專利名稱：一種早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機非金屬建筑材料類，具體涉及到一種盾構(gòu)隧道背襯注漿材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著國家經(jīng)濟建設的發(fā)展，地下工程日益增多，各種工況條件下的盾構(gòu)施工技術(shù)將面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，其中背襯注漿材料的性能也需要優(yōu)化來滿足其對地層圍巖變形以及對隧道的保護作用。背襯注漿材料的使用性質(zhì)決定了其低強度的特性，傳統(tǒng)的背襯注漿材料主要采用水泥砂漿作為膠凝材料來填充隧道與圍巖之間的間隙，而在富含水的工程條件下，背襯砂漿長時間處于飽和地下水狀態(tài)下，水泥砂漿中的化學組成極易被地下水侵蝕或溶蝕，在使用不到一年的時間就會出現(xiàn)強度倒縮現(xiàn)象，飽和水條件下5年抗壓強度/28d抗壓強度(軟化系數(shù))≤50％，使用壽命大大降低。因此針對高水壓飽水條件下的盾構(gòu)隧道背襯注漿材料，急需開發(fā)出一種在飽和地下水長期侵蝕下強度仍然不倒縮的早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在飽水條件下具有早強、抗水分散、抗溶蝕性能和耐久性的盾構(gòu)隧道背襯注漿材料及其制備方法。
一種早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料，它主要由下述組分組成粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂、水和水玻璃溶液，各組分的重量配比(kg/m3)為粉煤灰+礦渣+鋼渣200-300，偏高嶺土200-300，氟硅酸鈉4-20，硅灰10-40，羥乙基甲基纖維素0.5-1.5，砂800-1000，水160-200，水玻璃溶液60-100；其中粉煤灰、礦渣和鋼渣所占三者之和的重量百分比為粉煤灰0.5-99，礦渣0.5-99，鋼渣0.5-99；粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂和水混合形成的A液，使用時，將水玻璃溶液(B液)和A液進行混合。
水玻璃溶液的模數(shù)為0.5-3.0，重量濃度為35-44％。
所述各組分的最佳重量配比(kg/m3)為粉煤灰+礦渣+鋼渣250-280，偏高嶺土250-300，氟硅酸鈉10-15，硅灰20-30，羥乙基甲基纖維素0.8-1.2，砂850-900，水160-200，水玻璃溶液70-90；其中粉煤灰、礦渣和鋼渣所占三者之和的重量百分比為粉煤灰25-60，礦渣25-60，鋼渣15-50。
上述一種早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料的制備方法，包括如下步驟
1).原材料選擇粉煤灰I級粉煤灰、II級粉煤灰，密度為2.7g/cm3，比表面積大于3500cm2/g；礦渣比表面積大于450m2/kg；鋼渣磨細鋼渣粉，比表面積大于400m2/kg；偏高嶺土采用市面出售的煤系高嶺土或純高嶺土，在600-850℃的高溫下煅燒所得，比表面積為800m2/kg；硅灰比表面積21450m2/kg；羥乙基甲基纖維素白色或類白色纖維狀或顆粒狀粉末，無臭，視密度為0.30-0.70g/cm3，密度約1.3g/cm3；砂細度模數(shù)為0.9-1.6；水玻璃溶液模數(shù)為0.5-3.0，重量濃度為35-44％；2).按重量配比(kg/m3)為粉煤灰+礦渣+鋼渣200-300，偏高嶺土200-300，氟硅酸鈉4-20，硅灰10-40，羥乙基甲基纖維素0.5-1.5，砂800-1000，水160-200，水玻璃溶液60-100；其中粉煤灰、礦渣和鋼渣所占三者之和的重量百分比為粉煤灰0.5-99，礦渣0.5-99，鋼渣0.5-99；選取粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂、水和水玻璃溶液；3).將粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂和水混合均勻得A液；然后將水玻璃溶液(B液)和A液進行混合得產(chǎn)品，并立即注入盾構(gòu)隧道壁后空隙中。
通過調(diào)節(jié)水玻璃的摻入量和濃度可以有效控制漿液的性能，以適應不同地層、不同掘進進度對漿液性能的要求。
早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料的抗溶蝕微膨脹原理如下由于傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道背襯注漿材料主要采用水泥、粉煤灰與C-H的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠作為強度來源，而隧道一般都處于地下水的直接作用之下，若地下水質(zhì)屬于淡水性質(zhì)，則會對背襯注漿造成淡水侵蝕，背襯注漿材料中的Ca2+向淡水中擴散，C-S-H凝膠分解，背襯注漿材料從而失去強度，起不到隧道保護層的作用；若地下水質(zhì)屬于酸性水質(zhì)，則會因水溶液中的H+與背襯注漿中水泥石C-H作用，使得水泥石中C-H的液相濃度降低，從而引起C-S-H凝膠的分解，使材料失去強度；若地下水屬于硫酸鹽和鎂鹽侵蝕，則會因水中鹽類與水泥石中成分反應生成的產(chǎn)物逐漸在水泥石毛細管中積累和長大，開始會使背襯注漿材料暫時緊密，但是其量積累到一定程度之后會產(chǎn)生顯著的內(nèi)應力從而使材料破壞。
本發(fā)明中沒有采用水泥膠凝材料，而是全部采用工業(yè)廢渣和偏高嶺土在水玻璃作用下產(chǎn)生的物質(zhì)作為凝結(jié)材料，這種凝結(jié)物質(zhì)不是由鈣硅比C-S-H、C-H等抗水溶蝕能力差的物質(zhì)組成，而是由堿土-鋁硅酸鹽水化物、堿-堿土鋁硅酸鹽水化物、多種種類沸石半晶質(zhì)物質(zhì)(霞石、長石、方鈉石、鈉沸石、桿沸石)低堿性C-S-H凝膠、鋁酸鈣、CaO·Al2O3·xSiO2·yH2O等組成。經(jīng)研究表明，這些物質(zhì)的組成很復雜，但在高水壓(＞0.4MPa)飽水條件下，具有很好的耐久性能。
鋼渣中含有f-CaO、f-MgO，而CaO、MgO和水進行化學反應時，其固相的絕對體積反應后分別比反應前增加了77％、97.92％。由于鋼渣經(jīng)過1650℃的高溫鍛燒，其中的f-CaO、f-MgO處于死燒狀態(tài)，所以水化活性較低，但隨著時間的推移，它仍然會水化。因此當背襯注漿材料中的鋼渣組分發(fā)生水化時，會使得背襯注漿材料產(chǎn)生微膨脹效應，使背襯注漿材料自身更加密實，且對管片和圍巖填充也更密實。
本發(fā)明采用硅灰、羥乙基甲基纖維素作為增稠劑和保水劑，利用其細度和吸附性加速粒子間的吸引和需水量來增加漿體的粘度和凝聚性能，從而達到在高水壓(＞0.4MPa)飽水條件下，抗水分散性能。
早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料的硬化歷程如下在高水壓飽水條件下進行雙液注漿時，對材料有一個很重要的指標，就是其早期強度要發(fā)展很快。
首先，本材料以水玻璃固化產(chǎn)生的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形成材料的初始強度，水玻璃固化發(fā)生如下反應方程式(1)(2)其次，工業(yè)廢渣(粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土)中的SiO4、AlO4四面體開始在水玻璃液相體系中發(fā)生溶解-縮聚-聚合產(chǎn)生高耐久的膠凝物質(zhì)，膠凝物質(zhì)結(jié)構(gòu)上具有空間三維網(wǎng)狀鍵接結(jié)構(gòu)。其膠凝體系反應歷程可以分為以下三個階段第一階段玻璃體中Si-O-Si受OH-作用而解體，生成-Si-OH和-Si-O-，但它是過渡化合物。
-Si-O-Al-O鍵也有同樣的過程。但是HO-Si-陰離子還可能聚合，使得斷鍵反應減緩。
然而當處于堿介質(zhì)的環(huán)境中，聚合反應不會發(fā)生，因為有
-Si-O-Na繼續(xù)反應
因此，可以認為在這階段Na+和OH-主要是對生成水化硅酸鈣起催化作用，當然也不排除直接生成水化硅酸鈣的反應
第二階段已解體的-Si-O-Si-將再度聚合形成不穩(wěn)定的五配位Si中心離子，根據(jù)液相中堿與SiO2的比例大小而形成不同的C/S比和結(jié)構(gòu)不同的水化物。在NaOH作用下，當原料中C/S＝1，NaOH/SiO2＜1，＝1～5或＞5時，分別生成1.13nm的Tobermerite的結(jié)構(gòu)介于長鏈和層狀、鏈狀水化硅酸鈣和Na取代的(Na，Ca)HSiO4，，后者已屬于孤立的[SiO4]四面體結(jié)構(gòu)。這時還會生成低堿度的C-S-H凝膠和類沸石類礦物，如鈉沸石、變針硅鈣石以及混合堿-鋁硅酸鹽和堿-堿土鋁硅酸鹽水化物。因此第二階段是堿金屬離子參與反應的階段。
第三階段上述最初形成的固相和膠體微粒形成晶體，同時導致水泥石的結(jié)構(gòu)形成。當堿度高時，水化產(chǎn)物主要是低堿度的C-S-H和混合的堿-堿土化合物，也存在一些由不穩(wěn)定相轉(zhuǎn)化生成的沸石和云母類礦物，這些礦物相對穩(wěn)定，而且在水中的溶解度很小，可以提高漿材的抗溶蝕性能。
本發(fā)明利用氟硅酸鈉作為水玻璃的固化劑，使得背襯注漿材料體系在很短時間內(nèi)生成硅凝膠，形成一種空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使背襯注漿材料在高水壓(＞0.4MPa)飽水條件下具有較高的早期強度(1h＞0.6MPa)，使本發(fā)明可以產(chǎn)生很好的早期強度；同時利用粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土的潛在水硬性特點，使用水玻璃溶液激發(fā)劑激發(fā)上述材料，生成高耐久性的膠凝物質(zhì)，使本發(fā)明在高水壓(＞0.4MPa)飽水條件下具有高的耐久性能；采用硅灰、羥乙基甲基纖維素作為增稠劑和保水劑，使本發(fā)明在高水壓(＞0.4MPa)飽水條件下具有高抗水分散性能。本發(fā)明在高水壓(＞0.4MPa)飽水條件下抗水溶蝕性能強，飽和水條件下5年抗壓強度/28d抗壓強度(軟化系數(shù))≥90％；利用鋼渣f-CaO、f-MgO水化后具有微膨脹性能，其砂漿90d自由膨脹率為0.01-0.03％，使材料能更好填充管片與圍巖間隙。
本發(fā)明配料簡單，制造成本低，生產(chǎn)容易，和易性能好，能滿足注漿設備的要求；且施工管理方便、防止環(huán)縱縫滲漏，地面沉降控制在允許范圍之內(nèi)。
具體實施例方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。
一種早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料的制備方法，包括如下步驟先按計量稱好粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂和水，然后將它們倒入攪拌容器拌和1分鐘(min)，形成A液運輸至現(xiàn)場工地；同時配制好所需水玻璃溶液(B液)存放于另一容器內(nèi)，但存放時間不得超過1天(d)；然后將水B液與A液在另一容器中混合10秒(s)后立即進行灌注，其具體實施實例及結(jié)果如表1。
本發(fā)明的粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂、水和水玻璃溶液原料的上下限取值以及區(qū)間值都能實現(xiàn)本發(fā)明，在此就不一一列舉實施例。
表1早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)背襯注漿材料實施實例與結(jié)果

權(quán)利要求
1.一種早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料，它主要由下述組分組成粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂、水和水玻璃溶液，各組分的重量配比為粉煤灰+礦渣+鋼渣200-300kg/m3，偏高嶺土200-300kg/m3，氟硅酸鈉4-20kg/m3，硅灰10-40kg/m3，羥乙基甲基纖維素0.5-1.5kg/m3，砂800-1000kg/m3，水160-200kg/m3，水玻璃溶液60-100kg/m3；其中粉煤灰、礦渣和鋼渣所占三者之和的重量百分比為粉煤灰0.5-99，礦渣0.5-99，鋼渣0.5-99；粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂和水混合形成的A液，使用時，將水玻璃溶液和A液進行混合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料，其特征是水玻璃溶液的模數(shù)為0.5-3.0，重量濃度為35-44％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料，其特征是所述各組分的重量配比為粉煤灰+礦渣+鋼渣250-280kg/m3，偏高嶺土250-300kg/m3，氟硅酸鈉10-15kg/m3，硅灰20-30kg/m3，羥乙基甲基纖維素0.8-1.2kg/m3，砂850-900kg/m3，水160-200kg/m3，水玻璃溶液70-90kg/m3；其中粉煤灰、礦渣和鋼渣所占三者之和的重量百分比為粉煤灰25-60，礦渣25-60，鋼渣15-50。
4.如權(quán)利要求1所述的一種早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料的制備方法，包括如下步驟1).先按重量配比為粉煤灰+礦渣+鋼渣200-300kg/m3，偏高嶺土200-300kg/m3，氟硅酸鈉4-20kg/m3，硅灰10-40kg/m3，羥乙基甲基纖維素0.5-1.5kg/m3，砂800-1000kg/m3，水160-200kg/m3，水玻璃溶液60-100kg/m3；其中粉煤灰、礦渣和鋼渣所占三者之和的重量百分比為粉煤灰0.5-99，礦渣0.5-99，鋼渣0.5-99；選取粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂、水和水玻璃溶液；2).將粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂和水混合均勻得A液；然后將水玻璃溶液和A液行混合得產(chǎn)品，并立即注入盾構(gòu)隧道壁后空隙中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)隧道背襯注漿材料及其制備方法。一種早強抗水分散和抗溶蝕盾構(gòu)隧道背襯注漿材料，它主要由下述組分組成粉煤灰、礦渣、鋼渣、偏高嶺土、氟硅酸鈉、硅灰、羥乙基甲基纖維素、砂、水和水玻璃溶液，各組分的重量配比為粉煤灰+礦渣+鋼渣200－300kg/m
文檔編號C04B14/10GK1868956SQ20061001927
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月6日
發(fā)明者丁慶軍, 陳躍慶, 肖龍鴿, 謝先啟, 胡曙光, 王紅喜, 劉招偉, 鄧利明, 趙運臣, 田焜, 李勇軍, 羅吉, 彭波, 呂林女, 王發(fā)洲, 黃小霞 申請人:武漢市城市建設投資開發(fā)集團有限公司, 中鐵隧道集團有限公司, 武漢理工大學, 武漢市市政建設集團有限公司