CN108546007B - 结构化胶结颗粒材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构化胶结颗粒材料及其制备方法，所述结构化胶结颗粒材料包括颗粒料和胶结颗粒料，颗粒料为堆石料、碎石料、砂砾石和土石料中的至少一种，胶结颗粒料由向颗粒料的颗粒间隙中填充自密实水泥基胶结材料得到。根据本发明实施例的结构化胶结颗粒材料，由于结构化胶结颗粒材料由散粒体形态的颗粒料和胶结体胶结颗粒料构成，保持了颗粒料适应变形的能力，具有较大塑性变形的优势，胶结颗粒料采用自密实水泥基胶结材料填充颗粒料的颗粒间隙得到，提高了颗粒料的强度、刚度和变形模量，同时可以通过对自密实水泥基胶结材料的流动性、粘性和浇筑量的控制获得不同的胶结型式、形状和体积的胶结颗粒料，进而适用于不同的工程条件。

Description

结构化胶结颗粒材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及基础工程加固领域，尤其涉及一种结构化胶结颗粒材料及其制备方法。

背景技术

病险堆石坝和土石坝坝身和基础、堰塞体、病害边坡、深基坑和海堤和地基通常灌注无机灌浆材料(灌注水泥浆为主)或化学灌浆材料(有机高分子材料为主)进行加固，通过水泥浆的水化反应，将无粘结性的散粒材料粘结成具有整体性能的胶结体，提高原有土石材料的物理力学性能。灌浆加固方法具有施工工艺简单，工程量小等优点，同时以水泥为主的无机灌浆材料具有对环境污染小，形成的胶结体强度高等优点。

现有工程灌浆无法控制浆体的流动路线以及灌浆后胶结体的密实度，灌浆加固的控制指标主要以控制灌浆量为主，同时很少对灌浆区的胶结体与非灌浆区的散粒体形成的结构进行设计和分析，且很少关注胶结体大小、形状和位置对加固效果的影响，造成水泥浆体的不必要的浪费，增加工程成本。灌浆所用的水泥浆体以水泥净浆和水泥砂浆为主，对于大块石(粒径大于300mm)形成的堆积体很少涉及。同时，在很多工程中，由于无法控制灌浆后胶结体的密实度，导致胶结体的密实度无法满足工程需要，例如碎石桩地基加固工程，灌浆虽然提高碎石桩的强度和刚度，但浆体将碎石桩空隙完全密实填充使得碎石桩丧失作为周围土体固结排水通道的功能，灌浆形成的胶结体与周围散粒材料未形成具有整体力学性能的材料。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种结构化胶结颗粒材料，所述结构化胶结颗粒材料具有散粒材料变形性，高透水性，又具有胶结材料强度高、模量大、抗冲刷的特点。

本发明还旨在提出一种结构化胶结颗粒材料的制备方法。

根据本发明实施例的结构化胶结颗粒材料，包括：颗粒料，所述颗粒料为堆石料、碎石料、砂砾石和土石料中的至少一种；胶结颗粒料，所述胶结颗粒料由向所述颗粒料的颗粒间隙中填充自密实水泥基胶结材料得到。根据本发明实施例的结构化胶结颗粒材料，由于结构化胶结颗粒材料由散粒体形态的颗粒料和胶结体胶结颗粒料构成，保持了颗粒料适应变形的能力，具有较大塑性变形的优势，胶结颗粒料采用自密实水泥基胶结材料填充颗粒料的颗粒间隙得到，强化了颗粒料的强度、刚度和变形模量，同时可以通过对自密实水泥基胶结材料的流动性、粘性和浇筑量的控制获得不同的胶结型式、形状和体积的胶结颗粒料，进而适用于不同的工程条件。

在一些实施例中，所述胶结颗粒料保持所述颗粒料的骨架结构。

在一些实施例中，所述颗粒间隙包括颗粒接触区间隙和颗粒非接触区间隙。

具体地，所述胶结颗粒料包括：接触型胶结颗粒料，所述接触型胶结颗粒料由所述自密实水泥基胶结材料填充所述颗粒接触区间隙形成；密实型胶结颗粒料，所述密实型胶结颗粒料由所述自密实水泥基胶结材料填充所述颗粒非接触区间隙形成，所述密实型胶结颗粒料中，所述颗粒料的原始孔隙被所述自密实水泥基胶结材料填充25％以上。

