1.本发明涉及建筑材料领域，尤其是涉及一种微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料及其制备方法。


背景技术：

2.目前，我国已成为世界上地下工程建设规模的第一大国，而且诸如城市地铁和跨海跨湖隧道等的建设需求仍呈快速增长态势。但同时，由于地下环境的复杂性，也使得地下工程的安全建设与运营面临诸多挑战。其中，地下工程的衬砌渗漏水问题则是影响其安全建设与运营的主要灾害源。尤其对于地铁隧道、跨海跨湖隧道等公共交通工程，正确预防和治理衬砌的渗漏水问题，更是关系到公众的生命财产安全。
3.注浆法是目前预防和治理地下工程衬砌渗漏水问题最为常用的方法，但常用的普通硅酸盐水泥等注浆材料析水率高，结实率低，结石体体积稳定性差，严重影响到渗漏水治理工程的效果，往往导致工程治理不彻底、灾害易反复等。另一方面，渗漏水治理工程量大，需要消耗大量的注浆材料，受到实际经济效益等因素的限制，使得目前尚未有较好的注浆材料来替代普通硅酸盐水泥。
4.根据目前已有工程经验可知，用于地下工程衬砌壁后防渗注浆充填的材料，主要考察的是其浆液可注性、结石体的收缩率、渗透系数与强度等性能。传统的水泥基材料，浆液析水率高，结石体稳定性差、密实度低，不仅无法充分填充地下工程衬砌壁后空间，而且防渗阻水效果差。此外，衬砌壁后注浆充填需要大量的注浆材料，使用现有高品级水泥基材料，既无法满足工程经济性的要求，也不符合国家低碳环保的发展理念。所以，为解决上述问题，新型注浆材料从利用工业废渣入手，并通过调整各组分，来使混合料的性能满足相关要求。
5.为了解决地下工程衬砌防渗治理工程所面临的注浆材料性能缺陷的问题，提高渗漏水预防和治理效果，亟需提供一种性能优良且经济环保的新型注浆材料。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题而提供一种微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料。该注浆材料具有体积稳定、抗渗耐久、凝结时间可调和经济环保等优点，适用于地铁隧道等地下工程的衬砌渗漏水预防和治理，在满足经济效益要求的前提下，可有效解决传统普通硅酸盐水泥注浆材料存在的性能缺陷。
7.本发明还提供了一种微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料的制备方法，
8.本发明的目的是这样实现的：
9.本发明的一种微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料，包括以下组分及其重量份数：基体材料90-113份、复合激发剂5-12份以及水95-125份；
10.其中，所述基体材料，包括以下组分及其重量份数：硅酸盐水泥熟料50-80份、硅灰5-20份、硅钙渣13-22份、燃煤炉渣20-45份以及膨润土5-13份；
11.所述复合激发剂，包括以下组分及其重量份数：固体硅酸钠10-35份、氧化镁8-30份以及硫酸钙5-19份。
12.优选地，上述微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料，包括以下组分及重量份数：基体材料95-110份、复合激发剂6-10份以及水100-120份；
13.其中，所述基体材料，包括以下组分及重量份数：硅酸盐水泥熟料55-70份、硅灰6-15份、硅钙渣15-20份、燃煤炉渣25-40份以及膨润土6-12份；
14.所述复合激发剂，包括以下组分及重量份数：包括固体硅酸钠15-30份、氧化镁10-25份以及硫酸钙6-15份。
15.优选地，上述的硅酸盐水泥熟料为低热硅酸盐水泥熟料，且该低热硅酸盐水泥熟料中硅酸二钙的重量含量为40％-55％。
16.优选地，上述的硅灰中二氧化硅的重量含量为85％-95％，比表面积为15m2/g-20m2/g。
17.优选地，上述的硅钙渣中氧化钙的重量含量为45-56％。
18.优选地，燃煤炉渣中二氧化硅的重量含量为40-55％、氧化铝的重量含量为15-34％。
19.优选地，上述的膨润土为钠基膨润土，吸水率200％-300％。
20.优选地，上述的固体硅酸钠的模数为3.1-3.6。
