一种低碳无机胶凝注浆充填材料及制备方法与应用与流程

1.本发明属于胶凝材料制备技术领域，具体涉及一种低碳无机胶凝注浆充填材料及其制备方法与应用。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.隧道及地下工程建设过程中，存在很多与岩溶裂隙和断层破碎带密切相关的复杂且难治理的地质灾害。尤其是富水岩溶区域，在雨季施工时易引发突涌水灾害，造成机器破坏、工程停滞等经济损失，严重时造成地面塌陷，伤及施工人员及路面人员的生命安全。
4.目前，由于注浆方法具有治理效果好、施工效率高及成本低等优势，已成为地下工程中岩溶裂隙、断层破碎带治理的常用方式。传统普通水泥类材料可注性低，浆液凝结时间过长，动水留存率低，且其结石体干缩性大，浆-岩胶结能力差，强度低耐久性差，无法满足富水砂层注浆治理要求。水泥-水玻璃类浆液虽能够快速封堵涌水，但浆液抗水溶蚀性及耐久性差，影响工程整体质量，成本高，而且需要大量消耗水泥和水玻璃，消耗不可再生矿产资源的同时排放大量二氧化碳。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种低碳无机胶凝注浆充填材料及其制备方法与应用。该注浆材料具有抗分散性好、抗渗性高、体积稳定性好、低碳环保、成本低等特点，有效阻断地下水，加固破碎带，有利于实现地下工程灾害高效治理。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明提供一种低碳无机胶凝注浆充填材料，由以下重量份的组分组成：粉煤灰200-240份，煤炉渣160-200份，矿渣80-90份，复合激发剂70-90份，外加剂20-25份；
8.所述复合激发剂包括水泥和碱性物质，水泥的质量百分数为30％-60％，所述碱性物质选自氢氧化钠、氧化钙或水玻璃；
9.所述外加剂的组成为：膨润土70-80份，减水剂为7-10份，抗分散剂为8-15份，早强剂为3-5份。
10.第二方面，本发明提供所述低碳无机胶凝注浆充填材料的制备方法，包括如下步骤：
11.将煤炉渣研磨、过筛；
12.将粉煤灰、煤炉渣、矿渣、复合激发剂和外加剂按质量比混合，并搅拌均匀，即得。
13.第三方面，本发明提供所述低碳无机胶凝注浆充填材料在富水岩溶区域注浆充填中的应用。
14.上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
15.本法明采用高掺量的活性较差的低钙粉煤灰和粉磨炉渣替代水泥材料，以碱性无
机盐和水泥协同作为复合激发剂，以功能型聚合物为外加剂，对材料进行有机无机协同调控。制备得到的注浆材料具有抗分散性好、抗渗性高、体积稳定性好、低碳环保、成本低等特点，适用于地下水封堵、破碎岩体加固等地下工程灾害治理，解决了传统注浆材料凝结时间长、抗水分散性差、抗渗性差、成本高以及固体废弃物堆积造成的环境污染等问题，具有巨大的应用潜力。
16.由于该注浆材料中，粉煤灰和炉渣等低钙固废的掺量较大，可以有效提高其利用率，具有较大的意义。
具体实施方式
17.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
18.第一方面，本发明提供一种低碳无机胶凝注浆充填材料，由以下重量份的组分组成：粉煤灰200-240份，煤炉渣160-200份，矿渣80-90份，复合激发剂70-90份，外加剂20-25份；
19.所述复合激发剂包括水泥和碱性物质，水泥的质量百分数为30％-60％，所述碱性物质选自氢氧化钠、氧化钙或水玻璃；
20.所述外加剂的组成为：膨润土70-80份，减水剂为7-10份，抗分散剂为8-15份，早强剂为3-5份。
21.粉煤灰为由无烟煤或烟煤燃烧获得的低钙灰，钙含量≤10％，45μm方孔筛筛余量≤20％，需水比≤115％，烧失量≤8.0％。
22.煤炉渣为电厂锅炉燃煤产生的废弃炉渣，经过粉磨筛分处理，烧失量≤15％，钙含量≤10％。
23.矿渣为s95高炉矿渣。
24.本发明的无机胶凝注浆充填材料以难以被利用的胶凝活性固废煤炉渣和低钙粉煤灰为主体材料，以碱、水玻璃和水泥协同作为复合激发剂，再配置减水剂、抗分散剂、保水剂等外加剂，以实现对材料工作性能的调控。
25.复合激发剂中，包括氢氧化钠、生石灰或水玻璃和水泥，氢氧化钠、生石灰、水玻璃三者同时提供碱性环境，促进粉煤灰和炉渣的玻璃体解聚，同时生石灰可提供钙源，水玻璃提供硅源，促进c-s-h凝胶的形成，低掺量的水泥既具有碱性激发剂作用又可提供一定的早期强度，解决了由玻璃体溶解-重构过程的存在导致的材料早期强度较低的问题。
26.煤炉渣、粉煤灰等固废组分中的玻璃体在复合激发剂的作用下发生溶解-凝胶化-聚合硬化。
27.此外，粉煤灰和膨润土能够提高材料的和易性和保水性，在材料水化后期提升抗渗性和耐久性。
