用于富水破碎巖體注漿治理的水泥基復(fù)合材料及制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及用于富水破碎巖體注漿治理的水泥基復(fù)合材 料及制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國地下工程建設(shè)面臨的地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，隧道、礦山巷道、城市軌道交通等地 下工程遇有富水斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造時，極易發(fā)生圍巖大變形、塌方、涌水等災(zāi)害，具有圍 巖破碎、自承能力差、涌水面積大、涌水量大、不易封堵等特點。
[0003] 注漿作為加固破碎圍巖和封堵涌水的有效手段在地下工程中獲得了越來越廣泛 的應(yīng)用。但是目前市場上還沒有針對富水破碎巖體的注漿治理材料。普通水泥材料凝結(jié)時 間較長，注入富水破碎地層后難以留存，且漿液硬化后體積干縮，難以實現(xiàn)涌水封堵；速凝 類水泥材料如水泥-水玻璃、硫鋁酸鹽水泥等受地下水溫度影響嚴重，漿液難以有效擴散， 且后期強度較低或出現(xiàn)倒縮；部分化學(xué)漿液具有既能加固破碎圍巖又能實現(xiàn)涌水封堵的性 能，但在地下水溫度和礦化度等因素作用下，固化反應(yīng)速率不易控制，特別是有機類材料后 期老化嚴重，并且材料價格高、部分化學(xué)漿液存在一定毒性，限制了該類注漿材料的應(yīng)用。 上述材料在應(yīng)該過程中，未充分考慮富水破碎地層溫度梯度變化和高溫高壓條件對注漿材 料的影響，往往導(dǎo)致注漿效果不理想。
[0004] 針對富水破碎巖體的注漿治理亟需研發(fā)凝結(jié)時間可控、早期和后期強度強、體積 穩(wěn)定性好、堵水能力強、價格低廉、無毒無污染的注漿材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本方明開發(fā)了一種用于富水破碎巖體注漿治理的水泥基復(fù)合注漿材料，該種材料 不僅具有初終凝時間可控、早后期強度高、堵水能力強、價格低廉、環(huán)保無毒的優(yōu)點，而且能 夠在較寬溫度范圍內(nèi)或高溫高壓條件下漿液性能穩(wěn)定，實現(xiàn)對富水破碎地層的注漿治理。
[0006] 硅酸鹽水泥熟料具有水化速度快、干縮變形大的特點，但存在抗水沖刷性、抗酸性 侵蝕及與礦化劑適應(yīng)性差的問題，為克服上述缺點，本發(fā)明通過調(diào)控水泥熟料粒徑和礦化 劑的優(yōu)選，改善了水泥熟料顆粒級配和表面性能，控制水泥熟料顆粒與水的接觸方式和反 應(yīng)速率，提高水泥熟料與礦化劑的相適應(yīng)性，實現(xiàn)了材料漿液性能的有效控制。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0008] -種用于富水破碎巖體注漿治理的水泥基復(fù)合材料，由下列重量份數(shù)的組分構(gòu) 成：硅酸鹽水泥熟料為69-77份，礦化劑為23-31份，外摻粉體緩凝劑為0. 34-1. 55份； 其中，所述礦化劑中各組分重量份數(shù)如下：石英粉75-79份，氯化鈣6. 8-7.6份，氯化鋰 2. 8-3.6份，滑石粉1. 9-2. 4份，羥丙基甲基纖維素2. 0-2. 5份，硅灰石粉2. 1-2.6份，鈦白 粉0. 6-0. 9份，六偏磷酸鈉3. 1-3.8份，超塑化劑1. 5-2. 1份。
[0009] 硅酸鹽水泥熟料為水硬性膠凝材料，其與水反應(yīng)后生成水化硅酸鈣凝膠是結(jié)石體 強度的主要來源，能夠?qū)⒉牧掀渌M分緊密膠結(jié)在一起，提高材料結(jié)石體密度和抗?jié)B性能。
