一种玄武岩纤维改性火山灰基地质聚合物注浆固化材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于岩土工程材料，具体涉及一种玄武岩纤维改性火山灰基地质聚合物注浆固化材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、软土、破碎围岩、松散路基等地质体普遍存在含水率高、孔隙率大、强度低、稳定性差等问题，工程中常采用注浆固化技术提升地质体力学性能。当前主流注浆固化材料分为有机系与无机系两类：有机系材料虽可注性好、能注入细微裂隙，但存在毒性、易污染水土、耐久性差、成本高昂等缺陷；无机系材料（如水泥基、普通地聚合物基）环保廉价、耐久性优，但普遍存在流动度不足、早期强度低、固化后易收缩开裂、抗渗抗冻融性能弱等问题。

2、现有地聚合物注浆材料多以偏高岭土、矿渣为基材，依赖碱性激发剂反应成型，部分添加膨润土、纤维素等改善性能，但仍存在短板：一是偏高岭土原料成本较高，资源分布不均；二是单一组分基材反应活性有限，固化体内部孔隙连通率高，防渗抗冻融能力不足；三是改性组分分散性差，易团聚，难以均匀提升材料韧性，固化体受荷载易产生微裂纹，长期稳定性不佳；四是制备工艺依赖高温预处理或复杂改性步骤，能耗高、施工适配性差，难以适配低温、潮湿等复杂施工环境。此外，现有材料固化周期长，无法快速提升地质体强度，难以满足紧急加固工程需求，整体应用局限性较大。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种玄武岩纤维改性火山灰基地质聚合物注浆固化材料及其制备方法和应用，用以解决现有技术中基材成本高且资源受限、浆体可注性差、固化体早期强度低且收缩开裂、韧性及抗渗抗冻融性能不足、改性组分易团聚分散不均、制备工艺复杂能耗高不适配复杂施工环境的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提供了一种玄武岩纤维改性火山灰基地质聚合物注浆固化材料，由以下重量份的原料组成：

4、火山灰85～145份、锂渣25～38份、改性凹凸棒石7～13份、玄武岩纤维4.5～9份、纳米二氧化钛改性壳聚糖3.5～7.5份、硅藻土6.5～11份、氧化石墨烯0.15～0.45份、微膨胀剂0.6～1.8份、复合激发剂22～35份、缓凝调节剂0.3～1.2份；

5、其中，所述改性凹凸棒石由天然凹凸棒石经钛酸四丁酯改性、焙烧改性和十六烷基三甲基溴化铵改性三步改性处理制得；

6、所述玄武岩纤维经硅烷偶联剂kh-560进行表面改性处理；

7、所述纳米二氧化钛改性壳聚糖由壳聚糖与纳米二氧化钛经戊二醛交联反应制得。

8、在一实施方式中，所述火山灰为天然玄武质火山灰，粒径为1100～1350目，其化学成分质量分数为：二氧化硅62～70%、三氧化二铝18～24%、氧化铁4.2～5.8%、氧化钙2.5～3.8%、氧化镁1.2～2.0%、烧失量≤3.8%。

9、在一实施方式中，所述锂渣为锂矿冶炼工业副产物，粒径为850～980目，其化学成分质量分数为：氧化锂1.2～1.8%、氧化钙28～35%、二氧化硅22～28%、三氧化二铝6.5～9.2%、氧化镁4.8～6.5%、氧化铁2.1～3.5%。

10、在一实施方式中，所述硅藻土为淡水沉积硅藻土，经酸洗、水洗、烘干、研磨分级处理，粒径为320～450目，孔隙率为78～85%，堆积密度为0.28～0.35g/cm3，其化学成分质量分数为：二氧化硅85～92%、三氧化二铝3.5～5.2%、氧化铁1.2～2.0%。

11、在一实施方式中，所述改性凹凸棒石的制备方法包括以下步骤：

12、（1）将天然凹凸棒石原矿经破碎、水洗、烘干、研磨过筛，得到凹凸棒石粉体；

13、（2）将所述凹凸棒石粉体加入质量分数4.2%的钛酸四丁酯乙醇溶液中，固液质量比1:3.8，于72℃油浴加热搅拌反应4.8h，反应结束后过滤、洗涤；

14、（3）将洗涤后的滤饼置于马弗炉中，以5℃/min的升温速率升至530℃，恒温焙烧2.8h，自然冷却至室温，得到焙烧改性粉体；

15、（4）将所述焙烧改性粉体加入质量分数18%的十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，固液质量比1:4.5，于62℃水浴加热搅拌反应2.2h，反应结束后过滤、烘干、研磨，过筛，即得改性凹凸棒石；

16、所述改性凹凸棒石的长径比为25～35:1，比表面积为280～350m2/g。

17、在一实施方式中，所述玄武岩纤维为连续玄武岩短切纤维，单丝直径为7～11μm，长度为6～12mm，单丝抗拉强度为3800～4500mpa；

18、所述表面改性处理的方法为：将玄武岩纤维浸入质量分数1.2%的硅烷偶联剂kh-560乙醇溶液中，纤维与溶液质量比1:20，于超声功率240w、频率40khz条件下超声浸渍18min，浸渍后沥干，于105℃烘干1.5h。

19、在一实施方式中，所述纳米二氧化钛改性壳聚糖的制备方法，包括以下步骤：

20、（1）将壳聚糖加入质量分数2.5%的醋酸水溶液中，配制成1.8wt%的壳聚糖溶液，于58℃水浴中搅拌至完全溶解；

21、（2）按壳聚糖与纳米二氧化钛质量比12:1加入纳米二氧化钛，超声分散，再加入质量分数0.8%的戊二醛溶液，于55℃恒温搅拌反应3.2h，发生交联反应；反应结束后过滤、洗涤，烘干2.8h，研磨过筛，即得纳米二氧化钛改性壳聚糖；

