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11、aining河北建筑工程学院毕 业 论 文 正 文课题名称木质素磺酸钙减水剂对地基加固中双液注浆材料性能影响的试验研究 系别： 土木工程系 专业： 材料科学与工程 班级： * 姓名： * 学号： * 指导教师： * 职称： 讲师 辅导教师： 职称： supervision in large and medium goods vehicle. A is established large vehicles and small vehicles classification management of motor vehicle test mode, increased medium van ca
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21、 contractors party in treasures driving school increased simulation Highway, and continuous urgent detours, and snow days, and wet sliding road, and burst situation disposal, subjects II field to driving exam project, is expected47目录第1章 绪论11.1 国外双液注浆材料的发展概况11.2 国内双液注浆材料的发展概况11.3 注浆材料发展的背景和现状21.3.1单液
22、水泥类浆液21.3.2水玻璃类浆液21.3.3水泥-水玻璃双液注浆21.3.4丙烯酰胺类浆液31.4 水泥水玻璃双液注浆材料的基本知识概念31.4.1水玻璃31.4.2注浆41.4.3浆液密度41.4.4浆液浓度41.4.5凝胶时间51.4.6水泥-水玻璃双液注浆材料及配比参数51.4.7固结体强度51.4.8注浆工艺51.4.9黄土61.4.10减水剂61.5 双液注浆材料的发展趋势71.5.1加强研制注浆新材料，改进现有的注浆材料71.5.2发展多种注浆工艺交替作业的注浆施工技术71.5.3实现注浆设备轻小型化、机组化、系列化和自动化71.5.4加强和发展注浆施工过程中的监控和注浆效果的检
23、测工作81.5.5加强和发展注浆试验研究和理论研究81.6本课题研究的目的、意义及侧重点8第2章 试验研究92.1 本课题研究的思路、方案及具体内容92.2 原材料及其基本性能测试92.2.1水泥102.2.2水玻璃112.2.3水122.2.4掺合料122.2.5外加剂122.2.6浆液的制备132.3 本课题所用的主要试验仪器设备132.4 双液注浆材料的配合比设计132.4.1水玻璃的稀释142.4.2水泥浆原料用量试验152.5双液注浆材料试验基本过程162.5.1水泥-水玻璃双液注浆材料试件的制作之前的准备工作162.5.2试件的制作162.5.3试件强度的测定过程21第3章 试验数
24、据处理与分析293.1 双液注浆材料的凝胶时间分析293.1.1 木钙减水剂掺量对双液注浆材料凝胶时间的影响293.1.2减水量对双液注浆材料凝结时间的影响313.2 双液注浆材料的强度分析313.2.1木钙减水剂掺量对双液注浆材料7d抗折强度的影响313.2.2减水量对双液注浆材料7d抗折强度的影响343.2.3木钙减水剂掺量对双液注浆材料7d抗压强度的影响353.2.4减水量对双液注浆材料7d抗压强度的影响363.2.5木钙减水剂掺量对双液注浆材料28d抗折强度的影响373.2.6减水量对双液注浆材料28d抗折强度的影响403.2.7木钙减水剂掺量对双液注浆材料28d抗压强度的影响403.
