一种适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液的制作方法
【专利摘要】一种适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液，其浆液的重量配比为（kg/m3）：消石灰粉30~80，粉煤灰250~700，膨润土50~120，中细砂800~1200，聚苯乙烯粉末1~5，硅粉1~10，减水剂1~6，改良剂1~5，引气剂1~3，水260~340。本发明具有保水性好、抗水分散性好、体积收缩小、密度大、凝结时间较长、塑流性好、不易堵管、具有抗震动液化功能等特点，浆液试块龄期2～4天达原状土强度，龄期28天达4MPa，浆液各项性能指标都优于普通可硬性浆液和现有惰性浆液，特别适用于富水砂质土地层，对盾构隧道控制沉降效果突出。
【专利说明】一种适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液。属于盾构隧道施工建筑材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]盾构同步注浆技术是指盾构掘进过程中边掘进边注浆，管片脱出盾尾的同时，在一定的注浆压力下，把适量注浆材料压注到盾尾空隙内，因其能够及时充填壁后建筑空隙，所以对控制盾构施工引起的地层沉降效果较好，而且注浆施工便捷，目前被广泛采用。
[0003]盾构隧道施工同步注浆浆液的主要作用是及时充填盾尾建筑空隙，控制地层沉降，浆液的主要控制指标是充填性能好、凝结时间适中、泵送性好等，对浆液的试块强度要求不高。针对富水砂层的特点，同步注浆浆液除具有上述特点以外，还应具有保水性好、抗水分散性好、塑流性好等特征。目前国内在用的同步注浆浆液主要有三种:传统惰性浆液、单液可硬性浆液和双液浆。但是此三种浆液在富水砂层中应用存在诸多问题，应用效果不理想。传统惰性浆液以粉煤灰、膨润土和砂为主要原料，虽然流动性好，便于注浆，但其缺点明显，浆液易离析，抗水分散性差，后期强度低，在富水砂层中应用会造成浆液流失严重，对于控制沉降效果较差。单液可硬性浆液以水泥、粉煤灰、膨润土和砂为主要原料，此种浆液虽然早期强度高，但是浆液易离析，抗水分散性也较差，同样会造成浆液流失，并且容易堵管，同样不适用于富水砂层中盾构同步注浆。双液浆以水泥、水玻璃、粉煤灰、膨润土和砂为主要原料，此种浆液虽然不易离析，抗水分散性好，但是施工控制较复杂，容易堵塞注浆浆管路，而且管路清洗困难，不利于长距离施工。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有盾构隧道同步注浆浆液的缺点，提供一种适用于富水砂质地层的盾构同步注浆浆液，该浆液具有保水性好、抗水分散性好、不易离析泌水率小(泌水率〈5%)、体积收缩小(体积收缩率〈5%)、塑流性好(浆液的初始坍落度在24~26cm之间，3小时内坍落度不小于20cm, 8小时内坍落度不小于16cm ；6小时内流动度不小于220mm)、不易堵管、凝结时间适中(8~14h)、密度大(>1.8g/m3)、适于长距离输送等特点，对控制沉降效果突出。由于其抗水分散性好、保水性好、稳定性好，不易离析、不易堵管，因此特别适用于长距离富水砂层的盾构隧道施工。
[0005]浆液配制方法简单，配料成本低，浆液质量易控制，具有良好的经济效益和社会效益。本浆液以坍落度为主要控制指标，坍落度按照2r26cm来控制，凝结时间按照8~14小时控制。
[0006]本发明的盾构同步注浆浆液的主要原料组分包括消石灰粉、膨润土、粉煤灰、中细砂、聚苯乙烯粉末、硅粉、水、减水剂、改良剂和引气剂。石灰在水环境下主要以Ca(OH)2的形态存在，它除了具有活 性可与粉煤灰、硅粉等反应外，还是重要的凝结材料，可以与浆液中的细砂颗粒相互粘结，增加浆液的悬浮稳定性。粉煤灰在水环境下与CaO化合生成水硬性固体物质以及CSH胶体物质，石灰可提供过饱和Ca(OH)2环境，同时作为钙质材料参与同粉煤灰中活性SiO2和Al2O3以及硅粉中活性较高SiO2的水化反应生成胶凝体，在有石膏存在的条件下，水化物(水化铝酸钙)进一步反应生成AFt或AFm胶凝体。加入聚胺类高分子聚合物增稠粘合剂能够进一步改进浆液的保水性、稳定性和抗水分散性能。
