一种用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料及制备方法和施工方法

摘要

本发明属于注浆材料领域，公开了一种用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料及制备方法和施工方法。该注浆材料包括：粉料A组分和液料B组分；所述粉料A组分包括：胶凝物质、聚合物胶粉和助剂；所述液料B组分包括：硅酸盐、硅溶胶、水玻璃改性剂和水。本发明大大提高了注浆结石体的韧性、粘接性和结石率，从而提高了注浆结石体的抗水分散能力，更适用于富水地层的注浆堵水工程。

说明书

技术领域

本发明属于注浆材料领域，更具体地，涉及一种用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料及制备方法和施工方法。

背景技术

近年来，我国在地下工程建设高速发展，由于我国幅员辽阔，工程水文地质复杂，部分重大工程建设都涉及富水地层，易发生地质灾害。富水地层地质条件极其不良，常含有孔隙、动静水和充填体等地质特性(如：砂层、砂卵砾石、断层节理裂隙发育、岩溶发育等地层)。由于富水地层来水压力大、受力不协调、胶结性差等特点，处理不当极易产生地下水的良性通道，从而诱发突水涌泥、基础沉降、地表径流水干枯等地质次生灾害，造成巨大社会经济损失。因此，富水孔隙地层防渗加固工程成为众多工程项目建设过程中的关键环节。

注浆技术是采用气压、液压或电化学等工艺方法，将能与地层岩土体很好胶结的材料通过机械设备填充到地层的节理裂隙、孔隙与岩溶洞中。此方法可有效地提高土体无侧限抗压强度、抗渗透变形能力，降低地层孔隙率，提高地基承载力，增强岩土体物理力学性能与整体稳定性，可预防后期工程施工中地质灾害发生。随着工程技术的发展，工程建设中遇到的富水地层也更为复杂，在采用传统注浆工艺和材料进行治理时，因材料性能不达标导致处理失败的工程案列有很多。

目前，地下工程注浆施工中常采用的注浆材料种类也众多。传统普通水泥类材料具有来源广泛、价格低廉、无毒无污染、施工工艺简单等技术、经济和生态方面优势。但不可否认的是，材料存在凝结时间过长、抗水流冲蚀能力差、抗分散和抗溶蚀性能不强、胶结后体积干缩变形大、结石率低、强度增速较慢等问题，无法达到富水孔隙地层防渗加固治理标准。在实际施工应用中，常通过降低水灰比的方式在富水地层中进行注浆，但水灰比的降低并不能提高水泥浆的抗分散能力，且过低的水灰比导致浆液难以注入地层中。除此之外，大量化学类或髙分子聚合物类注浆材料也被研制出来，虽其具有粘度低、可注性强、粘接能力好，凝结时间短，体积易膨胀等优点，但同时存在胶结体耐久性差、强度低，浆液原材料昂贵、易对环境造成污染等缺点。

因此，常规注浆材料难以满足富水地层注浆堵水需求，亟需一种抗水分散性优异的注浆材料，同时保证注浆材料凝结时间可调、成本低、绿色环保。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料及制备方法和施工方法。本发明大大提高了注浆结石体的韧性、粘接性和结石率，从而提高了注浆结石体的抗水分散能力，更适用于富水地层的注浆堵水工程。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料，该注浆材料包括：粉料A组分和液料B组分；

所述粉料A组分包括：胶凝物质、聚合物胶粉和助剂；

所述液料B组分包括：硅酸盐、硅溶胶、水玻璃改性剂和水。

根据本发明，优选地，所述粉料A组分包括以重量份计的以下组分：胶凝物质100-130份、聚合物胶粉0.1-1.5份和助剂0.5-3.2份；所述液料B组分包括以重量份计的以下组分：硅酸盐40-70份、硅溶胶1-15份、水玻璃改性剂0.05-0.25份和水10-60份。

进一步优选地，所述粉料A组分包括以重量份计的以下组分：胶凝物质100-130份、聚合物胶粉0.6-1.0份和助剂0.5-3.2份；所述液料B组分包括以重量份计的以下组分：硅酸盐55-70份、硅溶胶6-9份、水玻璃改性剂0.12-0.20份和水20-40份。

根据本发明，优选地，所述粉料A组分和液料B组分的重量比为(1-1.5)：(0.75-1.5)。

根据本发明，优选地，所述胶凝物质包括：水泥和沸石粉。进一步优选地，所述胶凝物质包括以重量份计的以下组分：水泥90-110份和沸石粉10-20份。

在本发明中，沸石粉具有特殊的架状结构，内部充满孔径大小不一的空腔和孔道，有较大的开放性和亲水性，可减少注浆浆液的泌水性，增加注浆浆液的流动性。同时沸石粉含有一定数量的活性硅和活性铝，能参与水泥的水化过程，提高结石体强度。

