新型注浆材料（共7篇）
新型注浆材料 篇1
摘要：采用基质沥青、湖沥青和SBS改性剂等原材料,通过复合改性工艺,开发一种新型沥青注浆材料,其针入度小于30(0.1mm),软化点90~95℃,满足注浆材料硬度高、稳定性好等性能要求。该沥青注浆材料200℃黏度0.8 Pa·s,且温度降至135℃时黏度变大,满足注浆施工要求,并在上海建设机场道路工程公司试点工程中取得了良好的修复效果。
关键词：沥青注浆材料,改性剂,黏度
0前言
随着城市交通不断向高速化、重载化发展,城市道路和机场道面的病害情况越趋严重,表现为裂缝、坑槽、局部深陷等破坏形式,对道路维修养护提出了更高的要求,其中注浆修复法作为一种快速修复方法得到了较快的发展。为适应交通高速化、重载化的需求,要求注浆材料稳定性强、抗变形能力佳,且能实现快速开放交通[1]。现有的注浆材料虽然种类繁多,但均存在着一定的问题和缺陷,如无机类注浆材料在有地下水条件下的流失,有机类注浆材料的耐久性能差等[2]。沥青材料不溶于水,冷却硬化时间快,经改性后具有较好的流动性能、硬化强度和耐久性[3,4],对现代交通道路的维修加固具有较好的适应性。本文在传统沥青材料研究的基础上,开发一种新型沥青注浆材料,更好地支撑上海乃至全国高速公路、城市道路以及机场道面的改建修复工程。
1 原材料
(1)中石化AH-70#沥青:上海公路桥梁(集团)有限公司提供,其针入度(25℃,100 g,5 s)为63(0.1 mm),软化点49.7℃,15℃延度>100 cm。
(2)湖沥青(TLA):上海公路桥梁(集团)有限公司提供,其针入度(25℃,100 g,5 s)为4(0.1 mm),软化点94℃,灰分37.53%,密度(25℃)1.38 g/cm3。
(3)星型SBS改性剂:上海公路桥梁(集团)有限公司提供,主要性能如表1所示。
表1 SBS的主要性能指标
(4)辅助添加剂
辅助添加剂主要由多硫化物、芳香族聚合物等按比例复配而成[5]。
2 试验方法
2.1 改性沥青的制备
基质沥青+TLA混合料按掺配比例加热至熔融,在180℃条件下加入SBS,用高速剪切仪剪切30 min,加入辅助添加剂继续剪切30 min,随后在160℃烘箱中发育1 h。
2.2 沥青性能测试
(1)针入度试验:在25℃条件下,测试沥青的针入度值,试验操作参考JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0604—2011沥青针入度试验。
(2)软化点试验:用环球法测试沥青的软化点,试验操作参考JTG E20—2011中T0606—2011沥青软化点试验(环球法)。
(3)旋转黏度试验:采用美国BROOKFIELD DV-II十型旋转黏度计测试沥青的黏度,试验操作参考JTG E20—2011中T0625—2011沥青布氏旋转黏度试验。
3 试验结果与讨论
注浆材料要求稳定性强、抗变形能力佳,且便于施工,即要求改性沥青具有较小的针入度、较高的软化点和适宜的黏度[6],因此本文对改性沥青的针入度、软化点和黏度指标开展试验研究,试验配合比如表2所示。
表2 改性沥青的试验配合比
3.1 复合改性沥青的针入度
表2中不同配合比改性沥青的针入度见图1。
图1 复合改性沥青的针入度
由图1可知:
(1)随着SBS掺量增加,复合改性沥青的针入度减小,沥青不断变硬。
(2)SBS掺量从4.5%增加到5.0%时,针入度下降趋于平缓。SBS在沥青改性过程中主要是分散和溶胀的过程,但在沥青中能使SBS粒子溶胀的组分总量有限。因此,对于一种特定的SBS改性沥青,存在使SBS粒子产生充分溶胀的最大剂量,超过这一剂量,改性沥青的物理力学性能随SBS聚合物增多变化的幅度明显减小[7]。
3.2 复合改性沥青的软化点
表2中不同配合比改性沥青的软化点见图2。
图2 复合改性沥青的软化点
由图2可知:
(1)随着SBS掺量增加,复合改性沥青的软化点升高,高温稳定性不断提高。
(2)SBS掺量从3.5%增加到4.5%,软化点提高幅度相对较大,随着SBS掺量进一步提高,软化点提高幅度减小。与针入度变化机理相似,SBS在沥青中的分散和溶胀能力有限,对于一定的基质沥青,SBS存在一个理想掺量,使改性效果最优化。
3.3 复合改性沥青的黏度
根据针入度和软化点试验结果,SBS掺量为4.5%时,沥青硬度高,高温稳定性好。另一方面,随着SBS掺量进一步提高,改性沥青成本增加,因此选择SBS掺量为4.5%的复合改性沥青进行黏度试验,结果如图3所示。
图3 复合改性沥青的黏度
由图3可知:
(1)随着温度的升高,复合改性沥青的黏度不断减小。
(2)与基质沥青相比,改性沥青的黏度较大。为使沥青材料可实现注浆,需更高的温度使沥青熔融成流动状态。本研究开发的改性沥青温度升高到200℃时,改性沥青黏度降低至0.8 Pa·s,可实现在泵送管中正常流动,且注浆工艺一般需施加0.3~0.5 MPa的注浆压力,在200℃条件下可实现正常注浆施工。
但另一方面,由于路基地下空间条件复杂,沥青材料注入地下,若流动范围大,容易造成沥青材料流失。本研究开发的沥青材料在温度降低后,黏度迅速增大,135℃时沥青黏度达到8 Pa·s,使沥青流动性减小,则沥青材料的流动范围限制在一定范围内,不会造成注浆材料大量流失。
4 工程应用
上海建设机场道路工程公司第一分公司位于宝山区,其场区道路混凝土底基层不密实,路面出现凹陷现象。维修工程采用本研究开发的沥青注浆材料进行注浆修复,主要注浆工序包括路面开孔、清扫洒水、沥青注浆、注浆终止和养护(见图4)。
图4 钻孔和注浆
选取混凝土板的4角及中心各钻1个孔,钻孔深度60 cm。为提升注浆效果,清除进入注浆孔的垃圾、打孔残渣等。为便于后期沥青的清理,对孔周边进行清扫并洒水,随后进行注浆。沥青加热温度220℃,注浆压力0.4 MPa。
当附近的孔中溢出沥青时(见图5),可以用木栓将此孔封住,继续注浆。在其它缝隙、裂缝、路肩等部位有沥青流出时,则停止注浆。注浆压力若超过0.4 MPa或混凝土板出现上抬情况时也需停止注浆。对注浆路面进行清理并养护30 min后即可实现开放交通。
经现场检测,维修路面平均弯沉值由0.258 mm降低至0.172 mm,取得了良好的修复效果。
图5 沥青的溢出和清理
5 结语
(1)本研究开发的沥青注浆材料针入度小于30(0.1 mm),软化点达到90~95℃,满足注浆材料硬度高、稳定性好等性能要求。
(2)该复合改性沥青注浆材料的200℃黏度为0.8 Pa·s,可顺利实现注浆,且温度降至135℃时沥青黏度迅速变大,流动性迅速降低,不易造成材料流失。
(3)沥青注浆材料在上海建设机场道路工程公司场区道路进行中试,路面平均弯沉值由0.258 mm降低至0.172 mm,取得了良好的修复效果。沥青注浆修复的长期性能还有待进一步开展研究工作。
参考文献
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[7]陈凯.SBS改性沥青关键工艺参数及耐老化性能研究[D].西安:长安大学,2012.