[0010] 其中，當硅酸鹽水泥熟料的含量低于69重量份時，結(jié)石體強度和抗?jié)B性能不良。 另一方面，如果硅酸鹽水泥熟料的含量高于77重量份，則會導(dǎo)致材料成本升高。本發(fā)明已 確認了下述結(jié)果：如果硅酸鹽水泥熟料的含量在69重量份以上且77重量份以下的范圍時， 可獲得期理想的結(jié)石體強度、密度和抗?jié)B性能。
[0011] 羥丙基甲基纖維素能在材料顆粒表面產(chǎn)生表面活性和極性作用，減弱材料粒子間 的凝絮團聚，同時自身具有保水性能；選用的超塑化劑為聚羧酸減水劑時，通過與羥丙基甲 基纖維素共同作用，可提高漿液的和易性，使?jié){液不易分層離析，保證漿液具有較高的工作 性能，還可以提高漿液的粘度和動水沖刷時漿液留存率。就其含量而言，盡管不能一概而 論，但當羥丙基甲基纖維素的含量低于2重量份時，降低了漿液和易性，易分層離析。
[0012] 羥丙基甲基纖維素的含量高于2. 5重量份時，漿液凝結(jié)時間變長，且漿液粘度增 大，不易于漿液在富水破碎地層中的擴散。因此，本申請中將羥丙基甲基纖維素的加入量限 定在2. 5重量份以下時不會產(chǎn)生上述問題。
[0013] 選用氯化鈣和氯化鋰作為早強劑，在水化過程中氯離子可以加快材料體系內(nèi)部硅 酸鹽礦物的水化速率，促進水化硅酸鈣凝膠的形成。同時在六偏磷酸鈉水解后，可以有效分 散材料組分如石英粉等內(nèi)部玻璃體結(jié)構(gòu)，加快漿液體系中硅酸根離子和鈣離子的聚合形成 凝膠，提高漿液在高水灰比條件下快速凝結(jié)硬化。通過調(diào)整上述三種組分用量，以達到在水 灰比為0.8~1. 2,環(huán)境溫度為0~40°C時，初凝時間可以控制在5~90分鐘之間，終凝時 間可以控制在80~120分鐘之間，從而根據(jù)工程需求調(diào)整漿液的最佳凝結(jié)時間。
[0014] 其中，氯化鈣和氯化鋰作為早強劑，在水化過程中氯離子可以加快材料體系內(nèi)部 硅酸鹽礦物的水化速率，促進水化硅酸鈣凝膠的形成。即可以單獨使用也可以混合使用，當 混合使用時，應(yīng)控制氯化鈣和氯化鋰的含量在所述范圍內(nèi)。當氯化鈣和氯化鋰的總含量低 于9.6重量份時，漿液硬化后水化硅酸鈣凝結(jié)等礦物生成速率和數(shù)量均會顯著降低，漿液 強度難以保證。另一方面，如果氯化鈣和氯化鋰的總含量高于11.2重量份時，漿液體系內(nèi) 部鈉鈣氯離子過多，難以完全被膠凝性礦物吸收，導(dǎo)致漿液硬化后結(jié)石體表面出現(xiàn)泛堿起 霜現(xiàn)象，降低結(jié)石體強度和耐久性。已確認了下述結(jié)果：使氯化鈣和氯化鋰總含量分別在 9.6重量份以上且11. 25重量份以下的范圍時，可獲得良好的早期和后期強度以及體積穩(wěn) 定性。
[0015] 選用硅灰石粉和滑石粉不僅能夠提高漿液流動性，還可降低漿液的表面能，保證 漿液注入地層后能夠有效擴散。
[0016] 其中，當硅灰石粉和滑石粉的總含量低于4重量份時，漿料流動度和擴散性降低。 另一方面，如果硅灰石粉和滑石粉的總含量高于5重量份，則會增大漿液需水量，并且導(dǎo)致 材料成本升高。本發(fā)明已確認了下述結(jié)果：如果硅灰石粉和滑石粉的含量在4重量份以上 且5重量份以下的范圍時，可獲得理想的漿料流動性和擴散性。
[0017] 同時，硅灰石粉可在材料水化后期提供充足的硅質(zhì)元素，吸收漿液體系內(nèi)富余 鈣、鈉等離子形成硅酸鈣鈉凝結(jié)，提高結(jié)石體后期強度和致密性。優(yōu)選的硅灰石粉用量為 2.1-2.6重量份。
[0018] 作為超細骨料的石英粉和鈦白粉可填充材料內(nèi)部孔隙，提供結(jié)石體強度、抗?jié)B性 能和抗老化性能。就其含量而言，盡管不能一概而論，當石英粉和鈦白粉的總含量低于75.6 重量份時，漿液硬化后結(jié)石體內(nèi)部孔隙不能完全被充填，結(jié)石體干縮變形大，致密度降低， 抗?jié)B性變差。