[0007]但是因为没有水泥的参与，浆液中的水化反应速率较慢，能够保证浆液具有较长的凝结时间，浆液试块的强度也较低，因此浆液的抗水分散性好、保水性好、稳定性好，不易离析、不易堵管。
[0008]本发明的盾 构隧道同步注浆浆液材料的重量配比(kg/m3)具体为:
[0009]消石灰粉:30~80 ;粉煤灰:250~700 ;膨润土:50~120 ;中细砂:800~1200 ;硅粉:
0.5~10 ;减水剂:1-6 ;改良剂:1-5 ;引气剂:1-3 ;水:260~350。
[0010]衆液材料的重量配比按照kg/m3计:还包括聚苯乙烯粉末:0-5。
[0011]浆液材料的重量配比按照kg/m3计:四正丙基锆酸酯0~5。
[0012]浆液材料的重量配比按照kg/m3计:消石灰粉:35~70 ;粉煤灰:500-650 ;膨润土:60~100 ;中细砂:900~1100 ;聚苯乙烯粉末:1-3 ;硅粉:1-3 ;减水剂:2~4 ;改良剂:1.5~3 ；引气剂:1-3 ;水:280~340。
[0013]浆液材料的重量配比按照kg/m3计:
[0014]消石灰粉:40-60 ;粉煤灰:550~600 ;膨润土:70~90 ;中细砂:100(Tl050 ;聚苯乙烯粉末:1.5~2.5 ;四正丙基锆酸酯:1-3 ;硅粉:2~3 ;减水剂:2.5^3 ;改良剂:2~2.5 ;引气剂:2~2.5 ;水:300~320。
[0015]衆液材料的重量配比按照kg/m3计:
[0016]消石灰粉:60 ;粉煤灰:600 ;膨润土:80 ;中细砂:1000 ;聚苯乙烯粉末:3 ;四正丙基锆酸酯:2 ;硅粉:2 ;减水剂:3 ;改良剂:2 ;引气剂:1 ;水:320。
[0017]所述减水剂减水率20~30%，所述改良剂为聚胺类高分子聚合物和石膏。
[0018]所述消石灰粉为Ca(OH)2含量大于70%的消石灰粉，粉煤灰为II级粉煤灰，硅粉为微硅粉。
[0019]所述消石灰粉氢氧化钙含量≥70%, 320目筛余量< 0.5%，钙镁含量≥70%。消石灰能增加浆液的粘稠度，提高保水性和抗水分散性，并有一定的固结作用。
[0020]所述粉煤灰为II级灰，细度(0.045mm方孔筛筛余)不大于20~45%，含水量≤5%。粉煤灰是作为提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间的材料，同时改善浆液的和易性和流动性，作为活性材料与消石灰发生化学反应。
[0021]所述膨润土为钠基，95%通过200目筛，膨胀率13~30ml/g，因其水解以后，能增大浆液的稳定性，同时其特有的滑动效应，在一定程度上提高浆液的滑动性能，增大可泵性。膨润土可以减缓浆液的材料分离，降低泌水率，还具有一定的防渗作用。
[0022]所述砂为中细砂，细度模数0.5~1.5，含泥量〈5%，使用前过5mm筛。砂在浆液中作为充填料。
[0023]所述的聚苯乙烯粉末是由苯乙烯单体经自由基缩聚反应合成的聚合物，非晶态密度1.04~1.06g/cm3，聚苯乙烯粉末的主要作用是调整浆液凝结后强度。
[0024]所述硅粉为微硅粉，也叫硅灰，其微球状体可起到润滑作用，硅粉可与石灰、粉煤灰、石膏发生水化反应，能改善浆液的保水性、抗水分散性和粘稠度。[0025]所述减水剂减水率20~30%，水化控制能力>20h，水解度〈30%。减水剂主要作用是减水，调节衆液凝结时间。
[0026]所述改良剂是石膏和聚胺类高分子聚合物。改良剂主要指石膏和聚丙烯酰胺，或者聚丙烯酰胺与石膏比例为1:2-5的混合物；石膏可与石灰、粉煤灰、硅粉发生水化反应，能改善浆液的保水性、抗水分散性和粘稠度；聚丙烯酰胺的主要作用是改善浆液粘稠度、流动性及泌水性，使浆液的可泵送性好、保水性好。
[0027]所述的引气剂是十二烷基苯磺酸钠，能提高气泡膜机械强度和韧性等作用，使搅拌过程带入的空气形成微小而稳定的气泡均匀分布于浆液中，提高浆液的抗渗性以及抗侵蚀性。
[0028]所述水是自来水，PH=7，无异味。
