一种用于微裂隙及粉细砂土注浆治理的高性能超细水泥基注浆材料及其应用

摘要

本发明公开了一种用于微裂隙及粉细砂土注浆治理的高性能超细水泥基注浆材料及其应用，由以下重量份的组分组成：硅酸盐水泥熟料50～79份，辅助胶凝材料19～48份，脱硫石膏2～7份；其中，所述辅助胶凝材料，由以下重量份的组分组成：矿渣25～57份，钢渣8～21份，粉煤灰18～36份，石灰石粉6～12份，硅灰1～8份，高性能复合调节剂2.5‑12.8份；所述高性能复合调节剂，由以下重量份的组分组成：氢氧化钠5～16份，硅酸钠4～12份，偏铝酸钾4～14份，氯化钙12～21份，氯化锂11～18份，三乙醇胺4～12份，明矾21～27份，硫酸铝18～29，羟丙基甲基纤维素0.2‑1.5份，粘性聚合物0.1～3.0份，聚丙烯纤维0～0.8份，超塑化剂0.5‑3.0份；所述粘性聚合物为丙烯酸酯聚合物或乙烯‑醋酸乙烯共聚物。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程注浆加固技术领域，涉及一种高性能超细水泥基材料及其应用，特别涉及一种岩土工程注浆堵水加固治理的高性能超细水泥基复合注浆材料，以及该材料在微裂隙岩体及微孔隙粉细砂土注浆工程中的应用。

背景技术

“一带一路”战略方针指引下，在不同国家及不同区域，我国将大规模地进行隧道、水利水电、地铁、矿井及交通基础设施等大型工程建设，工程修建期所面临的地质条件越来越复杂。其中，微裂隙岩体、微缝隙混凝土结构及微孔隙粉细砂土具有可注性差、承载力差及结构脆弱等缺点，难以进行有效治理，极易引发突涌水、结构失稳及塌方等严重灾害，不仅耽误工期，影响工程效益及经济效益，而且还将造成严重人员伤亡，严重威胁人民的生命与财产安全，对社会效益及环境效益产生恶劣影响。

注浆作为隧道及地下工程突涌水灾害治理的有效手段，越来越广泛应用于隧道及地下工程堵水及加固治理。注浆堵水与加固工程中，岩体微裂隙、深孔微裂纹、结构微缝隙及粉细砂土是注浆堵水及加固重点及难点，且占相当大比例，属于世界性难题。一般认为，当裂隙、裂缝及孔隙尺寸至少大于悬浮液颗粒三倍时，才能考虑该悬浮液注浆，否则可注性达不到要求，注浆效果极差。针对岩土工程中宽度＜0.5mm微裂隙与微裂缝及粒径＜0.6mm粉细砂土，化学注浆材料虽然可注性较高，但其价格高、污染环境、配方复杂、抗腐蚀性差及耐久性差，而且大多数化学注浆材料对地下水具有一定毒性，所以此类注浆材料的应用受到极大限制。普通水泥材料虽然成本低、来源丰富、耐久性较好及使用方便，但同时存在着不能有效注入、不能有效扩散、不能有效填充与加固、浆液泵送稳定性差及结石体体积倒缩等缺点，不能保证较好的注浆效果。超细水泥的抗水溶蚀性差、抗腐蚀性差、流变性较差、后期强度低、耐久性差及成本较高，不能符合微裂隙岩体及微孔隙粉细砂土注浆工程要求。上述材料在岩土工程中宽度＜0.5mm微裂隙以及粒径＜0.6mm粉细砂土注浆过程中，综合考虑，应用效果均达不到满意状态。

