本发明涉及水利水电学科岩土工程材料的技术领域,具体是涉及一种防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液及其制备方法,属于灌浆材料技术领域,适用于水库、山塘、堤防、尾矿坝等工程的防渗或充填加固处理。
背景技术:
我国大大小小的山塘、水库、堤防大多修建于上世纪60年代前后,鉴于当时的物力财力和技术水平,坝体大多采用土坝。由于历史原因当时水利工程坝基清基质量差,坝体填筑材料填筑质量差,并存在白蚁老鼠啃噬隐患,加之年久失修,均渗漏严重,有的甚至形成了管涌,严重危及水利经济与民生发展,山塘、水库、堤防治理已刻不容缓。面对如此严峻的形势,我国提出要加快推进水利科技创新。一般情况下,在土石坝中存在细小或中等以上裂隙时,常采用水泥-粘土浆或水泥浆进行坝体加固或止水堵漏;目前虽然对水泥浆或水泥-粘土浆劈裂灌浆技术研究较多,但仍存在较多问题。
普通水泥浆液的凝固时间较短、强度高,但可灌性差,成本高,弹性模量较高,硬化水泥浆液结石体脆性大、收缩大,与周边的坝体土很难相适应,不能适应较大的变形而引起应力集中,产生拉应力,容易形成新的裂缝,在相对柔性的坝体注浆中质量难以保证,普通水泥浆液难以满足实际要求,需要对普通水泥浆液进行改良。
此外,为解决土石坝的渗漏现象,常采用灌浆技术进行堵漏止水处理。常规土石坝坝体灌浆材料采用粘土浆,粘土浆凝结时间长,加上需要分段多次复灌,两次灌浆时间至少5天,生产效率极低。为了加速浆液凝固,掺入适当的水泥,小的掺量效果不明显,大的掺量普通水泥灌浆,存在水泥颗粒较粗、流动性差、浆液-土体固结边界融合性差,容易产生新的裂缝等问题。
再者,传统水泥-粘土浆液,其主要成分为粘土、水泥,再加上水玻璃等添加剂,在进行地下(如土石坝、堤坝等)防渗处理时,由于地下水的稀释、流动、冲刷等,导致浆液容易顺缝跑,增加了灌浆难度,虽然相对普通水泥浆液弹性模量有所降低,但仍存在土坝与浆液相容性差的问题,且易离析、凝固速率不可控、凝固后体积收缩大、工程成本高等困难,影响施工效果,提高了施工成本,给坝体灌浆带来了一定的困难。
随着经济的发展,国内对环保的重视程度越来越高,环保制度越来越规范,对工业副产品的要求越来越严格。因此,国内外学者纷纷认识到对粉煤灰、矿渣、赤泥等工业副产品在混凝土中的回收利用研究较多,而在灌浆材料领域研究相对较少。
技术实现要素:
针对现有技术的上述技术问题,本发明的目的是提供一种防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液及其制备方法,在粘土-水泥浆液中加入固化剂、早强剂、稳定剂后,使粘结较差的粘土浆液成为一种具有凝结时间短、抗地下水冲刷能力强、抗盐侵蚀能力强、流动性好且施工简单而廉价的防渗抗蚀粘土固化浆液,解决了水泥浆液在土石坝中固结边界融合性差,粘土浆液短时间内难以固结,以及岩土工程中存在的地基加固、止水堵漏、防塌防沉的工程质量与可靠性等难题。
为达到上述目的,本发明是通过以下技术方案实现的:
一种防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液,以重量份数计,由以下原料组成:
普通粘土(干土) 25-30份
高岭土 6-8份
水泥 3-6份
固化剂 1-3.5份
早强剂 0.5-1.5份
有机类稳定剂 0.01-0.1份
水 55-60份。
所述的普通粘土采用粘粒含量>25%的粘土为基本原料。
所述的高岭土不低于1250目,二氧化硅含量不少于52%。
所述的水泥为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥。
所述的固化剂为活性氧化硅和工业废渣研磨成通过80目筛的混合料,掺入激发剂石灰,混合均匀;所述的工业废渣为粉煤灰、赤泥或矿粉中的一种或几种。
所述的活性氧化硅为0.1-0.5份,所述的石灰为0.5-1份,所述的工业废渣为1-3份。
所述的早强剂为氯化钙、三乙醇胺、硅酸钠、硫酸钙或硫酸铝钾中的一种或几种。
所述的有机类稳定剂为聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、钠羟甲基纤维素或丙烯酸纳中的一种或几种。
