CN103880377A - 一种地质聚合物灌浆材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地质聚合物灌浆材料及其制备方法。它由矿渣71～91份、粉煤灰66～70份、碱激发剂16～28份和缓凝剂0.5～1.6份得到制备无机硅酸盐复合材料；而后再由无机硅酸盐复合材料与水按照0.30～0.38的比重混合制备而成。本发明具有流动性好、早期强度高、无收缩、耐久性好、凝结时间和强度可调等特点，与传统地质聚合物材料相比，该材料是由各种粉状原料混合而成的复合材料，现场加水搅拌即可以使用，制备工艺简单、成本低、操作方便，可以广泛应用于水泥混凝土路面板底灌浆、水泥混凝土路面裂缝修补、地脚螺栓锚固、设备安装、预应力桥梁灌缝、工程抢修、加固等。
Description
技术领域
本发明属于无机复合材料技术领域，涉及一种地质聚合物灌浆材料及其制备方法。
背景技术
地质聚合物是由活性铝硅酸盐材料（偏高岭土、粘土、矿渣、粉煤灰、硅灰等）与强碱或强碱硅酸盐溶液反应生成的一类新型铝硅酸盐无机胶凝材料。1978年法国著名科学家Davidovits首次把这种材料命名为地质聚合物并提出了地质聚合物的反应机理。地质聚合物由于具有快硬早强、耐腐蚀性、绿色环保、耐高温、耐久性好等优点，广泛应用于建筑材料、交通抢修、重金属离子吸附、核废料处理等领域。近年来，由于水泥基灌浆材料和化学灌浆材料成本高，耐腐蚀和耐冲刷性能不理想，地质聚合物开始应用在软基处理、隧道注浆、预应力桥梁灌浆、混凝土路面裂缝修复和板底脱空处理等方面。但是目前地质聚合物灌浆材料还存在以下一些不足，限制了地质聚合物在灌浆材料领域的应用：
碱激发剂的形态决定了地质聚合物灌浆材料的性能不稳定，施工技术要求高。目前，碱激发剂主要为液体，包括低模数钠水玻璃溶液、低模数钾水玻璃、NaOH溶液或KOH溶液。 根据国内外的文献报道，液体水玻璃制备地质聚合物的模数一般低于2.0，随着储存时间的增加，水玻璃中硅酸根离子的聚合度不断变化，对地质聚合物灌浆材料的性能影响比较大。如果用NaOH溶液或KOH溶液制备的地质聚合物比水玻璃制备的地质聚合物强度低，应用范围窄。
液体碱激发剂制备的地质聚合物在潮湿空气中易泛碱，影响地质聚合物的耐久性。
国内外已有利用矿渣、粉煤灰、钢渣等固体废弃物制备地质聚合物灌浆材料和碱激发水泥的报道，由于原料活性组分和化学组分的不同，凝胶时间无法控制，而目前水泥方面的缓凝剂在地质聚合物体系中完全没有效果，因此寻找一种适合地质聚合物体系的缓凝剂是地质聚合物推广应用的关键因素。
国内外的研究者们从地质聚合物的不足出发，申请了一些相关专利。
中国发明专利（专利号：CN200810035397.2和CN200410015696.1）公开了一种地质聚合物土壤固结注浆材料和土壤固结灌浆材料，这两个专利都是将粉煤灰、矿渣、钢渣、高钙粉煤灰、碱性激发剂和水混合制备而成。制备了早期强度高、具有良好水稳定性、流动性和耐久性的地质聚合物土壤固结注浆材料。不同的是CN200810035397.2添加了一种减水剂，但是该方法所用的碱激发剂为并非速溶型的水玻璃，而是一般固体水玻璃，水玻璃在浆体中的溶解速度比较慢，难以制备满足不同工程部位性能指标的灌浆材料，根据地质聚合物的反应机理，水玻璃中硅酸根离子的在浆体中的溶解速率和溶解在浆体中的硅酸根离子结构形式直接影响地质聚合物灌浆材料性能。同时，这两种制备方法都没有涉及缓凝剂，地质聚合物凝结时间不可控，特别是对比高钙矿渣，凝结时间非常快，没有合适的缓凝剂会出现闪凝。
