝材料及同步注浆材料和制备方法。

具体的，本申请提供了如下技术方案：

一种同步注浆用胶凝材料，原料按质量份数计包括：矿渣微粉20-30份，高钙粉煤灰20-40份，超细钢渣粉20-30份，副产石膏7-15份，电石渣5-8份，超细硅灰3-5份。

其中，所述矿渣微粉为碱性(M＞1)急冷矿渣；28d活性指数≥95％；比表面积≥580m²/kg；

所述高钙粉煤灰的CaO含量≥35％，SiO₂含量≥30％；28d活性指数≥70％；

所述超细钢渣粉为热焖法处理的电炉、平炉或转炉钢渣，比表面积≥450m²/kg；

所述副产石膏为脱硫石膏、磷石膏、钛石膏、模型石膏中的一种或几种；其中，CaSO₄含量≥70％，含水率≤5％；

所述电石渣中Ca(OH)₂含量≥93％，含水量≤8％；

所述超细硅灰中SiO₂含量≥96％，比表面积比≥25000m²/kg。

一种用于上述同步注浆用胶凝材料的高性能复合激发剂，原料按照质量份数计，硅酸钠30-50份，烧碱8-15份，纯碱5-15份，元明粉30-50份，水0-100份。

其中，所述硅酸钠为粉末状固体Na₂SiO₃，有效成分≥95％；模数为2.3-3.0；

所述烧碱为工业级NaOH，有效成分含量≥90％；

所述纯碱为工业级Na₂CO₃，有效成分含量≥90％；

所述元明粉为工业级Na₂SO₄，有效成分含量≥85％，自由水含水率≤3％。

采用本发明上述同步注浆用胶凝材料及高性能复合激发剂可以制备单液浆同步注浆材料，按照质量份数计，同步注浆用胶凝材料20-30份，改性盾构泥浆60-90份，高性能复合激发剂8-12份。其中，所述改性盾构泥浆的组成按照质量份数计包括：盾构渣土50-90份，稠度调节剂0.1-1.2份，分散剂0.1-1.2份，消泡剂0.5-1.5份，水10-50份。

其中，所述盾构渣土包括淤泥质、粉质、粘土地层及硬岩地层盾构施工的渣土、泥浆，固体颗粒粒径≤2.5mm，含水率30-200％；

所述稠度调节剂为羟丙基甲基纤维素，甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素中的一种或者几种；

所述分散剂为焦磷酸钠、六偏磷酸钠、木质素磺酸钠中的一种或者几种；

所述消泡剂为聚醚改性有机硅氧烷类消泡剂；

所述改性盾构泥浆的比重为1.2-1.5，稠度为80-170mm，粘度为1200-3000mPa·s。

本发明上述单液浆同步注浆材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)盾构渣土或盾构弃浆经过泥浆改性单元制备成改性盾构泥浆；

(2)按照设计配比加入同步注浆用胶凝材料和高性能复合激发剂，经过搅拌制浆单元加工制备成单液浆同步注浆材料。

采用本发明上述同步注浆用胶凝材料及高性能复合激发剂还可以制备双液浆同步注浆材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)取同步注浆用胶凝材料20-30份、盾构泥浆40-60份、水0-50份由S1浆液制备单元制备成S1成品浆液；

(2)高性能复合激发剂20-30份和水60-80份由S2浆液制备单元制备成S2成品浆液；

(3)由S1成品浆液40-60份和S2成品浆液5-15份混合形成双液浆同步注浆材料。

与现有技术相比，本发明同步注浆用胶凝材料及同步注浆材料和制备方法至少具有以下

有益效果：

(1)本发明的同步注浆用胶凝材料是一种盾构同步注浆用全固废基新型胶凝材料。本发明使用矿渣、粉煤灰、电石渣、副产石膏等大宗工业固废完全取代水泥，在高性能复合激发剂的作用下，制备出了用于盾构同步注浆的新型胶凝材料，完全避免了硅酸盐水泥的使用，有效解决了现有技术中环保性不足和经济性差的问题。

