CN112592127B - 一种钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料及其施工方法，该钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料由快硬型硅酸盐水泥、微珠、矿渣超细粉、石英砂、复合功能组分、水组成，其中复合功能组分由膨胀剂、缓释型减水剂、早强剂、速效消泡剂、流变剂、塑性膨胀剂、保坍剂组成，各组分(水除外)在专业工厂充分预拌成均匀干粉，灌浆料干粉在工地与水按照规定比例，在容器内，用手持式搅拌机搅拌，搅拌时间不少于3min，搅拌获得均匀浆液并静置不少于5min后，即可泵送注浆。该钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料具有流动性佳、流动性保持时间长(≥5h)、竖向膨胀率控制准确、早强高强等特点，可密实填充于钢壳沉管中自密实混凝土与钢壳间间隙。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种用于钢壳沉管内充填于混凝土和钢制沉管管壁之间间隙的缓释型灌浆料及其施工方法。
背景技术
在水下隧道中，钢制沉管隧道是一种常用的隧道形式，其结构形式为在双层钢壳之间浇筑填充自密实混凝土。该结构浇筑的自密实混凝土在钢壳内由于排气不畅、浇筑不饱满，在凝结硬化过程中，发生干缩，导致混凝土和钢壳之间存在间隙离缝。为确保钢壳沉管的荷载能力不受影响，同时防止有害介质囤积在这些缝隙、侵蚀混凝土和钢壳，需用灌浆料注浆填充这些缝隙。由于注浆对象的特殊性，对灌浆料性能及其施工方法提出很高的要求：1)灌浆料浆液须具有极佳的流动性且流动度超长时间无明显损失，流动度保持时间不少于5h，以满足补灌的要求；2)灌浆料浆液的竖向膨胀率需能准确控制：膨胀率不得过大，过大则挤压钢壳变形；膨胀率不能过小，过小则无法密实填充；同时膨胀应在浆液拌制后3h内基本完成，具体的要求为，3h竖向膨胀率为0.10～0.40％，24h与3h膨胀率之差为0.00～0.30％，浆体硬化后保持体积稳定性，要求28d膨胀率0.02～0.10％；3)灌浆料强度强度同时不得低于设计要求，1d抗压强度≥25MPa；3d抗压强度≥50MPa；28d抗压强度≥70MP；4)要求灌浆料灌注2～3h后，仍可补灌，补灌的浆液能够挤压之前灌注的浆液继续迁移渗透，填充到未填满缝隙。
可见钢壳沉管隧道用注浆料对材料性能要求极为苛刻，不仅流动性要求高，而且要求流动度经(超长)时损失小，即浆液保坍时间长，且不影响早期(1d)强度发展。为获得超长保坍效果，流态水泥基材料往往采用葡萄糖酸钠等缓凝剂，但单一缓凝剂往往无法实现超长保坍而且影响凝结时间和早期(1d)强度。现行国家标准《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448-2015)对灌浆料竖向膨胀率的要求为3h竖向膨胀率为0.10～3.50％，24h与3h膨胀率之差为0.02～0.50％，对膨胀率的限定比较宽泛，而钢壳沉管隧道注浆用灌浆料对这一技术指标有更细化而严苛的要求，仅只通过常规技术手段无法实现：对于凝结时间超长的浆液体系，只采用塑性膨胀剂在满足3h竖向膨胀率时，24h与3h膨胀率之差往往会超标，且浆体硬化后往往干缩过大无法达到施工目的。在查询到的科技论文和专利中，未发现有可同时满足上述指标要求的灌浆料。因此，研制一种可以准确控制竖向膨胀率、流动性好且5h后流动度无明显损失，早期强度不受影响的灌浆料，并开发配套施工方法，对于钢壳沉管隧道的注浆施工非常有必要。
发明内容
本发明针对钢壳沉管隧道注浆施工的具体要求，通过原料遴选、外加剂复合、组分科学匹配等手段提供一种缓释型型灌浆料及其施工方法，具体技术方案如下：