中国专利，专利申请号：CN200910153713.0公开一种地聚合物灌浆材料。 该方法将废弃混凝土粉、脱硫石膏、钢渣粉、矿渣粉、粉煤灰、碱激发剂混合制备而成。该方法所用的碱激发剂为液体碱激发剂，难以制备性能稳定的地质聚合物灌浆材料，不适合于大规模生产应用。
中国专利，申请号：200910153713.0，公开号：CN101712546A，该发明公开一种地聚合物灌浆材料，它由以下重量份的各个组分制备：废弃混凝土粉10～30重量份，脱硫石膏5～15重量份，钢渣粉10～20重量份，矿渣粉20～40重量份，高钙粉煤灰3～8重量份，粉煤灰20～50重量份，碱激发剂5～10重量份。该发明的地聚合物灌浆材料，虽然解决了一部分地聚合物灌浆材料强度高、流动性，但是存在强度低，凝结时间不可调，适用范围窄，性能不稳定的问题。
现有文献报道和相关专利只涉及某个具体工程部位的灌浆材料，还存在强度低，凝结时间不可调，适用范围窄，性能不稳定的问题。
发明内容
本发明要解决现有技术问题并提供一种强度和凝胶时间可调，性能稳定，适用范围广的地质聚合物灌浆材料，并对于实现该地质聚合物灌浆材料在工程中广泛应用具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种地质聚合物灌浆材料，其特征是：由水与无机硅酸盐复合材料按照0.26～0.38的比重混合制备而成；所述的无机硅酸盐复合材料的组成重量份数：矿渣75～93份、粉煤灰66～70份、碱激发剂16～28份和缓凝剂0.3～1.6份；所述的缓凝剂为磷酸二氢钾、磷酸二氢钠和磷酸二氢钙的两种混合物粉体。
以上由无机硅酸盐复合材料与水按照0.30的比重混合制备而成；所述的无机硅酸盐复合材料的组成重量份数：矿渣91份、粉煤灰67份、碱激发剂20份和缓凝剂0.5份。
以上所述的矿渣由淬水粒化高炉矿渣经粉磨至800目的粉体；粉煤灰达到600目，品质达到二级以上；碱激发剂为模数为1.6的速溶型粉状水玻璃，细度达到600目；缓凝剂细度达到400目以上。
上述地质聚合物灌浆材料的制备步骤为：
（1）无机硅酸盐复合材料的配制：将矿渣75～93份、粉煤灰66～70份、碱激发剂20～28份和缓凝剂0.3～1.6份置于搅拌机中，在常温、常压下，搅拌混合均匀，即得一种无机硅酸盐复合材料；
（2）地质聚合物灌浆材料的制备：选取水和步骤（1）的无机硅酸盐复合材料以1：0.26～0.38的重量比置于搅拌机中，搅拌混合，获得地质聚合物灌浆材料。
以上步骤（1）所述的搅拌时间为：6～10分钟；步骤（2）所述的搅拌时间为：5～10分钟。
工作原理：
本发明利用速溶型粉状水玻璃、矿渣、粉煤灰和缓凝剂根据施工的要求进行灵活的选用，并且混合制备无机硅酸盐复合粉体，只要在施工现场，加如适量的水进行混合便可制备得地质聚合物灌浆材料。该方法与水泥基灌浆材料制备方法类似，现场只需要加水均匀混合即可，操作简单，同时矿渣和粉煤灰与速溶型粉状水玻璃在较短时间内就能充分反应，矿渣与水玻璃反应保证了灌浆材料的早期强度，粉煤灰与水玻璃反应可以在较大范围内调节灌浆材料的凝结时间和后期强度，并提高灌浆材料的耐久性。
本发明的有益效果：
1. 本发明采用磷酸二氢钾、磷酸二氢钠和磷酸二氢钙的两种混合物粉体作为缓凝剂，然后灵活选用速溶型粉状水玻璃、矿渣、粉煤灰、缓凝剂和水进行混合制备地质聚合物灌浆材料的方法，使得地质聚合物灌浆材料的凝胶时间和流动度性能指标达到稳定并可调的作用，从而大大的提高了地质聚合物灌浆材料的使用综合性能。
2. 本地质聚合物灌浆材料制备方法与水泥基灌浆材料制备方法类似，现场只需要加水即可，操作简单；同时矿渣和粉煤灰与速溶型粉状水玻璃在较短时间内就能充分反应，矿渣与水玻璃反应保证了灌浆材料的早期强度，粉煤灰与水玻璃反应可以在较大范围内调节灌浆材料的凝结时间和后期强度，并提高灌浆材料的耐久性。