21.优选地，上述的氧化镁其纯度为80％-100％，氧化钙的重量含量为0％-6％。
22.优选地，上述的硫酸钙为无水硫酸钙，纯度为90％-100％。
23.本发明还提供一种微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
24.(1)将硅钙渣、燃煤炉渣进行粉磨，而后和硅酸盐水泥熟料、硅灰、膨润土等按比例混合均匀，制得基体材料；
25.(2)将固体硅酸钠、氧化镁和硫酸钙按比例混合均匀，制得复合激发剂；
26.(3)将基体材料、复合激发剂和水按比例混合搅拌均匀，制得微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料。
27.硅酸盐水泥熟料为主要胶凝材料，硅灰、硅钙渣、燃煤炉渣和膨润土为辅助胶凝材料。本发明最终选用硅灰、硅酸钙、燃煤炉渣、膨润土等作为辅助胶凝材料的具体原因如下：
28.硅灰的粒度较小，比表面积是水泥的80-100倍，其有效成分为活性二氧化硅，具有火山灰活性，能够消耗水泥中的氢氧化钙，特别是富集在界面过渡区定向排列的粗大颗粒，生成更多c-s-h(水化硅酸钙)凝胶。细化了孔结构，使得基体更加致密，提高了抗渗能力。
29.硅钙渣是高铝粉煤灰用碱石灰烧结法工艺提取氧化铝后得到的以硅酸钙为主要成分的残渣。其氧化钙含量在45％左右，在混合体系中可在一定程度上替代石灰石发挥作用，促进早期的水化反应，从而使水泥基材料早期强度增加。此外，硅钙渣在水玻璃(硅酸钠)的激发下，可生成较为可观的c-s-h(水化硅酸钙)和c-a-s-h(水化硅铝酸钙)凝胶，具有一定胶凝性能。
30.燃煤炉渣即采用燃煤发电时产生的炉渣，虽然其存在杂质较多、有效活性成分不足的缺点，但是其价格低廉、来源广泛，而且能减少其堆放造成的环境污染问题，具有较高的应用价值。我国燃煤炉渣的产出量巨大，燃煤炉渣为烧结的火山灰质材料，其本身具有一定的水硬胶凝性能，研磨到一定细度的燃煤炉渣可以在一定程度上取代粉煤灰的作用。燃
煤炉渣可以减少水泥熟料产生的后期倒缩，使注浆材料的抗渗耐久性能提高。
31.膨润土采用的是钠基膨润土，具有良好的膨胀性。膨润土能够吸附其他颗粒并在水中形成一定的骨架结构，从而可有效抑制颗粒的沉积，提高浆液的稳定性和均匀性，减少析水率。而且，掺入适宜比例的膨润土还能够有效解决注浆材料结石体后期的干缩问题，提高抗渗性能。
32.硅钙渣、燃煤炉渣等工业废渣材料自身的水硬性能较差，需要外加碱性激发剂来促进促进其发生水化来生成有效胶凝矿物。而在催化效果方面，根据试验结果，硅酸钠配合氧化镁表现出优异的激发催化效果，在此基础上，考虑到注浆材料的早期强度要求，选用了硫酸钙，在加快水化反应进行的同时，增加了钙矾石的生成量，进而提高了浆液结石体的强度。对于硅酸钠，其对于硅钙渣具有优越的激发催化效果，而且液体硅酸钠即水玻璃的激发催化效果要优于固体硅酸钠，但使用液体硅酸钠会对注浆设备和注浆工艺提出特殊要求，不便于现场操作。所以，本发明最终选择了固体硅酸钠作为复合激发剂的成分之一，使用固体硅酸钠混合后制得的新型水泥基注浆材料在使用前需要用密封袋封装，以隔绝空气中的水分。对于氧化镁，其可以加速胶凝材料的早期水化反应，并且自身参与水化反应，生成氢氧化镁、水化硅酸镁凝胶和水滑石。其中，氢氧化镁具有膨胀性可补偿收缩，水化硅酸镁凝胶有利于各水化产物之间的粘结，水滑石可充填胶凝材料的微孔结构，使孔径变小，抑制材料的干燥收缩。对于硫酸镁，硫酸镁的加入有利于钙矾石的生成，使大量的棒状钙矾石交织聚集在孔隙之中，起到良好的增强作用，提高了材料水化反应初期和后期的抗压强度。
33.复合激发剂各组成成分之间的增强效应是在将基体材料与复合激发剂加水充分搅拌后，硅酸钠在溶液中产生的oh-离子和[sio4]
4-离子会与基体材料遇水分解出的ca
2+
、al
3+
等活性阳离子反应生成c-s-h(水化硅酸钙)凝胶。同时，氧化镁遇水生成mg(oh)2，并分离出mg
2+
离子和oh-离子，一是提高了混合物孔隙中水溶液的ph值，加快了水化反应的进程；二是其自身参与水化反应，生成类水滑石相(mg6al(oh)
16
co3·
