CN113754362A - 一种盾构注浆材料和盾构注浆材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及注浆材料，公开了一种盾构注浆材料，包括水泥、高钙粉煤灰、细沙、膨润土、偏高岭土、铁尾矿、碱性激发剂和减水剂，以所述水泥的重量份为单位1计，所述盾构注浆材料含有3‑7重量份的高钙粉煤灰、1‑2.5重量份的细沙、0.1‑0.8重量份的膨润土、0.2‑1重量份的偏高岭土、1‑1.5重量份的铁尾矿、0.1‑0.4重量份的碱性激发剂和0.003‑0.05重量份的减水剂。另外本发明还公开了一种盾构注浆材料的制备方法。本发明的盾构注浆材料固结率高，出方率高，施工效果好。

Description

一种盾构注浆材料和盾构注浆材料的制备方法
技术领域
本发明涉及注浆材料，具体涉及一种盾构注浆材料。另外，本发明还涉及一种盾构注浆材料的制备方法。
背景技术
随着国内外建筑行业的不断发展，大型跨江海隧道的建设也越来越多，而在江海隧道施工过程中，盾构施工也面临着严峻挑战。
在盾构施工过程中，由于盾构机刀盘直径和管片外径有20cm的差值，所以当管片拼装完成并脱出盾尾后，管片与土体之间形成一个环形间隙，此间隙若不及时填充，可能造成地层变形，致使地表下沉或建筑物下沉。因此，在盾构施工过程中，需要进行同步注浆作业，将浆液注入施工间隙中，从而能够有效抑制地层变形，同时也能够使得管片更加稳定，防止管片偏移，还能够在地下水比较丰富时，预防盾尾水源流入掌子面而造成喷涌，提高隧道的抗渗能力。但是，现有的盾构注浆材料填充后的实际出方率较低，且凝固后的固结率也不高，造成填充不饱和，地面沉降大。而在盾构施工过程中，也时常需要根据实际出方率和固结率进行二次补浆，导致施工成本提高，在二次补浆过程中的风险控制难度较大。
因此，需要提供一种能够克服上述技术难题、有效解决或缓解上述技术难题的盾构注浆材料。
发明内容
有鉴于此，本发明一方面所要解决的技术问题是提供一种盾构注浆材料，该盾构注浆材料的固结率高，出方率高，施工效果好。
另外，本方面另一方面所要解决的技术问题是提供一种盾构注浆材料的制备方法，该盾构注浆材料的制备方法操作方便，产品施工效果好。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种盾构注浆材料，包括水泥、高钙粉煤灰、细沙、膨润土、偏高岭土、铁尾矿、碱性激发剂和减水剂，以所述水泥的重量份为单位1计，所述盾构注浆材料含有3-7重量份的高钙粉煤灰、1-2.5重量份的细沙、0.1-0.8重量份的膨润土、0.2-1重量份的偏高岭土、1-1.5重量份的铁尾矿、0.1-0.4重量份的碱性激发剂和0.003-0.05重量份的减水剂。
作为本发明的一个优选实施方式，以所述水泥的重量份为单位1计，所述盾构注浆材料含有4-6重量份的高钙粉煤灰、1.4-2.1重量份的细沙、0.2-0.6重量份的膨润土、0.3-0.8重量份的偏高岭土、1.1-1.4重量份的铁尾矿、0.15-0.3重量份的碱性激发剂和0.005-0.03重量份的减水剂。
作为本发明的另一个优选实施方式，所述铁尾矿的粒度分布在10-60μm不低于90％。
优选地，所述偏高岭土的粒度分布在0.5-40μm不低于80％。
作为本发明的又一个优选实施方式，所述细沙为粒径小于40目的细沙。
另外，本发明另一方面还提供一种盾构注浆材料的制备方法，包括如下步骤：将水泥、高钙粉煤灰、细沙、膨润土、偏高岭土、铁尾矿、碱性激发剂和减水剂混合，得到所述盾构注浆材料；
