CN118239743A - 一种用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料及其应用，涉及注浆加固技术领域。注浆加固材料包括以下重量份的组分：矿渣500‑600份，粉煤灰350‑400份，特种水泥100‑150份，高钙固废50‑100份，超细集料46‑90份，复合水化促进剂80‑160份，苯丙乳液20‑50份，缓凝剂2‑5份，减水剂5‑15份，保水剂9‑12份，长度为5‑15mm且直径为8‑40μm的纤维2‑8份，消泡剂2‑5份，纳米材料1.2‑2份，水750‑1200份。本发明基于地质聚合物制备理论，通过复合水化促进剂剂对矿渣、粉煤灰等进行活性激发作用，能够获得高温下优异的力学强度与浆体性能。能够应用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固。
Description
技术领域
本发明属于注浆加固技术领域，具体涉及一种用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料及其应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
注浆加固技术，即通过注浆泵将具有胶凝性质的浆液由钻孔注入不良地质体中，进而提高不良地质体强度和整体性的一种技术。对隧道进行注浆加固，是提高不良地质体整体强度和自稳性，避免围岩大变形、塌方冒顶、突水突泥等工程地质灾害发生的关键措施。
在深埋隧道或隧洞的建设过程中，隧道埋深越大，其施工过程中面临的高地应力、高地温等问题越不容忽视。由于深埋隧道工程所处环境地温高、地应力大，硅酸盐水泥、化学类浆液等传统注浆加固材料在高地温、高地压地质条件下存在着浆体可操作时间短、结石体力学强度低、耐久性差等缺陷。
地聚物类胶凝材料逐渐被应用于注浆加固领域，它是硅铝质天然矿物经碱性激发制得的一种无机硅铝酸盐胶凝材料，具有由[SiO4]四面体和[AlO4]四面体通过桥氧链接的三维网络结构，具备力学强度高、耐高温、化学稳定性好的性能优点，但现有的地聚物类胶凝材料浆液在高温下的浆体性能与力学强度仍需提高，以应用于更广泛的施工环境。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料及其应用，获得的注浆加固材料可操作时间长，强度增长快且耐久性良好，在高地温环境下具有优异的性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面，一种用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料，包括以下重量份的组分：
矿渣500-600份，粉煤灰350-400份，特种水泥100-150份，高钙固废50-100份，超细集料46-90份，复合水化促进剂80-160份，苯丙乳液20-50份，缓凝剂2-5份，减水剂5-15份，保水剂9-12份，长度为5-15mm且直径为8-40μm的纤维2-8份，消泡剂2-5份，纳米材料1.2-2份和水750-1200份；
其中，所述特种水泥为：硫铝酸盐水泥和/或磷酸镁水泥；
所述超细集料为：超细石英粉和/或超细碳酸钙。
可选的，所述复合水化促进剂由以下质量分数的组分混合而成：60％硅酸钠、20％碱渣、15％赤泥和5％碳酸钠。
可选的，所述高钙固废包括钢渣、脱硫石膏和电石渣中的一种或多种。
可选的，所述纤维包括：耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维、聚丙烯单丝纤维和聚丙烯网状纤维的一种或多种。
可选的，所述耐碱玻璃纤维长度为10-14mm，直径为12-16μm；所述玄武岩纤维长度为5-7mm，直径为8-12μm；所述聚丙烯单丝纤维长度为10-15mm，直径为20-36μm；所述聚丙烯网状纤维长度为9-13mm，直径为18-40μm。
可选的，所述纳米材料包括：纤维素纳米晶须、纳米金属有机骨架材料和纳米石墨烯的一种或多种。
第二方面，上述用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将矿渣、粉煤灰、特种水泥、高钙固废和超细集料混合后，搅拌均匀，获得第一混合料；
S2、将复合水化促进剂、苯丙乳液、缓凝剂、减水剂、保水剂、纤维、消泡剂和纳米材料混合后，搅拌均匀，获得第二混合料；
