一种利用盾构尾砂制备的早强微膨胀同步注浆材料及其制备方法
【专利摘要】本发明属于无机非金属建筑材料类，具体涉及到一种盾构隧道同步注浆材料及其制备方法。本发明中同步注浆材料的组分及其重量配比(kg/m3)为：胶凝材料：250～350，生石灰：0～60，方镁石：0～60，磷酸盐：0～15，高效减水剂：1～2.8，聚合物：0.5～2.6，盾构尾砂：850～1100，水：205～475。本发明利用盾构尾砂制备的同步注浆材料具有良好的早期强度、微膨胀性能、工作性能和抗水分散性能；本发明合理利用了盾构施工过程中带出的地下尾砂，减少对环境的影响；且配料简单，制造成本低，生产容易，和易性能好，能满足注浆设备的要求。
【专利说明】一种利用盾构尾砂制备的早强微膨胀同步注浆材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无机非金属建筑材料类，具体涉及到一种盾构隧道同步注浆材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着世界经济飞速发展，城市地铁在世界各地得到了迅猛的发展。然而持续增加的地铁隧道需要穿越大量的地下管线、建筑物，以及各种复杂地层，尤其是当遇到高含水量的软粘土地层、高液化程度的砂层，地下隧道工程面临着巨大的挑战，同步注浆作为盾构法施工中重要的工艺，盾构隧道同步注浆材料的研究就显的特别重要。现行的同步注浆材料主要分为单液、双液以及化学浆材，单液注浆材料一般抗溶蚀性能低、易受地下水稀释、早期强度低、易分层离析、自收缩大，不能很好的满足人们对大型隧道工程的要求；双液注浆材料价格昂贵，施工过程较复杂、难以控制；化学浆材价格昂贵，且对环境有一定的危害。
[0003]此外，盾构法施工过程中会带出大量的地下尾砂(即盾构尾砂)，无论采用何种手段，处理这些盾构尾砂都会消耗大量的人力物力，并挤占城市空间，对生活环境造成不利影响。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种利用盾构尾砂制备的早强微膨胀同步注浆材料及其制备方法。
[0005]一种利用盾构尾砂制备的早强微膨胀同步注浆材料，它由下述组分组成:胶凝材料、生石灰、方镁石、磷酸盐、聚合物、盾构尾砂、高效减水剂和水，各组分的重量配比(kg/m3)为:胶凝材料:250-350，生石灰:0-60，方镁石:0-60，磷酸盐:0-15，高效减水剂:1-2.8，聚合物:0.5-2.6， 盾构尾砂:850-1100，水:205-475 ;其中胶凝材料由水泥、超细沸石粉和偏高岭土组成，各组分重量百分比(wt%)为:水泥:5-89，超细沸石粉:5-89，偏高岭土:5-89 ;所述生石灰、方镁石和磷酸盐的重量配比不能同时为0，当生石灰的重量配比为O时，方镁石和磷酸盐的重量配比均不能为O ;当生石灰的重量配比不为O时，方镁石和磷酸盐的重量配比可以同时为O。
[0006]上述方案中，各组分的优选重量配比(kg/m3)为:胶凝材料:250-300，生石灰:30-60，方镁石:20-60，磷酸盐:5-15，高效减水剂:1.5-2.2，聚合物:1-1.8，盾构尾砂:850 -1050，水:205 -475。
[0007]上述方案中，所述水泥为P.042.5普通硅酸盐水泥，其比表面积大于350m2/kg，比表面积的测定方法为:《GB/T8074-2008水泥比表面积测定方法(勃氏法)》。
[0008]上述方案中，所述超细沸石粉为:将天然沸石粉经过研磨超细处理后，制成0.075mm方孔筛筛余< 2%的超细沸石粉。
[0009]上述方案中，所述偏高岭土是由高岭土经750°C煅烧6h制备而成，其比表面积为800-900m2/kg，比表面积的测定方法为:《GB/T8074-2008水泥比表面积测定方法(勃氏法)》。
[0010]上述方案中，所述生石灰为市售生石灰，其CaO的含量> 60%。
[0011]上述方案中，所述方镁石为电炉或工业窑煅烧的MgO。