25、2.8减水量对双液注浆材料28d抗压强度的影响413.3 双液注浆材料的经济性分析42第4章 结论及展望444.1 结论444.2 展望44参考文献46致谢47 木质素磺酸钙减水剂对地基加固中双液注浆材料性能影响的试验研究第1章 绪论1.1 国外双液注浆材料的发展概况注浆技术是一项实用性很强，应用范围广的工程技术。它的实质是用渣压、气压或电化学方法，把某些能凝固的浆液注入到岩土体的孔隙、裂隙等结构面中，使岩土体形成强度高、抗渗性能好、稳定性高的新结构体，从而达到了改善岩土体的物理力学性质。注浆的目的：一是对岩土体起防渗作用，二是起加固作用。 注浆技术最早在1802年由法国用木制冲击泵注入粘土和
26、石灰浆液加固地层开始的。1828年英国研制发明硅酸盐水泥后，注浆材料发展以水泥浆液为主。1864年阿里因普瑞贝矿井首次用水泥注浆对井筒堵水。1886年，英国研制成功了压缩空气注浆机，促进了水泥注浆法的发展。十九世纪末二十世纪初，注浆技术在法国和秘鲁煤矿的立井施工堵水中获得巨大成就，同时高压注浆泵也研制成功。由于水泥浆液存在可注性较差的原因，1884年化学浆液在印度问世，并用于建桥固砂工程。1887年到1909年，德国和比利时先后获得水玻璃注浆材料和双液单系统注浆法专利。1920年乔斯顿( Jooscen )发明了水玻璃、氯化钙注浆的“乔斯顿注浆法”1。二十世纪四十年代，注浆技术的研究和应用的发
27、展进入了一个鼎盛时期，各种水泥浆材和化学浆材相继问世，尤其是六十年代来，有机高分子化学浆材得到迅速的发展，各国大力发展和研制注浆材料及其注浆技术随着注浆材料的飞速发展，注浆工艺和注浆设备也得到了巨大发展，注浆技术应用工程规模越来越广，它涉及到几乎所有的岩土和土木工程领域，比如矿山、铁道、油田、水利水电、隧道、地下工程、岩土边坡稳定、市政工程、建筑工程、桥梁工程、地面沉陷等各个领域1。 但是，自从1974年日本福冈发生丙烯酰胺注浆引起环境污染造成中毒事故后，化学注浆技术的研究和应用曾一度跌入低潮。日本禁止水玻璃之外的其它化学浆材的使用，世界各国也禁止使用毒性较大的化学浆材。八十年代，由于化学浆材
28、的改性，化学注浆技术又得到继续发展1。 1.2 国内双液注浆材料的发展概况我国注浆技术的研制和应用较晚，五十年代初期，我国才开始使用注浆技术，四十多年来，我国在注浆技术方面的研究和工程应用发展迅速，规模较大。目前注浆技术在众多工程中的应用取得了明显的经济效益和社会效益。但由于受注介质条件的复杂及注浆工程的隐蔽性,模拟研究比较困难,这就导致了注浆理论的发展落后于其他科学技术。由于现代工程建设涉及许多科学技术领域,而且各个科学技术领域之间又相互渗透,因此注浆技术要适应工程建设的发展,就必须与其他工程技术相结合。如注浆技术与锚固技术相结合出现了锚固理论、注浆技术与基础工程施工技术相结合出现了复合地基
29、技术、钻孔灌注桩孔底注浆大大提高了桩端承载力、深基坑支护技术与注浆技术相结合出现了复合基坑支护结构、利用注浆技术解决公路工程中的桥头跳车问题等等;另一方面,注浆技术涉及到了土力学、岩石力学、流体力学、工程地质学、水文地质学、化学等学科,而且还和液压技术、射流技术、电子技术等息息相关。随着工程技术的不断进步,各个学科领域的相互渗透,新的注浆理论、新的施工工艺、新的注浆材料、新的注浆设备及新的注浆效果检测手段将不断地被开发和研制出来。注浆技术将获得强大的生命力,注浆理论将进一步完善,注浆技术也必将得以更广泛地注应用和更高速地发展2。1.3 注浆材料发展的背景和现状注浆材料的发展具有悠久的历史，早期