22、所述壳聚糖的脱乙酰度为88～92%，分子量为12～18万；所述纳米二氧化钛为锐钛型，粒径为25～40nm。

23、在一实施方式中，所述氧化石墨烯采用改进hummers法制备，片径为0.8～2.2μm，厚度为0.8～1.5nm，含氧量为28～35wt%。

24、在一实施方式中，所述微膨胀剂由硫铝酸钙、无水石膏、氧化镁按质量比4.5:1.2:0.8复配而成；所述硫铝酸钙纯度≥95%，粒径250目；所述无水石膏纯度≥98%，粒径280目；所述氧化镁为轻烧氧化镁，活性≥65%，粒径220目。

25、在一实施方式中，所述复合激发剂由氢氧化钾、碳酸钠、水玻璃按质量比3.2～4.8:2.5:4.2～5.5复配而成；所述水玻璃的模数为2.6～3.2，波美度为38～45 °bé。

26、在一实施方式中，所述缓凝调节剂由葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠按质量比2.2:1.5复配而成。

27、本发明还提供了一种玄武岩纤维改性火山灰基地质聚合物注浆固化材料的制备方法，包括以下步骤：

28、s1，按所述重量份称取火山灰、锂渣、硅藻土、微膨胀剂，混合研磨均匀，过筛，得到无机干料a；

29、s2，将改性凹凸棒石和纳米二氧化钛改性壳聚糖预分散，再加入玄武岩纤维分散，最后加入氧化石墨烯分散均匀，得到改性混合料b；

30、s3，将缓凝调节剂加入复合激发剂中，搅拌至完全溶解，得到液态激发料c；

31、s4，将无机干料a与液态激发料c混合搅拌，得到初混湿料；

32、s5，向所述初混湿料中分次加入改性混合料b，搅拌均匀，制得注浆固化材料。

33、本发明还提供了所述的一种玄武岩纤维改性火山灰基地质聚合物注浆固化材料在注浆固化中的应用。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、本发明采用天然玄武质火山灰与锂冶炼工业副产物锂渣作为地质聚合反应的核心基材，替代传统偏高岭土。火山灰储量丰富、分布广泛，锂渣为工业固体废弃物，二者原料成本显著低于偏高岭土，同时实现了工业副产物的资源化利用。火山灰中活性二氧化硅和三氧化二铝总含量高，锂渣中富含氧化钙，在复合激发剂作用下钙离子可加速硅铝酸盐凝胶的生成与交联，弥补了单一火山灰基材反应活性不足的缺陷，从根本上解决了现有地聚合物基材成本高、资源受限的技术问题。

36、本发明通过改性凹凸棒石与硅藻土的协同增稠保水作用，配合缓凝调节剂的精准调控，使浆体兼具高流动度与低泌水率，可注入细微裂隙，有效解决了现有无机注浆材料流动度不足、可注性差的技术问题。同时，火山灰与锂渣在复合激发剂作用下快速反应生成三维网状硅铝酸盐凝胶，早期强度显著优于传统材料，能够满足紧急加固工程需求，有效解决了现有材料固化周期长、早期强度低的技术问题。

37、本发明采用经硅烷偶联剂表面改性的玄武岩纤维与纳米二氧化钛改性壳聚糖协同增韧，纤维与凝胶基体之间形成化学键合界面，通过桥接作用和拔出效应抑制微裂纹萌生与扩展。微膨胀剂水化生成膨胀性晶体，补偿凝胶水化产生的体积收缩，使固化体体积稳定。纤维增韧与微膨胀补偿收缩协同作用，有效解决了现有材料固化后易收缩开裂、韧性差的技术问题。

38、本发明通过多级孔隙填充实现固化体高致密化：改性凹凸棒石与硅藻土的微孔结构物理填充凝胶孔隙，氧化石墨烯填充纳米级微孔隙并阻断孔隙连通通道，纳米二氧化钛改性壳聚糖的交联网络增强颗粒间粘结力，使固化体内部孔隙率显著降低、孔隙结构孤立化，有效解决了现有材料抗渗抗冻融性能弱的技术问题。

39、本发明针对不同改性组分的物性特征设计分步分散工艺，有效避免了纤维缠绕团聚和纳米颗粒自聚集。纳米二氧化钛改性壳聚糖兼具增稠、分散、粘结三重功能，其交联结构在浆体中形成网络骨架，可锚定玄武岩纤维和氧化石墨烯，防止沉降团聚，确保各组分均匀分布并充分发挥协同增强效应，有效解决了现有技术中改性组分分散不均、易团聚的技术问题。

40、本发明制备方法无需高温煅烧预处理和复杂改性流程，能耗显著降低。缓凝调节剂可精准适配宽温域施工环境，浆体有效存储时间长，配合低速搅拌存储方式，可灵活适配长距离运输、大流量注浆及低温潮湿等复杂施工场景，有效解决了现有技术制备工艺复杂、能耗高、施工适配性差的技术问题。

41、综上所述，本发明通过多元组分协同配伍与工艺优化，实现了低成本、高流动性、快速固化、低收缩、高韧性、优异抗渗抗冻融性能及宽施工适配性的统一，可广泛适用于软土地基加固、隧道围岩裂隙修复、路基病害治理等岩土工程注浆固化领域。