一种钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料，按照重量份数计，由以下组分组成：快硬型硅酸盐水泥100份，微珠6-10份，矿渣超细粉8-15份，石英砂120-150份，复合功能组分4-8份，水30-34份组分，复合功能组分由膨胀剂、缓释型减水剂、早强剂、速效消泡剂、流变剂、塑性膨胀剂、保坍剂按100：(30-40)：(10-20)：(10-15)：(4-8)：(1-3)：(3-6)的重量比组成。
优选的，所述快硬型硅酸盐水泥为为P·O 52.5R水泥、P·I 52.5水泥或P·II52.5水泥。
优选的，所述微珠为28d活性指数不低于105％、平均粒径≤2μm、比表面积≥3.0m2/g的火山灰矿物超细粉体微集料。
优选的，所述矿渣超细粉为28d活性指数不低于105％、平均粒径≤10μm，比表面积≥1.2㎡/g的粒化高炉矿渣。
优选的，所述膨胀剂为粒径≤80μm的硬石膏、氧化镁、生石灰中的一种或两种的组合。
优选的，所述石英砂为粒级范围为70-140目、二氧化硅含量≥90％、含泥量≤0.5％的石英砂。
优选的，所述缓释型减水剂为低引气率的粉状醚类聚羧酸系减水剂，其减水率≥30％；所述早强剂为甲酸钙、硫酸钠中的一种或二者组合；所述速效消泡剂为聚硅氧烷类干粉砂浆专用消泡剂；所述流变剂为一种可溶于水、由多糖高分子碳合物和多羟基硅酸盐改性而成的悬浮稳定剂；所述塑性膨胀剂为N,N-二亚硝基五亚甲基四胺；所述保坍剂为葡萄糖酸钠、硼酸、硼砂之中二者的组合。
该钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料，其新拌浆料截锥流动度为：截锥圆模初始流动度≥340mm、5h流动度≥320mm；其3h竖向膨胀率为0.10～0.40％，24h与3h膨胀率之差为0.00～0.30％；灌浆料硬化后性能指标为：1d抗压强度≥25MPa；3d抗压强度≥50MPa；28d抗压强度≥70MPa；与混凝土正拉粘结强度≥1.8MPa。28d膨胀率为0.02～0.10％。
该钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料的施工方法为：灌浆料各组分(水除外)在专业工厂充分预拌成均匀干粉，灌浆料干粉在工地与水按照规定比例混合搅拌，搅拌工艺为：转速≥800r/min；搅拌时间≥3min，得到均匀浆液后，静置3-5min，直至浆液表面不再下降且不再有气泡冒出，用螺杆注浆泵将上述浆液注入钢壳沉管内，注浆压力为0.6MPa～0.8MPa，保压时间不少于180s，保压结束后，检查注浆效果，如发现注浆不饱满或漏浆，应在2～3h内进行补灌。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料中经过遴选匹配，选用的缓释型减水剂为低引气率、高减水率的醚类聚羧酸系减水剂，高减水同时，在浆液的水泥颗粒之间持续起空间位阻作用，相比采用其他减水剂体系，可使浆液的流动度保持时间长，同时选择复合应用葡萄酸钠和硼酸、硼砂作为保坍剂，实现较低掺量条件下，缓凝效果显著，保持浆液流动度长时间不损失。而现有技术采用单一缓凝剂，低掺量时无法保证的保坍效果，而高掺量时，浆液凝结时间过长，影响早期强度，导致1d强度偏低甚至无强度。
(2)钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料中，缓释型减水剂和保坍剂的复合使用显著减缓浆液初期水化速度，但并非完全抑制水化反应；随着水化反应缓慢进行，约6～8h后，浆液中累积到一定离子浓度，早强剂(甲酸钙或硫酸钠)则开始起作用，加快体系的水化硬化进程。保坍剂和早强剂在水化反应分别起“休眠”和“唤醒”的作用。加上胶凝材料采用快硬型的高标号水泥，使得灌浆料1d强度达到25MPa以上。
