一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料及制备方法

技术领域

本发明属于隧道施工材料领域和固体废弃物综合利用领域，特别是涉及一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料及其制备方法。

背景技术

随着经济与社会的发展，硅酸盐水泥作为胶凝材料在建筑行业的广泛应用对环境造成了严重的污染，在生产过程中排放出大量的CO2(约占全球碳排放量总量的5-7％)、粉尘以及二氧化硫和氮氧化物等有毒气体，这将加剧全球变暖，造成气候反常，并对环境造成严重污染。

在隧道盾构施工中传统单液注浆材料存在早期强度低、稳定性差且易离析分层、抗水分散性以及耐久性差的不足。尤其在富水和地下水流大的地层条件下，传统壁后注浆材料易受到地下水的稀释和冲刷作用，致使浆液分层离析流失严重，硬化效果差，早期强度低，难以形成完整优质的相对不透水层，从而达不到预期壁后注浆的效果。此外，耐久性方面的不足致使注浆体在地下水侵蚀离子的作用下，容易过早的失去防水能力和承载力。

此外，我国固废堆存量巨大，无法通过填埋自然降解，而且容易对土壤和地下水造成污染，是一个亟待解决的问题，而利用固废制备盾构隧道壁后注浆材料，替代传统水泥基单液注浆材料，不仅能够有效降低CO2排放量，还可以减少生产成本和环境污染。此外，其性能优良，物理力学性能强度、耐久性等均优于普通硅酸盐水泥，具有广阔的应用前景。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料及其制备方法。以解决现有注浆材料能耗大、污染严重、工作性能及力学性能差等问题，其具有强度高、流动性好、凝结时间快、抗水溶蚀、抗酸碱侵蚀、抗冻融和抗碳化优越、成本低并且施工过程方便快捷等特点，可解决传统建筑材料消耗能源和降低CO2，减少环境污染等。

本发明一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料，按质量份数计，原料包括以下组分:高炉矿渣30～50份、粉煤灰20～50份、调和剂5～20份、激发剂溶液80～110份、再生细骨料100～150份、外加剂0.5～1份。

进一步地，所述的高炉矿渣以重量百分比计，化学成分如下：CaO 35～42％、SiO

420m

进一步地，所述的粉煤灰以重量百分比计，化学成分如下：SiO250～65％、Al2O321～30％、CaO 5.5～10％、Fe2O35～10％、MgO 1～4％，细度在300目以上，比表面积为550-600m

进一步地，所述激发剂溶液中芒硝和电石渣的质量比为9.8：4.2。

进一步地，所述调和剂由生石灰和煤矸石组成，质量比为(1～4)：1。

进一步地，所述的煤矸石以重量百分比计，化学成分如下：SiO252～65％、Al2O316～36％、Fe2O32～15％、CaO 0.4～2.3％、MgO 0.4～2.4％。

进一步地，所述再生细骨料由废弃混凝土进行破碎后经机械进行球磨，细度满足方孔筛筛孔边长4.75mm筛余10～0％、2.36mm筛余35～5％、1.18mm筛余65～35％，得到再生细骨料。

进一步地，所述的外加剂由以聚羧酸减水剂、促凝剂、早强剂的的一种或几种组成。

所述矿渣基盾构隧道壁后注浆材料的制备方法，具体包括如以下步骤。

1)按照重量份数称取各组分备用；

2)制备再生细骨料：将高炉矿渣、粉煤灰、铁尾矿砂进行烘干至含水率不大于1％；废弃混凝土进行破碎后经机械进行球磨，时间控制在30～180min，将磨细后的骨料进行过筛，细度满足方孔筛筛孔边长4.75mm筛余10～0％、2.36mm筛余35～5％、1.18mm筛余65～35％，得到再生细骨料；