[0012]上述方案中，所述磷酸盐为可溶性磷酸盐，优选磷酸铵或磷酸二氢钾。
[0013]上述方案中，所述闻效减水剂为:蔡系闻效减水剂、聚竣酸系闻效减水剂、氣基横酸系闻效减水剂、或二聚氰1胺系闻效减水剂。
[0014]上述方案中，所述聚合物为:羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、或VAE胶粉。
[0015]上述方案中，所述盾构尾砂的含泥量为20-30wt%，其塑性指数在20.2左右；所述盾构尾砂的含沙量70-80wt%，其细度模数1.6-2.3。
[0016]一种利用盾构尾砂制备的早强微膨胀同步注浆材料的制备方法，包括如下步骤:
[0017](I)按各组分的重量配比(kg/m3)称取水泥、超细沸石粉、偏高岭土、生石灰、方镁石、磷酸盐、聚合物、盾构尾砂、高效减水剂和水；
[0018](2)将水泥、超细沸石粉、偏高岭土、生石灰、方镁石和聚合物混合均匀，再加入盾构尾砂，一起干拌3分钟后，得到干混料；
[0019](3)将高效减水剂溶于水并搅拌均匀后加入到步骤(2)所述干混料中，再混合搅拌3分钟后，得到浆液，该浆液存放时应保持持续的搅拌；
[0020](4)将磷酸盐配置成质量浓度为10%-50%的磷酸盐溶液，在灌注前加入到步骤
(3)所述的浆液中，再搅拌半分钟后，得到同步注浆材料，立即灌注。
[0021]上述方案中，所述盾构尾砂在使用前需进行含泥量与含沙量的测定，若含泥量为20-30wt%，含沙量为70-80wt%，则直接使用该盾构尾砂；若含泥量偏高，则需加入适量河砂矫正至盾构尾砂的含沙量为70-80wt%。
[0022]本发明中，通过调节减水剂掺量、水胶比和水泥用量可以控制浆液成型后的强度，以适应不同地层对浆液的要求；通过调节生石灰、方镁石与磷酸盐的掺量与比例可以调节注浆材料的凝结时间与自由膨胀率，以适应不同施工情况的要求；通过调节聚合物掺量可以有效控制浆液的工作性能，以适应不同施工条件对浆液工作性能的要求。
[0023]本发明中胶凝材料的水化过程如下:生石灰和轻烧方镁石遇水后发生水化反应生成Ca (OH) 2与Mg (OH)2,随着水泥水化的持续进行浆液中的0H—浓度逐渐增大，超细沸石粉与偏高岭土在碱性环境下开始激发出活性，其中的[SiO4]四面体与[AlO4]四面体中的S1-O与Al-O键断裂形成有活性的前驱体，解构反应方程式为:
[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]随着解构后的[310(0!1)3]-与[Al (OH)4]_的不断增多，会与浆液中的Ca2+反应结合生成水化硅酸钙与水化铝酸钙，此外单体还会发生缩聚反应形成三维硅铝质解构的水化产物，不断交织连生聚合，产生高强度无序的结构网络。在网络结构中，Al3+取代Si4+后，在氯离子的周围带负电荷，为了平衡负电荷，带正电荷的Na+、Ca2+等碱离子充填在胶凝体的通道中，从而获得相对稳定的凝胶体结构，生成具有抗水性的(Na，Ca)-S1-Al-H的类沸石物质，化学结合住Ca2+离子。这步反应会逐渐消耗浆液中的Ca (OH) 2，从而进一步促进水泥水化过程。
[0028]盾构尾砂能够取代传统注浆材料中的膨润土与河砂的原理如下:
[0029]盾构尾砂的主要成分为泥质粘土和细砂，其含泥量约为20~30wt%，含沙量约为70~80wt%。其中泥质成分的液限为32.5，塑限为12.3，塑性指数为20.2左右，与传统注浆材料中的膨润土相比，相差不大。塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要指标。塑性指数愈大，表明土的颗粒愈细，比表面积愈大，土的粘粒或亲水矿物(如蒙脱石)含量愈高，土处在可塑状态的含水量变化范围就愈大。盾构尾砂塑性指数越大，浆液的稳定性好，粘聚性增大对改善材料的保水性具有很大的益处。20~30wt%的含泥量及其良好的塑性指数决定了盾构尾砂中的泥质成分能够取代传统同步注浆材料中的膨润土。
