水泥-石粉-黏土复合注浆材料及其制备工艺的制作方法

1.本发明涉及建筑施工材料技术领域。具体地说是水泥-石粉-黏土复合注浆材料及其制备工艺。


背景技术：

2.注浆是是改善地基性能的常用方法之一，起到加固地基、防渗堵漏的作用，注浆是指将配制好的化学浆液或水泥浆液，通过导管注入土体间隙中，与土体结合，发生物化反应，从而提高土体强度。常用的注浆材料有普通水泥注浆材料、超细水泥注浆材料、高分子注浆材料、黏土水泥浆注浆材料等，其中黏土水泥浆因其成本低、工期短而广泛使用。但是，随着作为主要原料的水泥价格的上涨，黏土水泥浆的成本增加，因而需要改进注浆材料的成分来进一步降低注浆材料的成本。


技术实现要素：

3.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用石粉替代部分水泥来降低注浆材料成本的水泥-石粉-黏土复合注浆材料及其制备工艺。
4.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
5.水泥-石粉-黏土复合注浆材料，由母浆和清水混合而成，母浆由以下原料组成：黏土原浆、水泥、石粉、水玻璃、纤维素和硅微粉；其中，黏土原浆比重为1.12～1.18吨/立方米，每立方黏土原浆水泥和石粉的总用量为100～150公斤，石粉用量为水泥和石粉总质量的10％～50％，每立方黏土原浆水玻璃用量为5升-10升，纤维素用量为石粉重量的1
‰
～5
‰
，硅微粉用量为石粉重量的1％～5％。
6.进一步的，所述石粉颗粒粒径在0.25mm以下，含水率0.3％～0.4％，液限22.5％～26.2％，塑限12.8％～14.0％，塑性指数9.5～12.5，液性指数-1.43～-1.07，可分类为粉质黏土。
7.本发明还提出了水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺，包括以下步骤：
8.步骤a:母浆配制：分别称取水泥、石粉、纤维素和硅微粉，并准备好所需体积的黏土原浆和水玻璃，然后利用母浆配制装置配制母浆；其中，黏土原浆比重为1.12～1.18吨/立方米，每立方黏土原浆水泥和石粉的总用量为100～150公斤，石粉用量为水泥和石粉总质量的10％～50％，每立方黏土原浆水玻璃用量为5升-10升，纤维素用量为石粉重量的1
‰
～5
‰
，硅微粉用量为石粉重量的1％～5％；
9.步骤b：注浆材料配制：利用注浆材料配比装置将所述母浆与适量的清水混合，得到目标比重的注浆材料。
10.进一步的，所述母浆配制装置包括预混槽、母浆搅拌机构和同时下料器，所述母浆搅拌机构位于所述预混槽内，所述同时下料器安装在所述预混槽上，并且所述预混槽的加料口位于原料出口下方。
11.进一步的，所述预混槽的上部并排设置有两个同时下料器，所述同时下料器包括
料槽架、设置在料槽架下侧的称重传感器、转动装配在所述料槽架上的两个用于承装物料的料槽单元和用于掀翻所述料槽单元的翻动机构；每个所述料槽单元对应一个原料出口；所述料槽单元在所述翻动机构的作用下可将所述料槽单元内的物料完全倾倒出来。
12.进一步的，所述翻动机构包括分别设置在料槽单元外壁一角的角柱、连接两个角柱的同步架、固定设置在所述料槽架上的电机二、与所述电机二驱动连接的中轴和一端固定在所述中轴上的摆杆，所述摆杆的另一端转动连接在所述同步架上。
13.进一步的，所述注浆材料配比装置包括配料斗、浆液搅拌机构、溢流机构、纵向驱动机构和横向驱动机构，所述浆液搅拌机构位于所述配料斗内；所述纵向驱动机构驱动所述浆液搅拌机构在所述配料斗内纵向往复运动，所述横向驱动机构驱动所述浆液搅拌机构在所述配料斗内横向往复运动，所述横向驱动机构安装在所述纵向驱动机构驱动上；所述溢流机构的溢流入口端位于所述配料斗内，所述溢流机构的溢流出口端位于所述配料斗外；所述溢流入口的高度可调。