(2)本发明使用盾构渣土制备了同步注浆材料，适用于粉土、粘土、砂土以及硬岩地质盾构渣土等各种不同种类盾构渣土(土压平衡)、弃浆(泥水平衡)的无害化处理和资源化利用，解决了现有技术中对盾构渣土种类适应性不足的缺点。

(3)本发明的同步注浆材料，不仅适用于单液浆同步注浆材料，还可以应用于双浆液同步注浆材料，其凝结时间可通过配方调整实现十几秒到几小时的精确控制，并且硬化后性能完全可以满足甚至超过传统水泥砂浆类注浆材料的力学性能。

下面结合附图对本发明的同步注浆用胶凝材料及同步注浆材料和制备方法作进一步说明。

附图说明

图1为单液浆同步注浆材料的制备工艺流程简图；

图2为双液浆同步注浆材料的制备工艺流程简图。

具体实施方式

实施例1

一种单液浆同步注浆材料，由固废基胶凝材料A和改性盾构泥浆B和高性能复合激发剂C组成。

固废基胶凝材料A由矿渣微粉25份，高钙粉煤灰30份，超细钢渣粉20份，副产石膏12份，电石渣8份，超细硅灰5份均匀混合后制得。其中各组分要求如下：

矿渣微粉：粒化高炉矿渣(M>1)，28d活性指数98％；比表面积630m²/kg；

高钙粉煤灰：CaO含量41％，SiO₂含量35％；28d活性指数83％；

超细钢渣粉：热焖法处理的转炉钢渣，比表面积460m²/kg；

副产石膏：脱硫石膏，CaSO₄含量75％，含水率3.5％；

电石渣：Ca(OH)₂含量93％，含水率5％；

超细硅灰：SiO₂含量98％，比表面积28000m²/kg。

改性盾构泥浆B是由盾构渣土60份，稠度调节剂0.7份，分散剂0.5份，消泡剂1.0份，水37.8份按比例均匀混合制备而成。其中，

盾构渣土：黏土质地层土压平衡盾构施工渣土，天然含水率33％，取粒径2.5mm以下部分。

稠度调节剂：羟丙基甲基纤维素，分子量200000；

分散剂：六偏磷酸钠；

消泡剂：聚醚改性有机硅氧烷类(日本东邦化学RianPont 8403型聚醚改性有机硅氧烷消泡剂)。

高性能复合激发剂C是由硅酸钠40份，烧碱15份，纯碱15份，元明粉30份按照比例均匀混合制备而成。其中：

硅酸钠：粉末状固体Na₂SiO₃，有效成分95％，模数2.8；

烧碱：工业级NaOH，有效成分含量94％；

纯碱：工业级Na₂CO₃，有效成分含量92％；

元明粉：工业级Na₂SO₄，有效成分含量85％，自由水含水率2％；

由胶凝材料A、改性盾构泥浆B和复合激发剂C按照质量比3：6：1，由图1所示的流程制备而成。具体制备方法为：

(1)将盾构渣土经过2.5mm筛分，取筛下部分，按比例将水、稠度调节剂、分散剂和消泡剂加入到高速涡流搅拌设备中，搅拌机转速1200r/min，搅拌时间3min，制备成改性盾构泥浆B；

(2)将胶凝材料A，改性盾构泥浆B，高性能激发剂C按比例加入到成品浆搅拌机中，转速200r/min，搅拌时间2min，制备出成品单液浆同步注浆材料，编号AKZJ-1。

实施例2-4

与实施例1相比，实施例2-4的区别在于所述改性盾构泥浆B的基础性质不同，对应的胶凝材料A、复合激发剂C各部分组成不同，材料其它条件、浆液制备方法与实施例1一致。实施例2-4制备的单液浆同步注浆材料分别编号为AKZJ-2、AKZJ-3、AKZJ-4。