[0029]常温下各组分按重量配比混合搅拌均匀即成，投料顺序为:先投干料即砂、石灰、膨润土、聚苯乙烯粉末，边搅拌边添加粉煤灰和硅粉，干料搅拌2min，拌匀后添加总用水量的50%，搅拌2min，再加入总水量的40%以及石膏搅拌2min，最后10%水作为调节用水，即根据拌出的浆液情况适当添加，调节浆液坍落度至2r26cm之间。最后投放外加剂搅拌至满足要求。拌浆的关键点是水要分3次加入，边拌边加。
[0030]本发明的有益效果在于:
[0031 ] 本发明中应用的改良剂是石膏和聚胺类高分子聚合物。改良剂主要指石膏和聚丙烯酰胺，石膏可与石灰、粉煤灰、硅粉发生水化反应，能改善浆液的保水性、抗水分散性和粘稠度；聚丙烯酰胺的 主要作用是改善浆液粘稠度、流动性及泌水性，使浆液的可泵送性好、保水性好。
[0032]本发明中应用的引气剂是十二烷基苯磺酸钠，能提高气泡膜机械强度和韧性等作用，使搅拌过程带入的空气形成微小而稳定的气泡均匀分布于浆液中，提高浆液的抗渗性以及抗侵蚀性。
[0033]聚苯乙烯粉末的存在不但有利于改善浆液粘稠度、流动性及泌水性，更有利于调节最终产品的热胀冷缩系数，使得注浆在凝结后与同类产品比较，更耐高温和低温等极端温度，不易开裂变形，并且更有弹性和韧性，使得最终产品的抗震性更好，不易碎裂。
[0034]本发明中应用的四正丙基锆酸酯进一步了提高了抗水分散性和稳定性，有利于各种原料分散得更均匀，并且增加了表面活性，在调配和灌注过程中不易产生聚结和凝块，浆液的可泵送性和分散性能更好，并使得最终产品的抗渗性以及抗侵蚀性更佳。
[0035]本发明中各个物质都不是单独作用的，各种原料相互配合，产生了极佳的效果，产品可泵送性好、保水性好，产品凝固后耐高温低温性能好，抗震性更好，不易碎裂。本发明产品抗水分散性好、保水性好、稳定性好，不易离析、不易堵管，适宜推广应用。
【具体实施方式】下面对本发明进行进一步详细的描述，给出本发明盾构同步注浆浆液原料组配比的几个具体实施例。
[0036]实施例1
[0037]各原料组分的重量配比(kg/m3)为:
[0038]消石灰70 ;粉煤灰600 ;膨润土 60 ;砂900 ;聚苯乙烯粉末I ;硅粉2 ;减水剂4 ?’聚丙烯酰胺I ?’石膏4 ;水330。[0039]该浆液配比泌水率约3%，体积收缩率2%，凝结时间8~12小时、初始坍落度在24~26cm之间，3小时内坍落度不小于23cm，8小时内坍落度不小于19cm，6小时内流动度不小于230mm。
[0040]所述减水剂为市售萘系减水剂，所述引气剂为十二烷基苯磺酸钠。
[0041]实施例2
[0042]各原料组分的重量配比(kg/m3)为:
[0043]消石灰50 ;粉煤灰500 ;膨润土 100 ;砂1100 ;聚苯乙烯粉末3 ;娃粉I ;减水剂3 ；聚丙烯酰胺I ;石膏2 ;引气剂I ;水310 ；
[0044]该浆液配比泌水率约4%，体积收缩率约4%，凝结时间10~14小时、初始坍落度在24~26cm之间,3小时内坍落度不小于22cm, 6小时内流动度不小于220mm。
[0045]所述减水剂为市售萘系减水剂，所述引气剂为十二烷基苯磺酸钠。
[0046]实施例3
[0047]各原料组分的重量配比(kg/m3)为:
[0048]消石灰35 ;粉煤灰650 ;膨润土 70 ;砂800 ;硅粉I ;减水剂2 ;聚丙烯酰胺0.5 ;石膏I ;四正丙基锆酸酯2 ;引气剂2 ；7jC 290 ；
[0049]该浆液配比泌水率约5%，体积收缩率约3%，凝结时间12~14小时、初始坍落度在24~26cm之间，3小时内坍落度不小于23cm, 6小时内流动度不小于230mm。
[0050]所述减水剂为市售萘系减水剂，所述引气剂为十二烷基苯磺酸钠。
[0051]实施例4
[0052]各原料组分的重量配比(kg/m3)为:
[0053]消石灰粉60 ;粉煤灰600 ;膨润土 80冲细砂1000 ;聚苯乙烯粉末4 ;四正丙基锆酸酯3 ;娃粉2 ;减水剂3 ;聚丙烯酰胺2 ;引气剂2 ；7jC 320 ；
[0054]该浆液配比泌水率约4%，体积收缩率约2%，凝结时间12~15小时、初始坍落度在25~27cm之间，3小时内坍落度不小于23cm, 6小时内流动度不小于240mm。