14.进一步的，所述浆液搅拌机构包括框架、若干第一转杆和若干第二转杆，所述第一转杆的一端铰接在框架上，所述第一转杆可相对于所述框架水平转动；所述第二转杆的一端铰接在第一转杆上，所述第二转杆可相对于所述第一转杆水平或是竖直转动；所述第一转杆和第二转杆的转动角度范围均小于90
°
。
15.进一步的，所述纵向驱动机构包括电机一、纵向移动架和齿带，所述齿带固定安装在纵向移动架上，所述齿带与电机一输出轴上的齿轮啮合；所述溢流机构的溢流入口端与所述纵向移动架相对固定；所述横向驱动机构设置在所述纵向移动架上，所述框架通过吊杆与所述横向驱动机构驱动连接。
16.进一步的，所述横向驱动机构包括中转板、电机二、转板、滑块、滑板和横连杆，所述中转板固定安装在所述纵向移动架上，所述中转板上开设有横移通孔；所述电机二固定所述中转板上，所述滑块固定安装在远离所述转板转轴的边沿上，所述滑板的两端分别固定连接有一个横连杆；所述滑板上开设有滑孔，所述滑孔的长度方向与所述横连杆的长度方向相互垂直；所述滑块的自由端位于所述滑孔内，所述横连杆的自由端经所述横移通孔伸出，所述横连杆在所述横移通孔内滑动；所述电机二与所述转板驱动连接并驱动所述转板转动，所述转板通过所述滑块带动滑板和横连杆一起相对于所述中转板做横向往复运动；所述横连杆的自由端端头与吊杆固定连接。
17.进一步的，所述第二转杆的自由端设置有杆片，所述杆片表面所在的平面垂直所述第二转杆的转动平面。。
18.本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
19.本发明的水泥-石粉-黏土复合注浆材料采用石粉替代了部分水泥，同时通过其他组分来增加注浆材料的稳定性，在保证注浆材料工艺性能满足施工要求的前提下，降低了注浆材料的成本；
20.本发明的水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺在制备母浆时通过粉料的同时加入以及粉料与液体原料的同时加入达到了初步了混合目的，能够减少后续搅拌混合所需的时间；
21.采用先配制母浆再清水的方法来配制注浆材料，两者均为液体更容易混合均匀，减少后续的混合难度；加浆泵、加水泵和电机一根据重量数据自动调整能够获得目标体积
下目标比重的注浆材料，通过控制溢流入口的高度可以实现配料斗中浆液体积的控制，通过改变母浆和清水的添加量以及将多余的浆液溢流能够实现配料斗中浆液重量的控制，进而得到配料斗中浆液的比重；对配料斗中的浆液采用不起液面剧烈变化的非剧烈搅拌，可以减少搅拌引起的溢流，有利于维持浆液液面稳定，得到与目标体积精确一致的浆液，减小液面晃动为浆液体积的影响，使得比重调节更加的准确。
附图说明
22.图1为本发明实施例的石粉的颗粒形貌图；
23.图2为本发明实施例的复合注浆材料塑性阶段冲击破坏形态图；
24.图3为注浆充填裂隙在反压后取芯情况图一；
25.图4为注浆充填裂隙在反压后取芯情况图二；
26.图5为注浆充填裂隙在反压后取芯情况图三；
27.图6为两种浆液结石体的实验试块破坏前后形态；
28.图7为本发明实施例的预混槽与配料斗的结构示意图；
29.图8为本发明实施例的同时下料器的俯视结构示意图；
30.图9发明实施例的同时下料器的翻转示意图；
31.图10本发明一个实施例的轻柔搅拌装置的俯视结构示意图；
32.图11本发明一个实施例的直线往复机构的俯视结构示意图。