根据本发明，优选地，所述水泥为32.5硅酸盐水泥、32.5R硅酸盐水泥、42.5硅酸盐水泥和42.5R硅酸盐水泥中的至少一种。

在本发明中，所述聚合物胶粉作为增韧组分使用，其溶于水后在浆液的水化过程中逐渐形成聚合物薄膜，在胶凝物质构成的脆性骨架之间形成柔韧性连接，提高了注浆结石体的抗裂能力，同时增强了对所接触材料的粘接性，使得浆液在注入地层后，形成的结石体和岩土体粘接牢固，提高堵水性能。因此，根据本发明，优选地，所述聚合物胶粉为醋酸乙烯酯与乙烯共聚乳胶粉、乙烯与氯乙烯及月桂酸乙烯酯三元共聚乳胶粉、醋酸乙烯酯与乙烯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚乳胶粉、醋酸乙烯酯与苯乙烯共聚乳胶粉和醋酸乙烯酯均聚乳胶粉中的至少一种。

根据本发明，优选地，所述助剂包括：絮凝剂、增稠剂、减水剂、憎水剂、稳定剂、膨胀剂和润湿剂。进一步优选地，所述助剂包括以重量份计的以下组分：絮凝剂0.1-0.5份、增稠剂0.1-0.5份、减水剂0.1-0.5份、憎水剂0.05-0.5份、稳定剂0.1-0.5份、膨胀剂0.005-0.01份和润湿剂0.1-0.6份。

根据本发明，优选地，所述絮凝剂为阴离子型聚丙烯酰胺，所述阴离子型聚丙烯酰胺的分子量为1000万、1500万和2000万中的至少一种。

根据本发明，优选地，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚、羟乙基甲基纤维素醚、聚丙烯酸钠和矿物胶中的至少一种。

在本发明中，絮凝剂可用于提高浆液内聚力，增稠剂可用于增加浆液稠度。絮凝剂和增稠剂的配合添加也提高了浆液的抗水分散能力。

根据本发明，优选地，所述减水剂用于提高浆液的流动性，为聚羧酸减水剂和/或萘系减水剂。

根据本发明，优选地，所述憎水剂用于保证浆液结石体的疏水性，为甲基硅醇钠、乙基硅醇钠、硬脂酸钾和硬脂酸钠中的至少一种。

根据本发明，优选地，所述稳定剂用于提高浆液的体积稳定性，为聚乙烯醇。

根据本发明，优选地，所述膨胀剂用于补偿浆液的收缩变形，提高结石体抗开裂能力，为氧化镁膨胀剂、硫铝酸钙膨胀剂和氧化铁膨胀剂中的至少一种。

根据本发明，优选地，所述润湿剂用于降低浆液的表面张力，改善浆液工作性，为聚乙二醇-600、聚乙二醇-800和聚乙二醇-2000中的至少一种。

根据本发明，优选地，所述水玻璃改性剂用于减缓硅溶胶与水泥的反应速率，提高结石体耐久性，包括：硫酸铜和硫酸铝钾。进一步优选地，所述水玻璃改性剂包括以重量份计的以下组分：硫酸铜0.01-1.0份和硫酸铝钾0.01-1.0份。

根据本发明，优选地，所述硅酸盐的添加用于调控浆液凝胶时间，为硅酸钠和/或硅酸钾。

在本发明中，所述硅溶胶用于提高浆液结石体致密性。

本发明第二方面提供了所述的用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料的制备方法，该方法包括：

S1：将所述胶凝物质、聚合物胶粉和助剂搅拌混合均匀，得到所述粉料A组分；

S2：将所述水玻璃改性剂和水搅拌混合溶解均匀，得到改性剂溶液；将所述改性剂溶液与所述硅酸盐和硅溶胶搅拌混合均匀，得到所述液料B组分。

根据本发明，优选地，步骤S1的搅拌时间为8-12min。

本发明第三方面提供了所述的用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料的施工方法，该方法包括：

(1)将所述粉料A组分与水混合搅拌混合均匀，得到粉料A组分浆液；

(2)将所述粉料A组分浆液与所述液料B组分搅拌混合均匀，进行施工。

根据本发明，优选地，在步骤(1)中，所述粉料A组分与水的重量比为1：0.5-1。

根据本发明，优选地，在步骤(2)中，所述粉料A组分浆液与所述液料B组分的体积比3-1:1。在本发明中，通过调控所述粉料A组分浆液与所述液料B组分的体积比，以调控浆液的凝胶时间，以便进行施工。