4h2o)和m-s-h(水化硅酸镁)，而类水滑石(ht)可以进一步填充c-s-h等凝胶的内部孔隙，提高注浆材料结石体内部结构的密实度，进而增加了材料的抗压强度，降低了后期干缩。此外，在高碱度环境中m-s-h相对于c-s-h更加稳定，在一定程度上保障了结石体的长期稳定，解决了采用硅酸钠作为单一催化剂时，注浆材料结石体渗透率高、失水干缩严重、长期耐久性差的问题。对于硫酸钙，则主要起到辅助作用，用于调节水化反应程度与提高结石体的早期强度，硫酸钙的加入会促进aft(钙矾石)的生成，而钙矾石一来可以起到缓凝作用，控制水化进程；其次钙矾石结晶可以在浆液凝结早期快速形成坚硬的骨架结构，从而提高注浆材料结石体的早期强度；最后，钙矾石本身具有一定膨胀性，可以抑制结石体的干缩，提高体积稳定性。总的来说，硅酸钠和氧化镁主要用于促进水化反应的进行，通过合适的比例来控制水化产物的生成种类与含量，以提高注浆材料结石体的各项性能，而至于硫酸钙则起到辅助调节作用，在保障注浆材料结石体早期强度的同时，使水化进程控制在一个较为合理的范围内，防止水化过快引起干缩。
[0034]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0035]
本发明充分利用工业废渣，减少硅酸盐水泥的使用量，在制备性能优异的地下工程衬砌壁后防渗注浆充填材料的同时，减少了二氧化碳的排放，并解决了因工业废渣堆放而造成的环境破坏。
[0036]
本发明为充分发挥工业废渣潜在的性能，提供了一种复合激发剂，可有效加快燃煤炉渣等胶凝材料的水化和交接互联进程，提高水化固结体的致密程度，实现抗渗阻水的作用。
附图说明
[0037]
图1a是p
·
o42.5水泥水化固结后的微观电镜扫描图。。
[0038]
图1b是实施例1制备的水泥基注浆材料基体材料水化固结后的微观电镜扫描图(不加激发剂)。
[0039]
图1c是实施例1制备的水泥基注浆材料水化固结后的微观电镜扫描图(添加激发剂)。
[0040]
图2a是p
·
o42.5水泥现场应用情况的照片。
[0041]
图2b是实施例1制备水泥基注浆材料现场应用情况的照片。
具体实施方式
[0042]
下面将结合实施例，对本发明作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文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。
[0043]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0044]
对照例
[0045]
为凸显本发明的优异效果，特采用p
·
o42.5水泥设置一对照例，其制作方法为：按质量份数计，分称取100份的p
·
o42.5水泥与100份的水置于搅拌机中充分搅拌十分钟。其水化固结后的扫描电镜图像如图1a所示，aft(钙矾石)和矿物凝胶交织在一起，形成结石体的空间结构，但可以明显看出结石体的结构不够致密，孔隙粗大。这说明p
·
o42.5水泥水化形成的产物单一且比例不均，无法形成致密的空间结构，严重影响到了结石体的强度以及抗渗性能。其现场应用情况如图2a所示，衬砌结构渗漏水严重，无法满足工程要求。
[0046]
所得材料的表征结果如下表1所示。
[0047]
表1p
·
o42.5水泥材料的表征结果
[0048][0049]
实施例1
[0050]
本实施例微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料，包括如下步骤：
[0051]
(1)将硅钙渣以及燃煤炉渣分别采用球磨机进行研磨，使硅钙渣比表面积为520-600m2/kg，燃煤炉渣比表面积为400-520m2/kg；
[0052]
(2)按质量份数计，将65份硅酸盐水泥熟料，10份硅灰，20份硅钙渣，25份燃煤炉渣，8份膨润土混合均匀，制得基体材料；
[0053]
(3)将固体硅酸钠、氧化镁、硫酸钙研磨为粉末状，并按质量份数计，将20份的硅酸钠，15份的氧化镁，8份的硫酸钙混合均匀，制得复合激发剂；
[0054]
(4)按质量份数计，将110份的基体材料，8份的复合激发剂和120份的水置于搅拌机中充分搅拌10分钟；
[0055]
(5)将搅拌之后的材料置于90％湿度、25℃环境下养护28d。
[0056]