33.图中附图标记表示为：1-第一加料管、2-第二加料管、3-第三加料管、4-第四加料管、5-第五加料管、6-第六加料管、7-料槽单元、8-纵向移动架、11-称重传感器、12-料槽架、13-母浆搅拌机构、14-预混槽、15-加浆泵、16-加浆管、17-加水泵、18-加水管、19-分水孔、20-连接筒、21-溢流管、22-安装头、23-移管杆、24-齿轮、25-电机一、27-框架、28-第一转杆、29-第二转杆、30-杆片、33-同步架、34-摆杆、36-中轴、37-电机二、38-横连杆、39-吊杆、40-第一铰接座、41-第二铰接座、42-滑板、43-滑块、44-转板、46-中转板、47-称重装置。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
35.水泥-石粉-黏土复合注浆材料,由母浆和清水混合而成，母浆由以下原料组成：黏土原浆、水泥、石粉、水玻璃、纤维素和硅微粉；其中，黏土原浆比重为1.12～1.18吨/立方米，每立方黏土原浆水泥和石粉的总用量为100～150公斤，石粉用量为水泥和石粉总质量的10％～50％，每立方黏土原浆水玻璃用量为5升-10升，纤维素用量为石粉重量的1
‰
～5
‰
，硅微粉用量为石粉重量的1％～5％；在实际使用时，将纤维素和硅微粉事先溶于玻璃水中制成复合稳定剂，复合稳定剂具有用量低(1％～0.5％)、效果好的特点。图2为本发明实施例的复合注浆材料塑性阶段冲击破坏形态图。
36.制备好的水泥-石粉-黏土复合注浆材料密度为1.16
×
103kg/m3～1.3
×
103kg/m3；制备好的水泥-石粉-黏土复合注浆材料黏土颗粒较小，具有较高的分散度，添加的石粉需满足特定粒度要求，加上稳定剂的作用，悬浊液中的细粒占较大比例，使水泥-石粉-黏土复合注浆材料浆液具有较高的稳定性，表现为析水率低、析水速率小，水泥-石粉-黏土复合注
浆材料浆液的2h析水率一般小于5％。
37.本发明的水泥-石粉-黏土复合注浆材料(cement-stone powder-clay composite grouting material，简称c-s-cl浆液)是以黏土浆为主要组分，掺加适量的水泥、石粉和液体稳定剂(水玻璃、纤维素、硅微粉)配置而成的多相悬浮体；所用原料的质量要求为：
38.1)黏土主要是含高岭石、伊利石和蒙脱石的黏土矿物，其塑性指数不宜小于10，黏粒(粒径小于0.005mm)含量不宜低于25％，含砂量不宜大于5％，有机物含量不宜大于3％。多取自于当地耕植土下的黏土；在可能的情况下，应选用高质量黏土，工程中如能得到比"粉质黏土"更好的黏土，制备的水泥-石粉-黏土浆液各项性能指标将更加优异；
39.2)水泥使用新鲜水泥；可使用普通硅酸盐水泥(一般为p
·
o42.5)或复合硅酸盐水泥(一般为p
·
c32.5)，水泥细度应符合gb/t1345的规定，通过80μm方孔筛的筛余量不宜大于5％；水泥颗粒中0.075～0.25mm的颗粒占8.9
±
2％，0.005～0.075的颗粒占84.3
±
2％，《0.005mm的颗粒占比6.8
±
2％，含水率0.4％，液限17.1
±
2％，塑限12.1
±
2％，塑性指数5.0
±
2％，液性指数-2.34
±
2％；
40.3)石粉使用钙质石粉，应达到《岩土工程勘察规范gb50021-2001(2009版)》"粉土"的要求，含砂量不宜大于10％；石粉颗粒粒径在0.25mm以下，含水率0.3％～0.4％，液限22.5％～26.2％，塑限12.8％～14.0％，塑性指数9.5～12.5，液性指数-1.43～-1.07，其中，石粉颗粒中0.075～0.25mm的颗粒占5.7％～11.4％，0.005～0.075的颗粒占60.9％～65.3％，《0.005mm的颗粒占比27.7％～29.0％；石粉中粉粒与黏粒共占约90％，细颗粒相较水泥并无明显减少，从颗粒型浆液角度，石粉可代替部分水泥；图1为本发明实施例的石粉的颗粒形貌图；石粉在基浆中沉淀快，容易导致浆液分层，因此需要加入其他辅助组分，本技术中选择纤维素和硅微粉来提高浆液的稳定性，减少石粉析出。