(3)钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料中，也复合使用了塑性膨胀剂和硬化后期膨胀剂两种体积稳定组分。通过控制塑性膨胀剂掺量，保证3h竖向膨胀率合格，且硬化后期膨胀剂则实现3h后的膨胀或补偿收缩。已有技术的产品仅使用塑性膨胀剂，掺量不易控制而造成膨胀率不达标，要么(掺量低时)3h后浆液收缩，要么(掺量高时)3h后浆液竖向膨胀率超标。(4)钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料中，采用的速效消泡剂在灌浆料拌制过程对气泡产生具有一定抑制作用，拌制完毕后具有极佳消泡作用，能够使得大部分气泡在3～5min内迅速逸出浆液，减少灌注后灌浆料的物理沉缩。
(5)本发明的灌浆料采用压力注浆并保压一定时间，使得灌浆料在钢壳内能够强力渗透迁移，同时灌浆料的保坍性强，流动度经时损失小，5h内流动度无明显损失，便于二次补灌，而二次补灌确保浆液密实填充。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料的原料按照重量份数计，由以下组分组成：
其中复合功能组分由膨胀剂、缓释型减水剂、早强剂、速效消泡剂、流变剂、塑性膨胀剂、保坍剂按100：35：12：10：5：2：6的重量比组成，保坍剂由葡萄糖酸钠、硼酸按1：2重量比组成，早强剂采用硫酸钠、膨胀剂采用氧化钙膨胀剂。
该钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料的施工方法为：灌浆料各组分(水除外)在专业工厂充分预拌成均匀干粉，灌浆料干粉在工地与水按照规定比例混合搅拌，搅拌工艺为：转速≥800r/min；搅拌时间≥3min，得到均匀浆液后，静置3-5min，直至浆液表面不再下降且不再有气泡冒出，用螺杆注浆泵将上述浆液注入钢壳沉管内，注浆压力为0.6MPa～0.8MPa，保压时间不少于180s，保压结束后，检查注浆效果，如发现注浆不饱满或漏浆，应在2～3h内进行补灌。
实施例2
一种钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料的原料按照重量份数计，由以下组分组成：
其中复合功能组分由膨胀剂、缓释型减水剂、早强剂、速效消泡剂、流变剂、塑性膨胀剂、保坍剂按100：40：20：15：5：2.5：5的重量比组成，保坍剂由葡萄糖酸钠、硼酸按1:4的重量比组成，早强剂采用甲酸钙、膨胀剂采用氧化镁膨胀剂。
该钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料的施工方法为：灌浆料各组分(水除外)在专业工厂充分预拌成均匀干粉，灌浆料干粉在工地与水按照规定比例混合搅拌，搅拌工艺为：转速≥800r/min；搅拌时间≥3min，得到均匀浆液后，静置3-5min，直至浆液表面不再下降且不再有气泡冒出，用螺杆注浆泵将上述浆液注入钢壳沉管内，注浆压力为0.6MPa～0.8MPa，保压时间不少于180s，保压结束后，检查注浆效果，如发现注浆不饱满或漏浆，应在2～3h内进行补灌。
实施例3
一种钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料的原料按照重量份数计，由以下组分组成：
其中复合功能组分由膨胀剂、缓释型减水剂、早强剂、速效消泡剂、流变剂、塑性膨胀剂、保坍剂按100：32：15：12：4：3：5的重量比组成，保坍剂由葡萄糖酸钠、硼砂按2:3的重量比组成，早强剂采用甲酸钙、膨胀剂采用硬石膏。
该钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料的施工方法为：灌浆料各组分(水除外)在专业工厂充分预拌成均匀干粉，灌浆料干粉在工地与水按照规定比例混合搅拌，搅拌工艺为：转速≥800r/min；搅拌时间≥3min，得到均匀浆液后，静置3-5min，直至浆液表面不再下降且不再有气泡冒出，用螺杆注浆泵将上述浆液注入钢壳沉管内，注浆压力为0.6MPa～0.8MPa，保压时间不少于180s，保压结束后，检查注浆效果，如发现注浆不饱满或漏浆，应在2～3h内进行补灌。
