CN112592143A - 一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种粘土‑矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料及制备方法，涉及一种注浆材料及制备方法。粉质粘土的粒径分布为粒径小于0.005mm的占47.7％，粒径在0.005～0.05mm的占42.9％，粒径大于0.05mm的占9.4％，塑性指数13.5，矿渣胶凝材料按质量百分比由60～70％的矿渣微粉、6～10％的磷石膏、10～20％的熟料激发剂、3～8％的碱激发剂、1.5％的增韧剂、2～4％的膨胀剂、2～5％的抗分散剂和3％的触变剂组成。主要材料来源更广泛、成本更低、工艺简单，浆液凝结时间可灵活控制，满足港口抗震加固性能需求。

Description

一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种注浆材料及制备方法，尤其是一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料及制备方法，属于港口工程高桩码头可液化砂土抗震加固技术领域。

背景技术

为应对不断增长的社会需求，我国港口工程开发越来越多，而港口的可液化砂土地基常为不良地基，有承载能力差、结构疏松、压缩变形大等特点，港口抗震加固问题也越来越引起关注。在岩土地质灾害的解决方案中注浆技术发展已久，是最为有效的解决方案之一，而注浆材料的性能是影响注浆效果的关键因素。因此，制备出符合要求的注浆材料对于港口抗震加固至关重要。

港口工程可液化砂土地基注浆对注浆材料要求较高，包括：高韧性，由于地震是港口工程破坏的重要原因，要达到抗震目的，不仅需要较高的强度，注浆结石体的高韧性同样是关键因素；耐腐蚀性强，港口地基常年处于海水的冲刷及渗透状态，使得砂土中含有大量氯盐和硫酸盐，这就要求注浆材料有较强的耐盐腐蚀性能；抗水分散性强，港口工程砂土地基通常含有很高的水分，若注浆材料抗水分散性弱，对注浆结石体的固化将产生不利影响；同时还对凝结时间可调、微膨胀、可注性好有一定要求。但是目前针对港口工程可液化砂土地基的注浆材料并不常见，且其中多采用以硫铝酸盐、铝酸盐等特种水泥为基础制备注浆材料的技术，可以达到耐腐蚀、微膨胀等要求，但其来源少、成本高且生产过程会生成大量温室气体，不适合大规模注浆工程的实际应用。此外，现有技术多使用纤维来解决材料的韧性问题，但纤维的加入也增大了注浆施工的难度，同样不利于注浆的实际应用。

粘土、矿渣等矿物材料来源广泛、价格较低，且粘土可以就地取材减少运输成本，方便施工，而矿渣基注浆材料具有较高的强度、耐腐蚀和抗碳化等性能，在港口工程可液化砂土地基注浆方向具有很大的应用前景。同时，苯丙乳液等有机聚合物可以通过成膜、粘结等作用，均匀分布在胶凝材料基体中，进而起到增韧作用，这为粘土-矿渣基注浆材料的固化增韧提供了新的思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料及制备方法，它的主要材料来源更广泛、成本更低、无需煅烧、施工工艺更简单，并且浆液凝结时间可灵活控制，满足港口抗震加固性能需求。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，包括粉质粘土和矿渣胶凝材料，所述粉质粘土的粒径分布为粒径小于0.005mm的占47.7％，粒径0.005～0.05mm的占42.9％，粒径大于0.05mm的占9.4％，塑性指数13.5，所述矿渣胶凝材料按质量百分比由60～70％的矿渣微粉、6～10％的磷石膏、10～20％的熟料激发剂、3～8％的碱激发剂、1.5％的增韧剂、2～4％的膨胀剂、2～5％的抗分散剂和3％的触变剂组成，其中，所述矿渣微粉为S95级矿渣微粉，所述磷石膏中CaSO₄·2H₂O的含量≥85％，所述熟料激发剂为42.5#普通硅酸盐水泥熟料，所述碱激发剂为碳酸锂、硅酸钠、甲酸钙的一种或一种以上，所述增韧剂为质量比2:1的苯乙烯-丙烯酸酯乳液和聚乙烯醇，所述膨胀剂为氧化镁，所述抗分散剂为质量比1:5的聚丙烯酰胺和硅灰，所述触变剂为钠基膨润土。

一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将粉质粘土与水混合后搅拌均匀，水土比为0.6～1；

步骤二：按质量百分比记分别称取以下干粉原料：矿渣微粉60～70％、磷石膏6～10％、熟料激发剂10～20％、碱激发剂3～8％、膨胀剂2～4％、抗分散剂2～5％、触变剂3％，混合均匀后按水灰比为0.6～1边搅拌边加水形成浆液，之后将质量百分比为1.5％的苯乙烯-丙烯酸酯乳液和聚乙烯醇加入上述浆液中混合均匀，其中苯乙烯-丙烯酸酯乳液与聚乙烯醇质量比为2:1；