3)制备激发剂溶液：将芒硝和电石渣(是激发剂溶液的固体胶凝材料)按照质量比9.8：4.2加入外加水中，边加入边不停搅拌，得到激发剂溶液；

4)将高炉矿渣、粉煤灰、铁尾矿砂加入搅拌机混合搅拌，然后按权利要求1中的配比加入制备的激发剂溶液，充分搅拌，得到胶凝材料浆料；

5)在步骤(4)中胶凝材料浆料中加入再生细骨料、调和剂、外加剂进行充分搅拌、得到矿渣基盾构隧道壁后注浆材料。

进一步地，所述步骤(4)中，胶凝材料浆料搅拌速度为60-80r/min，搅拌时间为3-5min；步骤5中的搅拌速度为50-70r/min，搅拌时间为1～3min。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1.本发明采用矿渣、粉煤灰、硼泥、煤矸石作为胶凝材料替代水泥制备注浆材料，不仅能够降低生产成本、减少环境污染，实现固废的资源化利用，而且能提高强度，增加注浆材料的抗渗性和结石率，降低注浆材料内的颗粒分离和析水特性。

2.利用了多固废协同效应，生石灰与水反应生成Ca(0H)2，放出大量热，提高早期水化速度能够促进矿渣、粉煤灰玻璃体溶解，生成大量C-S-H凝胶、钙矾石，优化孔结构，生成致密的水化产物，同时粉煤灰和矿粉双掺可提高材料的耐久性，铁尾矿砂、粉煤灰能够调节硅铝比，提高矿渣基地注浆材料的结构强度，并且能够明显改善其凝结时间、流动性能，便于工程施工。总之，多固废协同水化反应是一个复杂的反应过程。

3.选用芒硝、电石渣制备碱性激发剂溶液，形成了胶凝材料基体，同时对凝结时间也有着提升。

4.与现有技术相比，本发明提供了一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料及其制备方法，低耗能，节能环保，生产成本低，生产效率高，同时具有强度高、凝结性好、流动性好等特点。可替代传统水泥单液注浆材料，可有效减少硅酸盐水泥的使用，有利于固废资源再利用。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。本实施例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。

本发明。

实施例1：

本例一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料，按质量份数计，原料包括以下组分:高炉矿渣50份、粉煤灰30份、调和剂20份、激发剂溶液110份、再生细骨料150份、外加剂0.5份。

本例所述矿渣基盾构隧道壁后注浆材料制备方法，具体包括如以下步骤。

1)按照重量份数称取各组分备用；

2)使用电热鼓风干燥箱，将高炉矿渣、粉煤灰、铁尾矿砂进行烘干至含水率不大于1％；将磨细后的骨料进行过筛，细度满足方孔筛筛孔边长4.75mm筛余5％、2.36mm筛余20％、1.18mm筛余45％，得到再生细骨料；

3)将芒硝、电石渣加入外加水中，边加入边不停搅拌，得到激发剂溶液。

4)将铁尾矿砂、矿渣、粉煤灰加入搅拌机混合搅拌，然后按权利要求1中的配比加入激发剂溶液，充分搅拌，得到胶凝材料浆料。

5)在胶凝材料浆料中加入再生细骨料、调和剂、外加剂进行充分搅拌、得到矿渣基盾构隧道壁后注浆材料。

步骤4中，胶凝材料浆料搅拌速度为70r/min，搅拌时间为4min；步骤5中的搅拌速度为120r/min，搅拌时间为2min。

实施例2

一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料及其制备方法，其特征在于：按质量份数计，原料包括以下组分:高炉矿渣40份、粉煤灰30份、调和剂15份、激发剂溶液100份、再生细骨料140份、外加剂0.6份。

上述方案中，所述的一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料制备方法，具体包括如以下步骤。

1)按照重量份数称取各组分备用。

2)使用电热鼓风干燥箱，将高炉矿渣、粉煤灰、铁尾矿砂进行烘干(含水率不大于1％)；将磨细后的骨料进行过筛，细度满足方孔筛筛孔边长4.75mm筛余5％、2.36mm筛余20％、1.18mm筛余45％，得到再生细骨料。