对比例1
对比灌浆料的原料按以下重量份数的比例组成：
该灌浆料的施工方法为：将原料按照比例混合并搅拌3min以上，得到均匀浆液后，静置3-5min，直至浆液表面不再下降且不再有气泡冒出，用螺杆注浆泵将上述浆液注入钢壳沉管内，注浆压力为0.6MPa～0.8MPa，保压时间不少于180s，保压结束后，检查注浆效果，如发现注浆不饱满或漏浆，应在2～3h内进行补灌。
对比例2
对比灌浆料的原料按以下重量份数的比例组成：
该灌浆料的施工方法为：将原料按照比例混合并搅拌3min以上，得到均匀浆液后，静置3-5min，直至浆液表面不再下降且不再有气泡冒出，用螺杆注浆泵将上述浆液注入钢壳沉管内，注浆压力为0.6MPa～0.8MPa，保压时间不少于180s，保压结束后，检查注浆效果，如发现注浆不饱满或漏浆，应在2～3h内进行补灌。
对比例3
对比灌浆料的原料按以下重量份数的比例组成：
该灌浆料的施工方法为：将原料按照比例混合并搅拌3min以上，得到均匀浆液后，静置3-5min，直至浆液表面不再下降且不再有气泡冒出，用螺杆注浆泵将上述浆液注入钢壳沉管内，注浆压力为0.6MPa～0.8MPa，保压时间不少于180s，保压结束后，检查注浆效果，如发现注浆不饱满或漏浆，应在2～3h内进行补灌。
实施例及对比例的性能指标测试数据见表1，其中灌浆料的截锥圆模初始流动度、5h流动度、3h竖向膨胀率、24h与3h膨胀率之差、抗压强度均按照现行的国家标准《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448)规定的方法进行检测，28d膨胀率按照现行的行业标准《自应力水泥物理检验方法》(JC/T 543)规定的方法进行检测，28d与砼正拉粘结强度按照现行的国家标准《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》(GB 50728)规定的方法进行检测。
表1实施例及对比例的性能指标测试数据汇总
| 试验项目 | 工程要求 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 |
| 初始流动度(mm) | ≥340 | 363 | 353 | 352 | 357 | 347 | 345 |
| 5h流动度(mm) | ≥320 | 344 | 336 | 328 | 346 | 185 | 322 |
| 3h竖向膨胀率(％) | 0.10～0.40 | 0.29 | 0.28 | 0.32 | 0.37 | 0.22 | -0.20 |
| 24h与3h膨胀率之差(％) | 0～0.30 | 0.05 | 0.06 | 0.12 | 0.52 | 0.04 | -0.15 |
| 28d膨胀率(％) | 0.02～0.1 | 0.023 | 0.040 | 0.035 | -0.13 | -0.15 | 0.05 |
| 1d抗压强度(MPa) | ≥25 | 35.7 | 38.2 | 37.6 | 5.9 | 33.7 | 10.2 |
| 3d抗压强度(MPa) | ≥50 | 61.4 | 63.5 | 60.6 | 40.4 | 52.6 | 47.6 |
| 28d抗压强度(MPa) | ≥70 | 79.4 | 81.5 | 86.8 | 67.8 | 69.5 | 71.2 |
| 28d与砼正拉粘结强度(MPa) | ≥1.8 | 2.0 | 2.3 | 2.2 | 1.9 | 2.1 | 1.6 |
根据表1各例的性能指标测试数据可以看出，各实施例的性能要求均满足工程特点要求，对比例1缺少补偿水泥基后期干缩的膨胀剂，导致灌浆料28d膨胀率不达标，同时缺少早强组分导致1d抗压强度偏低；对比例2缺少由于缺少保坍剂，导致灌浆料5d流动度极小，缺少补偿水泥基后期干缩的膨胀剂，导致灌浆料28d膨胀率不达标；对比例3缺少塑性膨胀剂，导致灌浆料3h竖向膨胀率、24h与3h膨胀率之差不达标，同时缺少早强组分导致1d抗压强度偏低。