实施例1-4的材料组成如表1所示。

表1实施例1-4的各部分材料组成

为突出本发明产品和应用产品的性能特点，以市售常规单浆液同步注浆材料为对比。市售常规单浆液同步注浆材料组成为：PO42.5水泥300kg/m³，粉煤灰40kg/m³，膨润土10kg/m³，速凝剂10kg/m³，砂640kg/m³，水238kg/m³，编号为CGZJ-1。

针对上述4种实施例产品AKZJ-1、AKZJ-2、AKZJ-3、AKZJ-4和市售常规产品CGZJ-1，参照相关标准实验方法(GB/T 8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》和GB/T 609《水泥净浆粘度测试方法》)测试浆液在2h内的流动度、稠度和粘度的变化，凝结时间，浆液硬化后立方体抗压强度等指标，结果见表2所示。

表2实施例1-4产品与常规注浆材料浆液及硬化后性能对比

由实施例1-4和市售常规产品CGZJ-1对比来看，本发明提出的新型胶凝材料及高性能复合碱激发剂针对不同掺量的盾构渣土，通过材料组成的调节，均具有良好的适应性；制备出的单浆液型同步注浆浆液的工作性能、硬化后力学性能均优于传统水泥基同步注浆材料，根据市场调研价格核算成本也具有明显优势。

实施例5

一种双液浆同步注浆材料，由胶凝材料A、盾构泥浆B组成的S1成品浆液，高性能复合激发剂C和水组成的S2成品浆液组成。

S1成品浆液由固废基胶凝材料A和盾构泥浆B按照质量比1：3制备而成。固废基胶凝材料A由矿渣微粉28份，高钙粉煤灰30份，超细钢渣粉25份，副产石膏7份，电石渣5份，超细硅灰5份均匀混合后制得。其中各组分要求如下：

高钙粉煤灰：CaO含量41％，SiO₂含量35％；28d活性指数83％；

超细钢渣粉：热焖法处理的转炉钢渣，比表面积460m²/kg；

副产石膏：脱硫石膏，CaSO₄含量75％，含水率3.5％；

电石渣：Ca(OH)₂含量93％，含水率5％；

超细硅灰：SiO₂含量98％，比表面积28000m²/kg。

盾构泥浆B是黏土地层泥水平衡盾构施工废弃泥浆，泥浆比重1200kg/m³，固含量31.7％，取粒径2.5mm以下部分。

S2成品浆液是由高性能复合激发剂C和水按照质量比3：7制备而成。高性能复合激发剂是由硅酸钠45份、烧碱23份、纯碱12份、元明粉30份均匀混合制得。其中，

硅酸钠：粉末状固体Na₂SiO₃，有效成分95％，模数2.8；

烧碱：工业级NaOH，有效成分含量94％；

纯碱：工业级Na₂CO₃，有效成分含量92％；

元明粉：工业级Na₂SO₄，有效成分含量85％，自由水含水率2％。

双液浆型同步注浆材料由胶凝材料A和盾构泥浆B按比例制备成S1成品浆液；复合激发剂C和水按照比例制备成S2成品浆液，制备流程如图2所示。具体制备方法为：

(1)将盾构泥浆经过2.5mm震动筛，取筛下部分为盾构泥浆B，测量盾构泥浆B的固含量、比重等参数；

(2)按照设计要求，将一定比例的胶凝材料A和盾构泥浆B按照质量比1：3加入搅拌机中，转速150r/min，搅拌时间2min，制备出S1成品浆液。

(3)将高性能复合激发剂和水按照质量比3：7加入到搅拌机中，转速100r/min，搅拌时间5min，使固体部分充分溶解，制备出S2成品浆液。

(4)将S1成品浆液和S2成品浆液按照体积比5：1加入到搅拌机中，转速150r/min。搅拌2min，制备出双浆液型同步注浆材料，编号为AKZJ-5。

实施例6-8

与实施例5相比，实施例6-8的区别在于盾构泥浆B的种类和性质不同，与之相对应的胶凝材料A和高性能复合激发剂C的组成不同，材料其它条件、浆液制备方法与实施例5一致。实施例6-8制备的双液浆同步注浆材料分别编号为AKZJ-6、AKZJ-7，AKZJ-8。

