CN114262198A

CN114262198A - 一种地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料及其制备方法

Info

Publication number: CN114262198A
Application number: CN202111547159.1A
Authority: CN
Inventors: 李亚林; 王玉婷
Original assignee: Sichuan Juli Building Material Technology Co ltd
Current assignee: Sichuan Juli Building Material Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-04-01

Abstract

本申请涉及建筑材料技术领域，具体公开了一种地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料及其制备方法。灌浆材料由包含以下重量份的原料制成：复合水泥20‑40份、集料100‑147份、水90.12‑100.48份、粉煤灰10‑20份、改性煤矸石30‑40份、减水剂0.1‑2份、膨胀剂0.5‑3份和早强剂1‑5份。本申请中，各组分相互配合，可得到在潮湿或低温下能快速固化且早期强度高的灌浆材料，且该灌浆材料具有良好的流动性、防水性能和耐久性，本申请的灌浆材料尤其适用于地铁工程的地下施工等。

Description

一种地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料及其制备方法

技术领域

本申请涉及建筑材料技术领域，更具体地说，它涉及一种地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料及其制备方法。

背景技术

随着社会建设的高速发展，地铁、隧道、高速公路等各种大规模的基础建筑随之出现，这些大型基础建设中，灌浆是最常用的手段，而灌浆中最主要的就是灌浆材料。灌浆材料是指在压力作用下注入地层、岩石或构筑物的缝隙、孔洞中，达到增加承载能力、防止渗漏及提高构筑物整体性能等效果的流体材料，在公路、桥梁、隧道、地下结构、水工建筑物等工程中具有广泛的应用前。

随着灌浆技术的不断更新，灌浆材料也取得非常不错的发展。目前，灌浆材料基本包括两大类：化学灌浆材料和非化学灌浆材料，化学类灌浆材料的固结度低、成本高，且具有一定的毒性；而非化学类的水泥基灌浆材料取材方便，造价低，施工简单，且具有较好的防渗或固结能力，所以在建筑行业的应用最为广泛。从环保、经济方面出发，非化学类的水泥基灌浆材料具有安全无毒、价格低廉，对环境污染较小，无危害等诸多优点，所以被称为绿色建材。但是，水泥基灌浆材料在低温下的水化速度慢，早期强度低，因此，亟待需要研发一种在低温下可快速固化且早期强度高的灌浆材料。

发明内容

为了使灌浆材料在低温下快速固化且具有良好的早期强度，本申请提供一种地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，采用如下的技术方案：

一种地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，由包含以下重量份的原料制成：复合水泥20-40份、集料100-147份、水90.12-100.48份、粉煤灰10-20份、改性煤矸石30-40份、减水剂0.1-2份、膨胀剂0.5-3份和早强剂1-5份。

通过采用上述技术方案，各成分相互配合，可得到在潮湿或低温下能快速固化且早期强度高的灌浆材料，且该灌浆材料具有良好的流动性、防水性能和耐久性。

在灌浆材料中使用复合水泥，可缩短灌浆材料的凝结时间，从而使灌浆材料在潮湿或低温下能快速固化；与此同时，灌浆材料中含有的早强剂和改性煤矸石，可使灌浆材料在快速固化时具有良好的早期强度；而膨胀剂则使灌浆材料在水化时发生一定的膨胀，从而可弥补灌浆材料因快速固化而引起的收缩损失，从而防止灌浆材料产生收缩裂纹，使灌浆材料具有良好的防水性和耐久性。

优选的，所述复合水泥选自普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的至少两种。

进一步优选，所述复合水泥为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，且所述普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的重量比为(5-7)：(1-4)；最优的，所述普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的重量比为7:3.2。

通过采用上述技术方案，体系中的水泥使用复掺体系，即选择普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的至少两种，可缩短灌浆材料的凝结时间，可在低温(0-10℃)下快速固化。

发明人发现，当复合水泥为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥时，硫铝酸盐水泥的用量过少，灌浆材料的凝结时间较长，无法在低温下快速固化；而当硫铝酸盐水泥的用量过多时，会极大的缩短凝结时间，但是，与此同时，也会损害灌浆材料的早期强度。所以，出于综合性能考虑，复合水泥为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥时，普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的重量比为(5-7)：(1-4)，此时，灌浆材料的凝结时间较短，可在低温下(0-10℃)快速固化，且具有良好的早强强度。当普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的重量比为7:3.2，体系的凝结时间较短，能在低温下(0-5℃)快速固化，且早期强度较好，也不会影响灌浆体系的流动度。