其中，以所述水泥的重量份为单位1计，所述高钙粉煤灰的用量为3-7重量份、所述细沙的用量为1-2.5重量份、所述膨润土的用量为0.1-0.8重量份、所述偏高岭土的用量为0.2-1重量份、所述铁尾矿的用量为1-1.5重量份、所述碱性激发剂的用量为0.1-0.4重量份和所述减水剂的用量为0.003-0.05重量份。
优选地，以所述水泥的重量份为单位1计，所述高钙粉煤灰的用量为4-6重量份、所述细沙的用量为1.4-2.1重量份、所述膨润土的用量为0.2-0.6重量份、0.3-0.8重量份的偏高岭土、所述铁尾矿的用量为1.1-1.4重量份、所述碱性激发剂的用量为0.15-0.3重量份和所述减水剂的用量为0.003-0.05重量份。
更优选地，所述铁尾矿的粒度分布在10-60μm不低于90％。
进一步地，所述偏高岭土的粒度分布在0.5-40μm不低于80％。
具体地，所述细沙为小于40目的细沙。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
本发明的铁尾矿在碱性激发剂的作用下能够形成为地聚物胶凝材料，能够有效减少水泥的使用量，增加经济效益，而对铁尾矿进行二次利用，不仅能够有效减少处理铁尾矿的经济负担，减少对环境的污染，能够产生良好的经济效益和环境效益。同时，本发明的盾构注浆材料中增加高钙粉煤灰和偏高岭土作为掺合料，保证施工过程中的浆液具有良好的流动性、降低浆液容重，提高了出方率。而本发明的膨润土能够提高施工过程中浆液的保水率，减缓浆液的材料分离、提高骨料的悬浮性能、降低泌水率，进而有效地提高了浆液的固结率。
有关本发明的其他优点以及优选实施方式的技术效果，将在下文的具体实施方式中进一步说明。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
如前所述，本发明的第一方面提供一种盾构注浆材料，包括水泥、高钙粉煤灰、细沙、膨润土、偏高岭土、铁尾矿、碱性激发剂和减水剂，以所述水泥的重量份为单位1计，所述盾构注浆材料含有3-7重量份的高钙粉煤灰、1-2.5重量份的细沙、0.1-0.8重量份的膨润土、0.2-1重量份的偏高岭土、1-1.5重量份的铁尾矿、0.1-0.4重量份的碱性激发剂和0.003-0.05重量份的减水剂。
本发明的盾构注浆材料以水泥作为凝胶材料，能够保证浆液凝固后的强度；高钙粉煤灰和偏高岭土作为掺合料，能够保证浆液良好的流动性，降低浆液容重，提高出方率；膨润土能够提高浆液保水率，减缓浆液的材料分离，提高骨料的悬浮性能，降低泌水率提高固结率；铁尾矿与碱性激发剂共同作用，能够形成地聚物胶凝材料，减少水泥的使用量。
需要说明的是，本发明中的浆液为本发明的盾构注浆材料与一定比例的水混合后制得。
具体地，如表1中所示，本发明中采用的高钙粉煤灰与普通粉煤灰相比，具体以下五点优点：第一，利用高钙粉煤灰“容重小”的特性：与普通粉煤灰相比，高钙粉煤灰的容重更小，高钙粉煤灰的容重约650-700Kg/m3，比普通粉煤灰的容重低约20％，在单吨预拌盾构注浆料当中，掺入同样比重的粉煤灰，用高钙粉煤灰后，预拌盾构注浆料的出方率能明显提高，且因高钙粉煤灰容重小的原因，加水后的浆液在施工输送阶段的和易性大有改善，注浆压力变小，注浆速度也有所提升。第二，利用高钙粉煤灰颗粒的玻璃微珠特性：高钙粉煤灰的颗粒粒径与普通粉煤灰的颗粒粒径相比更小，且高钙粉煤灰的颗粒呈玻璃微珠形态，粒形完整，表面光滑，质地致密，使得浆液能起到减水作用、润滑作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，尤其在输送注浆时能起到良好的润滑作用。