矿物掺合料对水泥-水玻璃注浆材料性能的影响

为保证道路工程注浆材料具有良好的工作性、抗水分散性和较少的泌水率,采用粉煤灰和矿渣微粉为矿物掺合料、膨润土为浆体稳定剂以及水玻璃为促凝剂,研究了矿物掺和料种类及含量对水泥基-水玻璃双液注浆材料性能的影响规律。结果表明,适量的粉煤灰可以提高水泥基浆液的流动性,而且可以有效增加水泥基浆液的有效水胶比;矿渣微粉对水泥基浆液的流动性无明显影响,但可有效提升水泥基浆液结石体后期抗压强度;以粉煤灰为矿物掺合料的水泥基-水玻璃双浆材料力学性能优于矿渣微粉,但矿渣微粉对浆液结石体的孔结构改善效果更好。

超细水泥-水玻璃双液浆性能及注浆止水效果试验研究

北京地铁14号线高家园站的站厅层和站台层采用暗挖通道连接,地层为富水粉细砂层。为解决暗挖通道采用普通水泥-水玻璃双液浆注浆止水效果差且地表隆起较大的问题,提出采用超细水泥-水玻璃双液浆注浆止水的方案。首先对浆液流动性、凝结时间和固结体强度进行测试,根据测试结果确定了超细水泥-水玻璃双液浆的配合比:A液为超细水泥净浆,水灰比为1.0;B液为水玻璃溶液,波美度为20°Bé;缓凝剂为磷酸氢二钠,掺量为2.5%。A液约占总注浆量的80%,B液与缓凝剂各占约10%。采用颗粒流数值模拟方法,研究了超细水泥浆液中颗粒在地层中的运移距离与注浆压力的关系。结合浆液性能测试和数值模拟结果,提出了注浆压力0.5 MPa,注浆孔直径5 cm,间距50 cm,梅花形布置的注浆方案。经在暗挖通道现场注浆试验,采用超细水泥-水玻璃双液浆注浆止水效果良好。

基于RSM的超细水泥注浆材料配比及性能优化模型

注浆堵水技术已成为水害措施防范向工程治理不可缺少的技术之一,超细材料的研究也成为了目前注浆材料发展的新方向。为了解决矿井水害注浆治理工程中注浆材料优选和配比优化问题,采用单因素试验与响应曲面法(RSM)相结合的方法进行超细水泥注浆材料优化配比研究。首先通过单因素试验对不同水灰比、硅灰(SF)掺量及高效聚羧酸减水剂(PCS)掺量条件下浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度进行分析,以确定RSM最佳基准水平,其次构建以浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度为响应目标的二次多项式预测模型,结合方差、残差及响应曲面分析各响应变量对响应目标的影响规律,确定注浆材料最优配比。通过单因素试验结果对比分析,发现最优水灰比、SF掺量及PCS掺量分别为1∶1、35%及0.3%。通过RSM研究发现,浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度不仅受单一因素影响,且存在多因素交互作用。根据建立的二次多项式响应面回归预测模型可知,当水灰比、SF掺量及PCS掺量分别为0.7∶1、38%及0.2%时,注浆材料性能最优,其回归模拟预测浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度分别为210.82 mPa·s、1.0%及12.22 MPa。通过室内试验,其结果与预测模型结果吻合度较高,进一步验证了模型的可靠性,证明了该模型能够用于注浆材料优化配比设计研究。