30、人们使用水泥为主要注浆材料。十九世纪后期注浆材料从水泥浆材发展到水玻璃类浆材为主的化学浆材。二次世界大战后，化学浆材得到飞速发展，尤其是近三十多年来，有机高分子注浆材料发展迅速。注浆材料大体分为两大类，一般又分为水泥浆材和化学浆材两大类。水泥浆材结石体强度高、造价低廉、材料来源丰富、浆液配制方便、操作简单，但是由于普通水泥颗粒大，这种浆液一般只能注入到直径或宽度大于0.2mm的孔隙或裂隙中。化学浆材可注性好，浆液粘度低，能注入到细微裂隙中，但是一般的化学浆液都具有毒性并价格昂贵，且结石体强度比水泥浆液的结石体强度低等缺点。因此，化学浆液的应用范围受到限制，针对水泥浆材和化学浆材的缺点，世界各国
31、展开了改善现有注浆材料和研制新的注浆材料的工作，推出一批低毒、无毒、高效能的改进型浆材。仅日本市场就出现了30多种化学浆液，同时水玻璃浆材的品种达五、六十种。至今国内外各种注浆浆材品种达百余种以上，我国基本上拥有国外的所有注浆材科，同时也自己研制出新的浆液品种，下面主要阐述工程中常用的几种注浆浆液材料。 1.3.1单液水泥类浆液这种浆液是一种悬浊液，颗粒大小在60100m之间,难注入较小孔隙或较细裂隙中。但是，由于水泥类浆液来源丰富、价格低廉、浆液结石体强度高、抗渗性能好，近年来，研制出各种改进水泥类浆液的可注性、凝胶时间、提高结石体早期强度和稳定性的化学外加剂，水泥浆的应用范围才得到扩大。目
32、前水泥类浆液是注浆工程中应用最多、使用最广的一种注浆材料1。 1.3.2水玻璃类浆液此类浆液系指水玻璃(Na2OnSiO2 ) 在固化剂作用下，产生凝结的一种注浆材料。由于水玻璃来源丰富、价格低、污染小，加上不断研制的多种新型固化剂，从而使水玻璃类浆液成为一种品种繁多、有实用价值和重要发展前途的浆液，它是化学浆液中应用最广、用量最大的一种注浆材料1。1.3.3水泥-水玻璃双液注浆 以水泥、水玻璃为主剂（必要时加入添加剂），将两者按一定比例分别泵送混合后注入地层的注浆过程1。 水泥-水玻璃浆液(简称 C-S浆液)克服了单液水泥浆液凝胶时间长、凝胶时间不能控制、结石率低等缺点，而又具备单液水泥浆液
33、的基本优点。它具有结石体强度高、抗渗性能好、浆液凝胶时间可准确地在几秒至几十分钟范围内可调、结石率高、资源丰富、价格便宜等优点，其可注性比单液水泥浆液略高。近三十年来，水泥-水玻璃双液浆注浆技术在工程实践中得到不断的改进、完善和提高，使水泥-水玻璃浆液发展成为一种十分重要的注浆材料。1.3.4丙烯酰胺类浆液 丙烯酰胺类浆液(MG646化学浆液或丙凝浆液)是以有机化合物丙烯酰胺为主剂，配合其它药剂而制成的水溶液浆液，采用双液浆注入地层中。这种浆液具有粘度低( 1.2cPas)、渗透性能好、抗渗性能好、耐久性强、凝结时间可准确地控制在几秒到几个小时之间等优点，但是它具有毒性大、结石体抗压强度低、材