新型注浆材料 篇2
我国煤矿工程地质和水文地质条件复杂, 矿井水害是我国煤矿开采中普遍且经常发生的地质灾害, 也是影响矿山安全生产的重要不安全因素。注浆法是治理矿井水害及破碎围岩加固的重要技术方法。目前工程中最常用的注浆材料是水泥浆液, 很多机构也研制出了可注性较好的化学注浆材料, 但是水泥浆液和化学浆液都有其固定的缺点。针对水泥浆材和化学浆材的优缺点, 本文中把水泥浆液与脲醛树脂化学浆液结合起来, 形成具有新组分、新特点的多组分体系的“复合浆液”, 使其每种组分都不同程度地发挥作用, 并利用试验来初步分析其工程性质, 以期得到一定的工程利用价值。
1 水泥基复合浆液作用机理及配比试验
脲醛树脂与水泥共混后, 一部分脲醛树脂浆液中的羟甲基-CH2OH会和水泥的水化产物Ca (OH) 2发生下述反应[1]:
以及-NHCH2OH与水泥中含有的多价金属化合物及其盐类发生类似上述配位反应。这些多价金属主要是Fe3+、Fe2+、Mg2+、Al3+等。这些反应均使树脂与水泥在硬化过程中能形成无数张纵横交错的网, 结成一个强度很高的整体。
以水泥浆液作为主剂 (用425#普通硅酸盐水泥配制, 水灰比为1∶1) , 以脲醛树脂浆液作为减水剂和饱和剂, 二者以不同比例 (重量比) 混合后再添加不同比例 (重量比) 的碱性促凝剂进行配比试验, 其结果如表1、图1、图2所示。
根据试验结果可知:碱性促凝剂能够有效地缩短混合浆液的凝胶时间, 另一方面, 固结体强度随促凝剂用量加大而降低, 而加大脲醛树脂浆液比例则有利于提高固化强度。分析认为, 树脂浆液的加入可以有效地分散水泥颗粒, 影响水泥聚集, 从而延长了水泥浆液的凝胶时间。但树脂浆液与水泥在硬化反应过程中能形成网状结构, 有利于聚合体整体强度的提高。
2 三种注浆材料的模拟试验
2.1 注浆材料和被注介质
为研究水泥基复合浆液的工程性质, 本文选择粗粒砂、细粒砂和无烟煤粉三组介质建立试验模型, 对脲醛树脂化学浆液、水泥浆液和水泥基复合浆液三种注浆材料的充填扩散情况及其固结特点进行对比, 并分析其与被注介质的相互作用机理。其中水泥浆液为425#硅酸盐水泥浆液 (水灰比1∶1) 。脲醛树脂化学浆液为双液浆, 以脲醛树脂作为主剂;以8%的草酸水溶液作为固化剂。水泥基复合浆液以425#硅酸盐水泥、脲醛树脂浆液和水按质量比2∶1∶1配制成主剂, 以23.1%碱性促凝剂作为固化剂。
被注介质选用砂土和无烟煤粉。其中砂土分为粗粒组和细粒组两种。分别对三组被注介质随机抽取四组样品, 进行物理指标测试, 取其平均值, 三组被注介质的物理参数如表2所示。
2.2 模型箱
模型箱长×宽×高的尺寸为70 cm×70 cm×80 cm, 垂直两个面由7 mm厚的有机透明玻璃组成, 便于外部观察浆液的渗透情况。其注浆模型坐标图如图3所示。
2.3 试验步骤
(1) 在试验模型箱内, 装入筛分好的砂子或无烟煤粉, 加水调匀, 分层夯实, 填满模型箱, 在填砂或无烟煤过程中留设注浆管。
(2) 向模型箱内注水, 直至模型箱放水口处流出水量稳定, 且模型箱上部溢出为止, 使砂子或无烟煤粉充分饱和。
(3) 待模型箱内的砂土或无烟煤粉饱和固结2 d后进行注浆。
(4) 对模型箱进行注浆试验。
(5) 注浆结束后, 脲醛树脂浆液固结、析水3 d, 水泥浆液和水泥基复合浆液固结、析水7 d, 再对模型箱进行揭露, 观察浆液扩散区域、浆液渗透范围、浆液渗流通道和浆液结石体形状。
2.4 试验结果及其讨论
2.4.1 浆液在不同介质中扩散特点
(1) 粗粒组砂土。根据试验结果, 三种浆液在粗粒组砂土中都表现出较好的渗透扩散性, 所形成的固砂体形状近似球体。其中, 脲醛树脂化学浆液的最大扩散距离为26 cm;水泥浆的最大扩散距离为13 cm;水泥基复合浆液的最大扩散距离为15 cm。脲醛树脂化学浆液在注浆开始时, 浆液主要从注浆管的孔口位置, 在三维方向上呈放射状扩散。当注入到一定阶段时, 扩散到外层的浆液粘度增大开始凝胶, 随着注浆的继续, 刚凝胶很薄的壳体就被挤裂, 产生注浆劈裂通道, 随后注入的浆液通过劈裂通道向周围渗透扩散。水泥浆液在注浆孔口位置产生了纯浆液固结体, 浆液围绕中心孔口位置向周围挤密渗透扩散。水泥基复合浆液由于凝胶时间短, 注入砂土时浆液在短时间内即发生凝胶, 浆液主要围绕注浆管孔口位置向周围扩散充填, 以渗透扩散为主。
(2) 细粒组砂土。三种浆液在细粒组砂土的扩散情况主要反映为浆液渗透扩散不均匀, 形成的固砂体形状不规则。其中, 脲醛树脂化学浆液的最大扩散距离为30 cm;水泥浆的最大扩散距离为3 cm;水泥基复合浆液的最大扩散距离为5 cm。脲醛树脂化学浆液在灌注初期显现出良好的渗透扩散性, 但由于凝胶时间较短, 且细粒组砂土孔隙性相对较小, 渗透性相对较弱, 随着浆液的絮凝, 浆液主要通过劈裂作用产生扩散通道, 浆液形成的固砂体形状极不规则。水泥浆液在细粒组砂土中的渗透扩散性极低。由其形成的固砂体情况可以看出, 浆液只在注浆管孔口处向四周产生挤密作用, 形成了一个长条状的凝固体, 向外渗透扩散效果甚微。水泥基复合浆液的渗透扩散性能受到所掺加的水泥浆液影响, 再加上浆液的凝胶时间很短, 因此, 尽管注浆压力很大, 其在细粒组砂土中的渗透扩散性也很差, 浆液在注浆管孔口处凝胶, 向四周扩散距离很小。
(3) 无烟煤粉。浆液在无烟煤粉中的扩散与砂土有较大区别, 主要为浆液固结体呈薄片状扩散, 浆液分布很不均匀。其中, 脲醛树脂化学浆液的最大扩散距离为35 cm;水泥浆的最大扩散距离为15 cm;水泥基复合浆液的最大扩散距离为17.5 cm。脲醛树脂化学浆液在无烟煤粉中的渗透主要依赖于劈裂作用形成扩散通道。浆液在注浆孔口平面上沿水平方向向四周产生劈裂作用, 形成片状劈裂通道, 随后注入的浆液通过劈裂通道向周围渗透扩散。水泥浆液在煤粉中的扩散效果较差, 虽然浆液也产生劈裂作用, 但其劈裂扩散效果较化学浆液差的多, 浆液扩散距离很短。水泥基复合浆液因其掺加水泥颗粒的原因, 再加上浆液的凝胶时间很短, 浆液只向上呈片状劈裂扩散。分析其原因, 主要是因为煤粉颗粒细小, 颗粒级配较好, 孔隙性差, 渗透系数远小于砂土, 浆液在孔隙中基本无法形成有效的渗透。但由于煤粉重度较小, 拘束应力相对较低, 便于浆液劈裂扩散。另一方面, 从浆液对煤粉的固结情况看, 其固结特点与砂土有较大差异。浆液对砂土的固结主要是充填孔隙后对固体颗粒产生了粘着力所致, 而对煤粉的固结则主要是浆液对煤粉颗粒的吸附作用。
2.4.2 浆液与被注介质相互作用机理
本次注浆模拟试验反映出的浆液和被注介质之间的相互作用主要有渗透作用、挤密作用和劈裂作用[2~4]。本次试验发现:浆液在粗粒组砂土的大孔隙介质中注浆主要发生渗透作用。脲醛树脂化学浆液在细粒组灌注初期也显现出良好的渗透扩散性;水泥颗粒型浆液在细粒组砂土和无烟煤粉这些小孔隙介质中的注浆主要发生着挤密作用, 浆液扩散距离很小;在渗透性较低的细粒组和无烟煤粉组中的化学浆液注浆都出现了明显的劈裂作用, 浆脉发育。水泥颗粒型浆材在无烟煤粉中注浆也出现了片状劈裂作用。
3 结论
(1) 以水泥浆液为注浆主剂, 脲醛树脂浆液为辅剂配制的水泥基复合浆液具有物态稳定性较好、聚合速度可调节幅度大的技术性能。
(2) 碱性促凝剂对水泥基复合浆液固化强度影响较大, 随促凝剂用量的提高浆液固化强度明显降低。
(3) 水泥基复合浆液凝胶时间可以根据工程实际条件进行调节, 提高碱性促凝剂的浓度可以有效的提高浆液凝胶时间。
(4) 模拟对比试验结果表明水泥基复合浆液在粗粒组砂土中主要发生渗透作用, 在细粒组砂土和无烟煤粉这些小孔隙介质中主要发生挤密作用。其可注性介于脲醛树脂化学浆液和水泥浆液之间, 在试验中的速凝效果一定程度验证了其用作快速堵水注浆材料的可行性。
摘要：配制出水泥-脲醛树脂双液注浆材料, 通过试验进行了水泥基复合浆液的性能对比研究, 并对其工程性能指标进行了测试。为了解水泥基复合浆液在不同孔隙介质中的可注性, 论文采用粗粒组砂土、细粒组砂土和无烟煤粉进行了脲醛树脂化学浆液、水泥浆液和水泥基复合浆液的模拟注浆对比试验, 并分析三种注浆材料与被注介质相互作用机理。