针对岩土工程中宽度＜0.2mm、0.2～0.5mm及0.5～1.0mm岩体微裂隙，以及粒径＜0.075mm、0.075～0.15mm、0.15～0.30mm及0.3～0.6mm的微孔隙粉细砂土注浆治理，亟需一种可注性高、胶凝时间可控、早期后期强度高、体积不倒缩、致密度高、抗渗性好、耐久性高、环境友好及成本较低的新型高性能超细水泥基复合注浆材料。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种用于微裂隙岩体及粉细砂土注浆治理的超细水泥基注浆材料，该种材料可注性高、扩散能力强、泵送稳定性好、胶凝时间可控、结石体早期后期强度高、体积不倒缩、抗裂效果好、致密度高、抗渗性好、耐久性高、环境友好及成本较低，可确保微裂隙岩体及微孔隙粉细砂土优良的注浆效果。可将该超细水泥基注浆材料命名为CG-1或HPMCG或HPUCG或HPSCG或MHPCG或UHPCG或SHPCG或MCG或UCG或SCG或MCCG或HPMCCG或MHPCCG或HPUCCG或UHPCCG或HPSCCG或SHPCCG。

本发明另一目的是提供该种超细水泥基注浆材料在微裂隙岩体及粉细砂土注浆治理中的应用。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种用于微裂隙岩体及粉细砂土注浆治理的超细水泥基注浆材料，由以下重量份的组分组成：硅酸盐水泥熟料50～79份，辅助胶凝材料19～48份，脱硫石膏2～7份；其中，

所述辅助胶凝材料，由以下重量份的组分组成：矿渣25～57份，钢渣8～21份，粉煤灰18～36份，石灰石粉6～12份，硅灰1～8份，高性能复合调节剂2.5-12.8份；

所述高性能复合调节剂，由以下重量份的组分组成：氢氧化钠5～16份，硅酸钠4～12份，偏铝酸钾4～14份，氯化钙12～21份，氯化锂11～18份，三乙醇胺4～12份，明矾21～27份，硫酸铝18～29，羟丙基甲基纤维素0.2-1.5份，粘性聚合物0.1～3.0份，聚丙烯纤维0～0.8份，超塑化剂0.5-3.0份；

所述粘性聚合物为丙烯酸酯聚合物或乙烯-醋酸乙烯共聚物。

硅酸盐水泥熟料为优质的水硬性胶凝材料，水化产物主要有水化硅酸钙凝胶(CSH凝胶)、钙矾石及氢氧化钙等矿物，CSH凝胶是水泥结石体强度的主要来源，氢氧化钙水中不断溶出及与侵蚀液反应等是水泥石宏观性能退化的主要因素，本发明通过采用辅助胶凝材料与氢氧化钙的反应，将多余水化氢氧化钙大量转化为高效的CSH凝胶，从而提高单位体积有效水化矿物数量与结石体致密度。

脱硫石膏用于防止硅酸盐水泥熟料快凝，脱硫石膏也能够通过自身反应增加结石体致密度，同时工业副产物脱硫石膏够降低材料成本，有利于循环发展。

碱性条件下，辅助胶凝材料中矿渣、钢渣、粉煤灰、硅灰及石灰石粉能够互相促进反应活性，各组分活性矿物水化后互相反应，同时与熟料水化后的氢氧化钙持续反应；这些都能够确保有效水化矿物的长期不断增长，保证了水泥结石体后期强度不断增长，能够提高加固体的抗渗性、抗水溶蚀性、抗腐蚀性及耐久性。

高性能复合调节剂中氢氧化钠与硅酸钠能够提高辅助胶凝材料的胶凝活性，有效提高了辅助胶凝材料的水化反应程度；硅酸钠与偏铝酸钾能够有效调控浆液胶凝时间；氯化钙、氯化锂及三乙醇胺能够提高水泥结石体及加固体早期强度，弥补辅助胶凝材料前期结石体强度低的缺点；明矾与硫酸铝通过石膏等反应，能够使材料结石体及加固体具有微膨胀性，具有提高加固体界面粘结强度的有益效果；超塑化剂与羟丙基甲基纤维素能够提高浆液体系中颗粒的分散性，而且能够提高浆液泵送稳定性，不易离析分层，同时能够提高浆液富水条件下结石体留存率；聚合物与聚丙烯纤维能够提高水泥基材料的断裂韧性，减少结石体及加固体有害的明显裂纹数量。

优选的，上述用于微裂隙岩体及粉细砂土注浆治理的超细水泥基注浆材料，由以下重量份的组分组成：硅酸盐水泥熟料52～76份，辅助胶凝材料21～45份，脱硫石膏3.0～6.5份；其中，