34、源少和价格昂贵等缺点。由于这种浆材的独特性能，它往往被用在其它浆材难以注入的细砂岩和细微裂隙岩层的防水防渗工程中。这种浆液一般在不会造成污染环境和危害人体健康的特殊工程中使用1。 1.3.5环氧树脂浆液环氧树脂浆材的凝胶结石体抗压和抗拉强度高、收缩性小、能抗酸碱溶液的侵蚀等，但它存在浆液粘度大，可注性差、与潮湿裂隙粘结力差等弱点。为了改进环氧树脂的缺点，近十年来，国内进行了大量试验研究和工程实践，已逐渐形成一套具有低粘度，高亲水性的改性环氧树脂浆材，其浆液年度可调至620cPas之间。广州化学研究所研制的中华-798化学浆材是这类浆材的典型代表，其可注性好、可注入低透系数（10-610-1cm
35、/s）的软弱地层中，使固结体的抗压强度达5080MPa1。1.4 水泥水玻璃双液注浆材料的基本知识概念1.4.1水玻璃（1）分子式：Na2OnSiO2。（2）别名：水玻璃、硅酸钠、泡花碱。（3）外观：液体硅酸钠为无色、略带色的透明或半透明粘稠状液体。固体硅酸钠为无色、略带色透明或半透明玻璃块状体，形态分为液体、固体、水淬三种3。（4）性质：水玻璃是由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的可溶性碱金属硅酸盐材料，又称泡花碱。水玻璃可根据碱金属的种类分为钠水玻璃和钾水玻璃，其分子式分别为Na2OnSiO2和K2OnSiO2.式中的系数n称为水玻璃模数，是水玻璃中的氧化硅和碱金属氧化物的分子比（或摩尔比）
36、。水玻璃模数是水玻璃的重要参数，一般在1.53.5之间。水玻璃模数越大，固体水玻璃越难溶于水，n为1时常温水即能溶解，n加大时需热水才能溶解，n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。水玻璃模数越大，氧化硅含量越多，水玻璃粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大4。（）用途：水玻璃的用途非常广泛，几乎遍及国民经济的各个部门。在化工系统别化工系统被用来制造硅胶、白炭黑、沸石分子筛、层硅及速溶粉状泡花碱、偏硅酸纳、硅酸钾钠等各种硅酸盐类产品，是硅化合物的基本原料。在经济发达国家，以硅酸钠为原料的深加工系列产品已发展到50余种，有些已应用于高、精、尖科技领域；在轻工业中是洗衣粉、肥皂等洗涤剂中不可缺少的原
37、料，也是水质软化剂、助沉剂；在纺织工业中用于助染、漂白和浆纱；在机械行业中广泛用于铸造、砂轮制造和金属防腐剂等；在建筑行业中用于制造快干水泥、耐酸水泥防水油、土壤固化剂、耐火材料等；在农业方面可制造硅素肥料；另外用作石油催化裂化的硅铝催化剂、肥皂的填料、瓦楞纸的胶黏剂、金属防腐剂、水软化剂、洗涤剂助剂、耐火材料和陶瓷原料，纺织品的漂、染和浆料、矿山选矿、防水。堵漏、木材防火、食品防腐以及制胶黏剂等等3。（）生产方法：分为湿法和干法，或称为一步法和二部法。湿法是将石英砂和苛性钠溶液在加压釜内用蒸汽加热，并加搅拌，使它在23大气压下进行直接反应而成水玻璃液体，故称一步法。干法则需经过熔融和溶解，如
38、碳酸钠法，是将石英砂和碳酸钠搅匀后，在1400左右的炉温下进行熔融反应，反应物冷却后呈玻璃状，即为固体水玻璃；再将固体水玻璃放于加压滚筒或开口锅内，加温溶解成液体水玻璃。因此称为两步法。生产高模数水玻璃，以碳酸钠法较易控制，低模数水玻璃以湿法较简便4。 1.4.2注浆将配制好的浆液，经专用压送设备将其注入地层，在压力作用下对地层进行充填、渗透、挤密劈裂，浆液经胶凝或固化后，达到加固地层和防渗堵漏等目的的一种施工工艺5。（1）渗透注浆在压力作用下，浆液通过渗透填充土的孔隙和岩石的裂隙，排挤出孔隙和裂隙中的水和气体，而基本上不改变土和岩石结构和体积的一种注浆方式。（2）劈裂注浆在压力作用下，浆液克