3. 本地质聚合物灌浆材料具有强度、凝胶时间、流动度等灌浆材料性能指标稳定、可调，无毒环保、成本低的优点。广泛适用于道路快速修补、水泥混凝土路面板底灌浆、软基处理、桥梁加固裂缝修补、深层帷幕灌浆、地脚螺栓锚固等工程部位。相对于传统的水泥基灌浆材料，成本低，在耐腐蚀、耐热稳定、耐冲刷等耐久性方面更加优越。相对于现有技术而言，本地质聚合物灌浆材料存在性能稳定可调、适用范围大、操作简单的优点。
具体实施方式
下面用本发明的具体实施方式进一步的详细描述。
实施例1：
一种地质聚合物灌浆材料，由矿渣91kg、碱激发剂20kg、粉煤灰67和缓凝剂0.5kg制备无机硅酸盐复合材料；而后再由100kg无机硅酸盐复合材料与30kg水混合制备而成。
以上所述的地质聚合物灌浆材料的制备方法，上述地质聚合物灌浆材料的制备步骤：
（1）无机硅酸盐复合材料的配制：将矿渣91kg、碱激发剂16kg、粉煤灰67和缓凝剂0.5kg，置于搅拌机中，在常温、常压下，混合搅拌5分钟，即得一种无机硅酸盐复合材料；所述的矿渣由淬水粒化高炉矿渣经粉磨至800目的矿渣粉体，粉煤灰为600目品质达到二级以上的粉煤灰，碱激发剂为模数为1.6细度在600目的16kg速溶型粉状水玻璃，缓凝剂为400目的0.25kg磷酸二氢钠和0.25kg磷酸二氢钾的混合物粉体。
（2）地质聚合物灌浆材料的制备：选取100kg步骤（1）的无机硅酸盐复合材料与30kg水的比重置于搅拌机中混合搅拌5分钟，获得地质聚合物灌浆材料。
经测量，该灌浆材料的初凝100min，终凝130min，流动度340mm，1d 抗压强度10.7MPa，3d抗压强度16.1MPa,28d抗压强度46.9MPa，该灌浆材料适用于混凝土裂缝快速修补领域的应用。
实施例2：
一种地质聚合物灌浆材料，由矿渣75kg、粉煤灰70kg、碱激发剂28kg和缓凝剂1kg制备无机硅酸盐复合材料；而后再由100kg无机硅酸盐复合材料与38kg水的混合制备而成。
以上所述的地质聚合物灌浆材料的制备方法，上述地质聚合物灌浆材料的制备步骤：
（1）无机硅酸盐复合材料的配制：将矿渣71kg、粉煤灰70kg、碱激发剂28kg和缓凝剂1kg，置于搅拌机中，在常温、常压下，混合搅拌10分钟，即得一种无机硅酸盐复合材料；所述的矿渣由淬水粒化高炉矿渣经粉磨至800目的矿渣粉体，粉煤灰为600目品质达到二级以上的粉煤灰，碱激发剂为模数为1.6细度在600目的28kg速溶型粉状水玻璃，缓凝剂为450目的0.5kg磷酸二氢钠和0.5kg磷酸二氢钾的混合物粉体。
（2）地质聚合物灌浆材料的制备：选取100kg步骤（1）的无机硅酸盐复合材料与38kg水的比重置于搅拌机中混合搅拌10分钟，获得地质聚合物灌浆材料。
经测量，该灌浆材料的初凝300min，终凝330min，流动度330mm，1d抗压强度6.9MPa， 3d抗压强度16.7MPa,28d抗压强度31.3MPa，该灌浆材料适用于水泥混凝土道路基层加固、软基处理和垃圾场的深层帷幕灌浆等方面的应用。
实施例3：
一种地质聚合物灌浆材料，由矿渣93kg、粉煤灰66kg、碱激发剂18kg和缓凝剂1.6kg制备无机硅酸盐复合材料；而后再由100kg无机硅酸盐复合材料与32kg水混合制备而成。
以上所述的地质聚合物灌浆材料的制备方法，上述地质聚合物灌浆材料的制备步骤：
（1）无机硅酸盐复合材料的配制：将矿渣93kg、粉煤灰66kg、碱激发剂18kg和缓凝剂1.6kg，置于搅拌机中，在常温、常压下，混合搅拌8分钟，即得一种无机硅酸盐复合材料；所述的矿渣由淬水粒化高炉矿渣经粉磨至800目的矿渣粉体，粉煤灰为600目品质达到二级以上的粉煤灰，碱激发剂为模数为1.6细度在600目的18kg速溶型粉状水玻璃，缓凝剂为细度在600目的1kg磷酸二氢钠和0.6kg磷酸二氢钙的混合物粉体。