所述辅助胶凝材料，由以下重量份的组分组成：矿渣28～56份，钢渣10～19份，粉煤灰21～35份，石灰石粉7～11份，硅灰2～7份，高性能复合调节剂3.2-11.9份；

所述高性能复合调节剂，由以下重量份的组分组成：氢氧化钠6～15份，硅酸钠8～11份，偏铝酸钾5～14份，氯化钙13～20份，氯化锂12～16.5份，三乙醇胺5～11份，明矾21～26份，硫酸铝19～28，羟丙基甲基纤维素0.25-1.4份，粘性聚合物0.2～2.8份，聚丙烯纤维0～0.6份，超塑化剂0.8-2.6份。

优选的，所述粘性聚合物为丙烯酸酯聚合物或乙烯-醋酸乙烯共聚物。

丙烯酸酯聚合物及乙烯-醋酸乙烯共聚物都能够与水泥水化产物发生反应，生成具有空间网状结构的聚合物–水泥交联体，大幅度提高水化生成产物的整体性、柔韧性与承载能力；丙烯酸酯聚合物能够提高工程中聚合物-水泥界面防水性及防水效果；乙烯-醋酸乙烯共聚物与水泥界面粘结性能较好，能够提高界面承载力。

优选的，所述聚丙烯纤维的长度≤3mm。

注浆材料中聚丙烯纤维长度若大于3mm。将大大降低浆液的可注性，不利于浆液的有效扩散，同时也将降低注浆效果与有效性。

优选的，所述超塑化剂为聚羧酸减水剂或萘系减水剂，优选为聚羧酸减水剂。

聚羧酸减水剂为新一代高效减水剂，能够以较少含量有效地提高水泥颗粒在浆液中的分散性，效果非常显著。

优选的，所述硅酸盐水泥熟料为符合GB/T 21372-2008的低碱硅酸盐水泥熟料。

优选的，所述的矿渣为符合GB/T 18046-2008的粒化高炉矿渣粉。

优选的，所述钢渣为符合GB/T20491-2006的钢渣。

优选的，所述粉煤灰为符合GB/T 1596-2017的粉煤灰。

优选的，所述石灰石粉为符合GBT 30190-2013且碳酸钙质量分数不小于80％、氧化铝质量分数不大于2.0％的石灰石粉。

优选的，所述脱硫石膏为符合JC/T 2074-2011的烟气脱硫石膏。

优选的，所述硅灰中SiO₂含量大于97％。

优选的，所述氢氧化钠为符合GB/T 209-2006的工业无水氢氧化钠；所述硅酸钠为GB T4209-2008的硅酸钠固体。

优选的，所述氯化钙为符合GB/T 26520-2011的无水工业固体氯化钙；所述氯化锂为符合GB/T 10575-2007的无水工业固体氯化锂。

优选的，所述三乙醇胺为符合HG/T 3268-2002的工业液体三乙醇胺。

优选的，所述硫酸铝为符合HG/T 2225-2001的固体工业硫酸铝。

优选的，所述羟丙基甲基纤维素的粘度为10万的工业羟丙基甲基纤维素。

优选的，所述粘性聚合物为符合GBT 23445-2009的丙烯酸酯聚合物或乙烯-醋酸乙烯共聚物。

优选的，所述超塑化剂为符合GB8076-2008的聚羧酸减水剂或萘系减水剂。

一种用于微裂隙岩体及粉细砂土注浆治理的超细水泥基注浆浆液，所述超细水泥基注浆材料与水按水灰比为0.8-3.0搅拌混合而得。

优选的，搅拌的转速为1000-3000r/min，搅拌的时间为10-30min。

上述超细水泥基注浆浆液在宽度＜0.2mm、0.2～0.5mm及0.5～1.0mm的微裂隙岩体注浆治理中的应用，采用单液注浆，注浆压力不超过0.8MPa。渗透扩散效果良好。