优选的，所述改性煤矸石的活性为48％-64％。进一步优选，所述改性煤矸石由包括以下方法制得：

将煤矸石在700-1000℃下煅烧1-2h，粉碎，得到粒径为50-100μm的改性煤矸石。

对常规的煤矸石进行改性，其活性得到极大的提高，可达64％，充分激发了煤矸石潜在的反应活性。本申请中，将活性为48％-64％改性煤矸石用于灌浆材料中，一方面，可提高灌浆材料的强度，尤其是早期强度；另一方面，可减少煤矸石对环境的污染，达到煤矸石大量应用的目的，具有重要的经济和环保意义。煤矸石长期堆存，不仅占用大量土地，而且在适宜的条件下，还会自燃，排放二氧化碳和碳氧化物等有害气体，严重污染环境，所以，本申请中，对常规煤矸石改性后将改性煤矸石应用到灌浆材料中，在变废为宝的同时，可保护环境，节约资源。

优选的，所述灌浆材料中还包括钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维或碳纳米管中的任意一种。进一步优选，所述钢纤维的加入量为1-5kg/m³；所述聚丙烯纤维的加入量为0.1-0.4kg/m³；玄武岩纤维的加入量为1-7kg/m³；所述碳纳米管的加入量为复合水泥质量的0.1％-0.5％。

向灌浆材料内加入钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维或碳纳米管中的任意一种，可抑制新混凝土中的水泥水化时在界面处产生微裂纹，此外，在界面受力出现裂缝时，也能够有效阻止裂缝的延展。所以，钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维或碳纳米管均能有效提高新、旧混凝土界面的劈拉强度，改善界面的粘结性能。

传统的，为增强新、旧混凝土的粘结力，一般使用界面剂，而界面剂施工时，首先将A、B双组份倒在桶内搅拌完全均匀，随后用滚筒滚涂式施工，在质量要求较高处可用毛刷涂刷式施工。界面剂一般不与灌浆材料混合后一起施工，而本申请中，将钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维或碳纳米管中的任意一种与灌浆材料混合后一起灌浆施工。相比之下，本申请，不需要事先在待加固基材的表面涂抹界面剂，施工方便，易于实施。

发明人发现，灌浆体系中有钢纤维、聚丙烯纤维和玄武岩纤维存在时，虽然能增强新、旧混凝土界面的粘接力，但是纤维所形成的网络在浇筑时也会影响集料的分布，使集料的分布不均匀，从而影响混凝土的力学性能，因此，最优的，本申请中，在灌浆材料中加入碳纳米管。

优选的，体系中存在碳纳米管时，所述灌浆材料中还包括苯丙乳液；所述苯丙乳液占复合水泥质量的5％-20％，进一步优选为10％-15％。

通过采用上述技术方案，当灌浆体系中存在碳纳米管时，可改善新、旧混凝土的界面粘结性能，而苯丙乳液可在此基础上，填充粘结面的空隙，进一步增强粘结性能，且能提高灌浆材料的防水性能。

优选的，所述早强剂选自溴化钙、溴化锂、无水硫酸钠、甲酸钙、三异丙醇胺和三乙醇胺中的至少一种。进一步优选，所述早强剂为甲酸钙和三乙醇胺，所述甲酸钙和三乙醇胺的重量比为(17-25)：(0.5-1)，最优为22:0.8。

在灌浆体系中加入溴化钙、溴化锂、无水硫酸钠、甲酸钙、三异丙醇胺或三乙醇胺，在低温(0-10℃)下，早强效果显著且28天抗压强度依然较好。在0-10℃范围内，随着温度的降低，各早强剂在单掺时，其早期抗压强度也随着降低。发明人发现，温度越低时，将甲酸钙和三乙醇胺共同作为早强剂，二者相互配合，灌浆材料的早期强度最好。

在0-5℃下，甲酸钙和三乙醇胺按重量比为(17-25)：(0.5-1)复合，且与粒径为5-25μm的复合水泥共同使用，其早期强度最好，且能优化混凝土内部的空隙，使整体更加密实，从而可进一步改善灌浆材料的防水性能。