在一些实施例中，所述结构化胶结颗粒料中的所述接触型胶结颗粒料及所述密实型胶结颗粒料与未胶结颗粒材料组成不同的结构。

在一些实施例中，所述自密实水泥基胶结材料包括自密实水泥净浆、自密实水泥砂浆和自密实混凝土。

具体地，所述自密实水泥净浆的扩展度为210mm-310mm，V漏斗值为1.5-2.5s，所述自密实水泥砂浆的扩展度为240mm-320mm，V漏斗值为5-12s，所述自密实混凝土的扩展度为600mm-750mm，浇筑塌落度为240mm-280mm，V漏斗值为7s-20s。

根据本发明实施例的结构化胶结颗粒材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：根据设计要求的胶结颗粒料的胶结型式进行试验，确定自密实水泥基胶结材料的流动性和粘性；

S2：堆积颗粒料；

S3：确定所述颗粒料的胶结区域及形成所述胶结颗粒料所需的所述自密实水泥基胶结材料的灌浆量；

S4：向所述胶结区域内填充所述自密实水泥基胶结材料，所述自密实水泥基胶结材料将流动路线上的所述颗粒料粘结成所述胶结颗粒料。

根据本发实施例的结构化胶结颗粒材料的制备方法，由于可以控制自密实水泥基胶结材料的流动性、粘性和浇筑量，形成不同胶结型式、形状和体积的胶结颗粒料，多种胶结型式的胶结颗粒料不仅可以提高结构化胶结颗粒材料的强度、刚度和变形模量，还能使结构化胶结颗粒材料保持颗粒料的变形能力和透水能力。此外，自密实水泥基胶结材料在重力作用下沿着颗粒料颗粒间隙流动填充颗粒间隙和集聚于颗粒接触点形成胶结颗粒料，对环境污染小，工程量小。

在一些实施例中，所述制备方法可以通过控制自密实水泥基胶结材料的流动性、粘性、灌浆量和浇筑方式获得不同胶结型式、形状和体积的胶结颗粒料。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的结构化胶结颗粒材料结构示意图。

图2是本发明另一实施例的结构化胶结颗粒材料结构示意图。

附图标记：

结构化胶结颗粒材料100、颗粒料1、胶结颗粒料2、自密实水泥基胶结材料3。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的结构化胶结颗粒材料100。

如图1-图2所示，根据本发明实施例的结构化胶结颗粒材料100包括颗粒料1和胶结颗粒料2，颗粒料1为堆石料、碎石料、砂砾石和土石料中的至少一种。胶结颗粒料2由向颗粒料1的颗粒间隙中填充自密实水泥基胶结材料3得到。

可以理解的是，自密实水泥基胶结材料3在重力作用下沿着颗粒料1的颗粒间隙流动并集聚于颗粒表面、颗粒接触点和颗粒空隙，将颗粒料1粘接在一起，形成以颗粒料1为骨架，以自密实水泥基为填充材料的胶结颗粒料2。相比颗粒料1，胶结颗粒料2具有材料强度高、模量大抗冲刷等特性。此外，由于本发明实施例的结构化胶结颗粒材料100中并不是所有的颗粒料1均能够粘接在一起，也就是说在在结构化胶结颗粒材料100中，颗粒料1与胶结颗粒料2是相间分布的，这样使得结构化胶结颗粒材料100既具有散粒材料变形性，高透水性，又具有胶结材料强度高、模量大、抗冲刷的特点。

需要补充说明的是，用户可以通过控制自密实水泥基胶结材料3的流动性、粘性和浇筑量获得不同的胶结型式、形状和体积的胶结颗粒料2。不同胶结型式的胶结颗粒料2与颗粒料1组成不同的结构，从而形成不同的结构化胶结颗粒材料100。多种胶结型式的胶结颗粒料2能够适应多种强度、刚度、变形模量、变形能力和透水能力的使用要求，极大地提高了结构化胶结颗粒材料100的适用范围。此外，自密实水泥基胶结材料3在重力作用下沿着颗粒料1颗粒间隙流动填充颗粒间隙和集聚于颗粒接触点形成胶结颗粒料2，对环境污染小，工程量小。