关键词：注浆材料,水泥基复合浆液,模拟试验,作用机理
参考文献
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新型注浆材料 篇3
苏州市轨道2号线总共15个区间采用盾构法施工,沿线多数区间将下穿或侧穿居民小区、厂房、市保护性建筑等总共400余栋房屋。施工环境复杂,工程安全风险控制难度大。而且苏州市轨道交通2号线穿越典型富水软弱土层,地层条件的特殊性和复杂性更增加了施工安全控制的难度。盾构隧道同步注浆能够及时填充盾尾建筑空隙,是控制地层沉降的核心手段,也是确保地表建(构)筑物安全的关键措施,目前应用的注浆材料如惰性浆液存在凝结时间长、固结体强度低、体积收缩率大的缺点,普通可硬性浆液凝结时间短、易堵管、抗水分散性较差的缺点,均存在充填性、流动性、固结强度三者之间不相匹配等问题[1,2]。
苏州轨道公司为实现浆液充填性、流动性、固结强度三者之间的良好匹配,在轨道交通2号线盾构穿越房屋课题组研究基础上,决定在2号线采用准厚浆进行同步注浆,以控制地表及建筑物沉降。本文从原理到工程实践对新型浆液的应用进行探讨,为其他同行提供思路。
2 注浆的组成材料及参数对浆液性能的影响
粉煤灰作为浆液组成,可提供浆液固结强度、调节浆液凝结时间、改善浆液的和易性;生石灰能增大浆液的黏度,并有一定的固结作用;膨润土可以减缓浆液的材料分离,降低泌水率,并具有一定的防渗作用;砂作为填充料[3]。
2.1 同步注浆浆液各组成参数对浆液稠度的影响
浆液稠度表示浆液的稀稠程度,它从总体上可表征浆液的流动性。同步注浆浆液稠度决定了浆液在施工时的可泵性和填充性。浆液太稀,注浆后注浆容易流窜到尾隙以外的其它区域,浆液太稠,则流动性很差,泵送性差,甚至无法泵送。
本工程同步注浆浆液稠度要求为10～12 cm。根据以往试验结果表明:粉灰比(粉煤灰与石灰的质量比)对惰性浆液的稠度影响极小,可以忽略不计。影响惰性浆液稠度的主要因素是水胶比和膨水比(膨润土与水的质量比),其次是胶砂比[4]。因此,在保证浆液凝结时间、倾析率、抗压强度等指标的基础上,适当地增大水胶比或减小膨水比均可提高浆液的稠度。
2.2 同步注浆浆液各组成参数对浆液凝结时间的影响
同步注浆浆液的凝结时间是浆液性能的重要参数之一,同步注浆浆液的凝结时间越长,浆液越容易发生向盾构开挖面泄漏和在土体内流失的情况,容易被地下水和开挖面后窜的泥浆稀释,从而对约束管片和控制地层位移不利。但是同步注浆浆液凝结时间太短会造成浆液还没有完全充填盾尾空隙,就失去了流动性,导致填充效果不好。另外,过短的凝结时间还容易造成注浆管的堵管现象,对施工控制要求较高。不同地质条件、地下水状况和不同工况对浆液的凝结时间要求不一样。对于自稳能力较差的富水地层,为了防止浆液被地下水稀释而改变其浆液性能,在要求浆液的保水性能好、不离析的同时,适当缩短浆液的凝结时间比较好。对于盾构进、出洞段,在考虑地质条件的同时,一般也要求缩短浆液凝结时间,以便尽早获得固结体强度。
本工程对同步注浆浆液凝结时间要求为12～16 h。根据以往试验结果表明:粉灰比对单液活性同步注浆浆液凝结时间的影响极小可忽略不计,而膨水比、胶砂比、水胶比对浆液凝结时间影响比较明显,是调整浆液凝结时间的主要考虑因素。因此,针对本工程软弱地层、富水地层的实际情况,浆液配比在保证浆液稠度、倾析率、强度等指标的基础上可作出以下调整:根据需要在保持其他参数不变的情况下,可适当减小水胶比或胶砂比,或增大膨水比,缩短浆液的凝结时间。
2.3 同步注浆浆液各组成参数对浆液倾析率的影响
同步注浆浆液的倾析率为单位体积的浆液中固体颗粒下沉时与粒料分离所泌水的体积大小,是以体积百分数表示的泌水率。浆液的倾析率可反映浆液的稳定性、抗离析性,也是评价同步注浆浆液性能的重要参数之一。倾析率越小,表示浆液越稳定,浆液抗离析性越好;反之,浆液越不稳定,浆液抗离析性差,在同步注浆过程中越容易发生堵管现象。因此,同步注浆浆液要求其倾析率越小越好。
本工程对同步注浆浆液倾析率要求为5%～10%。根据以往试验结果表明:粉灰比和胶砂比对浆液倾析率的影响极小,均可忽略不计,而水胶比和膨水比是影响浆液倾析率的主要因素。对于本工程富水软弱地层,同步注浆浆液在保证浆液稠度、凝结时间、强度等指标的基础上,还要求浆液的保水性好、不离析。因此,其浆液配比需要作出以下调整:在保持其它组成参数不变的条件下,可适当减小水胶比或者提高膨水比。
2.4 同步注浆浆液各组成参数对浆液抗压强度的影响
由盾构隧道管片背后注浆的目的可知,用于同步注浆的浆液必须具有一定的早期和后期强度,这样浆液在盾尾空隙形成及时填充后,使围岩与管片衬砌连成一体,可有效防止岩体的坍塌,控制地表的沉降。
本工程对同步注浆浆液7 d抗压强度要求为0.4 MPa,14d抗压强度为1.0 MPa。根据以往试验结果表明:浆液各组成参数水胶比、胶砂比、粉灰比和膨水比对浆液抗压强度影响变化是一致的,影响浆液抗压强度的主要因素均是粉灰比和水胶比,膨水比和胶砂比对其影响比较小。随着粉灰比和水胶比的增大,浆液抗压强度呈下降趋势。因此,在保证浆液稠度、凝结时间、倾析率等指标的基础上,适当减小粉灰比或水胶比均可提高浆液的抗压强度。
2.5 施工现场配合比确定
在综合考虑稠度、凝结时间、倾析率、抗压强度的条件下,确定水胶比为1,胶砂比为1.3～1.4,粉灰比为4.2～4.4,膨水比为0.15～0.17,最后在现场试拌和试验的基础上,得出如下配比:石灰53 kg、粉煤灰225 kg、膨润土50 kg、砂子200 kg、水300 kg。制备的同步注浆浆液稠度10～13 cm、凝结时间7～8 h、7 d抗压强度不低于0.4 MPa、14 d抗压强度不低于1.0 MPa、泌水率不大于60%,均能满足苏州轨道公司要求。而且现场实际应用过程中观察到拌合浆液流动性较好、抗水分散性较好、充填性较好、体积收缩性小。
3 现场应用效果
苏州轨道交通2号线11标(石湖路～迎春南路)区间隧道,地表有建筑物,隧道覆土依次为(1)1杂填土层,平均层厚1.50 m,(1)3素填土层,平均层厚1.66 m,(2)1黏土,平均层厚1.90 m,(2)2粉质黏土,平均层厚2.66 m,(3)1黏土,平均层厚3.09 m,(3)2粉质黏土,平均层厚2.75 m,(4)1粉土,平均层厚3.15 m,(4)2粉质黏土,平均层厚7.85 m,(4)3粉砂,平均层厚6.99 m,(4)4粉土夹粉砂,平均层厚8.20 m,(4)5粉质黏土,平均层厚9.24 m,(4)6粉质黏土,平均层厚27.06 m。
石～迎区间隧道洞身穿越地层主要为:(4)2粉质黏土层、(4)3粉砂层和(4)5粉质黏土层,(4)2粉质黏土:灰色,流塑,夹薄层粉土,稍有光泽,干强度、韧性中等,无摇振反应。为第四系晚更新统海陆交互相沉积物,层厚3.60～9.50 m,平均层厚7.85 m,层底标高-15.90～-9.79 m,层顶标高-9.95～-5.20 m,该层压缩性中等偏高。(4)3粉砂:灰色,中密,局部密实,饱和,局部为粉土,主要矿物成分为石英、长石,含云母,局部夹薄层粉质黏土,无光泽,干强度、韧性低,摇振反应迅速。为第四系晚更新统海陆交互相沉积物,层厚3.00～10.10 m,平均层厚6.99m,层底标高-16.62～-10.66 m,层顶标高-9.79～-5.98 m,该层压缩性中等偏低,为微承压含水层,透水性较好。(4)5粉质黏土:灰色,流塑,夹薄层粉土,局部夹淤泥质粉质黏土薄层,下部见有机质斑点,局部偶见贝壳碎屑及腐植物,稍有光泽,干强度、韧性中等,无摇振反应。为第四系晚更新统海陆交互相沉积物,层厚1.30～22.10 m,平均层厚9.24 m,层底标高-35.99～-17.14 m,层顶标高-20.48～-10.66 m,该层压缩性中等偏高。该试段隧道顶部距地表在10～15 m左右。
该掘进段内盾构穿越的建筑物为大酒店、原街道办事处、居民小区、商业会所等,包括2栋1层砖混结构简易房,1栋2层砖混结构,2个3层楼高小区,1栋4层楼办公楼,1栋6层办公写字楼,基础有桩基础以及条形基础。