本申请中，减水剂可选择HSC聚羧酸高性能减水剂，其具有掺量低、减水率高和收缩小等特点，此外，还能有效提高复合水泥流动性，改善灌浆材料的施工性能。

膨胀剂可选择UEA膨胀剂，UEA膨胀剂可以提高灌浆浆体的收缩性能，防止灌浆材料产生收缩裂纹。

第二方面，本申请提供一种地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料的制备方法，采用如下的技术方案：

一种地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料的制备方法，包括如下步骤：按上述配方比例，将复合水泥、集料、水、粉煤灰、改性煤矸石、减水剂、膨胀剂和早强剂混合均匀，即可制得灌浆材料。

按本申请的配方和制备方法制得的灌浆材料可在潮湿或低温(0-5℃)下快速固化且具有良好的早期强度，此外，本申请的灌浆材料具还有优良的抗水性和耐久性，且灌浆后新、旧混凝土的粘结性好此外，本申请的灌浆材料施工简单，易于实施。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请的灌浆材料可在潮湿或低温(0-5℃)下快速固化且具有良好的早期强度；

2、本申请的灌浆材料具有良好的粘结性、防水能力和耐久性。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。予以特别说明的是：以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。

实施例中的集料为细集料，且粒径不大于4.75mm。

改性煤矸石的制备

制备例1

将煤矸石在500℃下煅烧3h，粉碎，得到平均粒径为50-100μm的改性煤矸石1。

制备例2

将煤矸石在700℃下煅烧2h，粉碎，得到平均粒径为50-100μm的改性煤矸石2。

制备例3

将煤矸石在800℃下煅烧1h，粉碎，得到平均粒径为50-100μm的改性煤矸石3。

制备例4

将煤矸石在1000℃下煅烧1h，粉碎，得到平均粒径为50-100μm的改性煤矸石4。

制备例5

将煤矸石在1500℃下煅烧0.5h，粉碎，得到平均粒径为50-100μm的改性煤矸石5。

检测制备例1-5中制得的改性煤矸石1-5的活性，具体检测结果如下表1所示。

改性煤矸石的活性＝改性煤矸石在饱和石灰水中反应的SiO₂和Al₂O₃的总量占原煤矸石初始全部的SiO₂和Al₂O₃总量的百分比。

表1

样品	活性
		改性煤矸石1	26.2％
改性煤矸石2	48.2％
		改性煤矸石3	63.9％
改性煤矸石4	51.2％
		改性煤矸石5	38.3％

实施例

实施例1

将15kg普通硅酸盐水泥、15kg硫铝酸盐水泥、100kg集料、100kg水、15kg粉煤灰、30kg改性煤矸石1、1kg HSC聚羧酸高性能减水剂、2kg UEA膨胀剂和5kg溴化钙混合均匀，即可制得灌浆材料。

实施例2-6

实施例2-6与实施例1的区别仅在于：实施例2-6中复合水泥的选择或用量不同，具体如下表2所示。

表2

实施例7-10

实施例7-10与实施例6的区别仅在于：实施例7-10中使用的改性煤矸石不同，具体如下表3所示。

表3

灌浆材料试样	改性煤矸石
		实施例7	改性煤矸石2
实施例8	改性煤矸石3
		实施例9	改性煤矸石4
实施例10	改性煤矸石5

实施例11-15

实施例11-15与实施例8的区别仅在于：实施例11-15中使用的早强剂不同，具体如下表4所示。

表4

实施例16

将21kg普通硅酸盐水泥、9.6kg硫铝酸盐水泥、100kg集料、100kg水、15kg粉煤灰、30kg改性煤矸石3、1kg HSC聚羧酸高性能减水剂、2kg UEA膨胀剂、4.81kg甲酸钙、0.19kg三乙醇胺和0.3kg钢纤维混合均匀，即可制得灌浆材料。

实施例17

将21kg普通硅酸盐水泥、9.6kg硫铝酸盐水泥、100kg集料、100kg水、15kg粉煤灰、30kg改性煤矸石3、1kg HSC聚羧酸高性能减水剂、2kg UEA膨胀剂、4.81kg甲酸钙、0.19kg三乙醇胺和0.1kg碳纳米管混合均匀，即可制得灌浆材料。