Claims (7)
1.一种钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料，其特征在于，按照重量份数计，由快硬型硅酸盐水泥、微珠、矿渣超细粉、石英砂、复合功能组分和水组成：
快硬型硅酸盐水泥100份，微珠6-10份，矿渣超细粉8-15份，石英砂120-150份，复合功能组分4-8份，水30-34份；
其中，复合功能组分由膨胀剂、缓释型减水剂、早强剂、速效消泡剂、流变剂、塑性膨胀剂、保坍剂按100：30-40：10-20：10-15：4-8：1-3：3-6的重量比组成；
所述缓释型减水剂为低引气率的粉状醚类聚羧酸系减水剂，其减水率≥30%；
所述保坍剂为葡萄糖酸钠、硼酸、硼砂之中二者的组合；
钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料的新拌浆液的性能指标为：截锥圆模初始流动度≥340mm、5h流动度≥320mm；3h竖向膨胀率为0.10～0.40%、24h与3h膨胀率之差为0.00～0.30%、28d膨胀率为0.02～0.10%；
钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料硬化后性能指标为：1d抗压强度≥25MPa，3d抗压强度≥50MPa，28d抗压强度≥70MPa，与混凝土正拉粘结强度≥ 1.8MPa。
2.根据权利要求1所述的钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料，其特征在于：所述快硬型硅酸盐水泥为P·O 52.5R水泥、P·I 52.5水泥或P·II 52.5水泥。
3.根据权利要求1所述的钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料，其特征在于：所述微珠为28d活性指数不低于105%、平均粒径≤2µm、比表面积≥3.0㎡/g的火山灰矿物超细粉体微集料。
4.根据权利要求1所述的钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料，其特征在于：所述矿渣超细粉为28d活性指数不低于105%、平均粒径≤10µm、比表面积≥1.2㎡/g的粒化高炉矿渣。
5.根据权利要求1所述的钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料，其特征在于：所述石英砂为粒级范围为70-140目、二氧化硅含量≥90%、含泥量≤0.5%的石英砂。
6.根据权利要求1所述的钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料，其特征在于：所述膨胀剂为粒径≤80μm的硬石膏、氧化镁、生石灰中的一种或两种的组合；所述早强剂为甲酸钙、硫酸钠中的一种或二者组合；所述速效消泡剂为聚硅氧烷类干粉砂浆专用消泡剂；所述流变剂为一种可溶于水、由多糖高分子碳合物和多羟基硅酸盐改性而成的悬浮稳定剂；所述塑性膨胀剂为N,N- 二亚硝基五亚甲基四胺。
7.一种权利要求1~6任一所述的钢壳沉管注浆用缓释型灌浆料的施工方法，其特征在于：灌浆料除水分以外的各组分在专业工厂充分预拌成均匀干粉，灌浆料干粉在工地与水按照规定比例混合搅拌，搅拌工艺为：转速≥800r/min；搅拌时间≥3min，得到均匀浆液后，静置浆液3-5min，直至浆液表面不再下降且不再有气泡，用螺杆注浆泵将上述浆液注入钢壳沉管内空鼓处，注浆压力为0.6MPa～0.8MPa，保压时间不少于180s，保压结束后，检查注浆效果，如发现注浆不饱满或漏浆，应在2～3h内进行补灌。
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