步骤三：边搅拌边将步骤一所得的组分倒入步骤二所得的组分，搅拌均匀即得粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其中，步骤一所得的组分与步骤二所得的组分用量质量比为0.2～0.4:1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的注浆材料主要为粉质粘土和矿渣微粉，相较于硫铝酸盐、铝酸盐等特种水泥成本更低、来源更广泛，且无需煅烧，施工工艺更简单，并且能够保证较高的强度、耐腐蚀和抗碳化性能；

2、本发明的注浆材料可通过调节熟料激发剂和碱激发剂的配比来灵活控制浆液凝结时间，其初凝时间在25～320min内可调；

3、本发明的注浆材料通过少量添加高分子聚合物和矿物添加剂，显著增强了注浆结石体的韧性、膨胀性、抗水分散性和可注性，可以满足沿海港口可液化砂土地基抗震注浆加固的性能要求，具有良好效果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：本发明公开了一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，包括粉质粘土和矿渣胶凝材料，所述粉质粘土的粒径分布为粒径小于0.005mm的占47.7％，粒径在0.005～0.05mm的占42.9％，粒径大于0.05mm的占9.4％，塑性指数13.5，所述矿渣胶凝材料按质量百分比由60～70％的矿渣微粉、6～10％的磷石膏、10～20％的熟料激发剂、3～8％的碱激发剂、1.5％的增韧剂、2～4％的膨胀剂、2～5％的抗分散剂和3％的触变剂组成，其中，所述矿渣微粉为S95级矿渣微粉，所述磷石膏中CaSO₄·2H₂O的含量≥85％，磷石膏与天然石膏相似，可与C-A-H反应生成钙矾石，填补试样中的孔隙，提高试样的致密度，且磷石膏作为固废产量巨大，其大量堆积不仅侵占土地资源，而且周边环境有较大污染，因此，磷石膏的合理利用将会有很大环保意义，所述熟料激发剂为42.5#普通硅酸盐水泥熟料，其对矿渣活性的激发是通过熟料水化不断生成OH^-离子，待OH^-离子达到一定浓度后才开始激发矿渣的活性，因此活性激发速度较慢，所述碱激发剂为碳酸锂、硅酸钠、甲酸钙的一种或一种以上，碱性激发剂可以快速的激发矿渣活性，在与熟料激发剂合理搭配可以达到凝结时间可控可调的目的，所述增韧剂为质量比2:1的苯乙烯-丙烯酸酯乳液和聚乙烯醇，苯乙烯-丙烯酸酯乳液和聚乙烯醇在注浆材料浆体中起到成膜、粘结等作用，均匀分布在浆液基体中，可提高对浆体裂缝扩展过程的耗能能力，此外，部分苯乙烯-丙烯酸酯乳液在水化后期可形成丝状胶体物质，类似纤维镶嵌在浆体内，所以可以大大增加注浆结石体的韧性和抗震性能，所述膨胀剂为氧化镁，其延迟性膨胀特性可以有效的抵消矿渣基胶凝材料的化学收缩和干燥收缩，在合适掺量下可达到微膨胀目的，所述抗分散剂为质量比1:5的聚丙烯酰胺和硅灰，聚丙烯酰胺是有机高分子聚合物，具有长链结构，长链上具有大量官能团，可以将悬浊液浆体中的胶凝材料颗粒吸附团聚成稳定的存在，形成絮凝体，硅灰因其粒径很小，一方面增加了浆液稠度，另一方面硅灰颗粒可被聚丙烯酰胺高分子链包裹吸附，提高浆液中多相分散体系的粘聚性，起到增稠作用，此外，分子链的间距的缩短，使得长链相互吸引联接为网络结构，颗粒不易分散，提高抗分散能力，所述触变剂为钠基膨润土。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述矿渣微粉比表面积400～440m²/kg，28天活性指数为102％。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述熟料激发剂比表面积300～350m²/kg。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述增韧剂中苯乙烯-丙烯酸酯乳液粘度800～1000mPa·s，pH值7～8，聚乙烯醇分子量为18～20万。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述抗分散剂中聚丙烯酰胺分子量为1000～2000万，硅灰比表面积15000～20000m²/kg。

具体实施方式六：本具体实施方式公开了一种具体实施方式一所述的粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将粉质粘土与水混合后搅拌均匀，水土比为0.6～1；

