一种快硬早强型纳米复合水泥基堵水加固材料的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种快硬早强型纳米复合水泥基堵水加固材料，组成原料包括普通硅酸盐水泥(P.O42.5)、硫铝酸盐水泥(R.SAC42.5)、纳米SiO2、碳酸锂(Li2CO3)、氢氧化钠(NaOH)，减水剂(JSS)，其他为水；原料组成为：普通硅酸盐水泥(P.O42.5)与硫铝酸盐水泥(R.SAC42.5)的重量比为4:6，复合水泥浆液的水灰比(W/C)为0.45，纳米SiO20.10％、碳酸锂(Li2CO3)0.01％、氢氧化钠(NaOH)0.50％、减水剂(JSS)0.30％,其他为水。本发明的堵水加固材料外加剂掺量低、初始流动性好、终凝时间在10min以内，初终凝间隔时间在3min以内，24h抗压强度达25MPa以上。新型堵水加固材料在复杂地层钻探护壁堵漏、喷射混凝土、堵漏止水、动水灌浆、帷幕防渗及宽大裂缝加固处理工程领域具有广阔应用前景。
【专利说明】
一种快硬早强型纳米复合水泥基堵水加固材料
技术领域
[0001] 本发明涉及建筑领域，具体为一种快硬早强型纳米复合水泥基堵水加固材料。
【背景技术】
[0002] 目如，在米用水泥基材料对复杂地基基础加固、堵漏止水及帷蒂防渗时，对水泥基 材料的流变与凝固性能提出了严格的要求。自阿斯普丁发明波特兰水泥以来，硅酸盐水泥 作为一种水硬性的无机胶凝材料，在近200年的工程施工领域中发挥了重要作用。然而，硅 酸盐水泥因其凝结时间长，早期强度低，影响了其应用效果。而添加外加剂的硅酸盐水泥虽 然可以在一定程度上缩短其凝结时间，但在有大量水存在的施工条件下，也极易被水冲释， 凝结硬化效果和结石强度大大降低。而硫铝酸盐水泥作为一种特种胶凝材料，具有快硬早 强、水泥石结构致密、抗渗抗蚀性能好、水化产物具有填充和密实作用等优点，但其后期强 度存在增长不明显甚至出现倒缩现象，并且其价格较贵。复合化是改善水泥性能的有效途 径。各系列水泥和辅助性胶凝材料复合方面的研究和成功应用的经验已很多，而不同系列 水泥之间的复合研究则起步较晚。
[0003] 将硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合，形成硅酸盐一硫铝酸盐复合水泥体系，使其 两者的性能取长补短是一种可行且具有创新意义的研究思路。前期研究成果表明，其它学 者关于这方面的研究成果也印证了，将硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复合，具有令人意想不 到的"水化协同效应"，主要表现为凝结时间大大缩短，初凝、终凝间隔时间很短，具有直角 稠化特点。这些特点为要求水泥浆液具有快硬早强的特殊工程应用提供了新的思路。同时， 因为两种水泥复合，相对于单独使用硫铝酸盐水泥而言，其工程材料成本也大大降低。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种快硬早强型纳米复合水泥基堵水加固材料，以解决上 述【背景技术】中提出的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:一种快硬早强型纳米复合水泥基堵 水加固材料，组成原料包括普通硅酸盐水泥(P. 042.5)、硫铝酸盐水泥(R. SAC42.5)、纳米 Si02、碳酸锂(Li2CO3)、氢氧化钠(NaOH)，减水剂(JSS)，其他为水;原料组成为:普通硅酸盐 水泥(P. 042.5)与硫铝酸盐水泥(R. SAC42.5)的重量比为4:6，复合水泥浆液的水灰比(W/C) 为0.45,纳米 Si〇2〇. 10 %、碳酸锂(Li2 ⑶ 3)0.01 %、氢氧化钠(NaOH)O .50%、减水剂(JSS) 0.30% (均为复合水泥的重量百分比），其他为水。与现有技术相比，本发明的有益效果是： 本发明的堵水加固材料外加剂掺量低、初始流动性好、终凝时间在IOmin以内，初终凝间隔 时间在3min以内，24h抗压强度达25MPa以上。新型堵水加固材料在复杂地层钻探护壁堵漏、 喷射混凝土、堵漏止水、动水灌浆、帷幕防渗及宽大裂缝加固处理等特殊工程领域具有广阔 应用前景。