[0030]盾构尾砂中的砂质成分的细度模数在1.6~2.3，平均粒径大约在0.3mm左右，可以与河砂中的细砂相比，非常适宜用来做同步注浆材料的集料。同时70~80wt%的含沙量也决定了盾构尾砂中的砂质成分能够取代传统同步注浆材料中的河砂。
[0031]上述分析和实验结果表明:盾构尾砂的加入完全可以取代传统同步注浆材料中的膨润土和河砂。
[0032]利用盾构尾砂制备早强微膨胀的同步注浆材料，其微膨胀机理如下:
[0033]掺入的生石灰与方镁石的主要成分为CaO与MgO,它们发生水化反应生成Ca(OH)2与Mg(OH)2时，这两种晶体的生成和长大会产生体积膨胀，其中CaO水化速度比MgO快，方镁石在浆液中CaO与水泥水化生成的Ca(OH)2碱性环境下会加快水化速度，在水化后期依然会有微膨胀作用，补偿胶凝产物水化导致的体积收缩。CaO与水泥水化生成的Ca (OH) 2还会进而给激发超细沸石粉与偏高岭土的水化活性提供碱性环境。
[0034]利用盾构尾砂制备早强微膨胀的同步注浆材料，其早强机理如下:
[0035]在进行灌注前，将称量配置好的磷酸盐溶液掺入到待灌浆液中，灌浆液中的PO43-会与浆液中尚未进行水化的MgO发生化合反应，以磷酸二氢钾为例，反应方程式为:Mg0+KH2P04+5H20=MgKP04.6H20，该反应进行的非常快，并且能加速胶凝材料的水化速度，通常在15~30min就能具有一定的早期强度，达到需要早强同步注浆材料的施工要求，在不同施工条件下，调节方镁石与磷酸盐的掺量与比例可以控制其凝结速度与凝结时间。
[0036]此外，利用盾构尾砂制备的早强微膨胀同步注浆材料还具备抗水分散性能与较好的工作性能，利用聚合物在水中溶解时，长链上的羟基和醚键上的氧原子与水分子缔合成氢键，使水失去流动性，游离水不再“自由”，致使溶液变稠，达到抗水分散的目的；而高效减水剂的掺入则能大大改善浆液的流动性能与泵送性能。
[0037]本发明的有益效果:
[0038](I)本发明利用盾构尾砂制备的早强微膨胀同步注浆材料，该同步注浆材料的早期强度Id≥lMPa，28d≥4MPa，满足早强注浆材料的强度要求；90d自由膨胀率2.3~
4.9 X 10_4，具有补偿收缩微膨胀性能；同时稠度:9.1~10.4cm，流动度> 18cm，流动度损失小，泌水率< 2%，具有良好的工作性能；pH值< 9，28d水陆强度比> 80%，具有良好的抗水分散性能；
[0039](2)本发明合理的利用了盾构施工过程中带出的地下尾砂(即盾构尾砂)，遵循环境友好战略及可持续发展战略；且配料简单，制造成本低，生产容易，和易性能好，能满足注浆设备的要求；此外，施工管理方便，在正常的注浆压力下，保证注浆量，填充盾尾空隙，能防止地层向隧道方向移动，减小地层损失，有效控制地面沉降。
【具体实施方式】
[0040]为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实例。
[0041]实施例1-7
[0042]一种利用盾构尾砂取代膨润土及河砂制备的盾构隧道同步注浆材料，其制备方法包括如下步骤:
[0043](I)按重量配比称取组分原料:水泥、超细沸石粉、偏高岭土、生石灰、方镁石、磷酸盐、聚合物、盾构尾砂、高效减水剂和水，各组分配比具体见下表2 ；
[0044](2)将水泥、超细沸石粉、偏高岭土、生石灰、方镁石和聚合物混合均匀，再加入盾构尾砂，一起干拌3分钟后，得到干混料；
[0045](3)将高效减水剂溶于水并搅拌均匀后加入到步骤(2)所述干混料中，再混合搅拌3分钟后，得到浆液，该浆液存放时应保持持续的搅拌；
[0046](4)将磷酸盐配置成质量浓度为10%-50%的磷酸盐溶液，在灌注前加入到步骤
(3)所述的浆液中，再搅拌半分钟后，得到同步注浆材料，立即灌注。
[0047]实施例1-7中，所述盾构尾砂在使用前按GB/T14684-2001《建筑用砂》所规定方法测定尾砂的含水量、含沙量、塑性指数和细度模数，测试结果见下表I。