第三，利用高钙粉煤灰的火山灰活性效应：高钙粉煤灰中除含有较多的游离氧化钙以外，还有一定量的富钙玻璃体及少量铝酸钙或硅酸钙等矿物，使其本身具备一定的自硬性，高钙粉煤灰中的化学成份含有大量活性SiO2及Al2O3，在潮湿的环境中与Ca(OH)2等碱性物质发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，使得浆液硬化后的强度更高。第四，利用高钙粉煤灰的微集料效应：高钙粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑，在浆料中以相当于未水化的水泥颗粒，极细小的高钙粉煤灰颗粒相当于活泼的纳米材料，能明显的改善和增强浆料的结构强度，提高匀质性和致密性。第五，利用高钙粉煤灰的微膨胀作用：高钙粉煤灰活性高，这是普通粉煤灰所无法比拟的优点。但是，由于高钙灰存在一定量的游离氧化钙，当其作为水泥混合材或混凝土使用时，它具有一定的微膨胀性，加水硬化后的水泥制品安定性不合格，所以一般的水泥制品当中都不会使用高钙粉煤灰，而在盾构注浆料配比体系当中，因为对加水后浆液的流动性和和易性要求较高，但对其强度的要求较低，一般28天强度大于2.5Mpa即可。因此在本发明的盾构注浆材料配比体系当中使用超大水胶比，单吨干粉盾构注浆料的加水量达到650公斤，故而在注浆料结构内部形成大量的游离水空隙，而高钙粉煤灰中的游离氧化钙较易水化，因在水泥含量较低注浆料体系当中，它在混合水泥水化初期会产生的膨胀作用，正好与多孔隙结构的浆料融合，从而使硬化后的浆料不收缩，大幅度提高了注浆料的固结率，与掺加普通粉煤灰的浆料相比，掺加高钙粉煤灰的浆料的固结率提高了约15％，结合注浆料的使用特点，很好的利用高钙粉煤灰的微膨胀作用。总之，本发明利用高钙粉煤灰中硅酸盐离子聚合度较低，较之普通低钙粉煤灰具有更高的火山灰活性、颗粒微小、容重低的特点，用作预拌盾构注浆料掺合料具有减水、早强、提高出方率、提高固结率、微膨胀等特性，消纳了高钙粉煤灰的同时，也提高了盾构注浆材料的技术指标，降低了生产成本。
表1高钙粉煤灰与普通粉煤灰的特性对比
Figure BDA0003236879980000051
Figure BDA0003236879980000061
优选地，以所述水泥的重量份为单位1计，所述盾构注浆材料含有4-6重量份的高钙粉煤灰、1.4-2.1重量份的细沙、0.2-0.6重量份的膨润土、0.3-0.8重量份的偏高岭土、1.1-1.4重量份的铁尾矿、0.15-0.3重量份的碱性激发剂和0.005-0.03重量份的减水剂。
更优选地，所述铁尾矿的粒度分布在10-60μm不低于90％。
进一步地，所述偏高岭土的粒度分布在0.5-40μm不低于80％。
需要说明的是，本发明的注浆材料骨料的最大粒径均需小于0.6mm，即粒径小于50目的注浆材料骨料。
更进一步地，所述细沙为小于40目的细沙。
另外，本发明的第二方面还提供一种盾构注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
将水泥、高钙粉煤灰、细沙、膨润土、偏高岭土、铁尾矿、碱性激发剂和减水剂混合，得到所述盾构注浆材料；
其中，以所述水泥的重量份为单位1计，所述高钙粉煤灰的用量为3-7重量份、所述细沙的用量为1-2.5重量份、所述膨润土的用量为0.1-0.8重量份、所述偏高岭土的用量为0.2-1重量份、所述铁尾矿的用量为1-1.5重量份、所述碱性激发剂的用量为0.1-0.4重量份和所述减水剂的用量为0.003-0.05重量份。