S3、将第一混合料和第二混合料混匀后加入水，搅拌均匀，获得用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料。
第三方面，用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料在高地温隧道破碎岩体加固工程中的应用，所述用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料用于高地温环境下的隧道围岩的注浆加固。
本发明的有益效果如下：
1.本发明基于地质聚合物制备理论，通过复合水化促进剂对矿渣、粉煤灰等进行活性激发，生成Na2O-CaO-SiO2-A l2O3-H2O、CaO-SiO2-A l 2O3-H2O等耐高温矿相，这些矿相具有优异的热稳定性，同时加入纤维来达到耐高温、耐腐蚀的效果，增强材料的抗拉、抗弯、抗裂、抗渗等性能；将矿渣、粉煤灰、特种水泥、高钙固废、超细集料充分混合，大大增加了原料之间的接触面积，更有利于形成密集的三维网络；利用苯丙乳液增韧，防止反应过程中出现干缩现象，避免过多微裂缝的产生，同时利用减水剂降低用水量，提高材料力学强度和耐久性；掺入纳米材料不仅可以起到填充作用，充填材料基体间微小孔隙，还可以提供成核位点，促进水化进程，提高材料抗压强度及抗折强度，能够获得高温下优异的力学强度。
2.本发明通过调整复合水化促进剂的掺量、缓凝剂的掺量等来调节凝结时间，控制反应速率，能够获得高温下优异的浆体性能。
3.本发明以矿渣、粉煤灰、钢渣等工业固体废弃物作为原料，提高了固废资源利用率，相对于水泥基注浆材料降低了成本，减少了对环境的污染。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是实施例1所述材料80℃养护28d后的SEM图。
图2是对比例2所述水泥材料80℃养护28d后的SEM图。
具体实施方式
一种用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料，包括以下重量份的组分：
矿渣500-600份，粉煤灰350-400份，特种水泥100-150份，高钙固废50-100份，超细集料46-90份，复合水化促进剂80-160份，苯丙乳液20-50份，缓凝剂2-5份，减水剂5-15份，保水剂9-12份，纤维2-8份，消泡剂2-5份，纳米材料1.2-2份，水750-1200份；
其中，纤维长度为5-15mm，直径为8-40μm；
特种水泥为：硫铝酸盐水泥和/或磷酸镁水泥；
所述超细集料为：超细石英粉和/或超细碳酸钙。
通过复合水化促进剂对矿渣、粉煤灰等进行活性激发作用，生成Na2O-CaO-SiO2-Al2O3-H2O(简称N-C-S-A-H)、CaO-SiO2-A l2O3-H2O(简称C-S-A-H)等矿相，这些矿相具有优异的热稳定性，从而使结石体能够在高地温、高地压环境下保持良好的力学与耐久性能。
可选的，矿渣选用S95和/或S105级粒化高炉矿渣微粉，密度≥2.8g/cm3，比表面积≥400m2/kg；
矿渣是在高炉炼铁过程中的副产品，CaO、SiO2和Al2O3的含量占90％以上。
可选的，粉煤灰选用Ⅱ级及以上的低钙粉煤灰，45μm方孔筛余量不大于25％；
粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，含有以SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3和CaO为主的氧化物。
可选的，特种水泥为硫铝酸盐水泥和/或磷酸镁水泥，具备优异耐高温性能的同时，早期强度高，适用于高地温环境下破碎岩体的注浆加固。
可选的，高钙固废为钢渣、脱硫石膏和电石渣中的一种或多种，其中，钢渣是炼钢过程中的一种副产品，密度＞2.8g/cm3，比表面积为350-400m2/kg；脱硫石膏为符合JC/T2074-2011的烟气脱硫石膏；电石渣为湿法生产乙炔的副产物，其中Ca(OH)2含量≥70％。
特定规格的组分能够大大增加原料之间的接触面积，有利于形成密集的三维网络。
可选的，超细集料选用超细石英粉和/或超细碳酸钙；其中，超细石英粉选用1000目磨细石英粉，SiO2含量不低于99％；超细碳酸钙选用1000目碳酸钙；
超细石英粉和/或超细碳酸钙在浆体硬化后可起到较好的填充作用，有利于提升结石体的力学强度与抗渗等性能。
所述复合水化促进剂由以下质量分数的组分混合而成：60％硅酸钠、20％碱渣、15％赤泥和5％碳酸钠。
其中，硅酸钠与碳酸钠均为固体粉末状；碱渣是氨碱法制碱过程中排放的废渣；赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物，进一步的，本发明采用拜耳法赤泥，经干燥后粉磨，比表面积为500-600m2/kg；通过调整复合水化促进剂的掺量、缓凝剂的掺量等来调节凝结时间，控制反应速率，使其具有良好的浆体性能。
苯丙乳液能够增韧，同时防止反应过程中出现干缩现象，避免过多微裂缝的产生。
可选的，缓凝剂为硼砂和/或葡萄糖酸钠。
可选的，减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂、氨基减水剂和脂肪族减水剂中的一种或多种的混合物；利用减水剂降低用水量，在初期具有良好的浆体性能，养护后能够提高材料力学强度和耐久性。
可选的，保水剂为羟乙基甲基纤维素和/或羟丙基甲基纤维素，此种保水剂具有优异的热稳定性。
可选的，纤维包括耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维、聚丙烯单丝纤维和聚丙烯网状纤维的一种或多种，均能够在80-100℃环境下保持稳定；
耐碱玻璃纤维长度为10-14mm，直径为12-16μm；所述玄武岩纤维长度为5-7mm，直径为8-12μm；所述聚丙烯单丝纤维长度为10-15mm，直径为20-36μm；所述聚丙烯网状纤维长度为9-13mm，直径为18-40μm；
加入纤维来达到耐高温、耐腐蚀的效果，增强材料的抗拉、抗弯、抗裂、抗渗等性能。
可选的，消泡剂包括：硅树脂类消泡剂、聚醚类消泡剂中的一种或多种；
消泡剂减少有机乳液在搅拌过程中产生的气泡。
可选的，所述纳米材料包括纤维素纳米晶须、纳米金属有机骨架材料、纳米石墨烯的一种或多种；通过掺入纳米材料提供成核位点，促进了材料的水化过程，充填材料基体间的空隙，提高其抗压强度及抗折强度。
上述用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将矿渣、粉煤灰、特种水泥、高钙固废和超细集料混合后，以140±5r/min搅拌5-10min，搅拌均匀，获得第一混合料；
S2、将复合水化促进剂、苯丙乳液、缓凝剂、减水剂、保水剂、纤维、消泡剂和纳米材料混合后，以200-300r/min搅拌15-20min，搅拌均匀，获得第二混合料；
S3、将第一混合料和第二混合料混匀后加入水，以140±5r/min搅拌至少5min，搅拌均匀，获得用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料。
制得的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料在高地温环境下养护后的典型SEM图如图1所示。
制得的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料在80℃下的初凝时间大于150min，终凝时间大于200min；并且80℃养护条件下，28d抗压强度大于42MPa。
上述制得的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料在高地温隧道破碎岩体加固工程中的应用，用于高地温环境下的隧道围岩的注浆加固；
高地温环境是指：温度约80℃、地应力约42MPa的环境。
实施例1
按质量份数称取材料，包括：矿渣550份，粉煤灰380份，硫铝酸盐水泥120份，钢渣80份，超细石英粉70份，复合水化促进剂120份(其中包括硅酸钠72份、碱渣24份、赤泥18份和碳酸钠6份)，苯丙乳液30份，硼砂3份，聚羧酸减水剂14份，羟乙基甲基纤维素10份，耐碱玻璃纤维5份，消泡剂3份，纤维素纳米晶须1.5份；称取水800份。
制备方法为：S1、将矿渣、粉煤灰、硫铝酸盐水泥、钢渣、超细石英粉混合后以140r/min搅拌8min，待搅拌均匀后得到第一混合物，待用；
S2、将复合水化促进剂、苯丙乳液、硼砂、聚羧酸减水剂、羟乙基甲基纤维素、耐碱玻璃纤维、消泡剂、纤维素纳米晶须混合后以280r/min搅拌16min，得到第二混合物，待用；
S3、将混合物A与混合物B混合后加入称取好的水，以140r/min搅拌5min，即得。
实施例2
包括以下质量份的组分：矿渣600份，粉煤灰360份，磷酸镁水泥120份，脱硫石膏80份，超细碳酸钙80份，复合水化促进剂120份(其中包括硅酸钠72份，碱渣24份，赤泥18份和碳酸钠6份)，苯丙乳液40份，葡萄糖酸钠3份，萘系减水剂12份，羟乙基甲基纤维素9份，聚丙烯单丝纤维6份，消泡剂4份，纳米金属有机骨架材料1.6份，水800份。
制备方式中各步骤的搅拌方法与实施例1相同。
实施例3
包括以下质量份的组分：矿渣550份，粉煤灰380份，硫铝酸盐水泥140份，钢渣100份，超细石英粉70份，复合水化促进剂100份(其中包括硅酸钠60份，碱渣20份，赤泥15份和碳酸钠5份)，苯丙乳液30份，硼砂2份，脂肪族减水剂6份，羟乙基甲基纤维素10份，耐碱玻璃纤维7份，消泡剂3份，纳米石墨烯1.5份，水1000份。
制备方式中各步骤的搅拌方法与实施例1相同。
实施例4
包括以下质量份的组分：矿渣520份，粉煤灰360份，硫铝酸盐水泥120份，钢渣80份，超细石英粉70份，复合水化促进剂140份(其中包括硅酸钠84份，碱渣28份，赤泥21份和碳酸钠7份)，苯丙乳液30份，葡萄糖酸钠2份，聚羧酸减水剂10份，羟乙基甲基纤维素10份，玄武岩纤维8份，消泡剂3份，纤维素纳米晶须1.6份，水900份。
制备方式中各步骤的搅拌方法与实施例1相同。
实施例5
包括以下质量份的组分：矿渣500份，粉煤灰350份，硫铝酸盐水泥100份，钢渣50份，超细石英粉46份，复合水化促进剂80份(其中包括硅酸钠48份，碱渣16份，赤泥12份和碳酸钠4份)，苯丙乳液20份，葡萄糖酸钠2份，聚羧酸减水剂10份，羟乙基甲基纤维素10份，玄武岩纤维2份，消泡剂2份，纳米石墨烯1.2份，水750份。
制备方式中各步骤的搅拌方法与实施例1相同。
实施例6
包括以下质量份的组分：矿渣600份，粉煤灰400份，硫铝酸盐水泥150份，钢渣100份，超细石英粉90份，复合水化促进剂160份(其中包括硅酸钠96份，碱渣32份，赤泥24份和碳酸钠8份)，苯丙乳液50份，葡萄糖酸钠5份，聚羧酸减水剂15份，羟乙基甲基纤维素12份，玄武岩纤维8份，消泡剂5份，纤维素纳米晶须2份，水1200份。
制备方式中各步骤的搅拌方法与实施例1相同。
对比例1
按质量份数称取材料，包括：矿渣550份，粉煤灰380份，硫铝酸盐水泥120份，钢渣80份，超细石英粉70份，复合水化促进剂120份(其中包括硅酸钠72份，碱渣24份，赤泥18份和碳酸钠6份)，水800份。
制备方法为：将矿渣、粉煤灰、硫铝酸盐水泥、钢渣、超细石英粉、复合水化促进剂混合后以140r/min搅拌8min，待搅拌均匀后加入称取好的水，以140r/min搅拌5min，即得。
对比例2
按质量份数称取材料，包括：普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)1270份，水800份。
制备方法为：往硅酸盐水泥中加入称取好的水，以140r/min搅拌5min，即得。
性能测试
根据《GBT1346-2011水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，用维卡仪测定注浆加固材料的凝结时间，设置材料养护环境温度为80℃；
将各实施例与对比例制得的注浆加固材料浆体倒入40×40×40mm标准模具中，振荡2-3分钟后密封，然后放入高温养护箱中，设置养护箱温度为80℃，养护龄期1d、28d、60d后进行抗压强度测试，结果见表1。
表1
可以看出，各实施例的初凝时间与终凝时间均高于对比例1、2，且各实施例的抗压强度高于对比例1、2。
其中，实施例5的凝结时间最长，而实施例2在养护28d后的抗压强度最高。
对实施例1的材料在80℃养护28d后进行电镜观察，SEM图如图1所示，图中包括：N-C-S-A-H凝胶、C-S-A-H凝胶和Ca(OH)2，其中片状形貌为Ca(OH)2,图中标注为：CH。对对比例2的材料在80℃养护28d后进行电镜观察，SEM图如图2所示，图中包括：C-S-H凝胶。
由于实施例1中的Na2O-CaO-SiO2-A l2O3-H2O、CaO-SiO2-A l2O3-H2O等矿相相比于对比例2中的C-S-H凝胶具有更优异的热稳定性，因此制得的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料能够应用于高地温隧道破碎岩体加固工程，用于温度上限约80℃、地应力上限约42MPa的环境下的隧道围岩的注浆加固。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：
矿渣500-600份，粉煤灰350-400份，特种水泥100-150份，高钙固废50-100份，超细集料46-90份，复合水化促进剂80-160份，苯丙乳液20-50份，缓凝剂2-5份，减水剂5-15份，保水剂9-12份，长度为5-15mm且直径为8-40μm的纤维2-8份，消泡剂2-5份，纳米材料1.2-2份，水750-1200份；
其中，所述特种水泥为：硫铝酸盐水泥和/或磷酸镁水泥；
所述超细集料为：超细石英粉和/或超细碳酸钙。
2.根据权利要求1所述的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料，其特征在于，所述矿渣选用S95和/或S105级粒化高炉矿渣微粉，密度≥2.8g/cm3，比表面积≥400m2/kg。
3.根据权利要求1所述的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料，其特征在于，所述粉煤灰选用Ⅱ级及以上的低钙粉煤灰，45μm方孔筛余量不大于25％。
4.根据权利要求1所述的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料，其特征在于，所述高钙固废为钢渣、脱硫石膏和电石渣中的一种或多种；所述钢渣密度＞2.8g/cm3，比表面积为350-400m2/kg；
所述脱硫石膏为符合JC/T 2074-2011的烟气脱硫石膏；所述电石渣的Ca(OH)2含量≥70％。
5.根据权利要求1所述的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料，其特征在于，所述超细石英粉选用1000目磨细石英粉，SiO2含量不低于99％；
所述超细碳酸钙选用1000目碳酸钙。
6.根据权利要求1所述的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料，其特征在于，所述复合水化促进剂由以下质量分数的组分混合而成：60％硅酸钠、20％碱渣、15％赤泥和5％碳酸钠；
其中，赤泥采用拜耳法赤泥，经干燥后粉磨，比表面积为500-600m2/kg。
7.根据权利要求1所述的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料，其特征在于，所述缓凝剂为硼砂和/或葡萄糖酸钠；
可选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂、氨基减水剂和脂肪族减水剂中的一种或多种；
可选的，所述保水剂为羟乙基甲基纤维素和/或羟丙基甲基纤维素；
可选的，消泡剂包括硅树脂类消泡剂、聚醚类消泡剂中的一种或多种；
可选的，所述纳米材料包括纤维素纳米晶须、纳米金属有机骨架材料、纳米石墨烯的一种或多种。
8.如权利要求1所述的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料，其特征在于，所述纤维包括耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维、聚丙烯单丝纤维和聚丙烯网状纤维的一种或多种；
可选的，所述耐碱玻璃纤维长度为10-14mm，直径为12-16μm；所述玄武岩纤维长度为5-7mm，直径为8-12μm；所述聚丙烯单丝纤维长度为10-15mm，直径为20-36μm；所述聚丙烯网状纤维长度为9-13mm，直径为18-40μm。
9.一种如权利要求1-8任一所述的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将矿渣、粉煤灰、特种水泥、高钙固废和超细集料混合后，搅拌均匀，获得第一混合料；
S2、将复合水化促进剂剂、苯丙乳液、缓凝剂、减水剂、保水剂、纤维、消泡剂和纳米材料混合后，搅拌均匀，获得第二混合料；
S3、将第一混合料和第二混合料混匀后加入水，搅拌均匀，获得用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料；
可选的，S1中搅拌方法为：140±5r/min搅拌5-10min；S2中搅拌方法为：以200-300r/min搅拌15-20min；S3中搅拌方法为：以140±5r/min搅拌至少5min。
10.一种如权利要求1-8任一所述的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料和/或如权利要求9所述的用于高地温环境下的破碎岩体注浆加固材料的制备方法在高地温隧道破碎岩体加固工程中的应用，其特征在于，用于高地温环境下的隧道围岩的注浆加固。
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