41.4)清水满足混凝土用水要求《jgj63混凝土用水标准》；液体稳定剂(水玻璃、纤维素、硅微粉)符合质量要求。
42.不同配比的c-s-cl浆液固化速度不同，在注浆施工中，根据注浆压力、流量、岩层情况等因素，选择不同配比的浆液；黏土浆密度越大，浆液塑性强度越高；水泥与石粉用量越大，浆液塑性强度越高；稳定剂用量越大，前期塑性强度越高；浆液的流变性能可通过塑性强度测定间接了解。在仅有复合稳定剂添加量变化的条件下，制成的c-s-cl浆液密度增加，高密度黏土原浆制备的浆液具有更好的裂隙封堵效果。如表1所示，为选出的4个水泥-石粉-黏土复合注浆材料稳定浆液的配方以及配方相应的性能。筛选出的水泥-石粉-黏土浆液配方结石体在静水中和动水中失重较低，低于对照组黏土-水泥浆液结石体失重。对照组为黏土-水泥浆液，未掺入石粉和复合稳定剂。
43.表1水泥-石粉-黏土复合注浆材料可选配方与性能
44.实验序号5-36-37-28-2原浆密度/
×
103kg/m31.181.181.181.18水泥加量/kg/m3100100150150水泥替代率/％25502550复合稳定剂/l/m3101055浆液密度/
×
103kg/m31.231.231.281.28漏斗粘度/s17.0017.5017.2017.60
析水率/％4.005.003.004.00结石率/％96.0095.0097.0096.00
45.表2为水泥-石粉-黏土稳定浆液可选配方结石体静水、动水失重率数据，如表2所示，复合稳定剂可提高浆液水稳定性，降低水泥-石粉-黏土浆液结石体动水和静水中的浸泡散失。
46.表2水泥-石粉-黏土稳定浆液可选配方结石体静水、动水失重率
47.实验序号5-36-37-28-2静水中失重/％-0.54-0.32-0.37-0.27动水中失重/％-0.77-1.21-1.35-1.47
48.表3为水泥-石粉-黏土稳定浆液可选配方滤失量与滤失率数据，如表3所示，筛选出的各配方水泥-石粉-黏土浆液滤失量相较于对照组黏土-水泥浆液滤失量有不同程度的降低，复合稳定剂可提高浆液中固体颗粒保水性，进而降低浆液滤失量；筛选出的配方水泥-石粉-黏土浆液相比对照组黏土-水泥浆，相同剪切速率下切应力有不同程度的增加，复合稳定剂改善了浆液的流变性能。
49.表3水泥-石粉-黏土稳定浆液可选配方滤失量与滤失率
50.实验序号5-36-37-28-2滤失量/ml150152149148滤失率/％63.8364.6863.4062.98
51.下面对本发明的可选配方进行经济效益分析：
52.基于以下价格数据进行水泥-石粉-黏土注浆材料经济效益分析：
53.1)水泥价格：400元/吨；
54.2)石粉价格：100元/吨；
55.3)复合稳定剂价格：850元/吨(稳定剂密度1.38
×
103kg/m3，折算为体积单价约1200元/m3；)
56.计算基础为1m3黏土原浆中材料加量。
57.1)黏土-水泥浆液计算相应用量水泥的材料费用；
58.2)水泥-石粉-黏土浆液计算相应用量水泥、石粉、稳定剂费用；
59.3)费用降幅为水泥-石粉-黏土浆液中水泥、石粉、稳定剂总费用对比黏土-水泥浆液中水泥的费用。
60.根据表4注浆材料配方与成本对比表可知，序号6-3和7-2注浆材料粘土原浆密度均为1.18
×
103kg/m3，两组水泥用量和水泥替代率均不相同；序号6-3中材料降幅为7.5％和序号7-2中材料降幅为8.75％，两组配方均具有较好的经济效益。序号8-2的注浆材料水泥替代率为50％，粘土原浆密度不同为1.18
×