[0048]表I盾构尾砂的性能
[0049]
【权利要求】
1.一种利用盾构尾砂制备的早强微膨胀同步注浆材料，其特征在于，它由下述组分组成:胶凝材料、生石灰、方镁石、磷酸盐、聚合物、盾构尾砂、高效减水剂和水，各组分的重量配比(kg/m3)为:胶凝材料:250-350，生石灰:0-60，方镁石:0-60，磷酸盐:0-15，高效减水剂:1-2.8，聚合物:0.5-2.6，盾构尾砂:850-1100，水:205-475 ;其中，所述胶凝材料由水泥、超细沸石粉和偏高岭土组成，各组分重量百分比(wt%)为:水泥:5-89，超细沸石粉:5-89，偏高岭土:5-89 ;所述生石灰、方镁石和磷酸盐的重量配比不能同时为0，当生石灰的重量配比为O时，方镁石和磷酸盐的重量配比均不能为O ;当生石灰的重量配比不为O时，方镁石和磷酸盐的重量配比可以同时为O。
2.根据权利要求1所述同步注浆材料，其特征在于所述同步注浆材料的各组分重量配t匕(kg/m3)优选为:胶凝材料:250-300，生石灰:30-60，方镁石:20-60，磷酸盐:5-15，高效减水剂:1.5-2.2，聚合物:1-1.8，盾构尾砂:850-1050，水:205-475 ;其中所述胶凝材料的各组分重量百分比(wt%)为:水泥:5-89，超细沸石粉:5-89，偏高岭土:5 -89。
3.根据权利要求1或2所述同步注浆材料，其特征在于所述盾构尾砂的含泥量为20-30wt%,其塑性指数在20.0-20.3 ;所述盾构尾砂的含沙量70-80wt%，其细度模数为1.6 -2.3。
4.根据权利要求1或2所述同步注浆材料，其特征在于所述水泥为普通硅酸盐水泥，其比表面积大于350m2/kg。
5.根据权利要求1或2所述同步注浆材料，其特征在于所述超细沸石粉的粒度为0.075mm方孔筛筛余< 2%。
6.根据权利要求1或2所述同步注浆材料，其特征在于所述磷酸盐为可溶性磷酸盐，优选磷酸铵或磷酸二氢钾。
7.根据权利要求1或2所述同步注浆材料，其特征在于所述高效减水剂为:萘系高效减水剂、聚竣酸系闻效减水剂、氣基横酸系闻效减水剂、或二聚氛胺系闻效减水剂。
8.根据权利要求1或2所述同步注浆材料，其特征在于所述聚合物为:羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、或VAE胶粉。
9.权利要求1或2所述一种利用盾构尾砂制备的早强微膨胀同步注浆材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)按各组分的重量配比(kg/m3)称取水泥、超细沸石粉、偏高岭土、生石灰、方镁石、磷酸盐、聚合物、盾构尾砂、高效减水剂和水； (2)将水泥、超细沸石粉、偏高岭土、生石灰、方镁石和聚合物混合均匀，再加入盾构尾砂，一起干拌3分钟后，得到干混料； (3)将高效减水剂溶于水并搅拌均匀后加入到步骤(2)所述干混料中，再混合搅拌3分钟后，得到浆液，该浆液存放时应保持持续的搅拌； (4)将磷酸盐配置成质量浓度为10%-50%的磷酸盐溶液，在灌注前加入到步骤(3)所述的浆液中，再搅拌半分钟后，得到同步注浆材料，立即灌注。
10.根据权利要求9所述制备方法，其特征在于所述盾构尾砂在使用前需进行含泥量与含沙量的测定，若含泥量为20-30wt%，含沙量为70-80wt%，则直接使用；若含泥量偏高，则需加入适量河砂矫正至盾构尾砂的含沙量为70-80wt%。
【文档编号】C04B28/00GK103449762SQ201310322226
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年7月29日 优先权日:2013年7月29日
【发明者】胡曙光, 徐建平, 周少东, 丁庆军, 林文书, 王红喜, 黄修林, 徐海清, 林建平, 许可, 田焜, 王彪, 弓子成 申请人:武汉理工大学, 武汉地铁集团有限公司