一种低粘高强度水泥基注浆材料及制备方法

本发明涉及特种水泥基材料，具体涉及一种低粘高强度水泥基注浆材料及制备方法。

背景技术：

1、随着基础工程建设向西部扩展，公路和铁路建设迎来了迅猛的扩展，但西部地区地质复杂多样，给工程推进带来了许多棘手的问题。其中富水砂土层位于地下水位以下，土质破碎多样，且在自重应力作用下土质具有一定的粘结力，因此可注性差，难以治理，若处理不当，易造成突水涌泥、坍方甚至泥石流，不仅延迟施工，甚至可能造成较大的损失。注浆能够加固土层防治突涌水等灾害，广泛应用于交通铁路、水利工程、矿山建设等领域。

2、目前，常用的注浆材料为水泥浆、水泥-水玻璃双浆液。为了保证浆体具有较好的可注性，工程中往往采取较大的水灰比。虽然提高水灰比能够降低水泥浆的粘度，提高可注性，但同时会造成硬化后水泥石强度下降，无法起到有效支撑，导致掌子面在开挖后发生坍塌、地面塌陷、隧道塌方等工程事故。化学注浆材料虽然具有较好的可注性和强度，但其成本高，可操作性差，且毒性较大，污染环境。

技术实现思路

1、针对上述的问题，本发明公开一种低粘高强度水泥基注浆材料及制备方法，其在降低水泥浆水灰比，保证水泥石强度的同时，降低了水泥浆的粘度，提高了可注性。为实现上述目的，本发明公开如下所述的技术方案。

2、第一方面，本发明公开一种低粘高强度水泥基注浆材料，包括如下组分：具有火山灰特性的胶凝材料300~600份、微纳促凝剂0.2~0.6份、所述胶凝材料质量0.25~2%的减水剂、水胶比为0.4~0.8。其中：所述具有火山灰特性的胶凝材料包括硅酸盐水泥和改性微珠，所述改性微珠为硅酸盐水泥质量的10~50%。

3、所述改性微珠采用如下方法制备：（1）用碱液对粉煤灰微珠进行羟基化处理，完成后将得到的粉煤灰微珠加到硅烷偶联剂、分散剂和无水乙醇形成的分散液中，然后分离出固体产物，洗涤后干燥，即得所述改性微珠。

4、所述微纳促凝剂采用如下方法制备：（i）将石膏与碱液混合均匀形成浊液。（ii）将硅烷偶联剂、分散剂、硫酸铝溶液混合形成改性液。（iii）将所述改性液加到浊液中搅拌反应，完成后分离出固体产物，洗涤后干燥，即得所述微纳促凝剂。

5、进一步地，步骤（1）中，所述处理的方法为：将所述粉煤灰微珠与碱液混合后在加热条件下保温，完成后分离出所述粉煤灰微珠，洗涤后干燥即可。

6、进一步地，所述粉煤灰微珠与碱液的比例为1g：6~10ml。可选地，所述加热温度为40~45℃，保温时间为1.5~2h。

7、进一步地，所述碱液包括氢氧化钠、氢氧化钾等中的至少一种。可选地，所述碱液的浓度为0.1~0.5mol/l。

8、进一步地，步骤（1）中，所述硅烷偶联剂、分散剂、无水乙醇的质量比为1：0.2~0.3：120~150。

9、进一步地，步骤（1）中，所述硅烷偶联剂包括：γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷等中的至少一种。

10、进一步地，步骤（1）中，所述分散剂包括：三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠等中的至少一种。

11、进一步地，步骤（1）中，所述粉煤灰微珠与分散液的比例为1g：10~20ml。

12、进一步地，步骤（i）中，所述石膏与碱液的比例为37g：100~120ml。可选地，所述碱液包括氢氧化钠、氢氧化钾等中的至少一种。所述碱液的质量分数为0.4~0.6%。

13、进一步地，步骤（ii）中，所述硅烷偶联剂、分散剂、硫酸铝溶液的质量比为4~6：1：105~115。可选地，所述硫酸铝溶液的质量分数为10~15%。

14、进一步地，步骤（ii）中，所述硅烷偶联剂包括：乙烯基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷等中的至少一种。

15、进一步地，步骤（ii）中，所述分散剂包括：聚羧酸分散剂、羟基乙叉二磷酸等中的至少一种。

16、进一步地，步骤（iii）中，按照所述石膏和硫酸铝摩尔比为6：1的比例将所述改性液加到浊液中。

17、进一步地，步骤（iii）中，所述搅拌反应的温度为55~65℃，时间为11~13h。

18、进一步地，所述硅酸盐水泥包括：硅酸盐水泥为p·i 42.5、p·i52.5r等中的至少一种。

19、进一步地，所述减水剂包括萘系减水剂、聚羧酸减水剂、三聚氰胺系减水剂等中的至少一种。所述减水剂能够释放水泥颗粒间絮凝结构中的自由水，进一步降低水泥浆的粘度，使水泥浆在较小的水灰比下仍具有较好的可注性。

20、第二方面，本发明公开所述低粘高强度水泥基注浆材料的制备方法，包括如下步骤：将所述具有火山灰特性的胶凝材料和微纳促凝剂混合均匀。然后加入所述减水剂和水形成的混合液，搅拌均匀即得所述水泥基注浆材料。