3)将芒硝和电石渣加入外加水中，边加入边不停搅拌，得到激发剂溶液。

4)将铁尾矿砂、矿渣、粉煤灰、加入搅拌机混合搅拌，然后按权利要求1中的配比加入激发剂溶液，充分搅拌，得到胶凝材料浆料。

5)在胶凝材料浆料中加入再生细骨料、调和剂、外加剂进行充分搅拌、得到矿渣基盾构隧道壁后注浆材料。

步骤4中，胶凝材料浆料搅拌速度为70r/min，搅拌时间为4min；步骤5中的搅拌速度为120r/min，搅拌时间为2min。

实施例3

一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料及其制备方法，其特征在于：按质量份数计，原料包括以下组分:高炉矿渣50份、粉煤灰20份、调和剂10份、激发剂溶液90份、再生细骨料130份、外加剂0.7份。

上述方案中，所述的一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料制备方法，具体包括如以下步骤。

1)按照重量份数称取各组分备用。

2)使用电热鼓风干燥箱，将高炉矿渣、粉煤灰、铁尾矿砂进行烘干(含水率不大于1％)；将磨细后的骨料进行过筛，细度满足方孔筛筛孔边长4.75mm筛余5％、2.36mm筛余20％、1.18mm筛余45％，得到再生细骨料。

3)将芒硝和电石渣加入外加水中，边加入边不停搅拌，得到激发剂溶液。

4)将铁尾矿砂、矿渣、粉煤灰、加入搅拌机混合搅拌，然后按权利要求1中的配比加入激发剂溶液，充分搅拌，得到胶凝材料浆料。

5)在胶凝材料浆料中加入再生细骨料、调和剂、外加剂进行充分搅拌、得到矿渣基盾构隧道壁后注浆材料。

步骤4中，胶凝材料浆料搅拌速度为70r/min，搅拌时间为4min；步骤5中的搅拌速度为120r/min，搅拌时间为2min。

实施例4

一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料及其制备方法，其特征在于：按质量份数计，原料包括以下组分:高炉矿渣30份、粉煤灰40份、调和剂5份、激发剂溶液80份、再生细骨料100份、外加剂0.7份。

上述方案中，所述的一种矿渣基盾构隧道壁后注浆材料制备方法，具体包括如以下步骤。

1)按照重量份数称取各组分备用。

2)使用电热鼓风干燥箱，将高炉矿渣、粉煤灰、铁尾矿砂进行烘干(含水率不大于1％)；将磨细后的骨料进行过筛，细度满足方孔筛筛孔边长4.75mm筛余5％、2.36mm筛余20％、1.18mm筛余45％，得到再生细骨料。

3)将芒硝和电石渣加入外加水中，边加入边不停搅拌，得到激发剂溶液。

4)将铁尾矿砂、矿渣、粉煤灰、加入搅拌机混合搅拌，然后按权利要求1中的配比加入激发剂溶液，充分搅拌，得到胶凝材料浆料。

5)在胶凝材料浆料中加入再生细骨料、调和剂、外加剂进行充分搅拌、得到矿渣基盾构隧道壁后注浆材料。

步骤4中，胶凝材料浆料搅拌速度为70r/min，搅拌时间为4min；步骤5中的搅拌速度为120r/min，搅拌时间为2min。

实施例1-4得到的矿渣基盾构隧道壁后注浆材料的性能试验数据如表1所示：

表1

由以上试验数据结果可知，通过本发明提供的方法制备的符合规范TCECS 563-2018《盾构法隧道同步注浆材料应用技术规程》；从表1中可以得出该矿渣基盾构隧道壁后注浆材料有以下优点：一、可以提高抗压强度。二、具有良好的亲水性，能与水反应，同时生成CO2气体，并逆水而上沿来水通道渗透扩散，与周围的混凝土、砂、土等固结，快速硬化形成不透水的固结层，已广泛应用于封堵大压力的涌水与阻止地基中的流水及水的渗透。三、该材料与混凝土及土粒粘结力大，可制得高强度的弹性固结体，因此能充分适应地基或其他基层的变形，使其不易发现龟裂、崩塌而得到的加固初强。四、在含水的结构中浆液不会被冲散，在其反应过程中，由于气体的扩散使有效固结区迅速增大，可得到比其他类型化学浆液大的多的固结体。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。