需要说明的是，本发明中，高钙粉煤灰、细沙膨润土和偏高岭土在混合前需要先进行过筛，铁尾矿在混合前根据实际情况选择是否需要研磨，并对研磨后的铁尾矿进行过筛。
优选地，以所述水泥的重量份为单位1计，所述高钙粉煤灰的用量为4-6重量份、所述细沙的用量为1.4-2.1重量份、所述膨润土的用量为0.2-0.6重量份、0.3-0.8重量份的偏高岭土、所述铁尾矿的用量为1.1-1.4重量份、所述碱性激发剂的用量为0.15-0.3重量份和所述减水剂的用量为0.003-0.05重量份。
优选地，所述铁尾矿的粒度分布在10-60μm不低于90％。
优选地，所述偏高岭土的粒度分布在0.5-40μm不低于80％。
优选地，所述细沙为小于40目的细沙。
以下将通过实例对本发明进行详细描述，本发明中的1重量份为100Kg。本发明中，碱性激发剂的成分包括：氧化钙50～80wt％，氢氧化钠10～20wt％；减水剂为聚羧酸减水剂，优选地，该聚羧酸减水剂为综合性减缩型聚羧酸减水剂。
实施例1
(1)将1重量份的水泥、3重量份的高钙粉煤灰、1.4重量份的细沙、0.1重量份的膨润土、0.2重量份的偏高岭土、1.1重量份的铁尾矿、0.1重量份的碱性激发剂和0.003重量份的减水剂混合，制得混合物，其中，0.1重量份的碱性激发剂为0.08重量份的氧化钙和0.02重量份的氢氧化钠，减水剂为聚羧酸减水剂。
(2)在步骤(1)中的混合物中按照650kg/t的量添加水，制得浆液。
(3)将搅拌好的浆液注入测量器具中，等待凝固。
经测量，由本发明的盾构注浆材料制得的浆液的各项性能如表2所示。
表2实施例1的材料特性
Figure BDA0003236879980000071
Figure BDA0003236879980000081
实施例2
(1)将1重量份的水泥、3.8重量份的高钙粉煤灰、1.85重量份的细沙、0.45重量份的膨润土、0.6重量份的偏高岭土、1.25重量份的铁尾矿、0.25重量份的碱性激发剂和0.026重量份的减水剂混合，制得混合物，其中，0.1重量份的碱性激发剂为0.08重量份的氧化钙和0.02重量份的氢氧化钠，减水剂为聚羧酸减水剂。
(2)在步骤(1)中的混合物中按照650kg/t的量添加水，制得浆液。
(3)将搅拌好的浆液注入测量器具中，等待凝固。
经测量，由本发明的盾构注浆材料制得的浆液的各项性能如表3所示。
表3实施例2的材料特性
项目 掺加高钙粉煤灰注浆料
出方率(％) 99.8％
固结率(％) 97.9％
和易性 无分层沉淀
2天抗压强度(MPa) 0.38
实施例3
(1)将1重量份的水泥、6重量份的高钙粉煤灰、2重量份的细沙、0.8重量份的膨润土、1重量份的偏高岭土、1.5重量份的铁尾矿、0.4重量份的碱性激发剂和0.05重量份的减水剂混合，制得混合物，其中，0.1重量份的碱性激发剂为0.08重量份的氧化钙和0.02重量份的氢氧化钠，减水剂为聚羧酸减水剂。
(2)在步骤(1)中的混合物中按照650kg/t的量添加水，制得浆液。
(3)将搅拌好的浆液注入测量器具中，等待凝固。
经测量，由本发明的盾构注浆材料制得的浆液的各项性能如表4所示。
表4实施例3的材料特性
项目 掺加高钙粉煤灰注浆料
出方率(％) 104％
固结率(％) 99％
和易性 无分层沉淀
实施例4
(1)将1重量份的水泥、4重量份的高钙粉煤灰、1.5重量份的细沙、0.2重量份的膨润土、0.3重量份的偏高岭土、1.1重量份的铁尾矿、0.15重量份的碱性激发剂和0.005重量份的减水剂混合，制得混合物，其中，0.1重量份的碱性激发剂为0.08重量份的氧化钙和0.02重量份的氢氧化钠，减水剂为聚羧酸减水剂。
