一种海底隧道用注浆材料

摘要

一种海底隧道用注浆材料，该注浆材料中含有复合添加剂，复合添加剂的有效成分由硫酸铝、硫酸钠、氟化钠、减水剂和余量基体组成，且基体为聚乙烯醇水溶液、聚丙烯酰胺水溶液中的一种或两种混合。本发明的复合添加剂中含有的减水剂在与聚乙烯醇或聚丙烯酰胺形成的基体结合后，能够均匀分散在水泥浆液体系，覆盖水泥颗粒表面，降低水泥颗粒表面能，减少水泥颗粒团聚，释放大量自由水分，在使用较低水灰比的情况下注浆液亦能保持较大的流动度，使浆液具有良好的可注性；同时，减水剂与基体都具有缓凝作用，注浆液在初期保持良好的流动性，浆液具有一定的可泵期，方便施工操作。

说明书

技术领域

本发明涉及到无机材料领域的注浆材料，具体的说是一种海底隧道用注浆材料。

背景技术

注浆技术源于地下工程的特殊需要。地下工程常常遇到地下水害和软弱地层，常用注浆法进行处理，以达到改善岩土层性能的目的。注浆对于解决近现代工程中的一些常规方法难于解决的工程难题，发挥了巨大的作用。它的最大特点是对地层能够进行原位加固和改良。

在一般地层中注浆时，要取得良好的注浆效果，要求浆液同时具有以下特点：（1）浆液在可泵期内保持良好的流动性，具有良好的可注性；（2）浆液从可泵期到初凝、终凝的时间间隔较短，具有很好的可控性；（3）对处于高腐蚀环境的海底隧道工程，浆液具有良好的稳定性，形成密实的结石体，在长期渗流的作用下，帷幕保持良好的耐久性能。

目前，普通水泥注浆液普遍采用大水灰比以满足浆液的可注性，但浆液的可控性、稳定性问题突出。尤其是注浆过程中遇到地下水时，一部分浆液将水冲开进入裂隙中，但还有一部分浆液与水发生交换，如果浆液不具有可控性，也就是浆液的凝结时间不可控，可能几十分钟凝，也可能几小时凝，在未凝结之前裂隙中的地下水会一直对灌注的浆液冲蚀，灌入裂隙中的浆液在未凝结之前可能大部分已被地下水冲刷，只有少部分浆液凝结，表面上看浆液全部灌入孔内，但实际上浆液的大部分已被水冲刷掉，从而影响了注浆的效果。

隧道工程中水泥注浆液通常水灰比达到0.6以上，以保证水泥颗粒充分分散，形成很好的可注性，在其中添加减水剂对浆液的流动性不会产生明显的影响，反而会显著增加注浆材料的成本；在水泥注浆液中使用速凝剂，则因为速凝剂在早期的快速反应导致注浆液流动性快速损失，使可注性变差，注浆效果差。因为隧道工程常用水泥注浆液仅仅是水泥与水以大水灰比混合得到，其具有很好的可注性，也存在凝结慢、结石率低、结石体抗渗级别低的问题。

发明内容

为解决现有的水泥注浆液的可控性与稳定性均较差的问题，本发明提供了一种海底隧道用注浆材料，通过在现有的硅酸盐水泥中加入复合添加剂，从而使得最终形成的注浆料具有良好的可控性和可注性，而且最终形成的结石体具备良好的抗渗性，非常适于海底隧道等地下水丰富的环境使用。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种海底隧道用注浆材料，该注浆材料为粉料加水后制成的水灰比为0.55-1.0的浆料，且粉料为硅酸盐水泥中加入其重量6-20%的复合添加剂混合而成，按照重量百分比，所述复合添加剂的有效成分为60-67%的硫酸铝、12-17%的硫酸钠、4-6%的氟化钠、6-10%的减水剂和余量基体，且基体为质量浓度0.5-4%的聚乙烯醇水溶液、聚丙烯酰胺水溶液中的一种或两种混合。