本实施例注浆材料的基体材料水化固结后(未添加激发剂)的扫描电镜图像如图1b所示，相较于p
·
o42.5水泥，该基体材料结石体中aft(钙矾石)含量明显减少，凝胶物质增加，其结构更加致密，孔隙更小；本实施例注浆材料水化固结后(已添加激发剂)的扫描电镜图像如图1c所示，相较于基体材料，该注浆材料结石体的孔隙数量与尺寸进一步减小，部分孔隙更是被微颗粒充填，进一步提高了结石体结构的致密程度；其现场应用情况如图2b所示，衬砌结构未发生渗漏水现象，满足工程要求。
[0057]
所得材料的表征结果如下表2所示。
[0058]
表2注浆材料的表征结果
[0059][0060]
实施例2
[0061]
本实施例微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料，包括如下步骤：
[0062]
(1)将硅钙渣以及燃煤炉渣分别采用球磨机进行研磨，使硅钙渣比表面积为520-600m2/kg，燃煤炉渣比表面积为400-520m2/kg；
[0063]
(2)按质量份数计，将70份硅酸盐水泥熟料，15份硅灰，15份硅钙渣，40份燃煤炉渣，12份膨润土混合均匀，制得基体材料；
[0064]
(3)将固体硅酸钠、氧化镁、硫酸钙研磨为粉末状，并按质量份数计，将30份的硅酸钠，15份的氧化镁，15份的硫酸钙混合均匀，制得复合激发剂；
[0065]
(4)按质量份数计，将110份的基体材料，10份的复合激发剂和120份的水置于搅拌机中充分搅拌10分钟；
[0066]
(5)将搅拌之后的材料置于90％湿度、25℃环境下养护28d。
[0067]
所得材料的表征结果如下表3所示。
[0068]
表3注浆材料的表征结果
[0069][0070]
实施例3
[0071]
本实施例微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料，包括如下步骤：
[0072]
(1)将硅钙渣以及燃煤炉渣分别采用球磨机进行研磨，使硅钙渣比表面积为520-600m2/kg，燃煤炉渣比表面积为400-520m2/kg；
[0073]
(2)按质量份数计，将55份硅酸盐水泥熟料，15份硅灰，20份硅钙渣，30份燃煤炉渣，8份膨润土混合均匀，制得基体材料；
[0074]
(3)将固体硅酸钠、氧化镁、硫酸钙研磨为粉末状，并按质量份数计，将25份的硅酸钠，15份的氧化镁，10份的硫酸钙混合均匀，制得复合激发剂；
[0075]
(4)按质量份数计，将100份的基体材料，8份的复合激发剂和100份的水置于搅拌机中充分搅拌10分钟；
[0076]
(5)将搅拌之后的材料置于90％湿度、25℃环境下养护28d。
[0077]
所得材料的表征结果如下表4所示。
[0078]
表4注浆材料的表征结果
[0079][0080]
实施例4
[0081]
本实施例微膨胀、强抗渗的水泥基注浆材料，包括如下步骤：
[0082]
(1)将硅钙渣以及燃煤炉渣分别采用球磨机进行研磨，使硅钙渣比表面积为520-600m2/kg，燃煤炉渣比表面积为400-520m2/kg；
[0083]
(2)按质量份数计，将65份硅酸盐水泥熟料，6份硅灰，20份硅钙渣，25份燃煤炉渣，8份膨润土混合均匀，制得基体材料；
[0084]
(3)将固体硅酸钠、氧化镁、硫酸钙研磨为粉末状，并按质量份数计，将30份的硅酸钠，10份的氧化镁，6份的硫酸钙混合均匀，制得复合激发剂；
[0085]
(4)按质量份数计，将95份的基体材料，10份的复合激发剂和100份的水置于搅拌机中充分搅拌10分钟；
[0086]
(5)将搅拌之后的材料置于90％湿度、25℃环境下养护28d。
[0087]
所得材料的表征结果如下表5所示。
[0088]
表5注浆材料的表征结果
[0089][0090]
各实施例和对比例在90％湿度、25℃环境下养护28d后，其抗压强度、收缩率、渗透系数的测试数据说明，无论在单一性能上，还是在综合性能上，本发明的水泥基注浆材料都明显的优于p
·
o42.5水泥，尤其是较高的抗收缩与抗渗性能，更加适用于地下工程的衬砌防渗治理。
[0091]
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。