步骤二：按质量百分比记分别称取以下干粉原料：矿渣微粉60～70％、磷石膏6～10％、熟料激发剂10～20％、碱激发剂3～8％、膨胀剂2～4％、抗分散剂2～5％、触变剂3％，混合均匀后按水灰比为0.6～1边搅拌边加水形成浆液，之后将质量百分比为1.5％的苯乙烯-丙烯酸酯乳液和聚乙烯醇加入上述浆液中混合均匀，其中苯乙烯-丙烯酸酯乳液与聚乙烯醇质量比为2:1；

步骤三：边搅拌边将步骤一所得的组分倒入步骤二所得的组分，搅拌均匀即得粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其中，步骤一所得的组分与步骤二所得的组分用量质量比为0.2～0.4:1。

实施例1

一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，包括粉质粘土和矿渣胶凝材料，粉质粘土的粒径分布为粒径小于0.005mm的占47.7％，粒径在0.005～0.05mm的占42.9％，粒径大于0.05mm的占9.4％，塑性指数13.5，矿渣胶凝材料按质量百分比由64％的矿渣微粉、6％的磷石膏、10％的熟料激发剂、8％的碱激发剂、1.5％的增韧剂、2.5％的膨胀剂、5％的抗分散剂和3％的触变剂组成，矿渣微粉比表面积400～440m²/kg，28天活性指数为102％，熟料激发剂为普通硅酸盐水泥熟料，碱激发剂为碳酸锂和硅酸钠复配而成，其质量比为1:1，增韧剂由粘度800～1000mPa·s，pH值7～8的苯乙烯-丙烯酸酯乳液和分子量为18万的聚乙烯醇组成，其质量比为2:1，膨胀剂为氧化镁，抗分散剂为分子量为1000万的聚丙烯酰胺和比表面积15000～20000m²/kg的硅灰组成，其质量比1:5，触变剂为钠基膨润土。

其制备方法包括以下步骤：

步骤一：将粉质粘土与水混合后搅拌5分钟直至均匀，水土比为0.7；

步骤二：按上述质量百分比记称取矿渣微粉、磷石膏、熟料激发剂、碱激发剂、膨胀剂、抗分散剂、触变剂，放入搅拌机中搅拌5分钟，使其混合均匀，随后按水灰比为0.7边搅拌边加水，搅拌为均匀浆液后将苯乙烯-丙烯酸酯乳液和聚乙烯醇加入上述浆液中混合均匀；

步骤三：边搅拌边将步骤一所得的组分缓缓倒入步骤二所得的组分，搅拌均匀即得粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其中，步骤一所得的组分与步骤二所得的组分用量质量比为0.3:1，对浆液的抗压强度、抗折强度、初凝时间和结实率进行检测，具体数据见表1：

表1

实施例2

一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，包括粉质粘土和矿渣胶凝材料，粉质粘土的粒径分布为粒径小于0.005mm的占47.7％，粒径在0.005～0.05mm的占42.9％，粒径大于0.05mm的占9.4％，塑性指数13.5，矿渣胶凝材料按质量百分比由64％的矿渣微粉、6％的磷石膏、14％的熟料激发剂、6％的碱激发剂、1.5％的增韧剂、2.5％的膨胀剂、3％的抗分散剂和3％的触变剂组成，矿渣微粉比表面积400～440m²/kg，28天活性指数为102％，熟料激发剂为普通硅酸盐水泥熟料，碱激发剂为甲酸钙和硅酸钠复配而成，其质量比为1:1，增韧剂由粘度800～1000mPa·s，pH值7～8的苯乙烯-丙烯酸酯乳液和分子量为18万的聚乙烯醇组成，其质量比为2:1，膨胀剂为氧化镁，抗分散剂为分子量为1000万的聚丙烯酰胺和比表面积15000～20000m²/kg的硅灰组成，其质量比1:5，触变剂为钠基膨润土。

其制备方法包括以下步骤：

步骤一：将粉质粘土与水混合后搅拌5分钟直至均匀，水土比为0.7；

步骤二：按上述质量百分比记称取矿渣微粉、磷石膏、熟料激发剂、碱激发剂、膨胀剂、抗分散剂、触变剂，放入搅拌机中搅拌5分钟，使其混合均匀，随后按水灰比为0.7边搅拌边加水，搅拌为均匀浆液后将苯乙烯-丙烯酸酯乳液和聚乙烯醇加入上述浆液中混合均匀；

步骤三：边搅拌边将步骤一所得的组分缓缓倒入步骤二所得的组分，搅拌均匀即得粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其中，步骤一所得的组分与步骤二所得的组分用量质量比为0.3:1，对浆液的抗压强度、抗折强度、初凝时间和结实率进行检测，具体数据见表2：