聚丙烯纤维改性超细水泥复合注浆材料性能研究

为获得高性能矿用水泥基注浆材料,拓展短切纤维在全长锚固领域的应用,以超细硅酸盐水泥为胶凝材料,速凝剂、膨胀剂、聚羧酸减水剂作外加剂,基于单因素试验,探究聚丙烯纤维(PPF)掺量对水泥注浆材料的力学性能、可注性、泌水性、凝结时间、体积收缩性及微观结构的影响规律,并筛选PP改性超细水泥浆液作锚固剂,研究相似实验拉拔条件下全长锚固系统的力学承载性能与声发射特征。结果表明:PPF掺量对超细水泥注浆材料的浆液特性与力学性能具有显著影响,可明显改善超细水泥注浆材料的抗压性能,缩短终凝时间,减小流动度,尤其抗折强度与PPF掺量呈正相关关系。当PPF掺量0.1%时,复合注浆材料S1的综合性能最佳,硬化结石体3 d和28 d抗压强度为60.1 MPa和83.7 MPa,比未添加PPF的参照组S0提高23.4%和23.2%;XRD、SEM及FTIR微观表征证实,适宜PPF不仅能促进水化反应,而且可改善结石体内部裂隙,发挥桥连作用并传递应力,延缓裂纹扩展;拉拔试验表明,基于该复合注浆材料的全长锚固体系力学性能、残余承载能力和最大变形量显著增强,最高拉拔强度是参照组S0的1.356倍,推迟了声发射事件的发生,提升巷道围岩稳定性,为类似全长锚固提供借鉴。

复合缓凝剂改性硫铝酸盐水泥注浆材料性能试验研究

为了改善硫铝酸盐水泥注浆材料(HSAC)的注浆效果,降低硼砂对HSAC强度产生的不利影响,测试和分析了单掺和复掺硼砂与柠檬酸钠的HSAC浆体凝结时间、流动度、强度以及微观结构。结果表明:单掺硼砂的缓凝效果显著,但会对HSAC强度产生不利影响。掺入适量的柠檬酸钠可以有效挽回硼砂导致的HSAC强度损失,且对浆体的流动度与凝结时间无不利影响。其中,硼砂掺量为0.15%时,复掺柠檬酸钠对HSAC强度的提升效果最明显;通过对水泥水化后期结石体中钙矾石(AFt)生成量的测定,发现硼砂掺量一定时,复掺适量的柠檬酸钠能够促进AFt的生成,减少六方板状的Ca(OH)2(CH)生成量,有效减缓HSAC水化速度,从而改善其工作性能。

基于浆液黏度时变性的水泥-水玻璃浆液动水注浆模拟研究

【目的】研究地下动水注浆工程中水泥-水玻璃浆液在不同因素影响下的注浆扩散规律。【方法】基于浆液黏度时变性,采用有限元数值模拟分析方法对浆液在各方向上的扩散状态以及地下水流速、注浆速率和浆液混合体积比对浆液扩散半径的影响进行分析。【结果】研究结果表明:在地下动水条件下,浆液在顺水流方向上的扩散距离明显大于横向和逆水流方向上的扩散距离;浆液扩散半径与地下水流速成反比,与注浆速率成正比,且注浆变量对浆液扩散半径影响程度为地下水流速>注浆速率>浆液混合体积比。【结论】模拟分析结果对水泥-水玻璃浆液在实际注浆工程中的应用具有一定参考价值。

超细水泥-硅灰二元低pH注浆材料特性研究

采用简化磨碎溶出法测试了硅灰(SF)掺量为30%~50%(质量分数,下同)、水胶比为1.4的超细水泥(SC)注浆材料结石体在不同龄期的pH值,探讨SF掺量、SiO_(2)含量和C-S-H凝胶理论钙硅摩尔比对注浆材料pH值的影响,并测试了60%SC+40%SF低pH注浆材料的流变性能和力学性能,同时利用SEM、XRD、TG表征手段分析了结石体的水化产物和微观结构。结果表明,当SF掺量大于40%、SiO_(2)含量大于50%、C-S-H凝胶钙硅摩尔比小于0.8时,结石体pH值小于11.00。萘系减水剂(SP)能显著降低浆液的马氏漏斗黏度,SP适宜掺量为1.6%。宾汉姆模型能够很好地描述浆液流变性能。水胶比的提高对结石体抗压强度有不利影响,因此水胶比不宜超过1.6。由于SF具有火山灰效应和稀释效应,养护180 d后结石体内不存在Ca(OH)_(2),其主要水化产物为低钙硅比的C-S-H凝胶和钙矾石。

