CN111908884A - 一种碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料及其制备方法，包括如下原料制成：硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣和水。本发明制备的灌浆材料采用硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣作为混合主体材料，各原料经过特定的配比制成，具有流动性好，凝结时间可控，结石率高，经济环保等优点，矿渣在浆体中的占比对灌浆材料的性能影响明显，具体表现为：矿渣含量越大，浆体无侧限抗压强度越小，流动度越小、初终凝时间越大，结石率越大，本发明中采用工业废渣，具有良好的循环再利用，对于环境的保护具有极大的意义。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程技术领域，具体涉及一种碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着基础设施力度的不断加大，软弱土地基的处理不可避免。灌浆法目前是处理软弱土地基的常用方法之一，灌浆材料是影响灌浆效果好坏的一个关键因素，灌浆材料为达到确定的工程目所选用的工程材料的总称，它能够以液态形式存在，且便于利用液压、气压或电化学原理注入相应介质的裂缝、裂隙、孔隙等内部空间，并具有胶结固化能力，使介质的泄露通道得到堵塞，使介质的物理性状及力学性能得到改善。传统灌浆材料大多采用纯水泥浆液，水泥用量大，经济性并不突出。与此同时，工业化规模的持续扩大，产生了大量的工业废渣，如矿渣等，矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣，经水淬并磨细后形成磨细粒化高炉矿渣粉。
鉴于以上原因，特提出本发明。
发明内容
为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料及其制备方法，本发明的灌浆材料具有较好的流动性，凝结时间可控，结石率高，经济环保。
本发明的第一目的，提供了一种碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料，包括如下原料制成：硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣和水。
进一步的，所述的水玻璃模数为3.3，波美度为35Bé°，所述的矿渣主要成分为CaO和MgO。
本发明中硅酸盐水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥。
进一步的，水固比为0.6-0.8。
进一步的，硅酸盐水泥与矿渣的质量比为0.25-1.5:1。
进一步的，水玻璃占固相的质量比为2-4％。
本发明的第二目的，提供了一种所述的碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照各原料的重量分别，称取备用；
(2)将硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣加入到搅拌装置中，再加入水进行第一次搅拌，停止，再进行第二次搅拌，得到所述的灌浆材料。
将上述制成的灌浆材料倒入100×100×100mm的标准模具当中，振捣均匀，放置24h等其凝结硬化后脱模，并送入标准养护室养护。
进一步的，步骤(2)中第一次搅拌的时间为110-130s，停止12-18s。
进一步的，步骤(2)中第一次搅拌的时间为120s，停止15s。
进一步的，步骤(2)中第二次搅拌的时间为110-130s。
进一步的，步骤(2)中第二次搅拌的时间为120s。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明制备的灌浆材料采用硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣作为混合主体材料，各原料经过特定的配比制成，具有流动性好，凝结时间可控，结石率高，经济环保等优点，矿渣在浆体中的占比对灌浆材料的性能影响明显，具体表现为：矿渣含量越大，浆体无侧限抗压强度越小，流动度越小、初终凝时间越大，结石率越大，本发明中采用工业废渣，具有良好的循环再利用，对于环境的保护具有极大的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中浆体的初凝时间与水灰比和矿渣含量的关系图；
图2是本发明中浆体的终凝时间与水灰比和矿渣含量的关系图；
图3是本发明中浆体的流动度与水灰比和矿渣含量的关系图；
图4是本发明中结石率与水灰比和矿渣含量的关系图；
图5是水灰比为0.6矿渣含量为40％养护28d后的微观图像；
图6是水灰比为0.8矿渣掺量为40％养护28d后的微观图像；
图7是水灰比为0.6矿渣掺量为40％养护3d后的微观图像；
图8是水灰比为0.8矿渣掺量为40％养护3d后的微观图像。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例的一种碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料，包括如下原料制成：硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣和水，所述的水玻璃模数为3.3，波美度为35Bé°，所述的矿渣主要成分为CaO和MgO，水固比为0.6，硅酸盐水泥与矿渣的质量比为0.25:1，水玻璃占固相的质量比为2％。
本实施例的灌浆材料的制备方法包括如下步骤：