实施例5-8的材料具体组成如表3所示。

表3实施例5-8各部分材料组成

为突出本发明产品和应用产品的性能特点，以市售常规水泥-水玻璃同步注浆材料为对比。市售水泥-水玻璃型同步注浆材料由S1浆液：PO42.5水泥276kg/m³，膨润土30kg/m³，稳定剂5kg/m³(液体)，水775kg/m³；S2浆液：水玻璃120L/m³(模数2.8，浓度30％)组成，编号为CGZJ-2。

针对上述4种实施例产品AKZJ-5、AKZJ-6、AKZJ-7、AKZJ-8和市售常规产品CGZJ-2，参照相关标准实验方法(《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG 3420-2020)测试了S1浆液的泌水率，双浆液混合后的凝结时间，双浆液硬化后立方体抗压强，弹性模量和固结体收缩率等指标，结果见表4所示。

表4实施例5-8产品与常规注浆材料浆液及硬化后性能对比

从实施例5-8与现有常规技术产品对比结果来看，本发明提出的同步注浆用新型胶凝材料和高性能复合激发剂在协同处理盾构渣土(泥浆)，特别是泥水平衡盾构泥浆种优势明显。针对不同种类的盾构泥浆，通过调整材料组成，制备出的浆体性能优于现有技术产品，同时在经济性方面由明显优势。

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

1.一种同步注浆用胶凝材料，其特征在于：原料按质量份数计包括：矿渣微粉20-30份，高钙粉煤灰20-40份，超细钢渣粉20-30份，副产石膏7-15份，电石渣5-8份，超细硅灰3-5份。

2.根据权利要求1所述的同步注浆用胶凝材料，其特征在于：所述矿渣微粉为碱性急冷矿渣；28d活性指数≥95％；比表面积≥580m²/kg；

所述电石渣中Ca(OH)₂含量≥93％，含水量≤8％；

所述超细硅灰中SiO₂含量≥96％，比表面积比≥25000m²/kg。

3.一种用于权利要求1或2所述同步注浆用胶凝材料的高性能复合激发剂，其特征在于：原料按照质量份数计，硅酸钠30-50份，烧碱8-15份，纯碱5-15份，元明粉30-50份，水0-100份。

4.根据权利要求3所述的高性能复合激发剂，其特征在于：所述硅酸钠为粉末状固体Na₂SiO₃，有效成分≥95％；模数为2.3-3.0；

所述烧碱为工业级NaOH，有效成分含量≥90％；

所述纯碱为工业级Na₂CO₃，有效成分含量≥90％；

5.一种采用权利要求1或2所述同步注浆用胶凝材料及权利要求3或4所述高性能复合激发剂制备的单液浆同步注浆材料，其特征在于：按照质量份数计，同步注浆用胶凝材料20-30份，改性盾构泥浆60-90份，高性能复合激发剂8-12份。

6.根据权利要求5所述的单液浆同步注浆材料，其特征在于：所述改性盾构泥浆的组成按照质量份数计包括：盾构渣土50-90份，稠度调节剂0.1-1.2份，分散剂0.1-1.2份，消泡剂0.5-1.5份，水10-50份。

7.根据权利要求6所述的单液浆同步注浆材料，其特征在于：所述盾构渣土包括淤泥质、粉质、粘土地层及硬岩地层盾构施工的渣土、泥浆，固体颗粒粒径≤2.5mm，含水率30-200％；

所述消泡剂为聚醚改性有机硅氧烷类消泡剂；

8.权利要求5-7任一所述的单液浆同步注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.一种采用权利要求1或2所述同步注浆用胶凝材料及权利要求3或4所述高性能复合激发剂制备双液浆同步注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.权利要求9所述制备方法制得的双液浆同步注浆材料。