上述超细水泥基注浆浆液在宽度为1.0～3.0mm、3.0～5.0mm及＞5.0mm的裂隙岩体的注浆堵水与加固治理中的应用。注浆即将结束时，调整浆液凝胶时间，使浆液注入微裂隙或微裂缝后充分填充后自动凝结。

上述超细水泥基注浆浆液在粒径＜0.075mm、0.075～0.15mm、0.15～0.30mm及0.30～0.6mm的粉细砂土中的应用，采用单液注浆，注浆压力不超过0.8MPa。渗透扩散效果良好。

上述超细水泥基注浆浆液在粒径为0.6～1.0mm、1.0～2.0mm及＞2.0mm中粗砂土的注浆堵水与加固治理中的应用。在中粗砂土中能非常好地注入，且注浆效果好。

上述超细水泥基注浆浆液在水流速＞30m/min的环境中注浆堵水与加固治理中的应用，采用双液浆注浆，双液浆为本发明所述的超细水泥基注浆浆液与水玻璃结合的双液浆，所述超细水泥基注浆浆液与水玻璃的体积比为1:1～5:1。

优选的，超细水泥基注浆浆液与水玻璃的体积比为2:1～3:1。

通过双液注浆泵，在注浆孔口位置或深部注浆区域，按体积比进行双液混合注浆；通过双液浆应用证明，双液浆在动水流速＞30m/min的极端严酷环境下，本发明双液浆结石体留存率98％以上。

本发明的有益效果是

(1)本发明的高性能超细水泥基注浆材料显著特点是可注性高、粘度小及流动扩散性大；同时具有较好的稳定性、保水性及泵送性；在富水或动水条件下，浆液的抗水分散性及结石体留存率较高(平均90％以上)；胶凝时间可控范围为10～240分钟；材料结石体及加固体具有微膨胀性(0.1～0.6％)，浆-岩、浆-砂及浆-土界面粘结强度高。解决了传统水泥基注浆材料可注性差、易离析分层、动水中难以留存、胶凝时间不可控、结石体体积倒缩及界面粘结强度低等问题。

(2)本发明的高性能超细水泥基注浆材料特别适用于岩土工程中宽度＜0.2mm、0.2～0.5mm及0.5～1.0mm微裂隙岩体，以及粒径＜0.075mm、0.075～0.15mm、0.15～0.30mm及0.30～0.6mm微孔隙粉细砂土的注浆堵水与加固治理，创新性地为微裂隙岩体及微孔隙粉细砂土的封堵及加固提供了高标准低成本的新型高性能超细水泥基注浆材料；本发明材料同时能够非常好地应用于1.0～3.0mm、3.0～5.0mm及＞5.0mm较大裂隙岩体，以及0.6～1.0mm、1.0～2.0mm及＞2.0mm较大孔隙中粗砂的注浆堵水与加固治理，注浆效果理想。

(3)本发明水泥基材料28天强度为21～52MPa，90天强度最高为56MPa，180天强度最高为60MPa；3天结石体抗渗压力≥4.0MPa，28天结石体抗渗压力≥5.0MPa；抗水溶蚀性强，抗离子侵蚀性强，耐久性强。解决了传统水泥基注浆材料早期强度低、后期强度倒缩、抗渗性低、抗水溶蚀性差、抗离子侵蚀性差及耐久性差等问题，本发明材料全过程不仅不产生固体废弃物，而且能够充分利用固废，具有环保无毒、成本较低及生产周期短等优势。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

1、组分及质量比为：硅酸盐水泥熟料60份，辅助胶凝材料35.5份，脱硫石膏4.5份；其中，辅助胶凝材料各组分重量份数如下：矿渣43份，钢渣10.5份，粉煤灰32份，石灰石粉10份，硅灰4.5份，外掺高性能复合调节剂9.7份；高性能复合调节剂中各组分重量份数如下：氢氧化钠8份，硅酸钠7份，偏铝酸钾6份，氯化钙13.3份，氯化锂12.8份，三乙醇胺8份，明矾21份，硫酸铝20，羟丙基甲基纤维素0.29份，丙烯酸酯聚合物2.1份，聚丙烯纤维0.11份(长度≤3mm)，聚羧酸减水剂1.4份。