(1)按照各原料的重量分别，称取备用；
(2)将硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣加入到搅拌装置中，再加入水进行第一次搅拌，停止，第一次搅拌的时间为110s，停止18s，再进行第二次搅拌，第二次搅拌的时间为110s，得到所述的灌浆材料。
实施例2
本实施例的一种碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料，包括如下原料制成：硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣和水，所述的水玻璃模数为3.3，波美度为35Bé°，所述的矿渣主要成分为CaO和MgO，水固比为0.7，硅酸盐水泥与矿渣的质量比为0.625:1，水玻璃占固相的质量比为3％。
本实施例的灌浆材料的制备方法包括如下步骤：
(1)按照各原料的重量分别，称取备用；
(2)将硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣加入到搅拌装置中，再加入水进行第一次搅拌，停止，第一次搅拌的时间为120s，停止15s，再进行第二次搅拌，第二次搅拌的时间为120s，得到所述的灌浆材料。
实施例3
本实施例的一种碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料，包括如下原料制成：硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣和水，所述的水玻璃模数为3.3，波美度为35Bé°，所述的矿渣主要成分为CaO和MgO，水固比为0.8，硅酸盐水泥与矿渣的质量比为1.5:1，水玻璃占固相的质量比为4％。
本实施例的灌浆材料的制备方法包括如下步骤：
(1)按照各原料的重量分别，称取备用；
(2)将硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣加入到搅拌装置中，再加入水进行第一次搅拌，停止，第一次搅拌的时间为130s，停止12s，再进行第二次搅拌，第二次搅拌的时间为130s，得到所述的灌浆材料。
试验例1
浆体的各项性能分析：
(1)考察水灰比和矿渣含量对浆体的初凝时间影响，其他条件均与实施例1相同，结果见图1所示。
从图1中可以看出，浆体初凝时间与水灰比和矿渣含量都有明显的关系，其凝结时间范围在420～1200min，在相同水灰比的条件下，浆体中随着矿渣含量的增加，浆体初凝时间显著增长；当浆体的水灰比增大时，意味着水的含量增多，在水的质量超过水泥熟料水化所需的最大用水量时，更多的水并不能带来水化反应速率的增快，相反，因为更多的水，从空间上考虑，客观上增加了固体颗粒间的距离，使得整个体系中更难生成骨架结构；同时，水泥的早期水化反应主要是由水泥中的硅酸三钙(C3S)和铝酸三钙(C3A)完成，两种物质水化反应速度最快，且放热量最大，整个体系中温度的提升可以促进整体的水泥水化反应，当水灰比提高时，C3S和C3A的水化放热总量并没有增加，对于整个体系而言，温度提升不明显，因此对于水泥整体的水化反应速度的提升也就不明显。
在相同矿渣含量的条件下，浆体的初凝时间随着水灰比增大而增加。矿渣含量的增加导致水泥含量的减少，对于水泥早期水化反应的物质C3A和C3S也就相应减少，其整体水化速度必然减慢，导致初凝时间不可避免的增大。尽管水玻璃的加入会使整个体系中的OH－含量增加，激发碱性矿渣的活性，促进反应生成Ca(OH)2，也能促进浆体的初凝。
(2)考察浆体的终凝时间与水灰比和矿渣含量的关系，其他条件均与实施例1相同，结果如表2所示。
从图2中可以看出，在相同水灰比的条件下，随着矿渣含量的提高，浆体的终凝时间开始持续增加；从水灰比的角度来分析，其对浆体终凝时间的影响机理与初凝时间相同，但0.8水灰比的浆体较0.7水灰比的浆体而言，终凝时间有一个比较显著的增加，说明对此类型的复合水泥来说，可能存在一个最佳的水灰比。矿渣含量越大，浆体的终凝时间越长，其原因主要是水泥成分的减少，在C3A快速反应完成后，浆体的凝结和强度的继续增长主要是因为C3S和C4AF的水化作用。C3S水化生成的C-S-H凝胶是浆体产生强度的主要因素，而在浆体硬化早期，经过碱激发的作用下，矿渣中的CaO在碱环境中与C2S反应生成C3S，确保水泥的早期水化反应可以持续进行。
(3)考察浆体的流动度与水灰比和矿渣含量的关系，其他条件均与实施例1相同，结果如图3所示。
从图3可以看出，矿渣含量对于浆体流动度影响明显，同一水灰比下，流动度在矿渣含量的增加中而减小；同一矿渣含量下，流动度显然随水灰比的增大而增大。产生这一现象的原因主要是水玻璃的加入。在无水玻璃掺入时，矿渣含量越高，意味着可发生水化作用的物质越少，在短时间内形成胶凝性质的物质也就越少，同时，由于矿渣这类矿物掺合料具有和粉煤灰类似的形态效应，其玻璃球态微粒在整个浆液体系中可以起到滚球润滑的作用，故而对流动度增加起促进作用。但当加入水玻璃后，水玻璃会发生方程式(1)所示的水解反应以及方程式(2)进行的反应，其生成的OH－极大提升了整个体系的碱环境，对于矿渣中的CaO、MgO、SiO2等物质的活性会有一个明显的激发作用，加入到体系中的反应之中，不断促进水泥的水化反应，生成的CaSiO3作为一种粘稠状液体，自然对于浆体流动度的降低产生了明显的作用。
2Na2O·SiO2+2(n+1)H2O→NaOH+nSi(OH)4 (1)
Na2O·nSiO2+Ca(OH)2→(n-1)SiO2+CaSiO3+2NaOH (2)
(4)考察浆体的结石率与水灰比和矿渣含量的关系，其他条件均与实施例1相同，结果如图4所示。