103kg/m3；序号8-2材料费用降幅高达27.5％，具有较高的经济效益。序号5-3的注浆材料会造成材料费用增加，经济效益上不可取，未在表4中列出。因此上述的可选配方中，使用配方8-2能获得最大的费用降幅，且粘土原浆密度高，能够更好的封堵裂缝，为最佳方案。
61.表4注浆材料配方与成本对比表
[0062][0063]
本发明的水泥-石粉-黏土复合注浆材料中用石粉替代了部分水泥达到了降低成本的目的，且通过水玻璃、纤维素以及硅微粉(复合稳定剂)的调控，增加了浆液密度，使得浆液更加的稳定，将析水率控制在5％以下，增加了结实率，满足了使用需求；复合稳定剂全面改善了水泥-石粉-黏土浆液各项性能，具有用量低(1％～0.5％)、效果好的特点；复合稳定剂可提高浆液水稳定性，降低水泥-石粉-黏土浆液结石体动水和静水中的浸泡散失，可提高浆液中固体颗粒保水性，进而降低浆液滤失量，改善浆液的流变性能。
[0064]
经室内测试和现场试验测试，常压状态下，c-s-cl浆液结石率可达95％，在实际注浆过程中，浆液在较大注浆压力下会发生一定的脱水作用，实际注浆过程，c-s-cl浆液在地下固结过程中存在明显的脱水密实现象，结石率显然会大于95％。
[0065]
接下来，对配方8-2的浆料研究在特定压力条件下的裂缝封堵特性说明，整个模拟实验系统包括供浆系统、裂隙注浆模型、静水压力控制系统和压力自动监测系统。可以实现对存在高水压深部地层环境的模拟，研究注浆范围内存在裂隙条件下，浆液在不同开度裂隙组合中扩散时，浆液压力与浆液扩散距离的变化情况；分析相同注浆条件下，不同开度裂隙对浆液扩散的相互影响；同时还可以在注浆结束后，对裂隙模型中的浆液充填效果以及浆液结石体进行评价分析。本实验中，设置10mpa的静水压力值以模拟深部注浆工程，注浆恒定流量为25ml/mi n，裂隙注浆模具的夹板缝隙选择3mm。
[0066]
进行裂隙注浆模型试验前，按照既定方案对裂隙模型试件进行连接，安装压力传感器，随后利用计量泵与静水压力控制系统，压入清水，将裂隙中静水压力在试验设计流量下维持稳定，再开始试验进程。注浆试验过程中，由于裂隙模型扩散方向上每延米均设置压力传感器，对浆液扩散过程中的压力变化情况通过可编程逻辑控制器进行记录，用于注浆模拟过程的压力变化监测分析。注浆模型试验结束，保证裂隙模型的内部压力环境不受外界影响，将裂隙中的充填浆液静置养护一段时间，再对整个充填裂隙进行反向压水。从注浆时的末端裂隙试件处，接入计量泵进行恒压压水；观察整个充填裂隙注浆前端，裂隙模型试件的抗渗堵漏情况，当泵压达到注浆试验预设静水压力1.5倍范围，维持此泵压10mi n观察前端裂隙情况；随后拆除最前端一节裂隙模型试件；或者裂隙末端压力上升已经极为缓慢，小于0.01mpa/mi n时，待观察前端情况后也予以拆除。拆除后重复压水步骤至最后一节有浆液充填的试件。反向压水目的在于观察浆液对裂隙模型充填之后，整体对水的阻碍效果，或者说对浆液的防治效果进行观察。通过压水过程中每延米压力不断变化情况，大致分析水通过每米充填浆液需要的压力，或者说冲破完全堵水效果的压力，以及冲开后对水的阻滞作用，这些都从压力表的数值变化进行分析表征。待一组试验完成之后，对钢管模具中的裂隙模型进行取芯，打开预制试件，将砂浆试块分开，具体观测浆液扩散距离与反压水后充填状态。基本试验情况如下表(表5)所示。各组试验完成后，对试验采集到的注浆过程压力变化情况，以及反压水过程相关试验状况进行整合与分析。
[0067]
表5隙注浆模型试验基本情况
[0068][0069]
(1)注浆过程研究
[0070]