建筑物变形监测点是根据建筑物变形结构分析所需要的关键部位进行观测点的布设,如在建筑物的外墙角、内窗边角、立柱等突出部位布设,共布设房屋沉降监测点50个。地面轴线沉降监测点分为平行于隧道轴线、垂直于隧道轴线。平行于隧道轴线的沉降监测点在隧道弯道处、地质条件差及其它重点地段加密,每10 m左右布设1点。垂直于轴线的沉降监测点加密区每10 m左右布设1组长60 m的断面,每断面为11点;一般区域每30 m一组断面,每断面11点。
监测频率为每天上午7:00和下午16:00各1次。
监测结果显示,该掘进段盾构穿越房屋最大沉降值为-9.1mm,最大隆起值为5.01 mm,建筑物最大差异沉降值为2.9 mm。盾构所穿越的建筑物沉降变形较小。每环注浆量4.0～4.5 m3,实现了地表最终沉降在-4 mm以内,效果非常显著。
由此可见,新型浆液在苏州典型粉质黏土层和富水粉细砂层中的应用取得了成功,同时也说明了新型浆液对不同地层的适应性良好。
参考文献
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注浆材料的发展及其应用 篇4
随着世界各国地下工程建设的高速发展, 注浆材料得到了越来越广泛的开发和利用。从最早的石灰和黏土、水泥, 发展到水泥-水玻璃、各种化学注浆材料、超细水泥等, 其大致可分为水泥注浆材料、化学注浆材料、无水泥熟料的绿色注浆材料三大类。
1 水泥注浆材料
1.1 水泥浆
水泥注浆材料最常用的是普通硅酸盐水泥。其优点是:原材料来源广泛、成本低、无毒性、施工工艺简单方便。缺点是:水泥浆液稳定性较差、易沉淀析水、凝结时间长, 并且由于水泥颗粒直径较大, 注入能力对微细裂隙往往受到限制[4]。
在地下水流速较大的条件下, 水泥浆液易受水的冲刷和稀释而难以固结, 抗水溶蚀性和抗水分散性差, 为了改善水泥浆的性质, 常在水泥浆中掺入各种外加剂。例如, 为了提高浆液的稳定性, 一般是向水泥浆液中加入0.2%~5%的膨润土等外加剂[5,6]。
1.2 水泥黏土浆
黏土的粒径一般极小 (小于0.005 mm) 、比表面积较大、遇水具有胶体化学特性。黏土矿物的特征是其原子呈层状排列, 不同的排列形式组成了不同的黏土矿物, 最常见的是高岭石、伊利石、蒙脱石。
由于黏土的分散性高、亲水性好, 在水泥浆液中加入黏土可以提高水泥浆液的稳定性和结石率, 降低水泥浆的分层离析程度, 从而改善浆液的可注性。作为工程加固注浆材料, 黏土的掺量不宜过多, 一般掺量为水泥重量的5%~15%[4]。
1.3 水泥-水玻璃浆
水泥-水玻璃浆液是以水泥和水玻璃为主剂, 两者按一定的比例采用双液方式注入, 必要时加入速凝剂或缓凝剂所组成的注浆材料[4]。水泥-水玻璃浆液的凝结固化反应包括水泥水化反应、水泥水化反应产物Ca (OH) 2与水玻璃的反应, 即水泥与水拌和成水泥浆液后, 由于水解和水化作用, 产生活性很强的Ca (OH) 2;水玻璃与Ca (OH) 2起作用, 生成具有一定强度的凝胶体—水化硅酸钙, 其反应如下[7]。
水泥-水玻璃浆液克服了单液水泥浆的凝结时间长且不易控制、结石率低等缺点, 提高了水泥注浆的效果, 扩大了水泥注浆的适用范围[4]。其凝结时间可以从几秒到几十分钟内调节, 结石体抗压强度较高, 可达10~20 MPa, 凝结后结石率可达95%以上, 结石体渗透系数为10-3cm/s, 可用于裂隙为0.2 mm以上的岩体或粒径为1 mm以上的砂层;可注性比水泥浆要高, 是目前研究和应用较多的注浆材料[5]。
1.4 超细水泥浆
水泥注浆材料自1838年英国汤姆逊隧道开始应用。人们在实践中发现普通水泥粒径较大, 渗透能力有限, 一般只能渗入大于0.1 mm的裂隙和孔隙中, 而对于微细裂隙注浆效果较差。为了在低渗透介质中提高水泥浆的可注性, 超细水泥注浆材料成为国内外研究的热点。日本早在20世纪70年代初就率先研制成了超细水泥注浆材料, 美国、俄国也相继开发成功这一产品[8]。
超细水泥颗粒的最大粒径小于20μm, 平均粒径4μm左右, 比表面积大, 凝结体强度高、稳定性好, 渗透能力强, 可以达到和化学浆材相近的可注性, 且浆材无污染, 因此得到了较为广泛的应用, 有逐步取代化学浆材的趋势, 为注浆界开辟了新的领域[8,9]。例如, 浙江新安江大坝及济南铁矿采用超细水泥灌注裂缝均达到了预期的加固目的[9]。近年来超细水泥浆液也成功应用于北京、广州、深圳、南京等地的地铁建设项目中[10]。
超细水泥浆液是目前比较有研究前景的水泥注浆材料, 但由于其成本高且干法磨细水泥储存、运输难度大, 不利于商业化发展, 因而制约了其使用范围。另外, 对超细水泥的渗透机理也有待于进一步研究[2]。
2 化学注浆材料
化学注浆材料应用较多的主要有水玻璃和有机高分子注浆材料两类。
2.1 水玻璃注浆材料
水玻璃是化学注浆中使用最早的一种材料, 由于其优越的综合性能, 目前仍然是使用较广的化学注浆材料之一。自1974年日本丙烯酰胺化学注浆引起环境污染造成中毒事件后, 水玻璃作为一种污染小的浆材更为世界各国所重视。
水玻璃浆液是以水玻璃为主剂, 加入胶凝剂, 使其发生化学反应, 生成大量的硅凝胶从而凝结硬化。水玻璃浆材来源广泛, 造价低廉, 主剂毒副作用小, 不会污染环境, 而且黏度小, 可注性好。但其凝结时间不够稳定, 可控范围较小, 凝结体强度低, 稳定性较差, 主要用于临时或半永久性工程中[11]。
2.1.1 水玻璃氯化钙浆液
水玻璃、氯化钙两种浆液在土体中相遇, 发生反应生成二氧化硅胶体, 并与土体颗粒一起形成整体, 起到防渗和加固的作用。此种浆液主要用于建筑、交通工程的地基加固或无粘性土的堵水。其反应如下式[4]。
Na2O·Si O2+Ca Cl2+m H2O→n Si O2· (m-1) H2O+Ca (OH) 2。
水玻璃氯化钙浆液可用单根管交替注入, 但在换液前必须清洗管路;也可用双管注入, 即一根管注入水玻璃, 另一根管注入氯化钙浆液, 两种浆液在地基中相遇发生化学反应而凝结。为提高浆液的扩散能力, 可采用电动硅化法, 即两根管道通直流电[12]。
2.1.2 水玻璃氟硅酸浆液
氟硅酸 (H2Si F6) 水溶液无色、呈强酸性。浆液的凝结时间主要受水玻璃、氟硅酸用量的影响。水玻璃氟硅酸浆液配方简单、操作方便。使用时, 水玻璃与氟硅酸两者可等体积注入, 氟硅酸不足部分可加水补充。但两种浆液相遇时会有絮状沉淀物产生, 影响浆液在地基中的扩散能力, 并且氟硅酸有腐蚀性, 成本较高[4]。
2.1.3 酸性水玻璃浆液
通常所用的水玻璃为强碱性材料, 其凝结体有碱溶出、脱水收缩和腐蚀现象, 影响其耐久性, 而且对环境有一定的污染。而酸性水玻璃可在中性或酸性条件下凝结, 凝结体没有碱溶出。
2.1.4 HS水玻璃 (酸化水玻璃) 浆液
为使水玻璃浆液能在中性或酸性条件下凝结, 可将水玻璃进行酸化, 其反应为下式。
Na2O·Si O2+ (n-1) H2SO4→n Si (OH) 2SO4+Na2SO4+H2O。
在酸化过程中, 必须保持p H值不大于2, 以保证水玻璃稳定性最高, 不发生自凝。HS水玻璃浆液的相对密度为1.10, 黏度一般为3×10-3Pa·s, 凝结时间可以从瞬时到数十分钟内调节, 其固砂体在海水中浸泡一年半, 强度无显著变化[4]。
2.1.5 SS水玻璃 (硅溶胶) 浆液
为使水玻璃浆液在土体中的溶出降低到最低限度, 减少污染, 增加固结体的耐久性, 除了HS水玻璃浆液外, 还可通过降低水玻璃溶液中Na2O的含量得到高模数的酸性SS水玻璃。由于SS水玻璃浆液生成水溶性盐的钠离子大部分已被脱去, 将减少它在土体中的溶出, 相应地增加了固结体的耐久性, 降低环境污染的程度。SS水玻璃浆液的黏度一般为5×10-3 Pa.s, 凝结时间可以从瞬时到三十分钟内任意调节, 其固砂体抗压强度为0.39~0.59 MPa, 渗透系数为1.23×10-3cm/s[4]。
2.2 有机高分子注浆材料
