特种粘土固化浆液技术机理及其应用

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1、水电 2006 国际研讨会 615 特种粘土固化浆液技术机理及其应用 特种粘土固化浆液技术机理及其应用 凌贤长 1 石一彤2 1 哈尔滨工业大学，博士生导师 教授 2 沈阳晟耀新型建筑材料厂，常务副总经理 特种粘土固化浆液（核心技术“粘土浆液固化调节剂” ，以下称“调节剂” ）是多年来国内 水利工程领域普遍关注的新型防渗加固材料。由于其具有防渗加固双重功效，制作的浆液（浆 材）主要是粘土，因此可以就近取土制浆，浆液价格低廉、施工方便、性能稳定、无有害物质 生成等因素，所以具有广泛的应用前景。 目前，国内有数十家企事业单位在防渗加固领域进行研究和应用。市场上有各类固化剂几 十种，其中有一部分是引

2、进国外产品进行运用。由沈阳晟耀新型建筑材料厂利用发明专利技术 生产的粘土浆液固化调节剂，成功地突破了已有各种固化剂的技术难点。用该调节剂配制的浆 液具有优于现行普通水泥浆液、水泥粘土浆液等多项良好性能。用该调节剂配制的浆液在胶凝 强度和时间的可控性、流动性、可泵性、胶凝体膨胀性、可重复灌注性、封堵性等方面均有极 其明显优势，并且具有很好的抗压强度及防渗透性。用调节剂配制的浆液对堤坝防渗加固、止 水堵漏、防塌防沉等也有很好的效果。现已成功应用于水利、交通、市政建设、建材等领域。 2004 年，特种粘土固化浆液通过了水利部的科技成果鉴定 ： “总体达到国内领先，在胶 凝体的膨胀性与强度和稳定性相结

3、合方面具有国际先进水平” ， “该项目研究成果在解决粗颗粒 强透水地层防渗加固方面具有重要的应用价值和前景，经济效益显著；可广泛应用于大坝水库 的除险加固和堤防建设，及公路、边坡、隧道等注浆防渗加固工程” 。2004 年获国家发明专利 和广西壮族自治区科技进步一等奖。现已申报水利部2006、2007 年水利科技成果推广转化项 目 。 1 调节剂的固化机理 1 调节剂的固化机理 水泥加入水后会发生水化反应，生成均质绒毛状和无定型结晶水化物。结晶水化物和胶凝 体虽具有一定强度，可以胶结物充填于土体空隙中，有助于提高加固体强度和降低渗透系数， 但在水泥水化反应的生成物中含有的 Ca(OH)2溶解度较

4、小， 很快饱和， 从而抑制水泥的水化反应， 使水泥强度和防渗性能受到影响。添加调节剂后使上述现象获得明显改善。 （1）调节剂溶于水后，立刻生成大量的铝酸根、硅酸根、硫酸根。三者与水泥水化反应的 生成物 Ca(OH)2、水化铝酸三钙反应，生成均质绒毛状钙质成份和无定型钙质成份等。反应时消 耗了大量拌合水，有利于加速水泥水化反应，生成的结晶水化物具有一定强度，能成为结石体 的主要骨架成分之一从而有助于进一步提高其强度；以胶结物形式存在的结石体充填于加固体 空隙中也有助于提高加固体的强度和降低其渗透系数。三者又可作为后续反应的晶体生长核， 因而加快各种水化反应，生成更多具有一定强度的水化结晶体和胶凝

5、体，便使结石体强度增长 快、渗透系数降低幅度大；胶凝速度加快、胶凝时间缩短。 （2）调节剂溶于水后产生的铝酸根、硫酸根与水及粘土中碱金属发生作用，首先生成一种 物质元素，它在水和水泥的作用下缓慢膨胀且生成凝胶状物质，并产生具有一定强度的无定型 胶凝体，从而改善水泥集料界面微区结构、孔结构、应力状态等，由此调整结石体的密实度， 从而提高了结石体的抗压强度和防渗能力。其次，还生成具有一定强度的碱土金属水合硅酸盐 及具有较高强度的无定型胶凝体，胶凝体充填于加固体空隙中或以胶结物形式存在，也有利于 提高加固体的强度和降低其渗透系数。 （3）调节剂加入水后还会生成另一物质元素，该元素与水泥、粘土中的其他

6、成份反应，生 水电 2006 国际研讨会 616 成具有一定塑性强度的无定型胶凝体，加速水泥水化反应的进程。生成的无定型胶凝体充填于 加固体空隙中或以胶结物形式存在，也有利于提高加固体强度和降低其渗透系数。 基于上述机理，新型粘土浆液结石体具有明显的膨胀性，结石率大大高于相同水料比的水 泥或水泥粘土浆材，并且结石体与加固体空隙有很好的填充及胶结效果。工程岩芯检验实际效 果和电镜察看也正明了这一点。 2 调节剂的技术性能 2 调节剂的技术性能 调节剂可用于一般的粘土、粉沙土、砂砾石、建筑垃圾的固化。针对不同土质和用途，调 节剂有其相应的系列产品，可用于公路、铁路、地铁、隧道、涵洞、建筑地基、蓄水