39、服底层的初试应力和抗压强度，引起岩石和土体结构的破坏和扰动，使其沿垂直于小主应力的平面劈裂，或使低层中原有的裂隙或孔隙胀开，并使浆液充填裂隙或孔隙的一种注浆方式。1.4.3浆液密度 单位体积浆液中注浆材料的质量与体积的比值5。1.4.4浆液浓度溶质质量与浆液质量的比值。水泥浆采用水灰比( W/C)表示，水玻璃浓度采用波美度(oBe)表示5。1.4.5凝胶时间 浆液从全部成分混合时起至不能流动为止所需要的时间。1.4.6水泥-水玻璃双液注浆材料及配比参数（1）对注浆材料的一般要求地层灌浆及混凝土注浆施工属隐蔽性工程，对材料性能及注浆技术要求很高对材料性能的要求可归纳为以下几个方面：浆液粘度低、流
40、动性好，能够进入细小隙缝和粉细砂层；浆液凝固时间能够在几秒至几个小时内任意调节，并能准确的控制；浆液的稳定性好，常温、常压下较长时间存放不改变其基本性质，不发生强烈的化学反应；浆液无毒、无臭，不污染环境，对人体无害，属非易燃、易爆物品；浆液对注浆设备、管路、混凝土建筑物及橡胶制品无腐蚀性，并容易清洗；浆液固化时，无收缩现象，固化后有一定粘结性，能牢固的与岩石、混凝土及砂子等粘结；浆液结石率高，结石体有一定的抗压强度和抗拉强度，不龟裂，抗渗性好；结石体耐老化性能好，能长期耐酸，碱、盐、生物细菌等腐蚀，并且不受温度、湿度影响；注浆材料的粒度越细，注浆效果越好，但浆液成本也就越高；浆液配制方便，操作
41、容易掌握，原材料来源丰富，价格便宜，能够大规模使用。（2）注浆材料水泥：选用强度等级为PO 42.5的普通硅酸盐水泥。水玻璃：选用浓度oBe=3040，模数n=2.43.2的水玻璃原液。 （3）配比参数为控制水泥-水玻璃浆液胶凝时间及浆液扩散半径，取得良好的地基加固效果，经实验室配比试验表明，水泥-水玻璃浆液凝胶时间可在几秒至几十分钟内准确控制，其凝胶时间与水泥品种、水泥浆水灰比、水玻璃溶液浓度、水玻璃溶液与水泥浆的体积比等因素有关3。在同一条件下，水泥中硅酸三钙越多、水泥浆水灰比越低、水玻璃溶液浓度越低、水玻璃溶液与水泥浆的比例越小，浆液凝胶时间越短。1.4.7固结体强度 浆液在实验室条件下
42、配制的样品，经标准强度试验测得的强度值。强度试验包括单轴抗压强度,抗折（或抗剪）强度和抗拉强度试验。1.4.8注浆工艺（1）作业方式：注浆方式采用全孔一次性压入或间歇式压入进行，因工地现场无双液注浆机，故在注浆工作面布置两台同型号单液注浆机。（2） 注浆压力：采用“分级升压法”进行注浆压力控制，开始注浆时，不宜将压力升至过高，而应由低到高逐渐提高，注浆压力一般控制出水点压力的23倍范围内。（3）注浆工艺流程详见图1-1。图1-1 注浆工艺流程1.4.9黄土（1）湿陷性黄土：在一定的压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉的黄土。（2）非湿陷性黄土：在一定压力下受水浸湿，无显著附加下沉