28.在一些实施例中，所述复合激发剂的组成为：5-15份氢氧化钠，30-50份生石灰，20-30份水玻璃，60-80份水泥。
29.优选的，所述水泥为普通硅酸盐水泥。
30.优选的，所述水玻璃的模数为2.4，质量浓度为40-45％。
31.水玻璃的模数是指二氧化硅与碱金属氧化物的摩尔数的比值。
32.在一些实施例中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂或萘系减水剂。
33.在一些实施例中，所述抗分散剂选自阳离子型聚丙烯酰胺、阴离子型聚丙烯酰胺或非离子型聚丙烯酰胺，分子量为500-1200万。由于抗分散剂是通过与水泥颗粒之间的桥架作用、桥键作用等起到抗分散作用的，因此抗分散剂的结构分子链必须与水泥的活性颗粒及其间距相匹配，才能达到最佳的吸附、桥架和浆体包裹效果。抗分散剂分子量过低，不能形成有效桥架作用，分子量过高，浆体粘性过大，需水量增加，不利于强度发展。
34.抗分散剂聚合物链上的特定官能团(如羧基、氨基)与固废颗粒表面的o-、si-等相互作用，赋予材料良好的抗水分散性能。
35.在一些实施例中，所述膨润土为工业级钠基膨润土。
36.本发明所用原料为胶凝活性较低的难以被利用的低钙固废，化学组成以sio2，al2o3为主，通过复合激发剂实现活性激发，通过外加剂协同作用，实现对材料凝结时间、流动度、泌水率、强度以及体积稳定性的协同调控，从而制备出满足工程需求的绿色低碳无机胶凝注浆充填材料，既满足注浆工程材料性能需求，又可缓解固废造成的环境污染问题。
37.在一些实施例中，所述早强剂选自三乙醇胺、偏铝酸钠、硫酸铝。
38.第二方面，本发明提供所述低碳无机胶凝注浆充填材料的制备方法，包括如下步骤：
39.将煤炉渣研磨、过筛；
40.将粉煤灰、煤炉渣、矿渣、复合激发剂和外加剂按质量比混合，并搅拌均匀，即得。
41.第三方面，本发明提供所述低碳无机胶凝注浆充填材料在富水岩溶区域注浆充填中的应用。
42.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
43.实施例1
44.一种低碳无机胶凝注浆充填材料，采用以下质量份的原料制备：粉煤灰200份，煤炉渣200份，矿渣90份，复合激发剂80份，外加剂20份。
45.复合激发剂组成为：氢氧化钠10份，水玻璃30份，普通硅酸盐水泥80份。
46.外加剂组成为：膨润土75份，聚羧酸减水剂8份，聚丙烯酰胺10份，三乙醇胺5份。
47.其制备方法为：将原料按配比混合并搅拌均匀。将固废原料混合物、激发剂和水混合并搅拌均匀，即可获得，水灰比为0.65。
48.实施例2
49.一种低碳无机胶凝注浆充填材料，采用以下质量份的原料制备：粉煤灰240份、煤炉渣160份、矿渣80份、激发剂70份、外加剂20份。
50.激发剂的组成为：生石灰40份，氢氧化钠10份，普通硅酸盐水泥80份。
51.外加剂的组成为：膨润土70份，萘系减水剂10份，聚丙烯酰胺10份，硫酸铝5份。
52.其制备方法为：将原料按重量份数混合并搅拌均匀。将固废原料混合物、激发剂和水按照质量分数混合并搅拌均匀，即可获得低碳无机胶凝注浆充填材料，水灰比为0.65。
53.实施例3
54.一种低碳无机胶凝注浆充填材料，采用以下质量份的原料制备：粉煤灰200份、煤炉渣180份、矿渣90份、激发剂90份、外加剂25份。
55.激发剂组成为生石灰40份，水玻璃20份，普通硅酸盐水泥60份。
56.外加剂组成为膨润土80份，聚羧酸减水剂7份，聚丙烯酰胺10份，偏铝酸钠3份。
57.其制备方法为：将原料按重量份数混合并搅拌均匀。将固废原料混合物、激发剂和水按照质量分数混合，并搅拌均匀，即可获得低碳无机胶凝注浆充填材料，水灰比为0.65。
58.实施例4
59.与实施例3的区别在于：激发剂组成为生石灰40份，水玻璃20份，氢氧化钠5份，普通硅酸盐水泥60份。
60.对比例1
61.与实施例3的区别在于：激发剂的组成为生石灰40份，水玻璃20份，省略普通硅酸盐水泥。
62.对比例2
63.与实施例3的区别在于：所述激发剂为普通硅酸盐水泥60份。
64.对比例3
65.与实施例3的区别在于：外加剂组成为聚羧酸减水剂7份，聚丙烯酰胺10份，偏铝酸钠3份；省略膨润土。
66.对比例4
67.与实施例3的区别在于：将粉煤灰替换为煤炉渣，煤炉渣的总量为380份。
68.将实施例1-4，对比例1-4中搅拌均匀的材料浇于模具成型并标准养护，温度为20℃，湿度为95％。
69.对新拌浆液进行流动度、泌水率测试；对标准养护28d的材料成型试块进行抗折抗压强度、抗渗性等基本性能进行测试，结果如表1所示。
70.表1低碳无机胶凝注浆充填材料基本性能指标
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以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。