7、工程、引 排水工程、成型构件砌块、护坡护堤工程、环保建设。特别是在使用传统材料难以处理的地基 加固、止水堵漏、防塌防沉等棘手技术难题方面效果显著，性价比明显优于其他材料。几年来 已成功应用在实际工程中，如安徽马鞍山钢铁公司姑山矿采场边坡加固工程（2002 年） 、广西 南宁邕江防洪大堤加固工程（2003 年） 、广西龙州金龙水库主坝防渗加固工程（2004 年） 、北京 地铁 5 号线雍和宫车站地基加固制止下沉工程、抚顺石油一厂厂区地基加固制止下沉工程等。 3 主要技术指标： 3 主要技术指标： 1、初始粘度、初凝时间（几十秒至几十分钟） 、终凝时间（低于 3 个小时）等均可控，结 石体早期强度

8、上升较快且可控。固化性、抗地下水渗透性、吸水性、胶凝体膨胀性以及结石体 早期强度上升较快且可控，结石体抗酸碱侵蚀性、抗震性等方面也都有极其明显优势。结石率 为 100%，降低渗透系数 3 个数量级以上，可达到 E10 -7cm/s。 2、结石体很密实且强度较大，早期强度可达 57 Mpa，稳定强度可达 15Mpa。加砂制成的 建筑砌块抗压强度可达到 20Mpa 以上。抗冻性能良好，当加水量小于 15%、水泥加量在 15%、调 节剂加量在 1.5%左右时，经夯实后的砌块在温度范围为-50+20中循环冻、融 25 次时各项 指标损失为 0（寒区应在入冻前 2 个月完工，效果更佳） 。 3、主要基材

9、为粘土。粘土可就地取材，使材料成本降低。注浆防渗加固时费用比其他材料 费用降低 5030%左右，砌渠防渗时费用比其他材料费用降低 4030%左右。 4、用调节剂配制的浆液在固化过程中会生成稳定胶凝物质，强度高于水泥浆液，并且所用 原料主要为就地取材，比用其它主材更具有相容性，因此其稳定性和使用寿命比单独使用水泥 或水泥粘土的寿命长得多。 5、使用调节剂配制浆液时仍使用原有设备，具有节约资源、缩短工期等明显优点。 调节剂本身不排斥其他水工用添加剂，与其他其他拌合物不生成任何有害物质， 特种粘土固化浆液与国内外现行使用的传统浆材性能比较 性能 特种粘土固化浆液 现行传统水泥（或水泥粘 土浆液） 析

10、水性 无 强（或明显） 吸水性 大 无（或小） 抗地下水稀释性 强 很差（或差） 胶凝时间可控性 几十秒几十分钟可控 不可控，且胶凝时间长 结石体早期强度可控性 可控 不可控，且强度增长慢 结石体抗酸、碱侵蚀性 强 一般 结石体膨胀与收缩性 明显膨胀 收缩（或明显收宿） 结石体抗震性 8 度左右 好 一般 结石体耐久性 好 一般（或较差） 结石体抗压强度 高 一般 经济性 造价最低 高（或较低） 水电 2006 国际研讨会 617 4 工程应用 4 工程应用 1、注浆防渗加固。通过将调节剂与水泥、粘土按照优选确定的比例配制浆液，根据设计要 求布置注浆孔，对防渗加固对象进行注浆加固。由于其防渗加

11、固性能独特，解决了水泥等材料 在防渗加固中存在的不足。其抗压、抗折、抗渗、抗冲刷、抗腐蚀性能也大大提高。施工方便， 造价低廉。运用该技术在广西南宁邕江防洪大堤加固工程、广西龙州金龙水库主坝防渗加固工 程、安徽马鞍山钢铁公司姑山矿矿体边坡防渗加固工程、 、成都青城山水库防渗、大连警官高等 专科学校中水塘防渗等工程中都取得了良好的效果。 2、软弱地基加固。用调节剂配制的浆液对浅层软弱地基加固时，可通过把调节剂与优选确 定的比例的水泥、粘土、砂石或建筑垃圾搅拌均匀摊铺地基上，经碾压整形等步骤完成。可适 用于公路、铁路、机场、建筑物、市政建设等软弱地基基础。如北京地铁 5 号线雍和宫车站地 基加固制止

12、下沉工程、抚顺石油一厂厂区地基加固制止下沉工程、成都市部分市政工程、公路 工程等。 3、路基处理。调节剂可以在公路、铁路等基础建设中使用。利用当地残土，按优选确定的 比例将调节剂掺合均匀制成干硬性浆材，可以填筑成合格的路基防水层。采用调节剂技术，由 于材料价格低廉、施工方便、提高了效率、缩短工期，因此在保证工程质量的前提下可以比传 统方法降低工程造价 3040%左右。如湖南双峰县城新区道路路基、成都邛崃市内道路铺设和成 都军区某部队加油站、车炮场地基、营区路基等工程。 4、防渗墙、渠衬。将特种粘土固化浆液制成塑性浆材时可以做防渗墙、渠衬、工程围堰， 楼顶、地下室、蓄水池、游泳池等；制成干硬性浆材时，则利用各种建筑垃圾、矿屑、工业废 渣等制成小型建筑砌块等。 随着工程应用领域的不断扩展， 用粘土浆液固化调节剂制成的特种粘土固化浆液一定能发挥 出更多、更好的作用，为国民经济建设做出贡献，为地基岩土施工企业带来很好的经济效益。