根据试验进行时长，结合压力变化情况，对采集到的压力数据，以10mi n为间隔。(为确保试验静水压力始终满足深井高压要求，防治不可预估情况，试验设置的实际静水压力为10.5mpa)。配方8-2在不同时间各个压力表数据如表6所示。根据表6数据，在注浆模拟实验整个过程，在0mi n～120mi n的注浆时间段，同一个时间监测点，压力01～压力10各个压力表读数几乎相同，符合恒压注浆的规律；在130mi n，提高到约1.5静水压力，结束注浆模拟。
[0071]
表6注浆压力变化情况表
[0072][0073]
(2)裂隙充填状况研究
[0074]
图3-图6为注浆充填裂隙在反压后取芯情况图，图中编号1-19对应各个注浆裂隙，其中1号为注浆进浆口裂隙，19号为注浆出浆口裂隙。从图3-图6可见，1～18号取芯裂隙浆液充填情况都较为饱满，因为控制注浆量，19号取芯裂隙几乎没有浆液充填。对照组采用密度为1.12
×
103kg/m3的注浆浆液，相比之下，对照组，1～8号取芯裂隙浆液充填情况都较为饱满，受浆液综合性能影响，9～18号取芯裂隙浆液充填情况不甚理想，因为控制注浆量，19号取芯裂隙几乎没有浆液充填，说明高密度黏土原浆制备的浆液可更有效充填注浆模拟裂隙。
[0075]
接下来，对配方8-2的浆料研究在特定压力条件下固结特性与结石体力学性能。模拟试验系统包括浆液池(40cm
×
40cm
×
30cm)、控制箱、压力板、压力表等。可以实现对颗粒型注浆材料压滤脱水，模拟注浆材料在地下裂隙中高压脱水固结过程。可制备颗粒型注浆材料高压脱水后大型试块，用于注浆材料结石体力学性能研究。对照组的水泥添加量和水泥替代率相同，复合稳定剂用量增加，以调整原浆密度至1.12
×
103kg/m3。
[0076]
制备配方中浆液材料，置入压滤箱中，放置压滤版，逐步加压到5mpa，静置24h，取出压滤体，养护，截取相应尺寸试块，测力学性能。
[0077]
(1)浆液压滤固结特性
[0078]
对照组浆料结实体密度为2.41
×
103kg/m3，压缩率50.3％；配方8-2浆料结实体密度为2.4
×
1103kg/m3，压缩率46.6％；虽然两种浆液初始密度差异较大，但在受压固结后，因浆液压缩率的不同，浆液结石体密度几乎相同。
[0079]
(2)浆液固结体强度研究
[0080]
相比于对照组，所用黏土原浆由1.12
×
103kg/m3增加到1.18
×
103kg/m3，压滤后结石体抗压强度由0.54mpa提高到0.81mpa，抗压强度增加50％。说明增加黏土原浆密度大幅提高了浆液压滤结石体强度。如图6为两种浆液结石体的实验试块破坏前后形态。
[0081]
本发明还提出水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺，包括以下步骤：步骤
[0082]
步骤a:母浆配制：分别称取水泥、石粉、纤维素和硅微粉，并准备好所需体积的黏土原浆和水玻璃，将称好的水泥、石粉、纤维素和硅微粉装入同时下料器中，然后通过同时下料器同时投入预混槽14中，利用母浆配制装置配制母浆；其中，黏土原浆比重为1.12～
1.18吨/立方米，每立方黏土原浆水泥和石粉的总用量为100～150公斤，石粉用量为水泥和石粉总质量的10％～50％，每立方黏土原浆水玻璃用量为5升-10升，纤维素用量为石粉重量的1
‰
～5
‰
，硅微粉用量为石粉重量的1％～5％；
[0083]
此步骤中使用现有技术中的搅拌叶片等母浆搅拌机构13进行剧烈的搅拌；将水泥、石粉、纤维素和硅微粉同时通过第一加料管1、第二加料管2、第五加料管5和第六加料管6分别投入到同时下料器对应的料槽单元7内，水泥、石粉由一个同时下料器同时倾倒，纤维素和硅微粉由另一个同时下料器同时倾倒，同时两个同时下料器同步倾倒，且两个同时下料器相对倾倒，各个粉料在下落的过程中能够实现初步的混合，黏土原浆和水玻璃分别通过第三加料管3和第四加料管4同时注入，从而加注的液体原料能够冲散下落的粉料，也能够实现初步的混合，能够减少后续采用剧烈搅拌混合所需的时间；