根据本发明实施例的结构化胶结颗粒材料100，由于结构化胶结颗粒材料100由散粒体形态的颗粒料1和胶结体胶结颗粒料2构成，保持了颗粒料1适应变形的能力，具有较大塑性变形的优势，胶结颗粒料2采用自密实水泥基胶结材料3填充颗粒料1的颗粒间隙得到，强化了颗粒料1的强度、刚度和变形模量，同时可以通过对自密实水泥基胶结材料3的流动性、粘性和浇筑量的控制获得不同的胶结型式、形状和体积的胶结颗粒料2，进而适用于不同的工程条件。

在一些实施例中，胶结颗粒料2保持颗粒料1的骨架结构。可以理解的是，自密实水泥基胶结材料3在重力的作用下在颗粒料1之间的缝隙流动，从而将颗粒料1粘接在一起，这里的胶结颗粒料2保持颗粒料1的骨架结构是指，自密实水泥基胶结材料3既不会破坏颗粒料1的结构，也不会将全部颗粒料1包裹起来，也就说在胶结颗粒料2中，至少部分的颗粒料1是被部分包裹在自密实水泥基胶结材料3中的。这样胶结颗粒料2既能具有较大的强度、刚度还具有较好的塑性变形能力。

在一些实施例中，颗粒间隙包括颗粒接触区间隙和颗粒非接触区间隙。可以理解的是，在非接触去间隙中填充有较多的自密实水泥基胶结材料3，因此在这个区域内胶结颗粒料2的强度较大，在接触区间隙中，由于颗粒料1和颗粒料1之间相互接触作用，因此在这个区域内的胶结颗粒料2保持了原有的孔隙结构。因此用户可以调整颗粒料1的大小，从而胶结颗粒间隙的分布情况，以实现胶结颗粒料2对于强度和变形能力的不同要求，从而扩大了结构化胶结颗粒材料100的适用范围。

具体地，胶结颗粒料2包括接触型胶结颗粒料和密实性胶结颗粒料，接触型胶结颗粒料由自密实水泥基胶结材料3填充颗粒接触区间隙形成。密实型胶结颗粒料2由自密实水泥基胶结材料3填充颗粒非接触区间隙形成，密实型胶结颗粒料2中，颗粒料1的原始孔隙被自密实水泥基胶结材料3填充25％以上。根据前文所述，接触型胶结颗粒料的变形能力较好，密实性胶结颗粒料的强度较大，因此用户可以调整颗粒料1的大小，从而接触型胶结颗粒料和密实性胶结颗粒料的分布情况，以实现胶结颗粒料2对于强度和变形能力的不同要求，从而扩大了结构化胶结颗粒材料100的适用范围。

更具体地，接触型胶结颗粒料及密实型胶结颗粒料与未胶结颗粒材料组成不同的结构。由此，结构化胶结颗粒材料100能够适用于更多的工作场合，提高了结构化胶结颗粒材料的实用性。

在一些实施例中，自密实水泥基胶结材料3包括自密实水泥净浆、自密实水泥砂浆和自密实混凝土。可以理解的是，颗粒料1为堆石料、碎石料、砂砾石和土石料，对于不同类型的颗粒料1选用不同的自密实水泥基胶结材料3，自密实水泥基胶结材料3的选型与颗粒料1的粒径分布契合，自密实水泥基胶结材料3的流动性能与形成的胶结颗粒料2的结构契合。

根据本发明实施例的结构化胶结颗粒材料100的制备方法，包括如下步骤：

S1：根据设计要求的胶结颗粒料2的胶结型式进行试验，确定自密实水泥基胶结材料3的流动性和粘性；

S2：堆积颗粒料1；

S3：确定颗粒料1的胶结区域及形成胶结颗粒料2所需的自密实水泥基胶结材料3的灌浆量；

S4：向胶结区域内填充自密实水泥基胶结材料3，自密实水泥基胶结材料3将流动路线上的颗粒料1粘结成胶结颗粒料2。以理解是，利用本实施例的制备方法制备的结构化胶结颗粒材料100，胶结颗粒料2通过采用自密实水泥基胶结材料3填充颗粒料1颗粒间隙得到，这样胶结颗粒料2和颗粒料1形成的复合结构增加了结构化胶结颗粒材料100的强度、刚度和变形模量。于此同时，自密实水泥基胶结材料3的填充过程无需振捣，可实现结构化胶结颗粒材料100的快速制备，提供工程进度。

