一种岩溶隧道动水封堵的抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆材料及其制备方法

技术领域

本发明属于地下工程岩溶高速动水封堵技术领域，涉及一种动水注浆材料，具体涉及一种岩溶隧道动水封堵的抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆材料及其制备方法。

背景技术

由于溶蚀和地质作用，喀斯特地区形成大量的孔隙、裂隙、孔洞、管道、溶洞和地下河，进一步扩展会形成较大的岩溶管道。在隧道、地铁和采矿施工中，一旦这些岩溶管道暴露出来，容易引发突水涌泥，并伴随地表塌陷等次生灾害。岩溶管道突水以其高流速、强补给、高水压的特点，已成为制约岩溶地区地下工程建设发展的主要因素之一。注浆技术将固化材料注入地下裂缝、空洞进行填补修复，适用性强，是解决地下工程灾害的有效手段。注浆材料的性能是注浆是否成功的主要影响因素，传统注浆在高流速动水压力下存在抗分散性能差和强度低等问题，常导致动水条件下注浆封堵渗漏施工失败。针对此问题，施工常采用高聚物水泥作为动水注浆材料，高聚物增加了浆液粘度，提高水泥颗粒间吸引力，因此具备较高抗分散性能。但是，高聚物水泥仍存在成本高、扩散距离短和凝结时间长的缺点，因此，急需开发一种价格合适、流动性高和凝结时间可控的动水注浆材料。

发明内容

为了克服现有动水注浆材料中存在的性能不足和成本问题，本发明提供了一种岩溶隧道动水封堵的抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种岩溶隧道动水封堵的抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆材料，包括基体组分和外加剂组分，其中：

所述基体组分按照质量百分比计由70~80%黏土和20~30%硫铝酸盐水泥组成；

所述外加剂组分按照质量百分比计由抗分散剂5~10%、缓凝剂1~3%、减水剂5~10%、消泡剂10~20%、矿物掺合料60~78%组成；

所述外加剂组分与基体组分的质量比为2~3:50。

一种上述岩溶隧道动水封堵的抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、称取黏土和硫铝酸盐水泥并混合均匀，制得干粉状基体组分；

步骤2、分别称取抗分散剂、缓凝剂、减水剂、消泡剂、矿物掺合料，备用；

步骤3、将抗分散剂、缓凝剂与消泡剂混合水搅拌均匀直至完全分解，控制水与基体组分的质量比为0.6~1：1，制得溶液A；

步骤4、将干粉状基体组分、减水剂和矿物掺合料混合后边搅拌边加入溶液A，搅拌均匀即得黏土-硫铝酸盐基抗分散注浆浆液。

本发明中，所述粘土为哈尔滨粉质黏土，具备悬浮性好、不易沉淀、一定的抗分散等性能，且价格便宜、可在施工地点就地采取，大量使用可极大减少注浆成本。

本发明中，所述硫铝酸盐水泥凝结速度快，1天抗压强度即可达到30MPa，且具有一定膨胀性能。

本发明中，所述抗分散剂为羟丙基甲基纤维素、乙烯-醋酸乙烯酯和绒毛纳米水凝胶，其质量比为1:2:1。羟丙基甲基纤维素的长链结构吸附自由水分、水泥和黏土颗粒，团聚增加，提高浆液粘度；乙烯-醋酸乙烯酯浆液体系中可形成成膜聚合物，提高内聚强度和抗冲刷性能，此外，可提高注浆结石体弯曲和拉伸结合强度。绒毛纳米水凝胶的绒毛状结构确保了在浆液中具有超强的吸水性能，且其-COO基团可以与Ca

本发明中，所述羟丙基甲基纤维素粘度为40000mPa·s，乙烯-醋酸乙烯酯粘度为60 mPa·s，绒毛水凝胶为实验室将丙烯酸与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚制备而成。

本发明中，所述缓凝剂为硼酸。

本发明中，所述减水剂为聚羧酸减水剂，粉末状，固含量98±1%。

本发明中，所述消泡剂为磷酸三丁酯，由于抗分散剂在浆液制备过程会带来一定空气，降低浆液结石体性能，所以添加磷酸三丁酯减少浆液空气含量。

本发明中，所述矿物掺合料由硅灰、石膏、纳米二氧化硅、碳酸钠及其他矿物材料组成。硅灰具有高比表面积，可增加浆液的保水与抗分散能力，石膏可提供硫酸根离子与硫铝酸盐水泥反应生成钙矾石，提高浆液反应速度与膨胀性能，纳米二氧化硅可附着于高聚物所形成的网状结构，使其更致密，从而增加浆液抗冲刷性能。矿物掺合料化学成分为氧化钙12~15%、氧化铝6~8%、二氧化硅35~45%、三氧化硫25~35%、氧化镁3~5%、氧化铁2~4%。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1）本发明主体材料为黏土，主要材料可就地就近采取，成本低廉、绿色环保，造价明显低于传统充填材料，经济效益好，且黏土具备悬浮性好、不易沉淀和一定的抗分散等性能。

2）本发明以硫铝酸盐水泥和黏土为基础，添加羟丙基甲基纤维素、乙烯-醋酸乙烯酯、绒毛纳米水凝胶和矿物掺合料，聚合物长链结构增加团聚，提高浆液粘度，且可形成成膜聚合物，提高内聚强度和抗冲刷性能，而水凝胶的绒毛状结构确保了在浆液中具有超强的吸水性能，进一步提高水泥浆的抗冲刷性能，矿物掺合料提高基体浆液性能，且其中超细颗粒可被高分子链包裹吸附，提高浆液体系的粘聚性，起到增稠作用。