表2

实施例3

一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，包括粉质粘土和矿渣胶凝材料，粉质粘土的粒径分布为粒径小于0.005mm的占47.7％，粒径在0.005～0.05mm的占42.9％，粒径大于0.05mm的占9.4％，塑性指数13.5，矿渣胶凝材料按质量百分比由61.5％的矿渣微粉、6％的磷石膏、18％的熟料激发剂、3％的碱激发剂、1.5％的增韧剂、4％的膨胀剂、3％的抗分散剂和3％的触变剂组成，矿渣微粉比表面积400～440m²/kg，28天活性指数为102％，熟料激发剂为普通硅酸盐水泥熟料，碱激发剂为碳酸锂和硅酸钠复配而成，其质量比为1:1，增韧剂由粘度800～1000mPa·s，pH值7～8的苯乙烯-丙烯酸酯乳液和分子量为18万的聚乙烯醇组成，其质量比为2:1，膨胀剂为氧化镁，抗分散剂为分子量为1000万的聚丙烯酰胺和比表面积15000～20000m²/kg的硅灰组成，其质量比1:5，触变剂为钠基膨润土。

其制备方法包括以下步骤：

步骤一：将粉质粘土与水混合后搅拌5分钟直至均匀，水土比为0.7；

步骤二：按上述质量百分比记称取矿渣微粉、磷石膏、熟料激发剂、碱激发剂、膨胀剂、抗分散剂、触变剂，放入搅拌机中搅拌5分钟，使其混合均匀，随后按水灰比为0.7边搅拌边加水，搅拌为均匀浆液后将苯乙烯-丙烯酸酯乳液和聚乙烯醇加入上述浆液中混合均匀；

步骤三：边搅拌边将步骤一所得的组分缓缓倒入步骤二所得的组分，搅拌均匀即得粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其中，步骤一所得的组分与步骤二所得的组分用量质量比为0.3:1，对浆液的抗压强度、抗折强度、初凝时间和结实率进行检测，具体数据见表3：

表3

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其特征在于：包括粉质粘土和矿渣胶凝材料，所述粉质粘土的粒径分布为粒径小于0.005mm的占47.7％，粒径在0.005～0.05mm的占42.9％，粒径大于0.05mm的占9.4％，塑性指数13.5，所述矿渣胶凝材料按质量百分比由60～70％的矿渣微粉、6～10％的磷石膏、10～20％的熟料激发剂、3～8％的碱激发剂、1.5％的增韧剂、2～4％的膨胀剂、2～5％的抗分散剂和3％的触变剂组成，其中，所述矿渣微粉为S95级矿渣微粉，所述磷石膏中CaSO₄·2H₂O的含量≥85％，所述熟料激发剂为42.5#普通硅酸盐水泥熟料，所述碱激发剂为碳酸锂、硅酸钠、甲酸钙的一种或一种以上，所述增韧剂为质量比2:1的苯乙烯-丙烯酸酯乳液和聚乙烯醇，所述膨胀剂为氧化镁，所述抗分散剂为质量比1:5的聚丙烯酰胺和硅灰，所述触变剂为钠基膨润土。

2.根据权利要求1所述的一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其特征在于：所述矿渣微粉比表面积400～440m²/kg，28天活性指数为102％。

3.根据权利要求1所述的一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其特征在于：所述熟料激发剂比表面积300～350m²/kg。

4.根据权利要求1所述的一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其特征在于：所述增韧剂中苯乙烯-丙烯酸酯乳液粘度800～1000mPa·s，pH值7～8，聚乙烯醇分子量为18～20万。

5.根据权利要求1所述的一种粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其特征在于：所述抗分散剂中聚丙烯酰胺分子量为1000～2000万，硅灰比表面积15000～20000m²/kg。

6.一种根据权利要求1所述的粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

步骤一：将粉质粘土与水混合后搅拌均匀，水土比为0.6～1；

步骤二：按质量百分比记分别称取以下干粉原料：矿渣微粉60～70％、磷石膏6～10％、熟料激发剂10～20％、碱激发剂3～8％、膨胀剂2～4％、抗分散剂2～5％、触变剂3％，混合均匀后按水灰比为0.6～1边搅拌边加水形成浆液，之后将质量百分比为1.5％的苯乙烯-丙烯酸酯乳液和聚乙烯醇加入上述浆液中混合均匀，其中苯乙烯-丙烯酸酯乳液与聚乙烯醇质量比为2:1；

步骤三：边搅拌边将步骤一所得的组分倒入步骤二所得的组分，搅拌均匀即得粘土-矿渣基港口抗震加固矿物注浆材料，其中，步骤一所得的组分与步骤二所得的组分用量质量比为0.2～0.4:1。