实施例18

将21kg普通硅酸盐水泥、9.6kg硫铝酸盐水泥、100kg集料、100kg水、15kg粉煤灰、30kg改性煤矸石3、1kg HSC聚羧酸高性能减水剂、2kg UEA膨胀剂、4.81kg甲酸钙、0.19kg三乙醇胺、0.1kg碳纳米管和、1.53kg苯丙乳液混合均匀，即可制得灌浆材料。

实施例19

将21kg普通硅酸盐水泥、9.6kg硫铝酸盐水泥、100kg集料、100kg水、15kg粉煤灰、30kg改性煤矸石3、1kg HSC聚羧酸高性能减水剂、2kg UEA膨胀剂、4.81kg甲酸钙、0.19kg三乙醇胺、0.1kg碳纳米管和、6.12kg苯丙乳液混合均匀，即可制得灌浆材料。

实施例20

将21kg普通硅酸盐水泥、9.6kg硫铝酸盐水泥、100kg集料、100kg水、15kg粉煤灰、30kg改性煤矸石3、1kg HSC聚羧酸高性能减水剂、2kg UEA膨胀剂、4.81kg甲酸钙、0.19kg三乙醇胺、0.1kg碳纳米管和、0.1kg苯丙乳液混合均匀，即可制得灌浆材料。

对比例

对比例1

对比例1与实施例6的区别仅在于，对比例1中，仅使用普通硅酸盐水泥，其余均与实施例6保持一致。

对比例2

对比例2与实施例6的区别仅在于，对比例2中，仅使用硫铝酸盐水泥，其余均与实施例6保持一致。

对比例3

对比例3与实施例6的区别仅在于，对比例3中，不使用改性煤矸石，其余均与实施例6保持一致。

性能检测试验

根据GB/T 50448-2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》测试实施例1-20和对比例1-3中灌浆材料的抗压强度，具体检测结果如下表5所示。

表5

结合实施例1-6和对比例1-2并结合表5可以看出，复合水泥的复配影响灌浆材料的早期强度和凝结时间，灌浆材料中，普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥按重量比为(5-7)：(1-4)的比例复配，得到的灌浆材料能在低温下快速固化且早期强度高。

结合实施例6-10并结合表5可以看出，将改性煤矸石应用在灌浆材料中可提高灌浆材料的早期强度，特别是在700-1000℃下煅烧1-2h，得到的改性煤矸石，可很好的提高灌浆材料的早期强度。

结合实施例11-15并结合表5可以看出，早强剂可提高灌浆材料的早期强度，尤其是由重量比为(17-25)：(0.5-1)的甲酸钙和三乙醇胺混合的早强剂，对灌浆材料的早期强度提高效果很显著。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，其特征在于：由包含以下重量份的原料制成：

复合水泥20-40份、集料100-147份、水90.12-100.48份、粉煤灰10-20份、改性煤矸石30-40份、减水剂0.1-2份、膨胀剂0.5-3份和早强剂1-5份。

2.根据权利要求1所述的地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，其特征在于：所述复合水泥选自普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的至少两种。

3.根据权利要求2所述的地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，其特征在于：所述复合水泥为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，且所述普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的重量比为（5-7）：（1-4）。

4.根据权利要求1所述的地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，其特征在于：所述改性煤矸石的活性为48%-64%。

5.根据权利要求4所述的地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，其特征在于：所述改性煤矸石由包括以下方法制得：

6.根据权利要求1-5中任一项所述的地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，其特征在于：所述灌浆材料中还包括钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维或碳纳米管中的任意一种。

7.根据权利要求6所述的地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，其特征在于：体系中存在碳纳米管时，所述灌浆材料中还包括苯丙乳液；所述苯丙乳液占复合水泥质量的5%-20%。

8.根据权利要求7所述的地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，其特征在于：所述早强剂选自溴化钙、溴化锂、无水硫酸钠、甲酸钙、三异丙醇胺和三乙醇胺中的至少一种。

9.根据权利要求8所述的地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料，其特征在于：当所述早强剂为甲酸钙和三乙醇胺时，所述甲酸钙和三乙醇胺的重量比为（17-25）：（0.5-1）。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的地铁工程用快速固化、复掺体系灌浆材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

按配方比例，将复合水泥、集料、水、粉煤灰、改性煤矸石、减水剂、膨胀剂和早强剂混合均匀，即可制得灌浆材料。