一种新型水泥基抗冲膏浆及其制备方法与流程

本发明涉及水泥基膏浆工艺领域，具体涉及一种新型水泥基抗冲膏浆及其制备方法。

背景技术：

随着社会经济的不断发展，大型水利水电工程建设蓬勃发展，但随之而来的坝基或者围堰的渗漏问题时有发生，灌浆是解决此类问题行之有效的方法之一。灌浆是将具有充填胶结性能的材料，通过设备注入到地层的裂隙或者孔洞中，待浆液凝结硬化，形成强度高、抗渗性能好、具有良好耐久性的“浆液结石体”^[1,2]，以达到填充加固、防渗堵漏的目的。

以往涉及基础加固堵漏施工的灌浆材料主要有两类，一是在水泥浆中掺加一定量的辅助材料搅拌而成的传统膏浆，二是将一定的化学材料配制成的溶液。传统水泥基膏浆主要在素水泥浆中添加膨润土、粉煤灰和一定量的减水剂，提高其屈服强度，使其具备一定的保水性和抗冲刷能力。传统水泥基膏浆的缺点是添加剂用量大，耐冲性能相对较弱，在大渗漏和高压力、大流量涌水地层条件下无法形成有效的防渗帷幕^[3]，技术经济性差。化学浆材与传统膏浆相比具有一些优点，如凝结时间短，可灌性好，可以快速达到高强度，但其缺点是成本高，且对环境会造成污染^[4]。

近年来，针对大流量涌水的复杂地层地质条件，用于改善水泥基灌浆材料性能的外加剂^[5]逐渐被提出，主要有两种，一种是用来调节水泥膏浆凝结时间的速凝剂^[6]，另一种是用来调节水泥膏浆流动性、力学强度以及抗冲性能的絮凝剂^[7]。速凝剂的作用机理主要是速凝剂各组分之间以及各组分与水泥中的石膏、矿物成分之间发生的一系列的化学反应。目前市场上的速凝剂按其组成可分为两类：无机速凝剂和有机高分子速凝剂。絮凝剂又称增粘剂，根据絮凝剂在拌和物中的物理作用，可将絮凝剂分为五类。絮凝剂的作用机理主要是凝聚和絮凝两个反应过程^[8,9]。相对于传统的水泥基膏浆，新出的外加剂单一使用情况下对水泥的性能起到了很大的改善作用^[10]，但是，工程实践表明，单一添加剂的水泥基膏浆在涌水压力为6mpa的断层、裂隙、溶洞堵漏处理中，流失率高达60％以上^[11]，技术经济效果难以满足工程要求。

总体来看，单一添加剂难以满足大流量涌水冲刷情况,同时,若采用多种添加剂的复配膏浆，采用哪些添加剂、添加量以及添加剂复配效果尚需要进行系统的试验与实践工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述背景技术存在的缺陷，提供新型水泥基抗冲膏浆及其制备方法。

本发明的第一个技术方案是：一种新型水泥基抗冲膏浆，组成如下：

在水灰比为0.48～0.51的素水泥浆液体系中，阳离子聚丙烯酰胺1wt％,羟乙基纤维素醚2wt％,sn-7速凝剂1wt％，

其中：wt％是剂量单位，代表添加剂掺量所占水泥重量百分比；

所述sn-7速凝剂化学成分为：减水剂2％、偏铝酸钠81％、硅酸钙12％及铁铝酸钠5％。

优选水灰比为0.5:1。

本发明的第二个技术方案是：一种新型水泥基抗冲膏浆制备方法，水泥基抗冲膏浆组成如上所述，具体方法步骤如下：

①将0.4kgsn-7速凝剂和10l水加入到搅拌机中，开启搅拌机，搅拌超过一分钟之后形成溶液；

②在水灰比为0.48～0.51的素水泥浆液体系中，按照阳离子聚丙烯酰胺1wt％,羟乙基纤维素醚2wt％,sn-7速凝剂1wt％配比，倒入水泥40kg、10l水以及上述两种絮凝剂，其中阳离子聚丙烯酰胺0.4kg，羟乙基纤维素醚0.8kg，搅拌一分钟后，静置30s；

③将步骤①和②浆液混合，再次搅拌1分钟，使浆材中各种成分充分混合，即得到新型水泥基抗冲膏浆。

与现有技术相比，本发明具有的优点：

1、现有的速凝剂和絮凝剂通常只能改善水泥膏浆某种性质，如初凝时间、塑性粘度等，其缺点是某种性能的改善可能会以牺牲甚至损害另一方面的性能为代价，不能同时实现多方面性能的优化目标。本发明优选水灰比为0.5:1的素水泥浆液体系，将一种新型速凝剂和两种絮凝剂以不同的剂量组合掺入到水泥中配制试样，采用田口方法设计出三因素三水平正交试验方案，主要观测试样的屈服应力和塑性粘度性能，因为屈服应力决定了膏浆的流动性，塑性粘度决定了膏浆的抗冲能力。利用多因素方差分析和灰色关联度评估方法，提炼出同时满足屈服应力和塑性粘度优化指标的新型水泥基抗冲膏浆配方。