主要应用有丙烯酰胺类、聚氨酯类、木质素类、环氧树脂类、不饱和酯类等。一般当砂土颗粒粒径≤0.5 mm或岩石裂隙开口≤0.2 mm, 地下水流速>500mm/min时, 采用有机高分子化学注浆材料可以解决普通水泥浆液无法解决的工程问题[13]。
2.2.1 丙烯酰胺浆液
丙烯酰胺浆液, 国内称为丙凝浆液, 国外称为AM-9, 是以有机化合物丙烯酰胺为主剂, 配合其它外加剂制成的液体。以水溶液状态注入土中, 发生聚合反应后生成具有弹性的、不溶于水的聚合物。
丙烯酰胺浆液黏度低, 与水接近, 常温下标准黏度为1.2×10-3Pa·s, 且在凝结前保持不变, 因此具有良好的可注性。凝结时间可准确地控制在几秒至几十分钟之间, 凝结体在几分钟之内达到其极限强度, 聚合体体积基本上为浆液体积的100%。凝结体抗渗性好, 其渗透系数为10-9~10-10cm/s, 但其抗压强度低, 耐久性较差, 且凝结体具有一定的毒性。另外, 丙烯酰胺浆液价格较贵, 材料来源较少, 与铁质易起化学作用, 具有腐蚀性[4]。
2.2.2 聚氨酯浆液
聚氨酯浆液是70年代发展起来的一种高效能注浆材料, 在土木工程中起加固、堵漏、堵水、防渗作用。聚氨酯浆液主要采用多异氰酸酯和聚醚树脂等作为主要原材料, 加入各种外加剂配制而成。浆液注入地层后与水发生反应生成聚氨酯泡沫体, 起加固地基和防渗堵水的作用。它分为非水溶性聚氨酯浆液 (PM) 和水溶性聚氨酯浆液 (SPM) 。
2.2.2.1 非水溶性聚氨酯浆液
非水溶性聚氨酯浆液只溶于有机溶剂。浆液黏度低, 可注性好, 可与水泥浆结合应用。浆液遇水即发生反应, 因此不易被地下水冲刷, 可用于动水条件下堵漏, 封堵各种形式的地下、地面及管道漏水, 止水效果好。浆液遇水反应后放出CO2气体, 使浆液体积膨胀, 向四周渗透扩散, 产生二次扩散现象, 因而具有较大的扩散半径。固砂体抗压强度高, 渗透系数可达10-6~10-8cm/s, 且浆液不污染环境[4]。
2.2.2.2 水溶性聚氨酯浆液
水溶性聚氨酯与非水溶性聚氨酯的主要区别在于:PM浆液所用的聚醚是环氧丙烷聚合物, 而SPM浆液所用的聚醚是环氧乙烷聚合物, 后者具有亲水性。
水溶性聚氨酯浆液相对密度为1.10, 黏度在0.1Pa·s左右, 凝结时间在几秒到几十分钟之间, 浆液能均匀地分散或溶解在大量水中, 凝结后形成包有大量水的弹性体, 凝结体的抗压强度与包水量有关, 可用于水工建筑物及地下工程的防渗堵漏[4]。
2.2.3 木质素类浆液
木质素类浆液是以亚硫酸纸浆废液为主剂, 加入一定量固化剂所组成的浆液。木质素类浆液包括铬木素和硫木素两种浆液。
铬木素浆液是亚硫酸纸浆废液中的木质素与胶凝剂重铬酸钠发生反应后生成凝胶, 达到加固和防渗的目的。采用三氯化铁作为促凝剂可以有效的调节凝结时间, 其凝结时间可以在几分钟到几十分钟范围内调节, 固砂体抗压强度为0.3~0.8 MPa, 抗渗性能好, 但由于重铬酸钠的毒性较大, 因此该种浆材难以大规模使用[13]。
硫木素浆液是在铬木素浆液的基础上发展起来的, 采用过硫酸铵完全代替重铬酸钠, 使之成为低毒、无毒木质素浆液, 是一种很有发展前途的注浆材料。浆液的凝结时间随着浆液中木质素、氯化铁等的增加而缩短, 一般可控制在几十秒到几十分钟范围内, 固砂体抗压强度在0.5 MPa以上, 凝结体不溶于水、酸和碱溶液中, 化学性能稳定[14]。
2.2.4 环氧树脂浆液
环氧树脂是一种高分子材料, 具有强度高、黏结力强、收缩性小、化学稳定性好、能在常温下固化等优良性能, 但是作为注浆材料则存在一些问题:浆液黏度大、可注性小、憎水性强、与潮湿裂缝黏结力差等。目前, 中国水利水电科学研究院研制出黏度低、亲水性能好、与潮湿裂缝黏结力强的SK-E浆液 (表1所示) , 并在许多混凝土结构加固防渗工程中得到应用[4]。
2.2.5 甲凝浆液
1974年日本由于应用丙烯酰胺化学注浆材料造成了环境污染, 促使了甲凝浆材甲基丙烯酸盐酯类、丙烯酸盐类灌浆材料的研究及其在土木工程中的应用, 受到了人们的重视。甲凝是以甲基丙烯酸甲酯为主剂, 配与油溶性引发剂、促凝剂、增韧剂等助剂组成的一种低黏度的注浆材料。甲基丙烯酸甲酯黏度低, 渗透能力强, 可注入0.05~1 mm的微细裂缝。聚合后的强度和黏结力较高, 但甲凝是憎水性材料, 在注浆前, 必须吹干裂缝, 并在浆液内加入一定的阻聚剂。且浆液固化收缩大, 工艺复杂[15]。
2.2.6 丙强浆液
丙强浆液是在丙凝浆液基础上发展起来的, 它主要以丙凝和脲醛树脂作为注浆材料。丙强浆液及其聚合体既基本保存了丙凝的特性, 又因脲醛树脂的存在提高了浆液的强度, 因此, 具有防渗和加固的双重作用。丙强浆液的黏度比丙凝大, 约为 (5~6) ×10-3Pa·s, 聚合体的渗透系数可达10-8 cm/s, 经丙强灌注的砂, 其聚合体的抗压强度可达8 MPa[4]。
综上所述, 化学注浆材料种类较多, 但由于其价格高、配方复杂, 而且大多数化学注浆材料都有毒, 其发展受到限制。尤其是1974年日本上岗县发生化学注浆污染事故后, 日本、美国相继禁止了有毒浆材的使用[16]。
3 绿色注浆材料
当前地下工程建设突出存在注浆材料用浆量大、成本高、对水泥原材料消耗过度, 环境污染严重等问题, 无法形成材料生产与环境相协调的产业化格局。据统计仅平均每米地下矿井井筒水泥注入量高达8~14 t, 最高可达30 t, 可见水泥材料的消耗量非常大。为此, 国内外材料科学工作者开始致力于工业废渣资源化利用, 研制开发新型绿色注浆材料[17]。
目前, 粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废渣在我国拥有量高, 但有效使用率还不到10%, 而且它们对环境造成了极大的污染。已有研究表明, 这些工业废渣能被碱激发, 其固体颗粒较普通水泥颗粒细小, 且颗粒级配分布也更合理, 因此可以作为注浆材料原材料[2]。
粉煤灰也叫飞灰, 是由燃煤电厂烟囱收集的灰尘, 其外观类似水泥, 颜色由于含碳量和细度不同, 从浅灰色到灰黑色变化, 细度一般小于45μm。粉煤灰作为水泥混合材料广泛使用的主要原因是其化学组分与水泥十分相近, 且材料来源充分, 价格低廉。但粉煤灰单独作为胶凝材料的缺点是Ca O含量不足, 活性较低, 凝结特性差, 尤其是早期强度低。在我国, 粉煤灰的利用率在30%左右[18]。
矿渣是炼铁厂在高炉冶炼生铁时得到的以硅铝酸钙为主要成分的熔融物, 经淬冷成粒后所得到的副产品。矿渣的密度≥2.8 g/cm3, 比表面积≥350 m2/kg, 化学成分主要为Ca O, Al2O3, Si O2, 含量一般达90%以上。矿渣具有优异的化学活性和辅助减水功效, 一般用质量系数来评价矿渣的活性。
质量系数K值越大, 矿渣的活性越高, 大于1.2的为活性矿渣, 小于1.2的为非活性矿渣。以宝钢为例, 宝钢有三座炼铁高炉, 每年高炉渣的产量达到2 700 000 t, 废渣资源丰富。三座高炉均采用炉前水淬粒化工艺, 因此炉渣玻璃化程度达95%以上, 具有很好的潜在化学活性[19]。
钢渣是炼钢过程排出的熔渣, 主要是金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蚀的炉衬料和补炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而特意加入的造渣材料, 其数量一般为粗钢产量的12%~20%。我国钢渣利用率约20%, 大量钢渣的弃置堆积不仅占用了大量的土地, 也是造成环境污染的源头。由于化学成分及冷却条件不同造成钢渣外观形态、颜色差异很大。碱度较低的钢渣呈灰色, 碱度较高的钢渣呈褐灰色、灰白色。钢渣块松散不黏结, 质地坚硬密实, 孔隙较少。钢渣中的含铁量较高, 其密度为3.1~3.6 g/cm3, 较难磨。钢渣的抗压性能好, 压碎值为20.4%~30.8%[20]。