所述复合添加剂的制备方法如下：

1）按照上述比例称取聚乙烯醇或聚丙烯酰胺或两者的混合物溶于水中形成基体，备用；

2）按照上述各物质的比例，分别称取氢氧化铝、氢氧化钠、质量浓度25-30%的稀硫酸、质量浓度20-30%的氢氟酸和减水剂，备用；

3）将步骤2）中称取的氢氧化钠、氢氧化铝和减水剂加入到步骤1）制得的基体中，搅拌均匀后再依次将步骤2）中称量的稀硫酸和氢氟酸加入到基体中进行反应；

4）待反应完毕后，在80-90℃的条件下蒸发液体直至其满足上述的比例即得到复合添加剂。

所述复合添加剂中还含有基体质量0.4-0.8%的氢氧化钠。

所述减水剂为聚羧酸减水剂或萘系减水剂。

有益效果：本发明的复合添加剂中含有的减水剂在与聚乙烯醇或聚丙烯酰胺形成的基体结合后，能够均匀分散在水泥浆液体系，覆盖水泥颗粒表面，降低水泥颗粒表面能，减少水泥颗粒团聚，释放大量自由水分，在使用较低水灰比的情况下（如w/c≤0.8）注浆液亦能保持较大的流动度，使浆液具有良好的可注性；同时，减水剂与基体都具有缓凝作用，注浆液在初期保持良好的流动性，浆液具有一定的可泵期，方便施工操作。针对海底隧道丰富的地下水应用环境，本发明通过将减水剂与硫酸铝、硫酸钠、氟化钠与基体结合，从而使减水剂在发挥减水作用的情况下，复合添加剂中的、Al³⁺与水泥水化产物Ca(OH)₂反应形成含有大量结构水的钙矾石，降低体系自由水量，形成网络状结构而快速凝结硬化；同时，水泥水化产物Ca(OH)₂的不断消耗，Na⁺、F^-等离子对水泥水化的激发作用，也促进了水泥硅酸盐矿物的进一步水化，C-S-H凝胶不断增长，结石体强度快速提高。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述。

实施例1

一种海底隧道用注浆材料，该注浆材料为粉料加水后制成的水灰比为0.55的浆料，且粉料为硅酸盐水泥中加入其重量10%的复合添加剂混合而成，按照重量百分比，所述复合添加剂的有效成分为65%的硫酸铝、15%的硫酸钠、5%的氟化钠、8%的减水剂和7%的基体，且基体为质量浓度4%的聚乙烯醇水溶液。

以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定：

如，所述复合添加剂的制备方法如下：

1）按照上述比例称取聚乙烯醇溶于水中形成基体，备用；

2）按照上述各物质的比例，分别称取氢氧化铝、氢氧化钠、质量浓度25%的稀硫酸、质量浓度20%的氢氟酸和减水剂，备用；

3）将步骤2）中称取的氢氧化钠、氢氧化铝和减水剂加入到步骤1）制得的基体中，搅拌均匀后再依次将步骤2）中称量的稀硫酸和氢氟酸加入到基体中进行反应；

4）待反应完毕后，在80℃的条件下蒸发液体直至其满足上述的比例即得到复合添加剂；

又如，所述复合添加剂中还含有基体质量0.4%的氢氧化钠；

再如，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

将本实施例的注浆料通过注浆泵注入海底隧道裂缝中后，效果为：浆液流动度230mm，初凝时间48分钟，终凝时间85分钟，结石率100%，结石体1d抗压强度7.83MPa，28d抗压强度23.51MPa，抗渗等级P10。

实施例2

一种海底隧道用注浆材料，该注浆材料为粉料加水后制成的水灰比为0.8的浆料，且粉料为硅酸盐水泥中加入其重量12%的复合添加剂混合而成，按照重量百分比，所述复合添加剂的有效成分为67%的硫酸铝、17%的硫酸钠、4%的氟化钠、6%的减水剂和6%的基体，且基体为质量浓度1%的聚丙烯酰胺水溶液。

以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定：

如，所述复合添加剂的制备方法如下：

1）按照上述比例称取聚丙烯酰胺溶于水中形成基体，备用；

2）按照上述各物质的比例，分别称取氢氧化铝、氢氧化钠、质量浓度30%的稀硫酸、质量浓度30%的氢氟酸和减水剂，备用；

3）将步骤2）中称取的氢氧化钠、氢氧化铝和减水剂加入到步骤1）制得的基体中，搅拌均匀后再依次将步骤2）中称量的稀硫酸和氢氟酸加入到基体中进行反应；

4）待反应完毕后，在90℃的条件下蒸发液体直至其满足上述的比例即得到复合添加剂；

又如，所述复合添加剂中还含有基体质量0.8%的氢氧化钠；

再如，所述减水剂为萘系减水剂。

将本实施例的注浆料通过注浆泵注入海底隧道裂缝中后，效果为：浆液流动度245mm，初凝时间94分钟，终凝时间148分钟，结石率100%，结石体1d抗压强度4.69MPa，28d抗压强度15.89MPa，抗渗等级P9。

实施例3

一种海底隧道用注浆材料，该注浆材料为粉料加水后制成的水灰比为1.0的浆料，且粉料为硅酸盐水泥中加入其重量20%的复合添加剂混合而成，按照重量百分比，所述复合添加剂的有效成分为60%的硫酸铝、12%的硫酸钠、6%的氟化钠、10%的减水剂和12%的基体，且基体为质量浓度1%的聚乙烯醇水溶液和聚丙烯酰胺水溶液等重量比混合。

以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定：

如，所述复合添加剂的制备方法如下：

1）按照上述比例称取聚乙烯醇或聚丙烯酰胺等重量比混合溶于水中形成基体，备用；

2）按照上述各物质的比例，分别称取氢氧化铝、氢氧化钠、质量浓度27%的稀硫酸、质量浓度25%的氢氟酸和减水剂，备用；

3）将步骤2）中称取的氢氧化钠、氢氧化铝和减水剂加入到步骤1）制得的基体中，搅拌均匀后再依次将步骤2）中称量的稀硫酸和氢氟酸加入到基体中进行反应；

4）待反应完毕后，在85℃的条件下蒸发液体直至其满足上述的比例即得到复合添加剂；

又如，所述复合添加剂中还含有基体质量0.6%的氢氧化钠；

再如，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

将本实施例的注浆料通过注浆泵注入海底隧道裂缝中后，效果为：浆液流动度270mm，初凝时间105分钟，终凝时间160分钟，结石率99.3%，结石体1d抗压强度2.27MPa，28d抗压强度9.74MPa，抗渗等级P8。