(2)在步骤(1)中的混合物中按照650kg/t的量添加水，制得浆液。
(3)将搅拌好的浆液注入测量器具中，等待凝固。
经测量，由本发明的盾构注浆材料制得的浆液的各项性能如表5所示。
表5实施例4的材料特性
Figure BDA0003236879980000091
Figure BDA0003236879980000101
实施例5
(1)将1重量份的水泥、5.2重量份的高钙粉煤灰、2.5重量份的细沙、0.6重量份的膨润土、0.8重量份的偏高岭土、1.4重量份的铁尾矿、0.3重量份的碱性激发剂和0.03重量份的减水剂混合，制得混合物，其中，0.1重量份的碱性激发剂为0.08重量份的氧化钙和0.02重量份的氢氧化钠，减水剂为聚羧酸减水剂。
(2)在步骤(1)中的混合物中按照650kg/t的量添加水，制得浆液。
(3)将搅拌好的浆液注入测量器具中，等待凝固。
经测量，由本发明的盾构注浆材料制得的浆液的各项性能如表6所示。
表6实施例5的材料特性
项目 掺加高钙粉煤灰注浆料
出方率(％) 104.4％
固结率(％) 99.1％
和易性 无分层沉淀
2天抗压强度(MPa) 0.47
从实施例3和实施例5中可以看出，当水泥与高钙粉煤灰的重量比控制在1：5-5.5之间时，注浆材料具有比较好的出方率和固结率。并且，随着高钙粉煤灰的量的增加，注浆材料的出方率和固结率也有所提高，并且在高钙粉煤灰的重量比达到4-6时具有较高的出方率和固结率。
从实施例1至实施例5中可以看出，高钙粉煤灰约4-6，细沙和铁尾矿的重量份合计为2.5-3.5。
对比例1
(1)将1重量份的水泥、3重量份的普通粉煤灰、1.2重量份的细沙、0.1重量份的膨润土、0.2重量份的偏高岭土、1重量份的铁尾矿、0.1重量份的碱性激发剂和0.003重量份的减水剂混合，制得混合物，其中，0.1重量份的碱性激发剂为0.08重量份的氧化钙和0.02重量份的氢氧化钠，减水剂为聚羧酸减水剂。
(2)在步骤(1)中的混合物中按照650kg/t的量添加水，制得浆液。
(3)将搅拌好的浆液注入测量器具中，等待凝固。
经测量，各项性能如表7所示。
表7对比例1的材料特性
项目 掺加普通粉煤灰注浆料
出方率(％) 82.6％
固结率(％) 85.1％
和易性 有分层沉淀
2天抗压强度(MPa) 0.3
从对比例1与实施例1的对比中可以看出，采用高钙粉煤灰，能够明显提高注浆材料的出方率。
对比例2
(1)将0.8重量份的水泥、3重量份的高钙粉煤灰、1.2重量份的细沙、0.1重量份的膨润土、0.2重量份的偏高岭土、1.3重量份的铁尾矿、0.1重量份的碱性激发剂和0.003重量份的减水剂混合，制得混合物，其中，0.1重量份的碱性激发剂为0.08重量份的氧化钙和0.02重量份的氢氧化钠，减水剂为聚羧酸减水剂。
(2)在步骤(1)中的混合物中按照650kg/t的量添加水，制得浆液。
(3)将搅拌好的浆液注入测量器具中，等待凝固。
经测量，各项性能如表8所示。
表8对比例2的材料特性
项目 对比例2的注浆料
出方率(％) 98.2％
固结率(％) 96.6％
和易性 无分层沉淀
2天抗压强度(MPa) 0.33
因此，可以看出，在少量增加铁尾矿的用量时，同时减少水泥的用量，其浆料的各种特性不变。
对比例3