根据本发明，优选地，所述富水地层为砂层地层、砂卵砾石地层、断层节理裂隙发育地层和岩溶发育地层中的至少一种。

本发明的技术方案的有益效果如下：

(1)本发明通过聚合物胶粉和硅溶胶的配合使用，大大提高了注浆结石体的韧性、粘接性和结石率，从而提高了注浆结石体的抗水分散能力，更适用于富水地层的注浆堵水工程。

(2)本发明的注浆材料是一种凝结时间可调、结石率高、结石体力学性能好、成本低、绿色环保、抗水分散性优异的注浆材料。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例1

本实施例提供一种用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料，该注浆材料包括：粉料A组分和液料B组分；

所述粉料A组分包括：水泥100份、沸石粉10份、醋酸乙烯酯与乙烯共聚乳胶粉0.5份、阴离子型聚丙烯酰胺(分子量为1000万)0.2份、羟丙基甲基纤维素醚0.1份、聚羧酸减水剂0.3份、有机硅疏水剂0.05份、聚乙烯醇0.1份、氧化镁0.005份和聚乙二醇-600 0.1份；

所述液料B组分包括：硅酸钠50份、硅溶胶5份、硫酸铜0.05份、硫酸铝钾0.05份、水50份。

上述用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料的制备方法包括：

S1：将所述水泥、沸石粉、醋酸乙烯酯与乙烯共聚乳胶粉、阴离子型聚丙烯酰胺(分子量为1000万)、羟丙基甲基纤维素醚、聚羧酸减水剂、有机硅疏水剂、聚乙烯醇、氧化镁和聚乙二醇-600搅拌10min，混合均匀，得到所述粉料A组分；

S2：将所述硫酸铜、硫酸铝钾和水搅拌混合溶解均匀，得到改性剂溶液；将所述改性剂溶液与所述硅酸钠和硅溶胶搅拌混合均匀，得到所述液料B组分。

上述用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料的施工方法包括：

(1)将所述粉料A组分与水按重量比为1：1混合搅拌混合均匀，得到粉料A组分浆液；

(2)将所述粉料A组分浆液与所述液料B组分按体积比1:1搅拌混合均匀，进行施工。

实施例2

本实施例提供一种用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料，本实施例与实施例1的区别仅在于：

所述粉料A组分包括：水泥80份、沸石粉20份、醋酸乙烯酯与乙烯共聚乳胶粉0.5份、阴离子型聚丙烯酰胺(分子量为1000万)0.3份、羟丙基甲基纤维素醚0.1份、聚羧酸减水剂0.5份、有机硅疏水剂0.07份、聚乙烯醇0.1份、氧化镁0.005份和聚乙二醇-600 0.2份；

所述液料B组分包括：硅酸钠50份、硅溶胶5份、硫酸铜0.05份、硫酸铝钾0.05份、水50份。

实施例3

本实施例提供一种用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料，本实施例与实施例1的区别仅在于：

所述粉料A组分包括：水泥100份、沸石粉10份、醋酸乙烯酯与乙烯共聚乳胶粉0.8份、阴离子型聚丙烯酰胺(分子量为1000万)0.5份、羟丙基甲基纤维素醚0.1份、聚羧酸减水剂0.5份、有机硅疏水剂0.05份、聚乙烯醇0.2份、氧化镁0.008份和聚乙二醇-600 0.1份；

所述液料B组分包括：硅酸钠60份、硅溶胶10份、硫酸铜0.08份、硫酸铝钾0.08份、水30份。

施工方法时：将所述粉料A组分与水按重量比为0.8：1混合搅拌混合均匀，得到粉料A组分浆液。

对比例1

本对比例提供一种注浆材料，该注浆材料包括：

A液：水泥100份，水100份。

B液：水50份，硅酸钠50份。

配置方法：

A液：将原材料按配比称量，使用搅拌机搅拌10分钟使各种粉料混合均匀。

B液：将水和硅酸钠按配比称量倒入水中，搅拌溶解。

使用方法：A液与B液按体积比1:1混合使用。

测试例

对实施例1-3和对比例1的注浆材料的性能进行测试，得到表1的结果。

表1

上述表1中：

凝结时间和结石率按照JC/T 2536-2019进行测试；

抗折抗压强度按照GB/T 17671—1999进行测试；

抗水分散性的测试方法为：设置动水水槽，水槽两端分别设有进水口与出水口。控制流速v为0.4m/s。浆液搅拌均匀后，直接倒入水流中。待出水口处流出液体基本为清水后，关闭进水口处阀门，测量水槽内剩余浆液质量。采用剩余浆液质量除以倒入质量计算浆液留存率。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。