2、注浆治理应用：所述水泥基注浆材料颗粒粒径d₉₅及d₁₀₀分别控制为17及21μm，比表面积控制为970m²/kg；单液浆水灰比为1.2:1，进行1500r/min的高速均匀搅拌，搅拌时间控制为20min；将本发明高性能超细水泥基复合注浆材料用于隧道工程粉细砂土及微裂隙岩体的注浆治理，注浆压力不超过0.7MPa，渗透扩散、充填及注入效果好。

3、指标参数如下表1：

表1

实施例2

1、组分及质量比为：硅酸盐水泥熟料65份，辅助胶凝材料30份，脱硫石膏5份；其中，辅助胶凝材料各组分重量份数如下：矿渣45份，钢渣8.5份，粉煤灰33.5份，石灰石粉9份，硅灰4份，外掺高性能复合调节剂8.7份；高性能复合调节剂中各组分重量份数如下：氢氧化钠7份，硅酸钠8份，偏铝酸钾7份，氯化钙13.6份，氯化锂12.8份，三乙醇胺7份，明矾21份，硫酸铝20，羟丙基甲基纤维素0.12份，乙烯-醋酸乙烯共聚物1.9份，聚丙烯纤维0.08份(长度≤3mm)，聚羧酸减水剂1.5份。

2、注浆治理应用：所述水泥基注浆材料颗粒粒径d₉₅及d₁₀₀分别控制为16.5及20.5μm，比表面积控制为970m²/kg；单液浆水灰比为1.5:1，进行1200r/min的高速均匀搅拌，搅拌时间控制为20min；将本发明高性能超细水泥基复合注浆材料用于地铁微孔隙粉细砂土、微裂缝混凝土结构及微裂隙岩体及的注浆治理，注浆压力不超过0.6MPa，渗透扩散、充填及注入效果很好。

3、指标参数如下表2：

表2

实施例3

1、组分及质量比为：硅酸盐水泥熟料65份，辅助胶凝材料30份，脱硫石膏5份；其中，辅助胶凝材料各组分重量份数如下：矿渣42份，钢渣9份，粉煤灰36份，石灰石粉9份，硅灰4份，外掺高性能复合调节剂8.9份；高性能复合调节剂中各组分重量份数如下：氢氧化钠7份，硅酸钠8份，偏铝酸钾7份，氯化钙13.6份，氯化锂12.8份，三乙醇胺7份，明矾21份，硫酸铝20，羟丙基甲基纤维素0.12份，乙烯-醋酸乙烯共聚物1.98份，聚羧酸减水剂1.5份。

2、注浆治理应用：所述水泥基注浆材料颗粒粒径d₉₅及d₁₀₀分别控制为16.5及20.5μm，比表面积控制为970m²/kg；单液浆水灰比为1.2:1，进行2000r/min的高速均匀搅拌，搅拌时间控制为20min；将本发明高性能超细水泥基复合注浆材料用于矿井微裂隙岩体、深孔微裂纹及微孔隙砂岩的注浆治理，注浆压力不超过0.8MPa，渗透扩散、充填及注入效果很好。

3、指标参数如下表3：

表3

本发明所涉及的新型高性能超细水泥基注浆材料，浆液可注性高、泵送稳定性好、胶凝时间可控、结石体及加固体早期后期强度高、体积不倒缩、抗裂效果好、致密度高、抗渗性好、耐久性高、环保无毒及成本较低。

本发明水泥基注浆材料能够广泛且成功用于隧道及地下工程宽度＜0.2mm、0.2～0.5mm及0.5～1.0mm微裂隙岩体的堵水与加固治理，并能够成功应用于1.0～3.0mm、3.0～5.0mm及＞5.0mm裂隙岩体的注浆治理。

本发明水泥基注浆材料能够广泛且成功用于隧道及地下工程粒径＜0.075mm、0.075～0.15mm、0.15～0.30mm及0.30～0.6mm的粉细砂土堵水与加固治理，并能够成功应用于0.6～1.0mm、1.0～2.0mm及＞2.0mm中粗砂的注浆治理。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。