可溶性P_(2)O_(5)对超细硫铝酸盐水泥基双液注浆材料早期水化性能的影响及机理

为了指导磷石膏在超细硫铝酸盐水泥基双液注浆材料(SCBGM)中的高效应用,研究了可溶性P_(2)O_(5)对大水灰比下SCBGM早期水化性能的影响及作用机理。结果表明,可溶性P_(2)O_(5)的加入不显著影响SCBGM浆体的凝结时间。可溶性P_(2)O_(5)掺量为0%~1.5%时,随着其掺量的增加,SCBGM早期强度逐渐增大。在1.5%最佳掺量下,可溶性P_(2)O_(5)可显著提高早期SCBGM中钙矾石的生成量,还可以显著优化硬化体中钙矾石的分布特征,使其由团簇状转变为显著的搭接交错分布状态,进而充分发挥钙矾石晶体的强度骨架效应。

水溶蚀作用下水泥-水玻璃双液浆力学性能衰减机理研究

双液浆在富水环境中长期服役极易受到水溶蚀作用而力学性能大幅衰减。本文研究了配合比参数、养护制度对双液浆力学性能的影响,并结合多种微观分析手段,揭示了富水环境下双液浆性能衰减的作用机制。结果表明:10%、15%(质量分数)低含水率砂层中养护有利于早期强度发展,但后期强度逐渐衰减,而25%(质量分数)高含水率砂层中试块早期强度相比15%(质量分数)含水率砂层中试块降低了23.5%,但后期水溶蚀作用被大幅削弱,220 d抗压强度较90 d增加了15%;标准养护条件加速双液浆力学性能的劣化,试块强度分别较水中养护、绝湿养护降低了80.6%和91.0%;双液浆力学性能发展主要受水化反应及水溶蚀作用控制,早期阶段由水化反应主导,后期阶段由水溶蚀作用主导,力学性能的演变本质是两种效应相互叠加的结果;在富水环境中长期养护,基体外侧水化产物不断向外迁移溶出,在试块外层形成多孔结构包覆层,并成为内部结构中钠、硅酸根离子及水化产物的迁移通道,导致力学性能持续劣化。

复掺钢渣与矿渣的水泥-水玻璃双液注浆材料研究

为解决传统注浆材料耗费水泥量极大的问题,需研制出工作性能好和经济环保的注浆材料。通过对比不同体系双液注浆材料的性能,优选出复掺钢渣与矿渣的水泥-水玻璃双液注浆材料,并研究钢渣与矿渣的掺量、水玻璃的体积掺量及水灰质量比等对双液注浆材料工作性能、胶凝性能和抗压强度等的影响规律。研究结果表明:当钢渣与矿渣的掺量为60%,水玻璃的体积掺量为20%~30%、水灰质量比为0.7~1.0时,所制备的浆液凝胶时间可控,流动度在300 mm以上,3 d的抗压强度在13 MPa以上。

水泥-粉煤灰-水玻璃注浆材料强度影响因素试验研究

为研究不同配比水泥-粉煤灰-水玻璃注浆材料结石体抗压强度的变化规律,在正交实验设计原则指导下,确定了影响浆液性能的水固比、粉煤灰掺量、水玻璃添加比例三个因素以及各因素的水平,设计了正交实验方案,测试了结石体抗压强度。通过极差和方差分析了各因素对抗压强度的影响规律,最终得出水固比0. 8∶1、粉煤灰掺量20%、水玻璃添加比1%的浆液结石体强度性能最好。采用多元非线性回归法建立结石体28d强度与三因素之间定量关系的基础上,分析浆液固化过程和结石体SEM图像,阐明了三因素对结石体强度的影响机理,认为粉煤灰掺量超过20%会减少氢氧化钙(CH)六方晶体的析出,水固比的增大会稀释浆液,直接导致浆液凝结速度变缓,水玻璃添加比过大一方面会导致浆液凝结过快,其他物料不能充分反应,另一方面会抑制氢氧化钙(CH)的生成,导致强度降低。