所述防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液的粘度为21~52s。
一种防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液的制备方法,包括以下步骤:
(1)将活性氧化硅和工业废渣研磨一定时间,过60-100目筛,形成混合料;
(2)在混合料中掺入激发剂石灰,搅拌至均匀,形成固化剂;
(3)将粘土、高岭土同时放入搅拌机中,加入水,慢速搅拌5min,生成1.25-1.4g/cm3的粘土浆,然后加入水泥搅拌1min至均匀,形成水泥-粘土浆;
(4)向水泥-粘土浆中直接加入固化剂和早强剂,搅拌均匀,再加入已溶解的稳定剂,快速搅拌50-60s,即生成可用的防渗抗蚀粘土固化浆液。
本发明的防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液及其制备方法,与现有技术相比具有如下有益效果:
1、抗渗和耐久性效果明显。一般的粘土浆液或水泥-粘土浆液膨胀性不明显,收缩大;本发明掺入硫酸盐类材料,为生成难溶于水、膨化系数较大的钙矾石晶体提供条件,在同样配比、同等条件下,本发明的膨胀效果明显,从而使浆液结石体更为密实,起到更好的抗渗和耐久性效果。
2、良好的流变性能。本发明的固化浆液流动性较好,可以调整流动性参数来使其符合现场实际操作要求。
3、良好的稳定性。本发明的水泥-粘土固化浆液在拌入大量水后不易发生离析现象,稳定性好,在地下水条件下能起到止水的效果,且流失较少,从而节约了注浆成本。
4、节约成本。可使用施工现场满足要求的粘土为基本原料,节约材料成本和运输成本;此外,使用粉煤灰、赤泥或矿粉等工业废渣作为固化剂原料,既可变废为宝,又低碳环保,成本相对较低,在同等条件下可节约灌浆材料中固化剂的成本。
5、凝结时间可调,满足要求。水泥-粘土固化浆液根据施工要求,初凝时间从几十分钟到十几小时可调。
6、变形协调性好。水泥-粘土固化浆液凝固后与坝体土土性接近,具有变形一致性好,减少拉裂裂缝。
7、操作简单,无特殊操作要求,现场施工方便。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
实施例1的防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液,原料配比(100份为基数)为粘粒含量26.2%的普通粘土(干土)25份、高岭土6.5份、P.O 42.5的普通硅酸盐水泥6份、固化剂(活性氧化硅、II级粉煤灰、石灰)1.8份、早强剂(氯化钙、三乙醇胺、硅酸钠、硫酸钙、硫酸铝钾)0.65份、有机类稳定剂(聚丙烯酰胺)0.05份和水60份。
材料重量份数(100份为基数)的组分具体如下:
普通粘土(干土) 25份
高岭土 6.5份
P.O 42.5普通硅酸盐水泥 6份
活性氧化硅 0.3份
II级粉煤灰 1份
石灰 0.5份
氯化钙 0.2份
三乙醇胺 0.05份
硅酸钠 0.1份
硫酸铝钾 0.1份
硫酸钙 0.2份
聚丙烯酰胺 0.05份
水 60份
将活性氧化硅和II级粉煤灰在球磨机中研磨10min,过80目筛,形成混合料,在混合料中掺入激发剂石灰,搅拌至均匀,形成固化剂;然后将普通粘土、高岭土同时放入搅拌机中,加入水,搅拌5min,生成粘土浆,密度为1.287g/cm3,然后加入P.O 42.5普通硅酸盐水泥,搅拌1min形成水泥-粘土浆;向水泥-粘土浆中直接加入已称好的固化剂、氯化钙、三乙醇胺、硅酸钠、硫酸钙、硫酸铝钾,搅拌均匀,再加入溶解的聚丙烯酰胺,快速搅拌60s。
生成的水泥-粘土固化浆液粘度为35s,标准养护条件下初凝时间960min,终凝时间1440min,析水率0.2%,标准养护7d后无侧限抗压强度为151kPa,剪切强度c=32kPa,内摩察角25.5°,渗透系数为5.4×10-7cm/s,压缩模量1.38MPa,结石体浸出液pH=7。
实施例2
实施例2的防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液,原料配比(100份为基数)为粘粒含量26.2%的普通粘土(干土)25份、高岭土6.5份、P.O 42.5的普通硅酸盐水泥5份、固化剂(活性氧化硅、II级粉煤灰、石灰)2.5份、早强剂(氯化钙、三乙醇胺、硅酸钠、硫酸钙)0.95份、有机类稳定剂(聚丙烯酰胺)0.05份和水60份。