【附图说明】
[0006] 图1为本发明的纳米SiO2与Li2CO3对复合浆液结石强度的影响图；
[0007] 图2为本发明的正交试验各因素影响程度分析示意图。
【具体实施方式】
[0008] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0009] 本发明提供的一种实施例：一种快硬早强型纳米复合水泥基堵水加固材料，组成 原料包括普通硅酸盐水泥（P.042.5)、硫铝酸盐水泥（R.SAC42.5)、纳米Si〇2、碳酸锂 (Li 2CO3)、氢氧化钠（NaOH)，减水剂（JSS)，其他为水；原料组成为：普通硅酸盐水泥 (P. 042.5)与硫铝酸盐水泥(R. SAC42.5)的重量比为4:6，复合水泥浆液的水灰比（W/C)为 0.45,纳米 SiO20.10%、碳酸锂（Li2 ⑶3)0.01%、氢氧化钠（NaOH)O .50%、减水剂（JSS) 0.30% (均为复合水泥的重量百分比），其他为水。实施例：
[0010] 试验材料
[0011] 普通硅酸盐水泥(P .042.5)、硫铝酸盐水泥(R. SAC42.5)、减水剂JSS和早强剂CC-2 均由成都理工大学岩土钻掘教研室自主研制、纳米二氧化硅(SiO2)为含量99.5 %、粒径30 ±5nm的白色粉末，成都华夏化学试剂有限公司、碳酸锂为含量98%的具有碱性的轻质白色 粉末，西陇化工股份有限公司、氢氧化钠(NaOH)为含量96%的白色均匀粒状或片状固体，西 陇化工股份有限公司。
[0012]试验仪器
[0013] 试验所用的仪器主要有:玻璃板、电子天平、截锥圆模、秒表、钢直尺;维卡仪，河北 省虹宇仪器设备有限公司；DD型系列减速增力电动搅拌机，杭州仪表电机有限公司；SBY-40B型水泥砼混凝土标准养护箱，绍兴宝加仪器有限公司;YAW-300型微机液压压力试验机， 济南凯锐机械设备有限公司。
[0014] 试验方法
[0015] 先对普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥分别进行流动度、可栗期、凝结时间的试验研 究，然后分析纳米材料与外加剂对浆液流动度、可栗期与凝时间的影响。在此基础上，对硅 酸盐-硫铝酸盐复合水泥浆液的流动度、可栗期与凝结时间进行试验研究，针对复合浆液凝 结时间短但浆体强度低的问题，筛选纳米材料和外加剂对其性能进行调节，通过正交试验 确定优化配方。流动度与可栗期、凝结时间及抗压强度等按照国家标准试验方法进行，本试 验中所进行的抗压强度为水泥净浆强度，而不是水泥胶砂强度。
[0016] 结果与讨论
[0017]普通硅酸盐水泥浆液的流动性与凝结时间
[0018] 针对普通硅酸盐水泥(P.042.5)凝结时间太长的问题，在试验时通过添加早强剂 CC-2和减水剂(JSS)进行调节。并添加纳米SiO2和Li2CO3对其流动度、可栗期和凝结时间进 行试验研究。添加减水剂与早强剂的普通硅酸盐水泥性能试验结果如表1所示，添加减水 剂、纳米SiO 2和Li2CO3的浆液性能如表2所示。
[0019] 表1减水剂与早强剂对普通硅酸盐水泥浆液性能的影响
[0021]表2减水剂、纳米材料与锂盐对普通硅酸盐水泥浆液性能的影响
[0023]从表1可以看出，普通硅酸盐水泥(P. 042.5)的初始流动度较大，凝结时间长(试样 3)，不利于一些抢修或者宽大裂隙灌浆。在加入早强剂后水泥浆液的流动度以及凝结时间 都有一定的减少，初始流动度从24.5〇11减小到16〇11，终凝时间从9113〇111；[11减小到51115111；[11(试 样2)，但仍然不利于特殊工程施工。从表2试验数据得知，在加入纳米SiO 2或者Li2CO3后，水 泥浆液的流动度和凝结时间减小，并且随着纳米SiO 2或者Li2CO3加量的增大，其各项性能的 指标值均逐渐降低。特别是在加入纳米SiO 2后，对于其可栗期影响较大，可栗期从3h40min 急降到IOmin左右。而在同时添加纳米SiO2与Li2CO3时，普通水泥浆液的可栗期降低明显，凝 结时间相对添加单一纳米SiO 2或Li2CO3时有所降低，但降低程度不明显。