[0055]实施例5衆液材料的重量配比按照kg/m3计:
[0056]消石灰粉:60kg/m3;粉煤灰:600kg/m3 ;膨润土:80kg/m3 ;中细砂:1000kg/m3 ;聚苯乙烯粉末:3kg/m3 ;四正丙基锆酸酯:2kg/m3 ;硅粉:2kg/m3 ;减水剂:市售高浓度型萘系减水剂3kg/m3 ;改良剂:聚丙烯酰胺lkg/m3 ;石膏2kg/m3 ;引气剂十二烷基苯磺酸钠:lkg/m3 ；水:320kg/m3。
[0057]实施例6-15
[0058]配比按照如下表格，减水剂:市售萘系减水剂；改良剂:聚丙烯酰胺:石膏1:2 ;弓丨
气剂十二烷基苯磺酸钠。
[0059]
【权利要求】
1.一种适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液，其特征在于，浆液材料的重量配比按照kg/m3计: 消石灰粉:30~80 ;粉煤灰:250~700 ；膨润土:50~120 ;中细砂:800~1200 ;硅粉:0.5~10 ;减水剂:1~6 ;改良剂:1~5 ;引气剂:1~3 ;水:260~350。
2.根据权利要求1所述的适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液，其特征在于，浆液材料的重量配比按照kg/m3计:还包括聚苯乙烯粉末:0-5。
3.根据权利要求2所述的适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液，其特征在于，浆液材料的重量配比按照kg/m3计:四正丙基锆酸酯0~5。
4.根据权利要求2所述的适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液，其特征在于，浆液材料的重量配比按照kg/m3计:消石灰粉:35~70 ;粉煤灰:500~650 ;膨润土:60~100 ；中细砂:900~1100 ;聚苯乙烯粉末:1~3 ;硅粉:1~3 ;减水剂:2~4 ;改良剂:1.5~3 ;引气剂:1~3 ;水:280~340。
5.根据权利要求4所述的适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液，其特征在于，消石灰粉:40~60 ;粉煤灰:550~600 ；膨润土:70~90 ;中细砂:1000^1050 ;聚苯乙烯粉末:1.5~2.5 ;四正丙基锆酸酯:1~3 ;硅粉:2~3 ;减水剂:2.5^3 ;改良剂:2~2.5 ;引气剂:2~2.5 ;水:300~320。
6.根据权 利要求3所述的适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液，其特征在于，浆液材料的重量配比按照kg/m3计: 消石灰粉:60 ;粉煤灰:600 ;膨润土:80 ;中细砂:1000 ;聚苯乙烯粉末:3 ;四正丙基锆酸酯:2 ;硅粉:2 ;减水剂:3 ;改良剂:2 ;引气剂:1 ;水:320。
7.根据权利要求1-3任一所述的适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液，其特征在于:所述减水剂为萘系减水剂，所述改良剂为聚丙烯酰胺或石膏或者聚丙烯酰胺与石膏比例为1:2-5的混合物，所述引气剂为十二烷基苯磺酸钠。
8.根据权利要求1-3任一所述的适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液，其特征在于:所述消石灰粉为Ca(OH)2含量大于70%的消石灰粉，粉煤灰为II级粉煤灰，硅粉为微硅粉。
9.根据权利要求1-3任一所述的适用于富水砂层的盾构隧道同步注浆浆液，其特征在于:所述膨润土为膨胀率13~30ml/g的钠基膨润土。
【文档编号】C04B28/10GK103964796SQ201310027380
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月24日 优先权日:2013年1月24日
【发明者】袁大军, 乔国刚, 董朝文 申请人:北京交通大学