43、的黄土。（3）自重湿陷性黄土：在上覆土的自重压力下受水浸湿，发生显著附加下沉的湿陷性黄土。（4）非自重湿陷性黄土：在上覆土的自重压力下受水浸湿，不发生显著附加下沉的湿陷性黄土。（5）新近堆积黄土：沉积年代短，具高压缩性，承载力低，均匀性差，在50150KPa压力下变形较大的全新世（Q42）黄土。（6）压缩变形：天然湿度和结构的黄土或其他土，在一定压力下所产生的下沉。（7）湿陷变形：湿陷性黄土或具有湿陷性的其他土（如欠压实的素填土、杂填土等），在一定压力下，下沉稳定后，受水浸湿所产生的附加下沉。（8）自重湿陷系数：单位厚度的环刀试样，在上覆土的饱和自重压力下，下沉稳定后，试样浸水饱和所产生的附加
44、下沉6。1.4.10减水剂减水剂是指在混凝土和易性相同的条件下，能显著降低用水量的外加剂，又称为分散剂和塑化剂7。（1）减水剂的主要功能7配合比不变时，显著提高流动性；流动性和水泥用量不变的条件下，可减少用水量，降低水灰比，提高混凝土的强度和耐久性；在保持混凝土强度（水灰比不变）和塌落度不变的条件下，可节约水泥用量；配置高性能混凝土。（2）减水剂的作用机理7水泥颗粒通过絮凝来降低界面能，达到体系稳定，因此把许多水包裹在絮凝结果中。加入减水剂后，水泥浆形成的絮凝结构打开并释放出被絮凝结构包裹的水，增大了流动性。（3）常用减水剂普通减水剂a.木质素系减水剂（木钙、木钠、木镁）木钙掺量一般为水泥质量
45、的0.2%0.3%；其减水率一般为10%15%；同时木钙减水剂不宜单独用于：冬季施工，在日最低气温低于5时，应与早强剂或防冻剂复合使用。b.糖蜜系减水剂高效减水剂高效减水剂的应用，成为混凝土技术发展里程一个重要的里程碑，应用它可以配置出流动性满足施工需要且水灰比低，而且强度很高的高强混凝土、可以自动流动成型密实的自密实混凝土，以及充分满足不同工程特定性需要和匀质性良好的高性能混凝土。特点：具有较高的分子量，纯度较高；减水效率高，在掺量较小的条件下，可取得很好的效果；副作用小。1.5 双液注浆材料的发展趋势1.5.1加强研制注浆新材料，改进现有的注浆材料针对水泥浆材可注性差、稳定性差和化学浆材具
46、有毒性、刺激性、价格昂贵的缺点，世界各国把研制新的注浆材料和改进现有的注浆材料作为现在和将来研究注浆技术的首要课题。目前的研究成果有超细水泥浆材、改性的酸性水玻璃、改性环氧树脂浆材、AC-400浆材、AC-MS浆材等 1。 1.5.2发展多种注浆工艺交替作业的注浆施工技术对于复杂多变的注浆地层，应采用合理的注浆工艺进行施工，随着地层条件的变化，注浆工艺和注浆材料也要相应进行调整。在同一注浆施工过程中，随时调节注浆参数和方法以便适应不同条件下地层注浆的需要1。 1.5.3实现注浆设备轻小型化、机组化、系列化和自动化在注浆设备现代化方面，注浆设备的发展方向是实现注浆设备轻小型化、机组化、系列化、专
47、用化和自动化。集钻、注等设备为一体，生产轻小型注浆机组设备，发展专用注浆机组，在注浆机组中配置自动化控制、监测系统，实现一整套自动注浆系统，集中控制，自动记录，多台泵大规模注浆施工。目前，国外在这方面发展较快，我国则刚刚起步1。1.5.4加强和发展注浆施工过程中的监控和注浆效果的检测工作1.5.5加强和发展注浆试验研究和理论研究当前，国内外实验室注浆试验和理论研究都一个非常薄弱的环节。注浆施工缺乏正确的理论指导，许多工程都是凭经验进行的。由于注浆对象的隐蔽性和特殊性，注浆工艺模拟的复杂，实验室模拟注浆试验难以展开，注浆理论研究进展维步艰难，但是为了适应注浆技术的发展，必须加强和发展实验室注浆试验研究和理论研究，促进注浆技术在各行各业的广泛应用1。1.6本课题研究的目的、意义及侧重点根据湿陷性黄土湿陷的特点，按照劈裂灌浆原理，采用水泥