酸环境下纳米改性水泥基注浆材料耐蚀研究

研究了单掺纳米SiO_(2)、单掺纳米偏高岭土和复掺纳米SiO_(2)/纳米偏高岭土注浆材料抗酸侵蚀性能的影响。测试了不同龄期下不同试样体系的质量损失率和耐蚀系数,以及通过XRD和SEM微观实验分析探究了其作用机理。结果表明:引入适量纳米SiO_(2)的水泥浆体的耐硫酸侵蚀能力稍优于掺入纳米偏高岭土的水泥体系,且复掺体系的效果优于单掺。在水泥浆体系内引入纳米材料可有助于提升其工程应用性能,有效改善水泥基注浆材料的力学性能、耐久性及抗蚀性。

复合水泥基-水玻璃双液注浆材料胶凝性能及抗压强度试验研究

传统的水泥水玻璃双液注浆材料的优点在于凝胶时间短、早期的抗压强度大,所以在加固软弱地层或堵漏中被广泛的使用。本文在传统材料的基础上,加入了粉煤灰、矿粉等工业废渣,提出一种复合水泥基-水玻璃双液注浆材料,并对新型材料的胶凝性能和28 d抗压强度进行研究,并通过改变水玻璃体积掺量、波美度和矿物掺合料比例来研究浆液凝胶时间及28 d抗压强度的变化规律;当水玻璃体积掺量为25%时,浆液硬化结石体强度最大,使用更大波美度的水玻璃或者配制合适比例的水泥、粉煤灰和矿粉的复合水泥基A液都可以提升双液注浆材料的抗压强度。

考虑迂曲度的水泥-水玻璃双液浆柱形渗透机制研究

目前,水泥-水玻璃双液浆在工程中的应用日益增多,但对考虑迂曲度的双液浆扩散机制研究较少。假定水泥-水玻璃双液浆为具有黏度时空效应的宾汉姆流体,考虑迂曲度的影响并认为浆液沿柱形渗透扩散,推导得到水泥-水玻璃双液浆的浆液扩散半径计算公式。对比浆液扩散半径的计算值与工程案例试验值,两者吻合较好,从而验证了计算公式的可靠性。分析注浆终压、注浆管内浆液流速和柱形加固区高度对不同水泥-水玻璃双液浆配比的浆液扩散半径的影响。研究结果表明:当水泥-水玻璃双液浆配比不变时,浆液扩散半径随注浆终压和注浆管内浆液流速的增加而增加,随柱形加固区高度的增加而减小;当水灰比为1时,保持注浆终压、注浆管内浆液流速、柱形加固区高度不变,水泥-水玻璃体积比为1∶1时的浆液扩散半径较2∶1和3∶1时大,应优先选用水泥-水玻璃体积比为1∶1的双液浆,此时为达到1 m的浆液扩散半径,考虑迂曲度时所需注浆终压约为不考虑迂曲度的1.4倍,因此有必要考虑迂曲度对双液浆渗透扩散的影响;考虑迂曲度后,浆液渗透扩散能力降低,且随着注浆终压、注浆管内浆液流速的增大和柱形加固区高度的减小,考虑迂曲度和不考迂曲度的浆液扩散半径的差值逐渐增大,此时更应该考虑迂曲度对双液浆渗透扩散的影响。

水泥-水玻璃浆液裂隙注浆扩散的室内试验研究

动水环境中的注浆扩散规律对指导突涌水治理注浆设计与施工具有重要意义。通过开展水泥-水玻璃(C-S)浆液单一平板裂隙动水注浆模型试验,揭示了基于试验条件下的C-S浆液裂隙动水注浆扩散过程的非对称椭圆(AE)扩散规律,提出浆水速比的概念并用其拟合AE扩散控制参数随时间的变化曲线,分析了浆水速比对浆液扩散范围的影响,最终建立了描述浆液扩散迹线的瞬态方程。研究结果表明:浆液扩散迹线可以采用随时间变化的非对称椭圆进行描述;逆水扩散距离和扩散开度与浆水速比正相关而浆液顺水扩散距离与浆水速比负相关。并据此对裂隙动水注浆设计提出了建议,希望对实际注浆工程提供一定借鉴。