[0024] 硫铝酸盐水泥浆液的流动性与凝结时间
[0025] 针对普通硅酸盐水泥凝结时间长的问题，考虑到特殊工程灌浆加固处理对浆液凝 结时间的要求，对硫铝酸盐水泥进行了流动度、可栗期与凝结时间的试验研究。
[0026] 表3减水剂对硫铝酸盐水泥浆液性能的影响
[0028]表4减水剂、纳米材料与锂盐对硫铝酸盐水泥浆液性能的影响
[0030] 从表3可以看出，硫铝酸盐水泥(R. SAC42.5)与普通硅酸盐水泥(P. 042.5)相比，其 浆液凝结速度更快，大大缩短了凝结时间。加入适量的减水剂JSS有效增加了水泥浆的流动 性能，其初始流动度较大，但其流动失效速度较快，可栗期较短。通过对比可以看出，在相同 水灰比条件下（以0.35水灰比为例），随着减水剂掺量的增加(从3%。增加至5%。），初始流动 度有较大幅度的提升(从18cm提升至20cm)，可栗期也随之延长(从5.2min延长至13.7min)。 将表4与表3对比后得知，加入二氧化硅和碳酸锂后，硫铝酸盐水泥的凝结时间进一步缩短， 并且随着加量的增大，凝结时间缩短程度越加明显。考虑到相对于普通硅酸盐水泥而言，硫 铝酸盐水泥价格偏高，并且特殊工程的灌浆加固对浆液的流变性与凝固性的严格要求，因 此将普通硅酸盐水泥(P. 042.5)与硫铝酸盐水泥(R. SAC42.5)按照一定的比例混合并进行 试验研究。
[0031 ]硅酸盐一硫铝酸盐复合水泥浆液流动性与凝结时间
[0032] 对于硅酸盐一硫铝酸盐复合水泥，采用在水灰比与减水剂加量相同的情况下(W/C = 0.45JSS = 3%。），对不同配合比的复合水泥浆液进行试验（普通硅酸盐水泥掺量范围为 10%-90%)，分析纳米材料与外加剂对复合浆液性能的影响。减水剂作用下不同配比的复 合浆液性能如表5所示。P. 042.5/R. SAC42.5为4/6时，减水剂、纳米Si〇2、Li2CO3对复合浆液 性能的影响如表6所示。
[0033] 表5硅酸盐一硫铝酸盐复合水泥浆液性能
[0037] ~从表5看出，两种水泥复合后其复合水泥浆液的性能随着二者比例的不同而变化。 随着普通硅酸盐水泥(P.C32.5R)添量的增加，流动度、可栗期呈现出先减小后增大的趋势， 在普通硅酸盐水泥(P. C32.5R)所占比例为20 %左右时，复合硅酸盐一硫铝酸盐水泥浆液的 流动度最小，为15cm。当复合硅酸盐水泥(P. C32.5R)所占比例为30%时，可栗期最短，仅为 3.2min。在普通硅酸盐水泥(P.042.5)所占比例为90%时，流动度增加至25cm，可栗期延长 至28min。从表6可以看出，单独添加纳米SiO 2或Li2O3后均起到了缩短凝结时间的效果。随着 加量的增大，可栗期以及凝结时间进一步减小，SiO 2加量为0.05%时凝结时间为12min; Li2CO3加量为0.05 %时凝结时间为13.3min。而在同时加入纳米0.05%的Si〇2和0.05 %的 Li2CO3(水泥重量的百分比）后，复合水泥浆液的初凝时间为8.6min，终凝时间只有11.5min， 初终凝间隔时间仅为2.9min。充分说明同时使用纳米SiO 2和Li2O3时对复合浆液的凝结时间 控制在很短的范围之内。
[0038] 硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥浆液的结石强度
[0039] 添加纳米SiO2和Li2CO3明显改变了复合水泥浆液的流动度和凝结时间，通过测试 复合水泥净浆(P · 042 · 5/R· SAC42 · 5 = 4/6，W/C = 0 · 45，JSS = 3%。，纳米Si〇2与Li2CO3掺量均 为0.05% )的24h抗压强度来评价其对浆体强度的影响。试验结果如图1所示。
[0040] 从图1可以看出分别加入纳米Si02、Li2C03后，复合水泥净浆24h抗压强度有较大程 度的提高，同时添加纳米SiO 2与Li2CO3后，复合水泥净浆24h抗压强度能达到20MPa以上。设 计正交试验对不同纳米Si0 2、Li2C03和NaOH掺量下的复合浆体强度进行试验研究，试验结果 如表7和图2所示。