此外，结构化胶结颗粒材料100是通过控制自密实水泥基胶结材料3的流动性，粘性和浇筑量填充颗粒料1的颗粒间隙得到，进而可以获得不同结构的胶结颗粒材料。从浇筑区域空间角度上又获得不同空间结构形式的胶结颗粒料2与颗粒料1的复合结构，因此结构化胶结颗粒材料100不仅胶结颗粒料2自身具有结构化，同时胶结颗粒料2和颗粒料1的构成方式也具有多种结构。

根据本发实施例的结构化胶结颗粒材料100的制备方法，由于可以控制自密实水泥基胶结材料3的流动性、粘性和浇筑量，形成不同胶结型式、形状和体积的胶结颗粒料2，多种胶结型式的胶结颗粒料2不仅可以提高结构化胶结颗粒材料100的强度、刚度和变形模量，还能使结构化胶结颗粒材料100保持颗粒料1的变形能力和透水能力。此外，自密实水泥基胶结材料3在重力作用下沿着颗粒料1颗粒间隙流动填充颗粒间隙和集聚于颗粒接触点形成胶结颗粒料2，对环境污染小，工程量小。

在一些实施例中，自密实水泥基胶结材料3包括自密实水泥净浆、自密实水泥砂浆和自密实混凝土。可以理解的是，颗粒料1可以为堆石料、碎石料、砂砾石和土石料中的任何一种或者多种，对于不同类型的颗粒料1选用不同的自密实水泥基胶结材料3，自密实水泥基胶结材料3的选型与颗粒料1的粒径分布契合，自密实水泥基胶结材料3的流动性能与形成的胶结颗粒料2的结构契合。

在一些实施例中，可以通过控制自密实水泥基胶结材料3的流动性、粘性、灌浆量和浇筑方式获得不同胶结型式、形状和体积的胶结颗粒料1。由此，结构化胶结颗粒材料100能够适用于更多的工作场合，提高了结构化胶结颗粒材料的实用性。

具体地，自密实水泥净浆的扩展度为210mm-310mm，V漏斗值为1.5-2.5s，自密实水泥砂浆的扩展度为240mm-320mm，V漏斗值为5-12s，自密实混凝土的扩展度为600mm-750mm，浇筑塌落度为240mm-280mm，V漏斗值为7s-20s。需要说明的是，上述参数仅仅是较为优选的参数，并不是内自密实水泥基胶结材料3的限制，施工人员可以根据实际施工情况，变换上述参数以适应实际的工况。

在一些实施例中，结构化胶结颗粒材料100的制备可以采用注浆管一次浇筑完成，也可以分层浇筑，浇筑后每层均形成结构化胶结颗粒材料100，多层又重新构成具有新结构的结构化胶结颗粒材料100。

下面参考描述本发明两个具体实施例的结构化胶结颗粒材料100的制备方法。

实施例1：如图1所示，本实施例的施工结果是一种接触型结构化胶结颗粒材料100，该结构化颗粒材料可应用于碎石桩加固工程，结构化胶结技术可应用堆石坝、边坡和地基等加固工程，颗粒材料的粒径为0.01m-0.1m的碎石，自密实水泥基胶结材料3采用自密实水泥净浆，自密实水泥净浆的扩展度290mm，V漏斗值为1.9s，浇筑形成的胶结颗粒料2仅在颗粒接触点局部区域形成胶结，胶结颗粒材料保持颗粒材料的原始颗粒骨架结构和孔隙结构，具有高透水性。

具体制备步骤如下所示：

S1：根据设计要求进行试验确定形成接触型胶结颗粒料的自密实水泥净浆的扩展度为290mm，V漏斗值为1.9s；

S2：按工程要求，堆积厚度为1m的颗粒料1；

S3：确定颗粒料1的胶结区域、胶结颗粒料2的尺寸、形状和所需的灌浆量；

S4：向胶结区域内的颗粒料1中填充自密实水泥净浆，自密实水泥净浆将流动路线上的颗粒料1粘结成胶结颗粒料2。

实施例2：如图2所示，本实施例的施工结果是一种密实型结构化胶结颗粒材料100，该结构化胶结颗粒材料100可应用于堆石海堤工程，颗粒材料的粒径为0.3m-1m的堆石，自密实水泥基胶结材料3采用自密实混凝土，自密实混凝土的扩展度680mm，塌落度为260mm，V漏斗值为12s，浇筑形成的胶结颗粒料22的颗粒空隙间密实填充自密实混凝土，胶结颗粒料2的大小为3m-5m，单个胶结颗粒料2具有混凝土块体性能，多个胶结颗粒料2与周围堆石料形成结构化胶结颗粒材料100。