实施例4

一种海底隧道用注浆材料，该注浆材料为粉料加水后制成的水灰比为0.7的浆料，且粉料为硅酸盐水泥中加入其重量6%的复合添加剂混合而成，按照重量百分比，所述复合添加剂的有效成分为63%的硫酸铝、17%的硫酸钠、6%的氟化钠、9%的减水剂和5%的基体，且基体为质量浓度2%的聚乙烯醇水溶液和聚丙烯酰胺水溶液按1:2的重量比混合。

以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定：

如，所述复合添加剂的制备方法如下：

1）按照上述比例称取聚乙烯醇和聚丙烯酰胺混合后溶于水中形成基体，备用；

2）按照上述各物质的比例，分别称取氢氧化铝、氢氧化钠、质量浓度28%的稀硫酸、质量浓度25%的氢氟酸和减水剂，备用；

3）将步骤2）中称取的氢氧化钠、氢氧化铝和减水剂加入到步骤1）制得的基体中，搅拌均匀后再依次将步骤2）中称量的稀硫酸和氢氟酸加入到基体中进行反应；

4）待反应完毕后，在85℃的条件下蒸发液体直至其满足上述的比例即得到复合添加剂；

又如，所述复合添加剂中还含有基体质量0.7%的氢氧化钠；

再如，所述减水剂为萘系减水剂。

将本实施例的注浆料通过注浆泵注入海底隧道裂缝中后，效果为：浆液流动度240mm，初凝时间95分钟，终凝时间154分钟，结石率100%，结石体1d抗压强度6.05MPa，28d抗压强度19.56MPa，抗渗等级P9。

对比实验一

基础例：采用水灰比为0.8的硅酸盐水泥浆进行注浆；

改进例：注浆材料为粉料加水后制成的水灰比为0.8的浆料，且粉料为硅酸盐水泥中加入其重量12%的复合添加剂混合而成，按照重量百分比，所述复合添加剂的有效成分为67%的硫酸铝、17%的硫酸钠、4%的氟化钠、10%的减水剂和2%的基体，且基体为质量浓度1%的聚丙烯酰胺水溶液；

实验结果：将基础例和改进例的注浆料分别通过注浆泵注入海底隧道裂缝中后，检测其数据：初凝时间从基础例的10h25min缩短至改进例的1h34min，终凝时间从基础例的12h40min缩短至改进例的2h28min；结石率从基础例的87%提高至改进例的100%；结石体1d抗压强度由2.37MPa提高至4.69MPa，28d抗压强度由14.57MPa提高至15.89MPa，提高了9%；抗渗等级从P8提高至P9。

对比实验二

基础例：采用水灰比为1.0的硅酸盐水泥浆进行注浆；

改进例：注浆材料为粉料加水后制成的水灰比为1.0的浆料，且粉料为硅酸盐水泥中加入其重量20%的复合添加剂混合而成，按照重量百分比，所述复合添加剂的有效成分为60%的硫酸铝、15%的硫酸钠、6%的氟化钠、10%的减水剂和9%的基体，且基体为质量浓度1%的聚乙烯醇水溶液和聚丙烯酰胺水溶液等重量比混合。

实验结果：将基础例和改进例的注浆料分别通过注浆泵注入海底隧道裂缝中后，检测其数据：初凝时间从基础例的18h34min缩短至改进例的1h45min，终凝时间从基础例的21h52min缩短至改进例的2h40min；结石率从基础例的77%提高至改进例的99.3%；结石体1d抗压强度从基础例的0.59MPa提高至改进例的2.27MPa，28d抗压强度从基础例的60.1MPa提高至改进例的9.74MPa，提高了62%；抗渗等级从P6提高至P8。

由此可见，通过在现有的注浆材料中添加本发明的复合添加剂，能够大幅度缩短注浆料的初凝和终凝时间，提高注浆料的结石率以及结实强度，而且对其抗渗性能也有一定程度的提高。

本发明的海底隧道用注浆材料具有良好的可控性和可注性，可根据施工面层情况调整浆液配合比，其调整原则是：对于施工面层较干燥的区域，可取复合添加剂掺量低值；对施工面层地下水量较大区域，可取水灰比低值，并适当增大复合添加剂掺量。通过调整注浆浆液配合比，注浆液流动性良好，初凝时间小于2h，终凝时间小于3h，可满足不同部位工程施工需求。此外，复合添加剂与水泥浆液快速反应生成钙矾石，降低体系自由水量，促进浆体水化硬化。因此，注浆材料浆液结石率高，早期强度快速增长，后期强度稳定，结石体具有良好的抗渗性。