新型酸性水玻璃-碳酸钙注浆材料试验研究

研究水玻璃-碳酸钙注浆材料随着碳酸钙加入量的变化胶凝时间的变化规律发现,随着碳酸钙加入量的减少,溶胶胶凝时间随之增加,但并非均匀增加,当碳酸钙的量减少到一定量时,溶胶的胶凝时间会有一个突增点,溶液对碳酸钙的加入量非常敏感,凝胶时间不易准确控制。这是因为碳酸钙在整个反应体系中充当碱性反应剂,与溶液体系中的H+反应,降低了硫酸的浓度,提高了溶胶的pH值,从而改变了溶胶的胶凝时间。选择胶凝时间适宜的胶体测定其本身的强度以及对应的固砂体强度,得出两种强度的变化规律:在硫酸用量一定的条件下,一般随碳酸钙的增加,纯胶体强度会相应增加,但加入到一定量后,其强度不再增加。而固砂体强度随碳酸钙的变化并不明显。选择较优配比浆液作为新型注浆材料,并根据浆液的性能,建议相应的注浆工艺。为后续工程应用作了较好的铺垫。

机场道面水平钻孔注浆材料的制备与性能研究

为满足机场不停航施工道面下基层水平注浆工程对材料的需求,开展了复合硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复配试验。制备出符合施工要求的硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥砂浆,并使用维卡仪、截锥圆模、压力试验机等设备研究了材料的凝结时间、流动性、1d抗压强度等。结果表明:硫铝酸盐水泥掺加比例越高,凝结时间越短;水灰比及减水剂掺量对流动性影响较大,同时对其他性能有一定影响。在确认最佳配合比时,经圆柱体强度试件模拟的钻孔注浆和现场试验段重锤式弯沉仪及探地雷达实测结果表明:复合水泥砂浆具有良好的工作性能,道面强度及结构恢复至钻孔前水平,能满足机场不停航施工要求。

水泥-水玻璃双液注浆力学特性的试验研究

通过测定水泥-水玻璃双液注浆压强0.4 MPa,距离注浆中心0.5 m,注浆龄期1,2,4和12 h高精度测斜管的变形,结合有限元软件ABAQUS,研究不同注浆龄期、不同深度水泥-水玻璃双液注浆的力学特性。试验结果表明:注浆龄期1,2,4和12 h,水泥-水玻璃双液注浆产生的注浆压力先增大后减小,再持续增大,最小值发生在注浆龄期2 h;各个注浆龄期测斜管变形内力Mises的最大值出现在注浆土层中心深度,测斜管的第二大变形内力出现在注浆土层与未注浆土层分界处。

水泥-水玻璃双液注浆中的最优参数选择

水泥-水玻璃(CS)双液注浆技术以其凝固速率可控性强、材料来源广,在岩土工程中得到广泛应用。本文结合玲珑金矿塌陷巷道治理工程,进行了水泥-水玻璃不同配比下的凝胶试验,得出各浆液的初凝速率变化不大,而水泥的终凝速率却变化很大,并在不同的配比会出现一个拐点呈直线上升趋势。本文提出在拐点附近选择注浆配比最经济有利的看法,此论点在玲珑金矿255塌陷巷道治理工程中得到验证。它对相关工程具有重要的参考价值。

水玻璃-工业废渣双液注浆材料的研究与应用

采用碱激发工业废渣的原理研制出了一种新型的双液注浆材料,其试验结果表明:此注浆材料凝胶性能好,凝胶时间在几秒到几十分钟范围内可调,并随水灰比及粉煤灰、水玻璃掺量的增加而延长,随水玻璃模数由1增加到3.19而缩短;强度高,28天强度可达30 MPa,随龄期的延长持续增大,随水灰比及粉煤灰掺量、水玻璃掺量的增大而降低,随水玻璃模数由1增加到3.19而增大。文章介绍了该注浆材料的试验研究、成果分析及在武汉长江隧道工程中的应用。