一种单双液同体系注浆材料及其制备方法

本发明涉及注浆材料，尤其涉及一种单双液同体系注浆材料及其制备方法。

背景技术：

1、水泥基速凝注浆材料是填充和固结地层裂隙和孔隙的主要物质，也是实现堵水或加固作用的关键，其在漏失地层应用广泛。但是现有的水泥基速凝注浆材料存在以下几方面的缺陷：

2、(1)目前的水泥基速凝类注浆材料胶凝时间调控范围较窄，因此对于不同的工程条件就需要开发新的注浆配方以应对新的工程问题，但就造成了虽有较多的材料体系，但各自应用领域受限。同时，即便在同一工程现场遇到的工程问题也会有所不同，所需的注浆材料也就复杂多样，给现场应用带来了极大不便。比如申请号为cn201510462006.5的发明专利公开了一种粘度时变性浆液及其制备方法，该专利公开了一种胶凝时间可调的水泥基注浆材料，相对于普通水泥浆来说，其凝固时间大幅缩短，且前期强度增长快，后期强度高，具有良好的可灌性，但是该发明也只能将胶凝时间控制在60min左右，依旧无法解决需要双液注浆的工程问题；申请号为cn202111032637.5的发明专利公开了一种铝酸盐和硅酸盐水泥基双液注浆材料及其制备方法，该发明公布了一种初凝时间在2min以内可控，初期强度较高的注浆材料，但是依旧面临凝结时间调控范围窄的问题，故只能满足双液注浆需求，但无法用于单液注浆工程。

3、(2)目前的水泥基速凝类注浆材料的浆液可泵期和凝结时间的调控存在矛盾。在速凝注浆的工程应用中，当出现泵送距离长，泵送时间久的工况时，就势必要根据工艺需求延长浆液可泵期。同时，对于需要采用水泥速凝注浆方案的工程而言，还希望浆液泵送至目标区域后能迅速凝固。但可泵期的延长是通过缓凝实现的，这就导致浆液初凝时间势必也随可泵期出现延长现象。因此，目前可泵期较长的水泥基单液注浆材料，往往在浆液泵送完毕后依旧会长时间难以达到初凝状态，这对于注浆封堵也是极其不利的。比如论文(“锦屏一级水电站左岸卸荷拉裂松弛岩体灌浆加固研究”，裴向军等，岩石力学与工程学报，第30卷，第2期，2011年2月)研制的sjp-1型水泥浆液虽然具备显著的速凝特性，但从公布的数据来看，可泵期到初凝的时间间隔为141min，足以证明浆液久不凝固。

4、(3)目前的水泥基速凝类注浆材料，尤其是双液注浆材料，多存在力学性能不佳的缺陷。目前施工现场应用较多的双液注浆材料依旧以水泥—水玻璃双液浆为主，但这种以高掺比水玻璃以实现水泥速凝的方案，由于水泥替换量大，且在凝结过程中消耗了水泥原本水化产生的氢氧化钙并产生了较多的微观缺陷。因此一般而言这种速凝注浆方案力学性能较差，多用于预注浆工程，在对力学性能要求较高的双液注浆施工中，这种方案暂不适用。比如申请号为cn201910606989.3的发明专利公开了一种适于引水隧洞二次衬砌回填的注浆液及其制备和应用方法，该发明为由a、b液组成的双液注浆材料，其b液由水和水玻璃原液重量比为0.8:1组成，大量的水玻璃掺入导致这种双液注浆材料7天抗压强度仅2mpa左右。也就是说，现有的水泥基速凝注浆材料普遍存在可泵性、凝结时间、力学性能之间矛盾不易协调的问题。目前对于此类问题，国内外相关学者的研究方案多以损失强度或流变性能的方式换取对其胶凝时间的优化，且多将单液浆和双液浆割裂分开进行研究，鲜有人能够在同一套材料方案中实现对注浆材料从双液到单液所需凝结时间的精准控制，这给现场应用带来了极大困难。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明通过掺量优化、组合优化设计得出了以硫酸铝和柠檬酸为流变控制剂，氟化钠或硫酸亚铁或二者相组合为稠化控制剂，以及醇胺类物质如三乙醇胺和二乙醇胺为胶凝控制剂的单双液同体系注浆材料，从而实现了对水泥基速凝注浆材料综合性能的整体提升。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明的第一个目的在于提供一种单双液同体系注浆材料，包括以下质量份数的原料：硅酸盐水泥100份、柠檬酸0.03-0.4份、硫酸铝0.5-0.8份、氟化钠0.2-0.6份或者硫酸亚铁0.4-0.7份、醇胺类物质0.12-0.16份、水50-55份。