材料重量份数(100份为基数)的组分具体如下:
普通粘土(干土) 25份
高岭土 6.5份
P.O 42.5普通硅酸盐水泥 5份
活性氧化硅 0.5份
II级粉煤灰 1.5份
石灰 0.5份
氯化钙 0.2份
三乙醇胺 0.05份
硅酸钠 0.2份
硫酸钙 0.5份
聚丙烯酰胺 0.05份
水 60份
将活性氧化硅和II级粉煤灰在球磨机中研磨10min,过80目筛,形成混合料,在混合料中掺入激发剂石灰,搅拌至均匀,形成固化剂;然后将普通粘土、高岭土同时放入搅拌机中,加入水,搅拌5min,生成粘土浆,密度为1.298g/cm3,然后加入P.O 42.5的普通硅酸盐水泥,搅拌1min形成水泥-粘土浆;向水泥-粘土浆中直接加入已称好的固化剂、氯化钙、三乙醇胺、硅酸钠、硫酸钙,搅拌均匀,再加入溶解的聚丙烯酰胺,快速搅拌60s。
生成的水泥-粘土固化浆液粘度为22s,标准养护条件下初凝时间900min,终凝时间1400min,析水率0.1%,标准养护7d后无侧限抗压强度为178kPa,剪切强度c=32kPa,内摩察角28°,渗透系数为1.5×10-6cm/s,压缩模量1.88MPa,结石体浸出液pH=7。
实施例3
实施例3的防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液,原料配比(100份为基数)为粘粒含量26.2%的普通粘土(干土)25份、高岭土6.5份、P.O 42.5的普通硅酸盐水泥3.4份、固化剂(活性氧化硅、II级粉煤灰、石灰)3.5份、早强剂(氯化钙、三乙醇胺、硅酸钠、硫酸钙、硫酸铝钾)1.5份、有机类稳定剂(聚丙烯酰胺)0.1份和水60份。
材料重量份数(100份为基数)的组分具体如下:
普通粘土(干土) 25份
高岭土 6.5份
P.O 42.5普通硅酸盐水泥 3.4份
活性氧化硅 0.5份
II级粉煤灰 2份
石灰 1份
氯化钙 0.2份
三乙醇胺 0.05份
硅酸钠 0.5份
硫酸钙 0.5份
硫酸铝钾 0.25份
聚丙烯酰胺 0.1份
水 60份
将活性氧化硅和II级粉煤灰在球磨机中研磨10min,过80目筛,形成混合料,在混合料中掺入激发剂石灰,搅拌至均匀,形成固化剂;然后将普通粘土、高岭土同时放入搅拌机中,加入水,搅拌5min,生成粘土浆,密度为1.312g/cm3,然后加入P.O 42.5的普通硅酸盐水泥,搅拌1min形成水泥-粘土浆;向水泥-粘土浆中直接加入已称好的固化剂、氯化钙、三乙醇胺、硅酸钠、硫酸钙、硫酸铝钾,搅拌均匀,再加入溶解的聚丙烯酰胺,快速搅拌60s。
生成的水泥-粘土固化浆液粘度为29s,标准养护条件下初凝时间390min,终凝时间1350min,析水率0%,标准养护7d后无侧限抗压强度为261kPa,剪切强度c=38kPa,内摩察角30.5°,渗透系数为6.0×10-7cm/s,压缩模量2.25MPa,结石体浸出液pH=7。
实施例4-6
实施例4-6的组分含量见下表1,制备方法与实施例1相同。
表1
实施例4-6生成的水泥-粘土固化浆液粘度为21-52s,标准养护条件下初凝时间300-390min,终凝时间800-1350min,析水率0-0.5%,标准养护7d后无侧限抗压强度为128-187kPa,剪切强度c=28-33kPa,内摩察角25-30.5°,渗透系数为5.2×10-7-1.6×10-6cm/s,压缩模量0.8-2.5MPa,结石体浸出液pH=7。
综上所述,本发明的防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液,具有凝结时间短、可灌性好、抗渗效果好、稳定性好、收缩较小、相容性好、成本较低等优点。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思,而非对本发明权利保护的限定,凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动,均应落入本发明的保护范围。