2、本发明使用的两种絮凝剂分别是阳离子聚丙烯酰胺和羟乙基纤维素醚，速凝剂是sn-7。经测量，优选出的膏浆配方屈服应力413pa,塑性粘度为442mpa·s，初凝时间为79min，终凝时间为162min，见表4。该试验结果表明，该新型膏浆具备卓越的水下不分散性和抗水流稀释性。

3、在室内抗冲模拟试验中，新型水泥基抗冲膏浆发挥出色，对于玻璃板底层，随着水流冲刷速度增加，浆液的留存率在减少，如表5所示，但水流速度达到1.5m/s时，膏浆的留存率高达78％，远高于现有的水泥基膏浆。

4、如表4所示，留存浆液的流动性以及长期抗压强度(流动性以流动台法中的扩散直径作为评价指标)结果显示新开发的灌浆材料具备较好的可灌性，且长期强度和抗渗性能满足工程要求。

附图说明

图1为新型水泥基抗冲膏浆工艺流程图。

图2为新型水泥基抗冲膏浆屈服应力信噪比均值主效应图:(a)阳离子聚丙烯酰胺；(b)羟乙基纤维素醚；(c)sn-7速凝剂。

图3为新型水泥基抗冲膏浆塑性粘度信噪比均值主效应图:(a)阳离子聚丙烯酰胺；(b)羟乙基纤维素醚；(c)sn-7速凝剂。

图4为室内抗冲试验模型结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。

本发明一种新型水泥基抗冲膏浆，其组成如下：

在水灰比为0.48～0.51的素水泥浆液体系中，阳离子聚丙烯酰胺1wt％,羟乙基纤维素醚2wt％,sn-7速凝剂1wt％，

其中：wt％是剂量单位，代表添加剂掺量所占水泥重量百分比；

所述sn-7速凝剂化学成分为：减水剂2％、偏铝酸钠81％、硅酸钙12％及铁铝酸钠5％。

如图1所示，为一种新型水泥基抗冲膏浆工艺流程，包括如下步骤：首先采用十种速凝剂和七种絮凝剂与水泥浆的单掺和复配实验，其中有一部分外加剂由于复配效果不理想，成本过高，或者某些性能如长期抗压强度不达标而被淘汰，于是筛选出一种新型速凝剂和两种絮凝剂做进一步分析，新型速凝剂sn-7的化学组成见表1。考虑速凝剂对膏浆初凝时间的影响和絮凝剂对膏浆流动性与长期抗压强度的影响，结合各种外加剂产品技术规范的使用建议，在待定范围内进行复配实验，主要考量膏浆的初凝时间、流动性以及抗压强度，确定外加剂的剂量临界点，使膏浆的各项性能指标保持在相对较出色的水平且不出现大的波动；

初选试验确定本膏浆选用絮凝剂为阳离子聚丙烯酰胺和羟乙基纤维素醚组合，选定速凝剂为sn-7。其中，各外加剂添加量范围如表2所示，wt％是剂量单位，代表添加剂掺量所占水泥重量百分比。

表1速凝剂sn-7的化学成分

表2复配试验推荐添加剂用量范围

其次，配比设计：选择水灰比为0.48～0.51的素水泥浆液体系，把三种外加剂看作三个影响因素，根据上述步骤(1)确定的剂量范围把每种外加剂在水泥中的掺入量划分为三个层次，基于田口方法对各组内的三种外加剂的添加量进行交叉组合，配制了九批试样，测量每批试样的屈服应力和塑性粘度，每批试样取六次测量的平均值作为该批次试验的结果，详细配比方案如表3所示；

表3新型水泥基抗冲膏浆正交试验设计

再次，复配效果优化：外加剂的复配效果做进一步的优化研究，将实验数据输入到minitab17中进行多因素方差分析，得到各因素对屈服应力与塑性粘度性能指标的影响程度并分析其内在作用机理，本发明对膏浆的屈服应力与塑性粘度的期望都是越大越好，在统计学中称为“望大”，在对膏浆流变性能数据进行处理的时候需要转换为信噪比，以便更加准确明朗地辨认外加剂的使用效果。利用minitab17中的信噪比均值主效应图(如图2、3所示)找到分别对应最优屈服应力和最优塑性粘度的复配方案，当以屈服应力和以塑性粘度为优化目标的筛选结果不同时，采用灰色关联度分析方法评价膏浆在两项属性上的综合表现，得到兼顾屈服应力与塑性粘度的最佳终选方案，最佳终选方案为：在水灰比为0.5:1的素水泥浆液体系中，阳离子聚丙烯酰胺1wt％,羟乙基纤维素醚2wt％,sn-7速凝剂1wt％，wt％是剂量单位，代表添加剂掺量所占水泥质量比例；