4、优选地，所述醇胺类物质选自二乙醇胺、三乙醇胺中的至少一种。

5、优选地，所述硅酸盐水泥为复合硅酸盐水泥pc42.5和普通硅酸盐水泥po42.5。

6、优选地，所述复合硅酸盐水泥pc42.5和普通硅酸盐水泥po42.5的质量比为(8-9)：(1-2)。

7、本发明的第二个目的在于提供所述单双液同体系注浆材料的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)按质量份数比称量硅酸盐水泥、柠檬酸、硫酸铝、氟化钠或者硫酸亚铁、醇胺类物质和水，备用；

9、(2)将步骤(1)称量好的柠檬酸、硫酸铝、醇胺类物质加入五分之一水中搅拌至充分溶解，在室温条件下络合，然后加入氟化钠或者硫酸亚铁，搅拌至溶解完全，得到混合液体；

10、(3)将硅酸盐水泥缓慢倒入剩余的水中，并持续搅拌，得到水泥净浆，备用；

11、(4)将步骤(2)所得的混合液体缓慢加入水泥净浆中，搅拌均匀，得到单双液同体系注浆材料。

12、优选地，步骤(2)中所述络合的时间为15-30min。

13、优选地，步骤(2)中所述的搅拌时间为30-60min。

14、本发明各组分的作用效果以及作用机理如下：

15、1)各组分的作用效果说明：

16、流变控制剂用于控制浆液初始流动度，可泵期长短；稠化控制剂则保证浆液达到可泵期后能迅速稠化，由流动状态进入塑性状态；胶凝控制剂则使塑性状态的浆液迅速凝固，实现缩短可泵期与初凝时间的间隔。虽然三种类型外加剂各自负责调控的性能有所不同，但三者相辅相成，缺一都不能实现本发明的技术效果。比如，缺乏稠化控制剂后胶凝控制剂也就失去了原有的作用效果，反之亦然。

17、2)作用机理说明：

18、在水泥浆液中掺入一些具有速凝特性的外加剂原本可以使得浆液发生迅速凝结硬化。但在研究中发现，除了不同外加剂对水泥水化的作用效果不同，同一种外加剂在不同的水化阶段也会产生两种相反的作用效果。因此本发明通过掺量优化、组合优化设计得出了以硫酸铝和柠檬酸为流变控制剂，氟化钠或硫酸亚铁或二者相组合为稠化控制剂，以及醇胺类物质如三乙醇胺和二乙醇胺为胶凝控制剂的速凝材料体系，其具体作用机理如下：

19、(1)在浆液流动阶段时：po42.5水泥可以延缓具有速凝特性的外加剂，如硫酸铝、氟化钠、三乙醇胺以及硫酸亚铁与pc42.5水泥的水化反应，同时流变控制剂中的硫酸铝和柠檬酸都可以在水泥熟料外围生成一层水化抑制膜，也抑制了原有的速凝特性，且这种抑制作用随掺量的改变而变，这就使得浆液具有较好的初始流动性和可控的泵送时间；

20、(2)在浆液稠化阶段：由于离子聚集增加，稠化控制剂(氟化钠或硫酸亚铁或二者相组合)打破水化抑制膜，使得原有的水化加速作用继续发生，因此浆液可以发生迅速的稠化，从而失去流动性；

21、(3)在浆液凝结阶段：由于胶凝控制剂(如三乙醇胺和二乙醇胺)的引入使得浆液的水化加速作用持续进行，因此原本稠化的浆液可以迅速失去可塑性进入初凝状态。

22、可以看出，上述胶凝时控的本质就是根据水泥浆液在不同水化阶段的性能需求，对外加剂的水化抑制与促进效果进行合理的干预，从而实现注浆材料综合性能的整体提升。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、(1)浆液胶凝时间调控范围宽，可从几十秒到几十分钟。在同一套材料体系下，仅通过外加剂掺量改变即可实现单液注浆以及双液注浆的需求。(一般来说，速凝配方都只能在100多秒，或者十几分钟以上这两个区间内进行胶凝时间调控，很难像本发明一样同时跨越两个区间进行调控)；

25、(2)浆液可泵期到初凝时间间隔短，尤其是当单液浆可泵期较长时，依旧可以通过胶凝控制剂实现当浆液失去流动性后就迅速达到初凝。从而解决了在传统方案中出现的可泵期与初凝时间调控中矛盾问题；

26、(3)不损失力学性能，经测试，发现在本发明提出的配浆方案下，结石体的力学性能均优于同等水灰比条件下的纯水泥；

27、(4)可以看出本发明采用的外加剂都为水溶性材料，配浆过程简单，降低了工程现场的操作难度。