3）本发明添加硼酸缓凝剂和聚羧酸减水剂，提高了浆液的流动性，并可通过控制缓凝剂与矿物掺合料的含量达到浆液凝结时间可控的目的。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

本实施例中，岩溶隧道动水封堵的抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆材料由基体组分和外加剂组分组成，其中：

所述外加剂组分与基体组分的质量比为2.5:50；

所述基体组分按照质量百分比计由80%黏土和20%硫铝酸盐水泥组成；

所述外加剂组分按照质量百分比计由抗分散剂5%、缓凝剂2%、减水剂5%、消泡剂15%、矿物掺合料73%组成；

所述抗分散剂为羟丙基甲基纤维素、乙烯-醋酸乙烯酯和绒毛纳米水凝胶，质量比为1:2:1，缓凝剂为硼酸，减水剂为聚羧酸减水剂，消泡剂为磷酸三丁酯，矿物掺合料化学成分为氧化钙15%、氧化铝7%、二氧化硅41%、三氧化硫30%、氧化镁4%、氧化铁3%；

具体制备步骤如下：

步骤1、按质量百分比记，称取80%黏土和20%硫铝酸盐水泥并混合均匀，制得干粉状基体组分。

步骤2、按质量百分比记，分别称取以下外加剂：抗分散剂5%、缓凝剂2%、减水剂5%、消泡剂15%、矿物掺合料73%，备用。

步骤3、将抗分散剂、缓凝剂与消泡剂混合水搅拌均匀直至完全分解，控制水与基体组分的质量比为0.8：1，制得溶液A。

步骤4、将干粉状基体组分、减水剂和矿物掺合料混合后边搅拌边加入溶液A，搅拌均匀即得抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆浆液。随后对浆液的7d抗压强度、初凝时间、泌水率、0.6m/s动水冲刷留存率和漏斗粘度进行检测，具体数据见表1。

表1 注浆浆液性能

实施例2

本实施例中，岩溶隧道动水封堵的抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆材料由基体组分和外加剂组分组成，其中：

所述外加剂组分与基体组分的质量比为2.5:50；

所述基体组分按照质量百分比计由80%黏土和20%硫铝酸盐水泥组成；

所述外加剂组分按照质量百分比计由抗分散剂10%、缓凝剂3%、减水剂8%、消泡剂15%、矿物掺合料64%组成；

所述抗分散剂为羟丙基甲基纤维素、乙烯-醋酸乙烯酯和绒毛纳米水凝胶，质量比为1:2:1，缓凝剂为硼酸，减水剂为聚羧酸减水剂，消泡剂为磷酸三丁酯，矿物掺合料化学成分为氧化钙13%、氧化铝6%、二氧化硅37%、三氧化硫35%、氧化镁5%、氧化铁4%；

具体制备步骤如下：

步骤1、按质量百分比记，称取80%黏土和20%硫铝酸盐水泥并混合均匀，制得干粉状基体组分。

步骤2、按质量百分比记，分别称取以下外加剂：抗分散剂10%、缓凝剂3%、减水剂8%、消泡剂15%、矿物掺合料64%，备用。

步骤3、将抗分散剂、缓凝剂与消泡剂混合水搅拌均匀直至完全分解，控制水与基体组分的质量比为0.8：1，制得溶液A。

步骤4、将干粉状基体组分、减水剂和矿物掺合料混合后边搅拌边加入溶液A，搅拌均匀即得抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆浆液。随后对浆液的7d抗压强度、初凝时间、泌水率、0.6m/s动水冲刷留存率和漏斗粘度进行检测，具体数据见表2。

表2 注浆浆液性能

实施例3

本实施例中，岩溶隧道动水封堵的抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆材料由基体组分和外加剂组分组成，其中：

所述外加剂组分与基体组分的质量比为2.5:50；

所述基体组分按照质量百分比计由70%黏土和30%硫铝酸盐水泥组成；

所述外加剂组分按照质量百分比计由抗分散剂5%、缓凝剂2%、减水剂5%、消泡剂15%、矿物掺合料73%组成；

所述抗分散剂为羟丙基甲基纤维素、乙烯-醋酸乙烯酯和绒毛纳米水凝胶，质量比为1:2:1，缓凝剂为硼酸，减水剂为聚羧酸减水剂，消泡剂为磷酸三丁酯，矿物掺合料化学成分为氧化钙14%、氧化铝8%、二氧化硅45%、三氧化硫28%、氧化镁3%、氧化铁2%；

具体制备步骤如下：

步骤1、按质量百分比记，称取70%黏土和30%硫铝酸盐水泥并混合均匀，制得干粉状基体组分。

步骤2、按质量百分比记，分别称取以下外加剂：抗分散剂5%、缓凝剂2%、减水剂5%、消泡剂15%、矿物掺合料73%，备用。

步骤3、将抗分散剂、缓凝剂与消泡剂混合水搅拌均匀直至完全分解，控制水与基体组分的质量比为0.8：1，制得溶液A。

步骤4、将干粉状基体组分、减水剂和矿物掺合料混合后边搅拌边加入溶液A，搅拌均匀即得抗分散黏土-硫铝酸盐基注浆浆液。随后对浆液的7d抗压强度、初凝时间、泌水率、0.6m/s动水冲刷留存率和漏斗粘度进行检测，具体数据见表3。

表3 注浆浆液性能