具体制备步骤如下所示：

S1：根据设计要求进行试验确定形成密实型胶结颗粒料2的自密实混凝土的扩展度680mm，塌落度为260mm，V漏斗值为12s；

S2：按工程要求，堆积厚度为5m的颗粒料1；

S3：确定颗粒料1的胶结区域、胶结颗粒料2的尺寸、形状和所需的灌浆量；

S4：向胶结区域内的颗粒料1中填充自密实混凝土，自密实混凝土将流动路线上的颗粒料1粘结成胶结颗粒料2。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种结构化胶结颗粒材料，其特征在于，所述结构化胶结颗粒材料用于碎石桩加固、堆石坝加固、边坡加固、地基加固或堆石海堤工程中，所述结构化胶结颗粒材料包括：

颗粒料，所述颗粒料为堆石料、碎石料、砂砾石和土石料中的至少一种；

胶结颗粒料，所述胶结颗粒料由向所述颗粒料的颗粒间隙中填充自密实水泥基胶结材料得到，所述胶结颗粒料保持所述颗粒料的骨架结构，所述颗粒料与所述胶结颗粒料是相间分布的，所述结构化胶结颗粒材料中部分所述颗粒料的颗粒间隙中未填充自密实水泥基胶结材料；其中，

所述结构化胶结颗粒材料为由接触型胶结颗粒料、密实型胶结颗粒料与未胶结的颗粒料组成不同的结构。

2.根据权利要求1所述的结构化胶结颗粒材料，其特征在于，所述颗粒间隙包括颗粒接触区间隙和颗粒非接触区间隙；

所述接触型胶结颗粒料由所述自密实水泥基胶结材料填充所述颗粒接触区间隙形成；

所述密实型胶结颗粒料由所述自密实水泥基胶结材料填充所述颗粒非接触区间隙形成，所述密实型胶结颗粒料中，所述颗粒料的原始孔隙被所述自密实水泥基胶结材料填充25％以上。

3.根据权利要求1所述的结构化胶结颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述自密实水泥基胶结材料包括自密实水泥净浆、自密实水泥砂浆和自密实混凝土；所述自密实水泥净浆的扩展度为210mm-310mm，V漏斗值为1.5-2.5s，所述自密实水泥砂浆的扩展度为240mm-320mm，V漏斗值为5-12s，所述自密实混凝土的扩展度为600mm-750mm，浇筑塌落度为240mm-280mm，V漏斗值为7s-20s。

4.一种结构化胶结颗粒材料的制备方法，其特征在于，该制备方法用于碎石桩加固、堆石坝加固、边坡加固、地基加固或堆石海堤工程中，且包括如下步骤：

S1：根据设计要求的胶结颗粒料的胶结型式进行试验，确定自密实水泥基胶结材料的流动性和粘性；

S2：堆积颗粒料；

S3：确定所述颗粒料的胶结区域及形成所述胶结颗粒料所需的所述自密实水泥基胶结材料的灌浆量；

S4：向所述胶结区域内填充所述自密实水泥基胶结材料，所述自密实水泥基胶结材料将流动路径上的所述颗粒料粘结成所述胶结颗粒料，其中，所述胶结颗粒料保持所述颗粒料的骨架结构，所述结构化胶结颗粒材料中部分所述颗粒料的颗粒间隙中未填充自密实水泥基胶结材料，所述结构化胶结颗粒材料为由接触型胶结颗粒料、密实型胶结颗粒料与未胶结的颗粒料组成不同的结构。

5.根据权利要求4所述的结构化胶结颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法可以通过控制自密实水泥基胶结材料的流动性、粘性、灌浆量和浇筑方式获得不同胶结型式、形状和体积的胶结颗粒料。

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