21、相较于现有技术，本发明至少具有以下方面的有益技术效果：

22、本发明通过采用含有改性微珠和微纳促凝剂的水泥基注浆材料实现了在降低水泥浆水灰比，保证水泥石强度的同时，降低了水泥浆的粘度，提高了可注性。其原因在于：一方面，本发明先采用碱液对粉煤灰微珠进行羟基化处理，使粉煤灰微珠表面富含羟基，从而将硅烷偶联剂接枝到粉煤灰微珠，使粉煤灰微珠可以充分、均匀地分布在注浆材料中，从而在注浆时可以充分发挥滚珠效应，降低水泥浆的粘度。另外，经过羟基化处理后的所述粉煤灰微珠还可以利用所述硅酸盐水泥水化产生的氢氧化钙进行水化反应，形成胶凝组分，从而缓解粉煤灰微珠由于水化程度相对较低导致的注浆材料力学强度的下降，在一定程度上弥补强度损失。另一方面，本发明采用石膏和碱液形成的浊液与将硅烷偶联剂、分散剂、硫酸铝溶液形成的改性液制备所述微纳促凝剂。在此过程中石膏和硫酸铝反应形成钙矾石晶体，由于其表面吸附了分散剂，且与硅烷偶联剂发生脱水缩合反应，所以晶体生长受到抑制。另一方面，由于浊液中的碱液起到与产生的酸发生中和反应的作用，使浊液的ph值维持在较高的范围，进而限制所述晶体的生长，形成了大量细小的晶粒。当这种微纳促凝剂加入到注浆材料中后，可以有效降低成核势垒，加速水泥颗粒的水化，促进水化产物析出搭接形成稳定的骨架体系，提高注浆材料的早期强度，从而提高早期的加固效果。另外，本发明的注浆材料更加绿色环保。

技术特征：

1.一种低粘高强度水泥基注浆材料，其特征在于，包括如下组分：具有火山灰特性的胶凝材料300~600份、微纳促凝剂0.2~0.6份、所述胶凝材料质量0.25~2%的减水剂、水胶比为0.4~0.8；其中：所述具有火山灰特性的胶凝材料包括硅酸盐水泥和改性微珠，所述改性微珠为硅酸盐水泥质量的10~50%；

2.根据权利要求1所述的低粘高强度水泥基注浆材料，其特征在于，步骤（1）中，所述处理的方法为：将所述粉煤灰微珠与碱液混合后在加热条件下保温，完成后分离出所述粉煤灰微珠，洗涤后干燥即可。

3.根据权利要求2所述的低粘高强度水泥基注浆材料，其特征在于，所述粉煤灰微珠与碱液的比例为1g：6~10ml；可选地，所述加热温度为40~45℃，保温时间为1.5~2h；

4.根据权利要求2所述的低粘高强度水泥基注浆材料，其特征在于，步骤（1）中，所述硅烷偶联剂、分散剂、无水乙醇的1：0.2~0.3：120~150；

5.根据权利要求1所述的低粘高强度水泥基注浆材料，其特征在于，步骤（1）中，所述粉煤灰微珠与分散液的比例为1g：10~20ml。

6. 根据权利要求1所述的低粘高强度水泥基注浆材料，其特征在于，步骤（i）中，所述石膏与碱液的比例为37g：100~120ml ；

7.根据权利要求1所述的低粘高强度水泥基注浆材料，其特征在于，步骤（ii）中，所述硅烷偶联剂、分散剂、硫酸铝溶液的质量比为4~6：1：105~115；

8.根据权利要求1所述的低粘高强度水泥基注浆材料，其特征在于，步骤（iii）中，按照所述石膏和硫酸铝摩尔比为6：1的比例将所述改性液加到浊液中；

9. 根据权利要求1-8任一项所述的低粘高强度水泥基注浆材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥包括：硅酸盐水泥为p·i 42.5、p·i 52.5r中的至少一种；

10.权利要求1-9任一项所述的低粘高强度水泥基注浆材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将所述具有火山灰特性的胶凝材料和微纳促凝剂混合均匀；然后加入所述减水剂和水形成的混合液，搅拌均匀即得所述水泥基注浆材料。

技术总结
本发明公开一种低粘高强度水泥基注浆材料及制备方法，所述注浆材料包括如下组分：具有火山灰特性的胶凝材料300~600份、微纳促凝剂0.2~0.6份、所述胶凝材料质量0.25~2%的减水剂、水胶比为0.4~0.8。其中：所述具有火山灰特性的胶凝材料包括硅酸盐水泥和改性微珠。所述制备方法包括如下步骤：将所述具有火山灰特性的胶凝材料和微纳促凝剂混合均匀。然后加入所述减水剂和水形成的混合液，搅拌均匀即得所述水泥基注浆材料。本发明在降低水泥浆水灰比，保证水泥石强度的同时，降低了水泥浆的粘度，提高了可注性。

技术研发人员：卢晓磊,陆雪,左士龙,张浩然,叶正茂,潘东东,程新
受保护的技术使用者：济南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/26