[0041 ] 表7纳米SiO2与Li2CO3对硅酸盐一硫铝酸盐复合水泥强度的影响
[0044] 从表7和图2可以看出，纳米SiO2和Li2CO 3对复合水泥强度影响明显，复合水泥强度 随着纳米SiO2加量的增大而增大。随着Li 2CO3含量增大浆体强度增加，当其达到一定量时， 复合水泥的强度增长趋势变缓。综合考虑曲线变化趋势，可以看出纳米SiO 2对复合水泥强 度的影响更大。从表7中可以看出，试样8(纳米Si02、碳酸锂、氢氧化钠的加量分别为0.1 %、 0.0 1 %、0.05% )的抗压强度最大，24h抗压强度能达到27.3MPa。
[0045] 最终，本发明配方为：
[0046] 水+P · 042 · 5+R· SAC42 · 5+0 · 30 % JSS+0 · 10% Si〇2+0 · 01 %Li2C03+0 · 50 %NaOH。其 中，普通娃酸盐水泥(P. 042.5)与硫铝酸盐水泥(R. SAC42.5)的重量比为4:6，复合水泥衆液 的水灰比(W/C)为0.45,其余材料的比例均为复合水泥的重量百分比。该配方下浆液初始流 动性好，能在I Omin内终凝，初终凝间隔时间在3min以内，24h抗压强度可达25MPa以上。
[0047] 本发明
[0048] (1)将普通硅酸盐水泥(P. 042.5)与硫铝酸盐水泥(R. SAC42.5)按一定比例混合后 具有水化协同效应，表现为复合水泥浆液的凝结时间明显缩短，且其初凝和终凝时间间隔 很短
[0049] (2)纳米SiO2与Li2CO3对普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥的流动性、凝结时间影响 明显，能大幅缩短其流动度、可栗期与凝结时间。纳米SiO2与Li2CO3耦合作用对硅酸盐-硫铝 酸盐复合水泥浆液的流动性、凝结时间与浆体强度影响很大，缩短凝结时间的同时能大幅 度提高复合浆体强度；
[0050] (3)针对动水灌浆、堵漏止水、宽大裂缝地层加固处理等特殊工程对水泥基材料快 硬早强的要求，研制了一种快硬早强型纳米复合水泥基堵水加固材料，其配方为：
[0051 ]水+P · 042 · 5+R· SAC42 · 5+3%〇JSS+0 · 10 % Si〇2+0 · 01 %Li2⑶3+0 · 50%NaOH。其中， P. 042.5与R. SAC42.5的重量比为4:6，复合水泥浆液的水灰比(W/C)为0.45，其余材料的比 例均为复合水泥的重量百分比。该堵水加固材料其初始流动性好，能在IOmin内终凝，初终 凝间隔时间在3min以内，24h抗压强度可达25MPa以上。
[0052]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在 不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论 从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
【主权项】
1. 一种快硬早强型纳米复合水泥基堵水加固材料，组成原料包括普通硅酸盐水泥 (卩.042.5)、硫铝酸盐水泥(1^4042.5)、纳米3丨0 2、碳酸锂〇^20)3)、氢氧化钠(似0!〇，减水 剂(JSS)，其他为水;原料组成为:普通硅酸盐水泥(P. 042.5)与硫铝酸盐水泥(R. SAC42.5) 的重量比为4:6，复合水泥浆液的水灰比(1/〇为0.45，纳米31020.10%、碳酸锂〇^：^0 3) 0.01 %、氢氧化钠(Na0H)0.50%、减水剂(JSS)0.30% (均为复合水泥的重量百分比），其他 为水。
【文档编号】C04B28/06GK105859227SQ201610206720
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】王胜, 汪靖扉, 陈礼仪, 叶长文, 李之军, 徐世桐, 袁超鹏, 郭凯彬
【申请人】成都理工大学