(1)将1重量份的水泥、3重量份的高钙粉煤灰、1.2重量份的细沙、0.2重量份的偏高岭土、1重量份的铁尾矿、0.1重量份的碱性激发剂和0.003重量份的减水剂混合，制得混合物，其中，0.1重量份的碱性激发剂为0.08重量份的氧化钙和0.02重量份的氢氧化钠，减水剂为聚羧酸减水剂。
(2)在步骤(1)中的混合物中按照650kg/t的量添加水，制得浆液。
(3)将搅拌好的浆液注入测量器具中，等待凝固。
经测量，由本发明的盾构注浆材料制得的浆液的各项性能如表9所示。
表9对比例3的材料特性
项目 掺加高钙粉煤灰注浆料
出方率(％) 98.2％
固结率(％) 86.8％
和易性 无分层沉淀
2天抗压强度(MPa) 0.33
从对比例3与实施例1的对比中可以看出，膨润土的添加，能够提高注浆材料的固结率。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种盾构注浆材料，其特征在于，包括水泥、高钙粉煤灰、细沙、膨润土、偏高岭土、铁尾矿、碱性激发剂和减水剂，以所述水泥的重量份为单位1计，所述盾构注浆材料含有3-7重量份的高钙粉煤灰、1-2.5重量份的细沙、0.1-0.8重量份的膨润土、0.2-1重量份的偏高岭土、1-1.5重量份的铁尾矿、0.1-0.4重量份的碱性激发剂和0.003-0.05重量份的减水剂。
2.根据权利要求1所述的盾构注浆材料，其特征在于，以所述水泥的重量份为单位1计，所述盾构注浆材料含有4-6重量份的高钙粉煤灰、1.4-2.1重量份的细沙、0.2-0.6重量份的膨润土、0.3-0.8重量份的偏高岭土、1.1-1.4重量份的铁尾矿、0.15-0.3重量份的碱性激发剂和0.005-0.03重量份的减水剂。
3.根据权利要求1或2所述的盾构注浆材料，其特征在于，所述铁尾矿的粒度分布在10-60μm不低于90％。
4.根据权利要求1或2所述的盾构注浆材料，其特征在于，所述偏高岭土的粒度分布在0.5-40μm不低于80％。
5.根据权利要求1或2所述的盾构注浆材料，其特征在于，所述细沙粒径为小于40目的细沙。
6.一种盾构注浆材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将水泥、高钙粉煤灰、细沙、膨润土、偏高岭土、铁尾矿、碱性激发剂和减水剂混合，得到所述盾构注浆材料；
其中，以所述水泥的重量份为单位1计，所述高钙粉煤灰的用量为4-6重量份、所述细沙的用量为1-2.5重量份、所述膨润土的用量为0.1-0.8重量份、所述偏高岭土的用量为0.2-1重量份、所述铁尾矿的用量为1-1.5重量份、所述碱性激发剂的用量为0.1-0.4重量份和所述减水剂的用量为0.003-0.05重量份。
7.根据权利要求6所述的盾构注浆材料的制备方法，其特征在于，以所述水泥的重量份为单位1计，所述高钙粉煤灰的用量为4-6重量份、所述细沙的用量为1.4-2.1重量份、所述膨润土的用量为0.2-0.6重量份、0.3-0.8重量份的偏高岭土、所述铁尾矿的用量为1.1-1.4重量份、所述碱性激发剂的用量为0.15-0.3重量份和所述减水剂的用量为0.003-0.05重量份。
8.根据权利要求6或7所述的盾构注浆材料的制备方法，其特征在于，所述铁尾矿的粒度分布在10-60μm不低于90％。
9.根据权利要求6或7所述的盾构注浆材料的制备方法，其特征在于，所述偏高岭土的粒度分布在0.5-40μm不低于80％。
10.根据权利要求6或7所述的盾构注浆材料的制备方法，其特征在于，所述细沙为粒径小于40目的细沙。
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