[0019] 另一方面，石英粉和鈦白粉的含量高于79. 9重量份時，會導(dǎo)致漿液和易性和流動 性下降，出現(xiàn)離析分層現(xiàn)象。因此，本申請中將石英粉和鈦白粉的總加入量限定在79. 9重 量份以下，不會產(chǎn)生上述問題。
[0020] 就本發(fā)明的用于富水破碎巖體注漿治理的水泥基復(fù)合材料而言，所述水泥基復(fù)合 材料優(yōu)選采用下述配比：硅酸鹽水泥熟料為72-75份，礦化劑為27-30份，外摻粉體緩凝劑 為0. 6-0. 9份；所述礦化劑中各組分重量份數(shù)如下：石英粉77-79份，氯化鈣7. 2-7. 4份，氯 化鋰3. 2-3. 4份，滑石粉2. 1-2. 3份，羥丙基甲基纖維素2. 2-2. 4份，硅灰石粉2. 2-2. 4份， 鈦白粉〇. 7-0.8份，六偏磷酸鈉3. 2-3.6份，超塑化劑1. 8-2. 0份。
[0021] 就本發(fā)明的用于富水破碎巖體注漿治理的水泥基復(fù)合材料而言，所述水泥基復(fù)合 材料優(yōu)選采用下述配比：硅酸鹽水泥熟料為73份，礦化劑為27份，外摻粉體緩凝劑為1. 25 份，其中，所述的礦化劑組分和質(zhì)量比為：石英粉77份，氯化鈣7. 2份，氯化鋰3份，滑石粉 2.2份，羥丙基甲基纖維素2.2份，硅灰石粉2.2份，鈦白粉0.8份，六偏磷酸鈉3.6份，超塑 化劑1.8份。
[0022] 本發(fā)明的硅酸鹽水泥熟料與礦化劑多組分分次序復(fù)合時，由于各組分間相互適用 性差，易出現(xiàn)材料性能不均一的問題，為克服了上述缺點，本發(fā)明采用多組分混合粉磨工 藝，將球磨機內(nèi)部襯板由一種形狀變?yōu)槠叫巍㈦A梯形和波形三種間隔排列，并增設(shè)磨機內(nèi)隔 倉板數(shù)量，通過調(diào)整空氣選粉機風(fēng)速有效控制了出磨物料的粒徑和細度，具有不同硬度的 材料組分能夠充分得到粉磨破碎，實現(xiàn)硅酸水泥熟料與多組分礦化劑的充分融合，保證了 材料性能的均一穩(wěn)定性。
[0023] 所述的硅酸鹽水泥熟料破碎至粒徑小于8_。
[0024] 所述的硅酸鹽水泥熟料為符合GB/T21372-2008的硅酸鹽水泥熟料，所述的 粉體緩凝劑為符合GB8075-2005的粉體檸檬酸系緩凝劑，所述的石英粉規(guī)格為1000M， 所述的氯化鈣為固體無水氯化鈣，所述的氯化鋰為固體無水氯化鈣，所述的滑石粉規(guī)格 為1250M，所述的硅灰石粉規(guī)格為500M，所述的石英粉規(guī)格為325M，所述的羥丙基甲基纖 維素為HT-K80000S型，所述的六偏磷酸鈉須符合HG/T2519-2007,所述的超塑化劑為固 含量大于90%的粉體聚羧酸減水劑，所述的制備工藝勃氏法測定比表面積測試須符合 GBT_8074-2008,所述的制備工藝負壓篩析法測試80um負壓篩篩余須符合GB/T1345。
[0025] 本發(fā)明還提供了一種用于富水破碎巖體注漿治理的水泥基復(fù)合材料的制備方法， 包括如下步驟：
[0026] (1)將娃酸鹽水泥熟料破碎至粒徑小于8mm;
[0027] (2)按照礦化劑組分重量配比稱取石英粉、氯化鈣、氯化鋰、滑石粉、羥丙基甲基纖 維素、硅灰石粉、鈦白粉、六偏磷酸鈉、超塑化劑，進行均勻化處理；
[0028] (3)將上述制備的硅酸鹽水泥熟料和礦化劑進行粉磨，采用勃氏法控制出磨物料 比表面積大于500m2/kg，采用負壓篩析法控制80um負壓篩篩余小于8 %。
[0029] (4)采用混料機對粉磨后物料外摻加入粉體緩凝劑。
[0030] 上述用于富水破碎巖體注漿治理的水泥基復(fù)合材料可用于加固富水破碎巖體和 封堵涌水。
[0031] 本發(fā)明的有益效果是
[0032] (1)本發(fā)明材料為