（2）地质聚合物灌浆材料的制备：选取100kg步骤（1）的无机硅酸盐复合材料与32kg水的比重置于搅拌机中混合搅拌8分钟，获得地质聚合物灌浆材料。
经测量，该灌浆材料的初凝360min，终凝400min，流动度325mm，1d抗压强度，21.5MPa，3d抗压强度40.7MPa,28d抗压强度63.2MPa，该灌浆材料适用于水泥混凝土路面板底灌浆、设备安装和工程抢修等方面的应用。
实施例4：
一种地质聚合物灌浆材料，由矿渣85kg、粉煤灰68kg、碱激发剂24kg和缓凝剂1.2kg制备无机硅酸盐复合材料；而后再由100kg无机硅酸盐复合材料与34kg水混合制备而成。
以上所述的地质聚合物灌浆材料的制备方法，上述地质聚合物灌浆材料的制备步骤：
（1）无机硅酸盐复合材料的配制：将矿渣85kg、粉煤灰68kg、碱激发剂24kg和缓凝剂1.2kg，置于搅拌机中，在常温、常压下，混合搅拌6分钟，即得一种无机硅酸盐复合材料；所述的矿渣由淬水粒化高炉矿渣经粉磨至800目的矿渣粉体，粉煤灰为600目品质达到二级以上的粉煤灰，碱激发剂为模数为1.6细度在600目的24kg速溶型粉状水玻璃，缓凝剂为800目的0.6 kg磷酸二氢钾和0.6 kg磷酸二氢钙的混合物粉体。
（2）地质聚合物灌浆材料的制备：选取100kg步骤（1）的无机硅酸盐复合材料与34kg水的比重置于搅拌机中混合搅拌6分钟，获得地质聚合物灌浆材料。
经测量，该灌浆材料的初凝120min，终凝150min，流动度313mm，1d抗压强度13.7MPa，3d抗压强度28.7MPa,28d抗压强度46.1MPa，该灌浆材料适用于普通混凝土路基层加固、预应力桥梁裂缝修补等方面的应用。
以上所述的实施例，只是本发明的较优选的具体方式之一，本领域的技术员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种地质聚合物灌浆材料，其特征是：由水与无机硅酸盐复合材料按照0.26～0.38的比重混合制备而成；所述的无机硅酸盐复合材料的组成重量份数：矿渣75～93份、粉煤灰66～70份、碱激发剂16～28份和缓凝剂0.3～1.6份；所述的缓凝剂为磷酸二氢钾、磷酸二氢钠和磷酸二氢钙的两种混合物粉体。
2.根据权利要求1所述的地质聚合物灌浆材料，其特征是：由无机硅酸盐复合材料与水按照0.30的比重混合制备而成；所述的无机硅酸盐复合材料的组成重量份数：矿渣91份、碱激发剂20份、粉煤灰67份和缓凝剂0.5份。
3.根据权利要求1所述的地质聚合物灌浆材料的制备方法，其特征是：所述的矿渣由淬水粒化高炉矿渣经粉磨至800目的粉体；粉煤灰达到600目，品质达到二级以上；碱激发剂为模数为1.6的速溶型粉状水玻璃，细度达到600目；缓凝剂细度达到400目以上。
4.根据权利要求1-2任何一项所述的地质聚合物灌浆材料的制备方法，其特征是：上述地质聚合物灌浆材料的制备步骤为：
（1）无机硅酸盐复合材料的配制：将矿渣75～93份、粉煤灰66～70份、碱激发剂20～28份和缓凝剂0.3～1.6份置于搅拌机中，在常温、常压下，搅拌混合均匀，即得一种无机硅酸盐复合材料；
（2）地质聚合物灌浆材料的制备：选取水和步骤（1）的无机硅酸盐复合材料以1：0.26～0.38的重量比置于搅拌机中，搅拌混合，获得地质聚合物灌浆材料。
5.根据权利要求4所述的地质聚合物灌浆材料的制备方法，其特征是：步骤（1）所述的搅拌时间为：6～10分钟；步骤（2）所述的搅拌时间为：5～10分钟。
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