本发明新型水泥基抗冲膏浆制备方法，制备具体步骤包括：

①将0.4kgsn-7速凝剂和10l水加入到搅拌机中，开启搅拌机，搅拌超过一分钟之后形成溶液；

②在水灰比为0.48～0.51的素水泥浆液体系中，按照阳离子聚丙烯酰胺1wt％,羟乙基纤维素醚2wt％,sn-7速凝剂1wt％配比，倒入水泥40kg、10l水以及上述两种絮凝剂，其中阳离子聚丙烯酰胺0.4kg，羟乙基纤维素醚0.8kg，搅拌一分钟后，静置30s；

③将上述步骤①和②浆液混合，再次搅拌1分钟，使浆材中各种成分充分混合，即得到新型水泥基抗冲膏浆；

本发明使用的两种絮凝剂分别是阳离子聚丙烯酰胺和羟乙基纤维素醚，速凝剂是sn-7。经测量，优选出的膏浆配方屈服应力413pa,塑性粘度为442mpa·s，初凝时间为79min，终凝时间为162min，见表4。该试验结果表明，本发明水泥基膏浆具备卓越的水下不分散性和抗水流稀释性。

表4新型水泥基抗冲膏浆的特征参数

最后，抗冲性能检验：构造室内抗冲试验装置^[12]对优选出的复配膏浆进行抗冲能力检验，每批试样取三次试验的平均值作为检验结果，室内抗冲试验装置如图4所示，采用长×宽×高＝3.0m×0.5m×0.5m的试验水槽,模型用高强钢化玻璃和角钢拼接而成,水槽上方完全敞开。抗冲模拟试验水槽内下垫层选取了玻璃板底层，为使冲刷水流均匀，在膏浆注入区域之前设置了整流栅。在有机玻璃水槽上方以5l/min的注入率灌入研制出的新型膏浆，同时在水槽一侧泵入水流，水流速度分别为0.2、0.4、0.7、1.0和1.5m/s，水泥膏浆从开始到结束注入中间持续时间20s，水流从开始到结束喷涌持续时间5min，停止冲刷后以水槽中残留的新型膏浆占总灌入的膏浆比例作为抗冲性能的评价指标。

在室内抗冲模拟试验中，本发明水泥基抗冲膏浆发挥出色，对于玻璃板底层，随着水流冲刷速度增加，浆液的留存率在减少，如表5所示，但水流速度达到1.5m/s时，膏浆的留存率高达78％，远高于现有的水泥基膏浆。

此外，测量了留存浆液的流动性以及长期抗压强度(流动性以流动台法中的扩散直径作为评价指标)，如表4所示，结果显示新开发的灌浆材料具备较好的可灌性，且长期强度和抗渗性能满足工程要求。

表5新型水泥基膏浆抗冲模拟试验结果

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

参考文献：

[1]张凤祥.土建注浆施工与效果检测[m].上海:同济大学出版社,1998.

[2]王红霞,王星,何廷树,等.灌浆材料的发展历程及研究进展[j].混凝土,2008,(10):31-33.

[3]axelssonm.mechanicaltestsonanewnon-cementitiousgrout,silicasol:alaboratorystudyofthematerialcharacteristics.tunnellingandundergroundspacetechnology.21(2006)554-560.

[4]vikea,sverdrupl,kelleya,storhaugr,beitnesa,bogek,grepstadgk,andtveitenv.experiencesfromenvironmentalriskmanagementofchemicalgroutingagentsusedduringconstructionoftheromeriksportentunnel.tunnelingandundergroundspacetechnology,vol.15,no.4,2000,pp.369-378.

[5]马清浩.一种水泥速凝剂及其制备方法[p].中国专利:cn106587699a,2017-04-26.

[6]cristelon,soarese,rosai,mirandat,oliveiradv,silvara,chaves

a.rheologicalpropertiesofalkalineactivatedflyashusedinjetgroutingapplications.constructionandbuildingmaterials.48(2013)925-933.

[7]khayatkh.viscosity-enhancingadmixturesforcement-basedmaterials-anoverview.cement&concretecomposites.20(1998)171-188

[8]zemmourih,drouicheam,sayeha,lounicih,mamerin.coagulationflocculationtestofkeddara'swaterdamusingchitosanandsulfatealuminium.procediaengineering.33(2012)254-260.

[9]hughesma,coagulationandflocculationparti,in:svarovskyl,solid-liquidseparation(fourthedition),butterworth-heinemann,oxford,2001,pp.104-129.

[10]肖恩尚.一种水泥膏浆及其制备方法[p].中国专利:cn103113060a,2013-05-22.

[11]赵凤英.特大渗漏通道堵漏方法评述[j].水利水电工程设计,2010,29(01):22-24.

[12]赵卫全,符平,张金接,杨晓东.新型水泥膏浆研究及应用[j].中国水利水电科学研究院学报,2008,6(01):19-22.