目前, 国内武汉理工大学利用磨细工业废渣 (粉煤灰、矿渣、钢渣) 完全替代水泥熟料, 利用水玻璃激发工业废渣成功制备了不同凝胶时间 (3~300 s) 、高固结强度 (~25 MPa) 和结石率可达100%的新型双液注浆材料, 成功应用于武汉长江隧道工程建设中[2]。另外, 模拟淡水侵蚀环境的注浆材料水溶蚀试验结果表明, 该注浆材料结石体在水溶蚀作用180 d条件下强度无损失, 而水泥-水玻璃注浆材料强度损失达50%, 这表明水玻璃-工业废渣双液注浆材料的抗水溶蚀耐久性能优于水泥-水玻璃双液注浆材料[21]。因此采用水玻璃激发粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废渣制备注浆材料, 不仅有利于大量工业废渣变废为宝, 减少环境污染, 降低注浆材料成本, 而且该注浆材料的综合性能优异, 为实现注浆材料节能环保和高性能化提供了一种选择[2,5~6]。
4 结语
注浆材料中应用较多的水泥浆、水泥-黏土浆、水泥-水玻璃双液注浆材料, 消耗水泥量大, 价格高, 又非绿色材料, 故不适合时代的可持续发展要求;化学浆材由于成本高、配方复杂, 且大多数化学浆材毒性较大, 存在环境污染问题, 其应用受到限制;无水泥熟料的水玻璃-工业废渣双液注浆材料将大量的工业废渣变废为宝, 降低了工业废渣由于乱堆放所带来的土地占用和环境污染等问题, 且浆材来源广泛、成本低、配方简单、无污染。因此, 在我国有效利用大宗工业废渣替代纯水泥熟料研制高性能、绿色注浆材料, 无疑是与时代可持续发展相协调的新型注浆材料研究方向之一。
摘要：主要综述了注浆材料的发展状况, 介绍了水泥浆材、化学浆材、水泥-水玻璃浆材、无水泥熟料的水玻璃-工业废渣绿色浆材等注浆材料的特性与应用。
新型注浆材料 篇5
呼家楼站是北京地铁十号线的中间站, 与规划M6线呈十字换乘关系。受京广桥桩的影响, 站台分开设置在东三环北路东西辅路下, 埋深10m, 车站长179.5m。车站设5个出入口, 两组风亭、风道。
车站为分离岛式暗挖车站。主体为双线双洞, 双层结构, 单拱单跨断面。主线标准断面开挖宽度12.6m, 高15.15m。主体结构为洞桩法施工。
车站周边环境:该车站设在繁华商业地区。地面建筑物居民楼、朝阳剧场地基距主体结构最近处2.2m;地下管线有Φ700mm、Φ1250mm污水管、Φ1400mm自来水管、Φ1050mm雨水管, 管线距主体结构最近处0.9m。热力管沟、电力、电信管沟密布。暗河 (雨水方沟3.2m×4.5m) 横跨主体结构上方, 距主体结构2.4m, 桥桩距主体结构2.4m。
根据本工程的特点, 整个工程的重点是开挖初支施工的安全。由于本工程开挖拱部地处含水粘土层、粉细砂层、圆砾层, 其自稳性差。如果开挖初支施工不当, 将引起地层较大的变形, 危及地面交通、管线及房屋安全。因此, 将车站的开挖初支防坍塌、控制沉降, 作为施工的首要重点。将超前小导管注浆止水、加固地层作为施工的关键工艺和环节。
2 注浆材料、浆液配比
2.1 注浆材料
注浆材料见表1。
2.2 浆液配比
通过20多组不同组合的配比试验, 优选出两类4个浆液配比, 见表2。
2.3 水泥—水玻璃 (CS浆液) 浆液堵水加固原理
硅酸盐水泥的成分硅酸三钙 (3CaO·SiO2) 、硅酸二钙 (2CaO·SiO2) 占水泥重量的70%～80%, 当水泥配水泥浆后, 其主要成分硅酸三钙发生水化作用, 生成含水硅酸二钙和活性很强的氢氧化钙, 即
3CaO·SiO2+nH2O=2CaO·SiO2 (n-1) +Ca (OH2)
其中另一主要成分硅酸二钙也发生水化作用, 生成含水硅酸二钙, 即
2CaO·SiO2+ mH2O=2CaO·SiO2·mH2O
以上反应生成的含水硅酸二钙呈胶质状态, 不溶于水, 生成的氢氧化钙与水玻璃 (Na2O·mSiO2) 很快发生反应, 生成凝胶性硅酸钙, 即
Ca (OH2) + Na2O·mSiO2+nH2O= Cao·mSiO2·mH2O+ 2NaOH
由于水泥浆液和水玻璃浆液发生化学反应, 其混合浆液很快形成一定强度的胶质体。随着反应连续进行, 胶质体强度不断提高, 变为稳定的凝固体, 从而起到堵水与加固地层的作用。胶质体的前期强度是水玻璃起主要作用, 后期强度是水泥起主要作用。
2.4 改性水玻璃浆液堵水加固原理
改性水玻璃就是将水玻璃进行酸化, 使其在弱酸性条件消耗体系中的NaOH, 是平衡右移产生硅酸。硅酸成胶凝体, 其反应如下:
Na2O·nSiO2+ (n-1) H2SO4 →nSi (OH2) SO4+ Na2SO4+H2O
2.5 试验结果分析
影响水泥—水玻璃 (CS浆液) 浆液初凝时间的主要因素:
(1) 当C—S比例和波美度一定时, 水泥浆中w/c越大初凝时间越长;当C—S比例一定时, 水玻璃波美度越高初凝时间越长。
(2) 当水泥浆w/c和水玻璃波美度一定时, C—S浆液水玻璃体积大初凝时间长, 水玻璃体积小, 浆液初凝时间短。
(3) 新鲜水泥活性高, 浆液初凝时间短, 水泥存放时间长活性降低, 浆液初凝时间则延长。
(4) 温度低浆液初凝时间则延长, 温度高浆液初凝时间则缩短。
3 超前小导管注浆工艺
超前注浆是用带孔的钢花管, 在工作面周边按一定的角度打入地层进行注浆, 在工作面周围形成承载薄壳, 达到加固地层的目的。超前小导管既作为注浆导管注浆加固地层, 又可起到超前小管棚支护的作用。
小导管布置在起拱线以上隧道周边上, 导管间距为0.3m, 外插角10～30°, 该站标准断面布导管23根, 每隔一榀隔栅钢架打设一环 (如图1) , 导管长3.5m, 外露20cm以便安设注浆管路。经现场检验有效注浆范围达开挖轮廓线外3m。
(1) 超前小导管的制作。
导管采用Φ32mm焊接水煤气管制成。先将钢管结成3.5m, 一端做成尖锥形, 另一端焊上Φ6mm钢筋制成的箍;在距头部1.0～1.5m以下每隔10cm交叉钻Φ8～Φ10mm的孔。
(2) 注浆。
进浆速度一般每根管控制在30L/min以内, 每根管内注入100～150 L浆液后结束注浆;注浆压力0.3～0.5MPa。
(3) 单管注浆结束标准。
注浆过程中, 压力逐渐上升, 流量逐渐减小, 当压力达到注浆终压, 注浆量达到设计注浆量的85%以上, 可结束该孔注浆;注浆压力未能达到设计终压, 而注浆量已达到设计注浆量, 也可结束该孔注浆。
4 结语
通过近一年的现场试验、实践, 不同地层选择不同的浆液超前小导管注浆, 其效果有:
(1) 超前小导管注浆后在开挖面周围地层形成硬壳保护拱, 在拱的保护下掌子面很少坍塌, 并且开挖轮廓规整、稳定。
(2) 喷射混凝土时间由过去8h左右减少到2h左右, 提高工效3倍。喷射混凝土回弹减少50%以上。
(3) 根据监控量测结果, 拱顶下沉及地表总沉降量最大值23mm, 小于设计风险值 (总沉降量不超过30mm) 。保证了施工安全, 管线、建筑物及路面交通安全。
摘要：北京地铁十号线呼家楼站, 主体结构开挖其拱部地层为粉细砂、圆砾、高含水量粘土, 其自稳性差。通过水泥—水玻璃浆液、改性水玻璃浆液不同配比在不同地层止水、加固的试验应用及优化注浆工艺, 提高了工效, 确保了地面沉降的控制范围和施工安全。
注浆封孔材料的研究进展 篇6
1注浆封孔材料的分类
目前注浆封孔材料按其化学成分可大致分为粘土材料、水泥基材料、高水材料、高分子材料四大类。
粘土 (黄泥) 浆封孔是最早使用的封孔法, 封孔材料为质地细密、富有可塑性的半干粘土、黄泥或黄泥-水泥混合物等[7]。由于粘土密度较大, 充填于钻孔后, 除能起到隔离水量较小的含水层与其他地层互相串通外, 还可以保持孔壁压力平衡而防止钻孔坍塌, 并且粘土颗粒水化后产生粘结力, 使其具有一定的抗剪强度[8]。
水泥基材料是目前应用最为广泛的封孔材料, 它对钻孔围岩的地质条件适应性强, 流动度、凝结时间可调, 封孔长度得以保证, 而且材料凝固之后遇水不会软化, 在一定程度上克服了粘土封孔的不足, 并且水泥浆也可掺加工业副产品 (如粉煤灰、矿渣等) 构成复合水泥基材料, 大幅降低封孔的成本[9]。