从图4中可以看出，所有配比的浆体结石率从数值上来看，差距并不大，最大差距不超过1.5％，但是，从单一变量条件下来看，仍然有明显的规律可循。矿渣含量越大，则浆体的结石率越高；当水灰比越大时，浆体的结石率越小。
浆体结石率和浆体的泌水性有着紧密的关联，水灰比的增大，水泥的凝结硬化所需的时间就越长，导致自由水就越多，水与水泥长时间分离，导致了浆体泌水的增加，结石率从而降低。而矿渣含量越大，浆体结石率也随之增大，主要原因仍是由于水玻璃的加入。在没有水玻璃的时候，因为矿渣的水化速度慢，且其玻璃球态的形态保水性差，因此，矿渣含量越大时，浆体的泌水会越严重。但加入水玻璃后，与流动度变化相同的原因导致大量的水需要不断加入到反应当中，消耗了大量的水，同时，反应生成的CaSiO3使得浆体变得黏稠，提升了浆体整体的结石率。
(5)考察浆体的抗压强度与水灰比和矿渣含量的关系，其他条件均与实施例1相同，结果见表1-3。
表1为0.6水灰比制成的灌浆材料的抗压强度
表2为0.7水灰比制成的灌浆材料的抗压强度
表3为0.8水灰比制成的灌浆材料的抗压强度
从表1-3中可以看出，浆体的抗压强度影响着注浆后土体承载力的大小，在相同龄期、相同固相比的条件下，浆体试块的抗压强度随水灰比的提高而减小；在相同龄期、相同水灰比条件下，浆体试块抗压强度随着矿渣含量的降低而降低；而在相同水灰比、相同固相比的条件下，浆体试块的抗压强度随着养护龄期的增加而增大。
结合微观电镜扫描照片以及XRD图谱来对浆体的抗压强度进行讨论。图5和图6是水灰比分别为0.6和0.8，矿渣含量都是40％，龄期同为28d的微观图像，图5所示浆体的抗压强度为7.9MPa，图6所示浆体的抗压强度为3.8MPa，从两张图中可以很明显的看到水灰比不同带来的内部结构差别，0.6水灰比的浆体相较于0.8水灰比的浆体而言，其内部微观结构最主要的区别有以下两点：(1)针刺状的钙矾石(AFt)在0.6水灰比下的发育明显比0.8水灰比下要好；(2)0.8水灰比的浆体其内部孔隙要多于0.6水灰比的浆体，这是导致两者强度不同的主要原因。AFt是水泥主要水化产物，可以在短时间内结晶并迅速成为具有坚硬状态的骨架结构，提供强度增长。而孔隙的形成主要是因为更多的自由水残留在整个体系之中，形成水泡，或是慢慢蒸发形成气孔，最终留下孔隙，孔隙的存在客观上减小了水泥浆体抵抗荷载的实际有效截面积，易造成应力集中现象导致强度变低。
养护龄期对于浆体强度的影响非常显著，对比图5和图7以及图6和图8两组照片同样可以发现两个明显的不同点：(1)28d龄期相较于3d龄期的浆体内部结构而言，针刺状AFt的生成明显要多；(2)3d龄期的微观图像上可以看到很多表面光滑的薄片状物体，而28d龄期的图像上，薄片状物质的表面覆盖满了团簇状物质。照片上薄片状的物质是Ca(OH)2,而团簇状的C-S-H凝胶则覆盖在Ca(OH)2表面上，水泥的水化作用虽然在早期进行得更加剧烈，但是在中后期还是会持续进行，不断生成的水化产物对于强度的提高具有促进作用。从XRD图谱中可以看出，3d与28d浆体内的物质对应的衍射峰并没有出现新峰，只是衍射信号强度有所不同，也就意味着对于同一材料配比的浆体，其在不同的龄期下并没有新的物质产生，强度随龄期的增长是因为水化作用的不断进行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料，其特征在于，包括如下原料制成：硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣和水。
2.根据权利要求1所述的碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料，其特征在于，所述的水玻璃模数为3.3，波美度为35Bé°，所述的矿渣主要成分为CaO和MgO。
3.根据权利要求1或2所述的碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料，其特征在于，水固比为0.6-0.8。
4.根据权利要求1或2所述的碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料，其特征在于，硅酸盐水泥与矿渣的质量比为0.25-1.5:1。
5.根据权利要求1或2所述的碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料，其特征在于，水玻璃占固相的质量比为2-4％。
6.一种权利要求1-5任意一项所述的碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照各原料的重量分别，称取备用；
(2)将硅酸盐水泥、水玻璃、矿渣加入到搅拌装置中，再加入水进行第一次搅拌，停止，再进行第二次搅拌，得到所述的灌浆材料。
7.根据权利要求6所述的碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中第一次搅拌的时间为110-130s，停止12-18s。
8.根据权利要求7所述的碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中第一次搅拌的时间为120s，停止15s。
9.根据权利要求6所述的碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中第二次搅拌的时间为110-130s。
10.根据权利要求6所述的碱激发矿渣基水泥混合物灌浆材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中第二次搅拌的时间为120s。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |