一種利用盾構尾砂制備的早強微膨脹同步注漿材料及其制備方法
【專利摘要】本發明屬于無機非金屬建筑材料類，具體涉及到一種盾構隧道同步注漿材料及其制備方法。本發明中同步注漿材料的組分及其重量配比(kg/m3)為：膠凝材料：250～350，生石灰：0～60，方鎂石：0～60，磷酸鹽：0～15，高效減水劑：1～2.8，聚合物：0.5～2.6，盾構尾砂：850～1100，水：205～475。本發明利用盾構尾砂制備的同步注漿材料具有良好的早期強度、微膨脹性能、工作性能和抗水分散性能；本發明合理利用了盾構施工過程中帶出的地下尾砂，減少對環境的影響；且配料簡單，制造成本低，生產容易，和易性能好，能滿足注漿設備的要求。
【專利說明】一種利用盾構尾砂制備的早強微膨脹同步注漿材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于無機非金屬建筑材料類，具體涉及到一種盾構隧道同步注漿材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著世界經濟飛速發展，城市地鐵在世界各地得到了迅猛的發展。然而持續增加的地鐵隧道需要穿越大量的地下管線、建筑物，以及各種復雜地層，尤其是當遇到高含水量的軟粘土地層、高液化程度的砂層，地下隧道工程面臨著巨大的挑戰，同步注漿作為盾構法施工中重要的工藝，盾構隧道同步注漿材料的研究就顯的特別重要。現行的同步注漿材料主要分為單液、雙液以及化學漿材，單液注漿材料一般抗溶蝕性能低、易受地下水稀釋、早期強度低、易分層離析、自收縮大，不能很好的滿足人們對大型隧道工程的要求；雙液注漿材料價格昂貴，施工過程較復雜、難以控制；化學漿材價格昂貴，且對環境有一定的危害。
[0003]此外，盾構法施工過程中會帶出大量的地下尾砂(即盾構尾砂)，無論采用何種手段，處理這些盾構尾砂都會消耗大量的人力物力，并擠占城市空間，對生活環境造成不利影響。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種利用盾構尾砂制備的早強微膨脹同步注漿材料及其制備方法。
[0005]一種利用盾構尾砂制備的早強微膨脹同步注漿材料，它由下述組分組成:膠凝材料、生石灰、方鎂石、磷酸鹽、聚合物、盾構尾砂、高效減水劑和水，各組分的重量配比(kg/m3)為:膠凝材料:250-350，生石灰:0-60，方鎂石:0-60，磷酸鹽:0-15，高效減水劑:1-2.8，聚合物:0.5-2.6， 盾構尾砂:850-1100，水:205-475 ;其中膠凝材料由水泥、超細沸石粉和偏高嶺土組成，各組分重量百分比(wt%)為:水泥:5-89，超細沸石粉:5-89，偏高嶺土:5-89 ;所述生石灰、方鎂石和磷酸鹽的重量配比不能同時為0，當生石灰的重量配比為O時，方鎂石和磷酸鹽的重量配比均不能為O ;當生石灰的重量配比不為O時，方鎂石和磷酸鹽的重量配比可以同時為O。
[0006]上述方案中，各組分的優選重量配比(kg/m3)為:膠凝材料:250-300，生石灰:30-60，方鎂石:20-60，磷酸鹽:5-15，高效減水劑:1.5-2.2，聚合物:1-1.8，盾構尾砂:850 -1050，水:205 -475。
[0007]上述方案中，所述水泥為P.042.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積大于350m2/kg，比表面積的測定方法為:《GB/T8074-2008水泥比表面積測定方法(勃氏法)》。
[0008]上述方案中，所述超細沸石粉為:將天然沸石粉經過研磨超細處理后，制成0.075mm方孔篩篩余< 2%的超細沸石粉。
[0009]上述方案中，所述偏高嶺土是由高嶺土經750°C煅燒6h制備而成，其比表面積為800-900m2/kg，比表面積的測定方法為:《GB/T8074-2008水泥比表面積測定方法(勃氏法)》。
[0010]上述方案中，所述生石灰為市售生石灰，其CaO的含量> 60%。
[0011]上述方案中，所述方鎂石為電爐或工業窯煅燒的MgO。
[0012]上述方案中，所述磷酸鹽為可溶性磷酸鹽，優選磷酸銨或磷酸二氫鉀。
[0013]上述方案中，所述聞效減水劑為:蔡系聞效減水劑、聚竣酸系聞效減水劑、氣基橫酸系聞效減水劑、或二聚氰1胺系聞效減水劑。
[0014]上述方案中，所述聚合物為:羥甲基纖維素、羥乙基纖維素、聚丙烯酰胺、或VAE膠粉。
[0015]上述方案中，所述盾構尾砂的含泥量為20-30wt%，其塑性指數在20.2左右；所述盾構尾砂的含沙量70-80wt%，其細度模數1.6-2.3。
[0016]一種利用盾構尾砂制備的早強微膨脹同步注漿材料的制備方法，包括如下步驟:
[0017](I)按各組分的重量配比(kg/m3)稱取水泥、超細沸石粉、偏高嶺土、生石灰、方鎂石、磷酸鹽、聚合物、盾構尾砂、高效減水劑和水；
[0018](2)將水泥、超細沸石粉、偏高嶺土、生石灰、方鎂石和聚合物混合均勻，再加入盾構尾砂，一起干拌3分鐘后，得到干混料；
[0019](3)將高效減水劑溶于水并攪拌均勻后加入到步驟(2)所述干混料中，再混合攪拌3分鐘后，得到漿液，該漿液存放時應保持持續的攪拌；
[0020](4)將磷酸鹽配置成質量濃度為10%-50%的磷酸鹽溶液，在灌注前加入到步驟
(3)所述的漿液中，再攪拌半分鐘后，得到同步注漿材料，立即灌注。
[0021]上述方案中，所述盾構尾砂在使用前需進行含泥量與含沙量的測定，若含泥量為20-30wt%，含沙量為70-80wt%，則直接使用該盾構尾砂；若含泥量偏高，則需加入適量河砂矯正至盾構尾砂的含沙量為70-80wt%。
[0022]本發明中，通過調節減水劑摻量、水膠比和水泥用量可以控制漿液成型后的強度，以適應不同地層對漿液的要求；通過調節生石灰、方鎂石與磷酸鹽的摻量與比例可以調節注漿材料的凝結時間與自由膨脹率，以適應不同施工情況的要求；通過調節聚合物摻量可以有效控制漿液的工作性能，以適應不同施工條件對漿液工作性能的要求。
[0023]本發明中膠凝材料的水化過程如下:生石灰和輕燒方鎂石遇水后發生水化反應生成Ca (OH) 2與Mg (OH)2,隨著水泥水化的持續進行漿液中的0H—濃度逐漸增大，超細沸石粉與偏高嶺土在堿性環境下開始激發出活性，其中的[SiO4]四面體與[AlO4]四面體中的S1-O與Al-O鍵斷裂形成有活性的前驅體，解構反應方程式為:
[0024]3+S1-0-Si3++60r — 2 [SiO (OH) 3]
[0025]3+Α1-0-Α13++80 — 2 [Al (OH) 4]
[0026]3+S1-0-Al3++70r — [SiO (OH) 3] > [Al (OH) 4]
[0027]隨著解構后的[310(0!1)3]-與[Al (OH)4]_的不斷增多，會與漿液中的Ca2+反應結合生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，此外單體還會發生縮聚反應形成三維硅鋁質解構的水化產物，不斷交織連生聚合，產生高強度無序的結構網絡。在網絡結構中，Al3+取代Si4+后，在氯離子的周圍帶負電荷，為了平衡負電荷，帶正電荷的Na+、Ca2+等堿離子充填在膠凝體的通道中，從而獲得相對穩定的凝膠體結構，生成具有抗水性的(Na，Ca)-S1-Al-H的類沸石物質，化學結合住Ca2+離子。這步反應會逐漸消耗漿液中的Ca (OH) 2，從而進一步促進水泥水化過程。
[0028]盾構尾砂能夠取代傳統注漿材料中的膨潤土與河砂的原理如下:
[0029]盾構尾砂的主要成分為泥質粘土和細砂，其含泥量約為20~30wt%，含沙量約為70~80wt%。其中泥質成分的液限為32.5，塑限為12.3，塑性指數為20.2左右，與傳統注漿材料中的膨潤土相比，相差不大。塑性指數在一定程度上綜合反映了影響粘性土特征的各種重要指標。塑性指數愈大，表明土的顆粒愈細，比表面積愈大，土的粘粒或親水礦物(如蒙脫石)含量愈高，土處在可塑狀態的含水量變化范圍就愈大。盾構尾砂塑性指數越大，漿液的穩定性好，粘聚性增大對改善材料的保水性具有很大的益處。20~30wt%的含泥量及其良好的塑性指數決定了盾構尾砂中的泥質成分能夠取代傳統同步注漿材料中的膨潤土。
[0030]盾構尾砂中的砂質成分的細度模數在1.6~2.3，平均粒徑大約在0.3mm左右，可以與河砂中的細砂相比，非常適宜用來做同步注漿材料的集料。同時70~80wt%的含沙量也決定了盾構尾砂中的砂質成分能夠取代傳統同步注漿材料中的河砂。
[0031]上述分析和實驗結果表明:盾構尾砂的加入完全可以取代傳統同步注漿材料中的膨潤土和河砂。
[0032]利用盾構尾砂制備早強微膨脹的同步注漿材料，其微膨脹機理如下:
[0033]摻入的生石灰與方鎂石的主要成分為CaO與MgO,它們發生水化反應生成Ca(OH)2與Mg(OH)2時，這兩種晶體的生成和長大會產生體積膨脹，其中CaO水化速度比MgO快，方鎂石在漿液中CaO與水泥水化生成的Ca(OH)2堿性環境下會加快水化速度，在水化后期依然會有微膨脹作用，補償膠凝產物水化導致的體積收縮。CaO與水泥水化生成的Ca (OH) 2還會進而給激發超細沸石粉與偏高嶺土的水化活性提供堿性環境。
[0034]利用盾構尾砂制備早強微膨脹的同步注漿材料，其早強機理如下:
[0035]在進行灌注前，將稱量配置好的磷酸鹽溶液摻入到待灌漿液中，灌漿液中的PO43-會與漿液中尚未進行水化的MgO發生化合反應，以磷酸二氫鉀為例，反應方程式為:Mg0+KH2P04+5H20=MgKP04.6H20，該反應進行的非常快，并且能加速膠凝材料的水化速度，通常在15~30min就能具有一定的早期強度，達到需要早強同步注漿材料的施工要求，在不同施工條件下，調節方鎂石與磷酸鹽的摻量與比例可以控制其凝結速度與凝結時間。
[0036]此外，利用盾構尾砂制備的早強微膨脹同步注漿材料還具備抗水分散性能與較好的工作性能，利用聚合物在水中溶解時，長鏈上的羥基和醚鍵上的氧原子與水分子締合成氫鍵，使水失去流動性，游離水不再“自由”，致使溶液變稠，達到抗水分散的目的；而高效減水劑的摻入則能大大改善漿液的流動性能與泵送性能。
[0037]本發明的有益效果:
[0038](I)本發明利用盾構尾砂制備的早強微膨脹同步注漿材料，該同步注漿材料的早期強度Id≥lMPa，28d≥4MPa，滿足早強注漿材料的強度要求；90d自由膨脹率2.3~
4.9 X 10_4，具有補償收縮微膨脹性能；同時稠度:9.1~10.4cm，流動度> 18cm，流動度損失小，泌水率< 2%，具有良好的工作性能；pH值< 9，28d水陸強度比> 80%，具有良好的抗水分散性能；
[0039](2)本發明合理的利用了盾構施工過程中帶出的地下尾砂(即盾構尾砂)，遵循環境友好戰略及可持續發展戰略；且配料簡單，制造成本低，生產容易，和易性能好，能滿足注漿設備的要求；此外，施工管理方便，在正常的注漿壓力下，保證注漿量，填充盾尾空隙，能防止地層向隧道方向移動，減小地層損失，有效控制地面沉降。
【具體實施方式】
[0040]為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實例。
[0041]實施例1-7
[0042]一種利用盾構尾砂取代膨潤土及河砂制備的盾構隧道同步注漿材料，其制備方法包括如下步驟:
[0043](I)按重量配比稱取組分原料:水泥、超細沸石粉、偏高嶺土、生石灰、方鎂石、磷酸鹽、聚合物、盾構尾砂、高效減水劑和水，各組分配比具體見下表2 ；
[0044](2)將水泥、超細沸石粉、偏高嶺土、生石灰、方鎂石和聚合物混合均勻，再加入盾構尾砂，一起干拌3分鐘后，得到干混料；
[0045](3)將高效減水劑溶于水并攪拌均勻后加入到步驟(2)所述干混料中，再混合攪拌3分鐘后，得到漿液，該漿液存放時應保持持續的攪拌；
[0046](4)將磷酸鹽配置成質量濃度為10%-50%的磷酸鹽溶液，在灌注前加入到步驟
(3)所述的漿液中，再攪拌半分鐘后，得到同步注漿材料，立即灌注。
[0047]實施例1-7中，所述盾構尾砂在使用前按GB/T14684-2001《建筑用砂》所規定方法測定尾砂的含水量、含沙量、塑性指數和細度模數，測試結果見下表I。
[0048]表I盾構尾砂的性能
[0049]
【權利要求】
1.一種利用盾構尾砂制備的早強微膨脹同步注漿材料，其特征在于，它由下述組分組成:膠凝材料、生石灰、方鎂石、磷酸鹽、聚合物、盾構尾砂、高效減水劑和水，各組分的重量配比(kg/m3)為:膠凝材料:250-350，生石灰:0-60，方鎂石:0-60，磷酸鹽:0-15，高效減水劑:1-2.8，聚合物:0.5-2.6，盾構尾砂:850-1100，水:205-475 ;其中，所述膠凝材料由水泥、超細沸石粉和偏高嶺土組成，各組分重量百分比(wt%)為:水泥:5-89，超細沸石粉:5-89，偏高嶺土:5-89 ;所述生石灰、方鎂石和磷酸鹽的重量配比不能同時為0，當生石灰的重量配比為O時，方鎂石和磷酸鹽的重量配比均不能為O ;當生石灰的重量配比不為O時，方鎂石和磷酸鹽的重量配比可以同時為O。
2.根據權利要求1所述同步注漿材料，其特征在于所述同步注漿材料的各組分重量配t匕(kg/m3)優選為:膠凝材料:250-300，生石灰:30-60，方鎂石:20-60，磷酸鹽:5-15，高效減水劑:1.5-2.2，聚合物:1-1.8，盾構尾砂:850-1050，水:205-475 ;其中所述膠凝材料的各組分重量百分比(wt%)為:水泥:5-89，超細沸石粉:5-89，偏高嶺土:5 -89。
3.根據權利要求1或2所述同步注漿材料，其特征在于所述盾構尾砂的含泥量為20-30wt%,其塑性指數在20.0-20.3 ;所述盾構尾砂的含沙量70-80wt%，其細度模數為1.6 -2.3。
4.根據權利要求1或2所述同步注漿材料，其特征在于所述水泥為普通硅酸鹽水泥，其比表面積大于350m2/kg。
5.根據權利要求1或2所述同步注漿材料，其特征在于所述超細沸石粉的粒度為0.075mm方孔篩篩余< 2%。
6.根據權利要求1或2所述同步注漿材料，其特征在于所述磷酸鹽為可溶性磷酸鹽，優選磷酸銨或磷酸二氫鉀。
7.根據權利要求1或2所述同步注漿材料，其特征在于所述高效減水劑為:萘系高效減水劑、聚竣酸系聞效減水劑、氣基橫酸系聞效減水劑、或二聚氛胺系聞效減水劑。
8.根據權利要求1或2所述同步注漿材料，其特征在于所述聚合物為:羥甲基纖維素、羥乙基纖維素、聚丙烯酰胺、或VAE膠粉。
9.權利要求1或2所述一種利用盾構尾砂制備的早強微膨脹同步注漿材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)按各組分的重量配比(kg/m3)稱取水泥、超細沸石粉、偏高嶺土、生石灰、方鎂石、磷酸鹽、聚合物、盾構尾砂、高效減水劑和水； (2)將水泥、超細沸石粉、偏高嶺土、生石灰、方鎂石和聚合物混合均勻，再加入盾構尾砂，一起干拌3分鐘后，得到干混料； (3)將高效減水劑溶于水并攪拌均勻后加入到步驟(2)所述干混料中，再混合攪拌3分鐘后，得到漿液，該漿液存放時應保持持續的攪拌； (4)將磷酸鹽配置成質量濃度為10%-50%的磷酸鹽溶液，在灌注前加入到步驟(3)所述的漿液中，再攪拌半分鐘后，得到同步注漿材料，立即灌注。
10.根據權利要求9所述制備方法，其特征在于所述盾構尾砂在使用前需進行含泥量與含沙量的測定，若含泥量為20-30wt%，含沙量為70-80wt%，則直接使用；若含泥量偏高，則需加入適量河砂矯正至盾構尾砂的含沙量為70-80wt%。
【文檔編號】C04B28/00GK103449762SQ201310322226
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年7月29日 優先權日:2013年7月29日
【發明者】胡曙光, 徐建平, 周少東, 丁慶軍, 林文書, 王紅喜, 黃修林, 徐海清, 林建平, 許可, 田焜, 王彪, 弓子成 申請人:武漢理工大學, 武漢地鐵集團有限公司