高水材料是一种新型特种水泥混合材料, 水灰比高达3∶1, 其甲组分由铝酸盐、硫铝酸盐或铁铝酸盐水泥熟料和悬浮剂组成, 乙组分由石膏、生石灰、悬浮剂、速凝剂等组成。甲乙两组分在分别加水搅拌时, 24h内不沉淀、不凝固, 两种浆液混合均匀后, 经一定的物理化学反应, 30min内便可快速凝结、固化成固体材料[10]。
聚氨酯泡沫材料简称聚氨酯, 是一种性能优良的高分子合成材料, 具有密度小、强度高、隔音、热导率低、防水和施工方便等特点, 主要由黑料 (多异氰酸酯R-NCO) 和白料 (聚醚多元醇R-OH和助剂) 混合发泡而成。近年来, 随着聚氨酯应用面的逐渐拓展, 该材料在煤矿封孔、充填和密闭等方面也得到了很好的推广应用[11]。在封孔、充填和密闭的过程中, 聚氨酯具有膨胀性大、密封性好、粘结力强及不延燃等特点, 封孔时操作简单, 省时省力, 适合快速密封不同深度、孔径和角度的瓦斯孔和注水孔, 是性能较好的封孔材料[12,13]。
2注浆封孔材料的研究进展
2.1粘土材料
粘土浆封孔具有成本低、方法简单、易操作的优点, 只要钻孔围岩致密, 有一定的封孔深度, 就可以达到较好的封孔效果, 因此粘土封孔在某些现场仍有使用[14]。
自1802年法国土木工程师Charles Berigny在港口城市戴佩将悬浮的粘土浆和石灰浆用于修复被海浪损坏的砌筑墙基以来, 粘土浆作为一种优质廉价的注浆材料被广泛应用于其他领域, 至今已有200多年的历史。国内由煤炭科学研究总院建井研究分院于20世纪90年代, 经过课题攻关研究成功综合注浆法的成套技术, 以粘土-水泥浆为主要材料的综合注浆法得以广泛应用于煤田建设中[15]。冯向东[16]研究了粘土-水泥浆液的凝结过程及其主要化学反应, 根据实际施工中对浆液的要求, 提出了选择粘土的8项技术标准。徐润[17]对粘土-水泥浆液在裂隙中结石体的性能进行了研究, 测试结果表明粘土-水泥具有良好的渗透性, 可以满足对裂隙带的充填要求。陈晓明等[18]则探讨了改性粘土浆加促进剂前后的流变性能和固结机理。容玲聪[19]针对传统粘土制浆过程复杂的不足, 介绍了一种高速高效制备改性粘土浆的工艺, 为粘土浆的推广使用提供了技术条件。K.Masumoto等[20]将粘土注浆技术运用到解决地下采掘损伤区花岗质围岩水渗透的问题中, 结果表明钻孔在粘土注浆以后, 溢水率明显降低, 取得了较好的效果, 他们的研究还表明低浓度的膨润土浆液可以起到封闭微细裂纹的作用, 这为今后改善粘土浆封孔效果起到了启示性作用。
2.2水泥基材料
自1842年英国人Joseph Aspdin获得首个波特兰水泥专利以来, 水泥被广泛应用于生产建设的各个方面, 发展至今形成了庞大的硅酸盐水泥系列。然而水泥基材料存在一个明显的不足———后期易收缩干裂, 造成钻孔漏气漏水。借鉴前人的理论和实践成果, 可采取两种方式改善该材料的收缩干裂:一是减少水泥浆硬化过程中因水化放热过快产生的热膨胀;二是使材料具有缓慢发展的微膨胀性, 弥补材料后期的收缩干裂。
在水泥基材料中掺加一定量的粉煤灰有助于降低材料水化热、改善材料收缩干裂、提高材料的综合性能。M.Ahmaruzzaman[21]综述了粉煤灰的利用状况, 详细介绍了粉煤灰的诸多优点, 并对粉煤灰在煤田建设方面的应用做了相应介绍。我国学者刘建忠等[22]指出掺加30%~50%的粉煤灰可以显著降低水化放热速率和水化放热峰值, 并且能延缓峰值出现的时间, 且粉煤灰对水化的延缓作用要优于同等掺量的矿粉渣。Pipat和Atis等[23,24]研究表明当粉煤灰掺量大于50%时, 其抗收缩性能得到极大改善。粉煤灰对水泥浆的影响并不是单一的, 过量粉煤灰的掺加也会带来负面影响, 实际使用过程中应综合考虑总体性能。P.Nath和Chindaprasirt[25,26]从强度、干缩性、氯离子吸附及渗透性能等方面全面考察了粉煤灰-水泥浆的耐久性能, 发现适量粉煤灰的掺加有助于水泥浆耐久性能的改善。Siong等[27]认为砂子的级配也对水泥浆性能有着重要的影响, 高水灰比条件下细砂水泥浆固化体的强度和耐久性均好于粗砂水泥浆。此外, 刘广北等[28]选用生石灰-铝粉复合膨胀剂和固体速凝剂与P·O32.5水泥配比, 制得一种成本低、流动性好、微膨胀、凝结速度快、早期强度高的膨胀水泥封孔材料, 在现场应用中取得了良好的封孔效果。孙文标等[29]介绍了一种以高铝水泥、石灰、石膏等为主要材料的速凝高强膨胀型封孔材料, 并对该材料的凝结时间、膨胀率和强度等特性进行了测试分析, 认为该材料的膨胀与水化产物钙矾石具有较小的晶体尺寸并呈放射状分布有关。Cheng等[30]以水泥为基材, 配合高分子聚合物、膨胀组分、外加剂、纤维及偶联剂制得一种综合性能较好的新型封孔材料, 其封孔初始阶段瓦斯抽采率可高达80%。这些研究在改善水泥基封孔材料的性能方面均有着宝贵的参考价值。
2.3高水材料
高水材料综合性能优异, 能在较高的水灰比下迅速凝结固化, 抗压强度发展较快, 混合2h即可达到1.0~2.5MPa, 并且具有微膨胀性, 能满足大多数苛刻的施工要求。鉴于以上诸多优点, 高水材料被沿用到钻孔封孔施工中, 专家学者对高水材料的性质及其封孔性能也做了系统研究。
张英华等[31]对高水材料性质进行了研究并介绍了其封孔工艺, 试验表明高水材料是一种具有流动性好、凝结快、强度高、结晶微膨胀等特点的早强固化材料, 采用注浆式可直接实现良好封孔。彭美勋等[32]研究了包括悬浮剂、缓凝剂及速凝剂在内的高水材料各组分对材料性能与微观结构的影响。陈洪令等[33]研究认为掺入熟料用量10%的膨润土既可以满足固化体强度要求又可以消除材料在凝结时的泌水现象。尹艳玲和高清雯[34,35]将高水材料用于油井堵水和“三软”煤层注水防尘中均取得了良好的封孔效果。孙文德等[36]将膨胀水泥与高水材料配方有机结合并加入各种外加剂, 制得新型矿用封孔材料PD, 并采用微胶囊化技术, 使材料在缓慢凝固过程中逐渐膨胀, 以抵消材料后期的干缩, 取得了较好的封孔效果:瓦斯抽采体积分数从22.6%提高到36.8%, 平均抽采负压从2.8kPa提高到9.1kPa, 平均单孔瓦斯纯流量从9.42L/min提高到44.53L/min。郑春山等[37]运用环境扫描电子显微镜, 针对封孔材料的密封性能、材料与钻孔煤壁的结合特征、材料向钻孔周边的渗透情况对比研究了PD系列材料与聚氨酯材料, 发现PD系列材料内部结构严实, 可以有效提高抽采负压, 增大抽采瓦斯浓度值和纯瓦斯流量均值。中国矿业大学在高水材料的基础上研制出超高水材料, 其水固比高达11∶1, 流动性优异, 且具有材料凝结时间和强度可调、固结体不收缩等特点[38,39]。冯光明等[40]研究了复合外加剂和水固比对超高水材料凝结时间和强度的影响, 对胶体水化的机理进行了分析, 并用表面双电层理论对超高水胶凝体系的稳定性做了理论解释。丁玉等[41]进一步研究了不同水体积下超高水材料的体积应变、流变性、显微结构、稳定性等性质, 认为超高水材料综合性能优异, 具有较好的应用前景。
2.4高分子材料
无机材料注浆封孔时由于其水化颗粒粒径较大, 难以对钻孔围岩的微细裂纹进行封闭, 后期收缩干裂致使钻孔漏气漏水。针对以上传统封孔材料的不足, 人们开始寻求某些高分子材料替代无机材料, 其中聚氨酯泡沫材料即为一个典型代表。
1848年德国首先开始研究聚氨酯, 我国于1958年前后才开始研究和生产聚氨酯。真正开始将聚氨酯用于注浆封孔的国家是美国和日本, 此后各国先后开展对这一领域的试验研究, 发展至今取得了丰硕的成果[42,43,44]。王大庆等[45]采用聚氨酯注浆封孔解决了松软煤层瓦斯抽采效果不佳的问题, 瓦斯抽采浓度达到90%以上。高振勇等[46]对聚氨酯的膨胀性及透气性做了介绍, 并指出聚氨酯在钻孔环形空间内的膨胀倍数与环形空间长度呈指数关系。周林峰[47]将聚氨酯应用于大湾煤矿的瓦斯抽采封孔施工中, 通过与水泥封孔对比发现, 聚氨酯封孔具有用量少、封孔长度短、施工时间短、封孔效果优异的特点。钻孔封孔质量的好坏取决于两个重要的因素:一是封孔材料的性能, 即材料的渗透性、粘结性;二是封孔长度。针对这个问题, 李季等[48]对聚氨酯封孔材料的渗透性、粘结性及其合理的封孔长度做了试验分析, 得出聚氨酯渗透系数较小, 仅为1.00546×10-6cm/s, 与煤的粘结强度的几何平均值为387.95kPa, 聚氨酯材料可作为瓦斯抽放和煤层注水的钻孔封孔材料, 并且其封孔长度大于0.976m即可。徐卫东等[49]采用新型合成树脂进行定位封孔, 也克服了以上不足, 取得了良好的封孔效果:钻孔平均抽放浓度提高了15%, 平均瓦斯抽放流量提高了0.007 m3/min。马灵军等[50,51]针对现有瓦斯抽采钻孔封孔技术的封孔长度短、深度小、对钻孔周围裂隙带封堵较差等不足, 在详细介绍化学注浆原理的基础上, 引入了一种化学注浆封孔技术, 即使用赛瑞封孔材料, 通过手动注浆泵加压注浆, 完成封孔操作, 注浆量计算公式为:
式中:W为注浆量;D为封孔直径;d为瓦斯抽采管直径;L为注浆管长度。
3目前注浆封孔材料存在的主要问题
(1) 以水泥为主要成分的无机封孔材料, 由于水化颗粒粒径较大, 难以封闭微细裂纹, 导致漏水漏气。单一组分封孔材料的性能, 将越来越不能满足对封孔性能的要求, 如粘土封孔遇水软化、水泥封孔易干缩以及不易封闭微细裂纹、化学注浆封孔成本高以及易污染等。
(2) 封孔材料的微膨胀性用于封堵微裂纹以及弥补材料后期干缩, 然而目前在控制封孔材料膨胀速度方面的研究还不足。在封孔材料中添加膨胀药剂, 可以实现材料的微膨胀性, 但不加以控制的话, 膨胀药剂在封孔初期就会消耗完全, 对材料后期的收缩将起不到弥补作用, 如何控制特殊外加剂缓慢发挥效用亟需进一步研究。
(3) 化学注浆封孔材料对环境和人体有一定的潜在威胁, 例如异氰酸酯是聚氨酯的基本原料, 对人体有严重危害。并且封孔材料多为一次性, 一次封孔失败便会造成废孔, 需重新钻孔封孔, 封孔成本较高, 材料的可操作性和可回收利用性差。
4结语
我国政府一贯高度重视煤矿生产安全, 并把瓦斯治理作为煤矿生产安全工作的重中之重, 着力遏制重、特大瓦斯事故的发生。封孔材料在预防瓦斯事故方面扮演着重要的角色, 随着研究的深入进展和人们安全生产意识的提高, 对封孔材料的性能势必会提出更高的要求, 可以从以下几个方面展开研究:
(1) 尽管封孔材料经过多年研究取得了较大的进展, 在预防煤矿瓦斯事故方面作出了很大的贡献, 但是目前封孔材料的性能仍存在诸多的不足, 单一组分封孔材料的性能将不能满足安全高效生产的要求。通过多组分复合的封孔材料的性能将更加全面, 其抗渗性好、注浆性能优异、不收缩、凝结时间易于控制、适于运输和存储, 封孔材料多组分间的复合技术将会成为今后研究的方向和重点。
(2) 微胶囊化技术是使用天然或合成的固体将气体、液体和固体包覆与封装, 但这种技术目前尚不成熟, 存在包覆率低、工艺复杂、成本偏高等不足, 仍有待进一步研究改进。国内已有学者初步尝试应用此技术处理膨胀剂, 用于控制药剂缓慢发挥效用。可以预见, 随着微胶囊化机理、工艺等研究的不断深入, 这种技术在外加剂处理方面将有重要的应用。
新型注浆材料 篇7
1 采空区治理工程注浆材料选择
基于采空区注浆工程的特征, 限于施工现场的实际情况, 所选择的注浆材料必须是经济合理、性能良好的材料。纯水泥浆其可灌性较好, 初、终凝时间短, 结石体抗压强度高, 主要以加固为目的;而水泥粉煤灰浆其可灌性较好, 初、终凝时间较长, 结石体抗压强度低, 主要以充填为目的。通常, 在构筑物下或沉降量较大的路段下采用纯水泥浆注浆;在沉降量较小的路段下采用水泥粉煤灰浆注浆。煤矿采空区注浆治理工程选择水泥、粉煤灰和水为注浆材料。
2 注浆浆液的性质
试验工程的注浆材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂等组成, 水为当地河水, 其SiO
采用不同的注浆浆液配合比, 对注浆浆液的配合比进行了详细的研究。不同配方的水泥 (42.5号普通硅酸盐水泥) 粉煤灰混合料浆液的实验成果见表1和表2。
当在注浆浆液中掺入水玻璃时, 不同配方的水泥 (42.5号普通硅酸盐水泥) 粉煤灰混合料浆液的试验成果见表3。
经对试验结果分析, 浆液结石体不同龄期的抗压强度随着浆液中水泥含量的增加而增大, 或者说随着水泥含量的减少而降低。当水泥占固相的比例逐渐减少时, 水泥粉煤灰浆液结石体的强度会迅速降低。
3注浆材料特性分析
1) 影响注浆浆液结石体强度的因素。a.由表1可见, 同一固相比的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液的结石体强度随着水固比的增加 (浓度减小) 而降低。b.由表1、表2、表3可见, 同一固相比的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液的结石体强度28 d的大于7 d的, 即随着龄期的增长而增加。c.由表1、表2可见, 相同水固比的水泥粉煤灰混合料浆液的结石体强度随着水泥比例的增加而增大。d.从表2和表3看出, 水固比和固相比都相同的水泥粉煤灰混合料浆液, 当掺入水玻璃时, 浆液结石体强度有所降低, 并且不同水固比和不同固相比的混合料浆液加入水玻璃后结石体抗压强度均有所降低。2) 影响水泥粉煤灰浆液凝结时间的因素。a.从表1、表2可以看出, 固相比相同的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液的初、终凝时间随水固比的减小 (浆液浓度的增加) 而缩短。b.从表2、表3可以看出, 水固比和固相比都相同的水泥粉煤灰混合料浆液, 当掺入水玻璃时, 初、终凝时间缩短, 通常可缩短时间1 h～2 h, 说明外加剂水玻璃有速凝作用。c.从表1、表2、表3可以看出, 注浆浆液配比1∶1.3, 当水泥粉煤灰浆液中水泥为固相的20%时, 初凝时间为43 h 5 min, 终凝时间为47 h 50 min;当水泥粉煤灰浆液中水泥为固相的40%时, 初凝时间为21 h 20 min, 终凝时间为24 h;当水泥粉煤灰浆液中水泥为固相的40%时, 在浆液中添加速凝剂, 则初凝时间为20 h 15 min, 终凝时间为23 h 10 min。3) 影响水泥粉煤灰浆液密度的因素。a.由表1、表2可见, 同一固相比的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液的密度随着水固比的增加 (或浓度减小) 而降低。b.水固比相同的水泥粉煤灰混合料浆液密度随着水泥含量的增加而增加c.由表2、表3可见, 对于相同配比的水泥粉煤灰混合料浆液, 当掺入水玻璃后, 密度增加。4) 影响水泥粉煤灰浆液结石率的因素。a.由表1、表2可见, 同一固相比的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液的结石率随着水固比的降低 (或浓度增加) 而增加。b.固相比相同的水泥粉煤灰混合料浆液的结石率随着水泥含量的增加而增加。c.由表2、表3可见, 同一固相比的水泥 (水泥含量) 粉煤灰混合料浆液, 当掺入水玻璃后, 结石率有所提高。
4注浆材料选取
依据煤矿采空区工程实践和已有的研究资料, 采用水灰比0.8～1.2配制的浆液较为合适。如果水灰比小于0.8, 注浆泵就不能有效的使用, 即采用现有的注浆泵无法将注浆浆液注入钻孔内;如果水灰比大于1.2, 注浆浆液太稀, 不能有效地进行充填帷幕孔注浆施工过程中, 可考虑在注浆浆液中增加水泥的含量, 以缩短注浆浆液在地下的凝结时间, 确保注浆工程的帷幕效果。
5结语
本文对高速公路下采空区充填注浆材料的选取进行分析, 对注浆材料浆液进行配比试验, 并对其影响因素进行分析, 浆液结石体不同龄期的结石率、浆液密度和抗压强度等随着浆液中水泥含量的增加而增大, 或者随着水泥含量的减少而降低。注浆浆液的初凝时间和终凝时间随着浆液中水泥含量的增加而减小。当掺入水玻璃时, 相对于相同配比的注浆浆液, 其密度增加, 结石率提高, 初凝时间和终凝时间明显缩短, 但结石体的抗压强度减小。
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