[0084]
步骤b：注浆材料配制：利用注浆材料配比装置将所述母浆与适量的清水混合，得到目标比重的注浆材料；母浆与清水均为液体，更容易混合均匀，减少后续的混合难度；c-s-cl浆液中中的黏土、水泥、石粉和纤维素、硅微粉、水玻璃混合后开始发生化学反应，浆液的黏度随着时间变大；
[0085]
配料斗通过称重装置47获得重量数据，重量数据发送至工控机，通过调整溢流入口的高度可以获得目标体积的注浆材料，工控机根据重量数据和溢流管21高度转换而来的体积数据可以计算出配料斗中浆液的比重。
[0086]
如图7至图9所示，所述母浆配制装置包括预混槽14、母浆搅拌机构13和同时下料器，所述母浆搅拌机构13位于所述预混槽14内，所述同时下料器安装在所述预混槽14上，并且所述预混槽14的加料口位于原料出口下方；
[0087]
预混槽14中的母浆通过加浆管16以及加浆泵15输送至配料斗内，清水通过加水管18以及加水泵17输送至配料斗内，所述加水管18伸入配料斗的中下部且加水管18的下端设置有分水孔19；所述加浆泵15、加水泵17和电机一25由工控机根据重量数据自动调整母浆的添加量或是清水量，以及溢流入口的高度以获得目标体积下目标比重的注浆材料。
[0088]
具体的，如图7至图9所示，所述预混槽14的上部并排设置有两个同时下料器，所述同时下料器包括料槽架12、设置在料槽架12下侧的称重传感器11、转动装配在所述料槽架12上的两个用于承装物料的料槽单元7和用于掀翻所述料槽单元7的翻动机构；每个所述料槽单元7对应一个原料出口；所述水泥、石粉分别经第一加料管1和第二加料管2投入一个同时下料器的两个料槽单元7内称重，所述纤维素和硅微粉通分别经第五加料管5和第六加料管6投入另一个同时下料器的两个料槽单元7内称重；所述料槽单元7在所述翻动机构的作用下可将所述料槽单元7内的物料完全倾倒出来；所述料槽单元77被所述翻动机构翻转至少130
°
，使得料槽单元77内的物料完全倾倒而出；如图7至图9所示，所述翻动机构包括分别设置在料槽单元7外壁一角的角柱、连接两个角柱的同步架33、固定设置在所述料槽架12上的电机二37、与所述电机二37驱动连接的中轴36和一端固定在所述中轴36上的摆杆34，所述摆杆34的另一端转动连接在所述同步架33上；水泥、石粉用量与纤维素和硅微粉用量差异较大，因此采用两个分别计重的同时下料器，每个同时下料器有一套称重传感器11，节省成本，每个同时下料器称量时需要逐一的称量物料，两个同时下料器的料槽单元7的容量可以不同，两个同时下料器的电机二37由工控机时间同步转动下料，在下料的过程中实现初步的混合，有利于降低后续的混匀时间。
[0089]
如图7、图10、图11所示，所述注浆材料配比装置包括配料斗、浆液搅拌机构、溢流机构、纵向驱动机构和横向驱动机构，所述浆液搅拌机构位于所述配料斗内；所述纵向驱动机构驱动所述浆液搅拌机构在所述配料斗内纵向往复运动，所述横向驱动机构驱动所述浆液搅拌机构在所述配料斗内横向往复运动，所述横向驱动机构安装在所述纵向驱动机构驱动上；所述溢流机构的溢流入口端位于所述配料斗内，所述溢流机构的溢流出口端位于所述配料斗外；
[0090]
所述溢流入口的高度可调，通过调整溢流入口的高度可在配料斗中获得目标体积的注浆材料；浆液搅拌机构对配料斗中的浆液做不引起液面剧烈变化的非剧烈搅拌，保持目标体积的准确；所述预混槽14中配好的母浆通过连通至配料斗的加浆管16以及加浆管16上的加浆泵15输送至配料斗内，清水通过连接水源与配料斗的加水管18以及其上的加水泵17输送至配料斗内；所述加浆泵15、加水泵17和电机一25根据称重装置47的重量数据自动调整以获得目标体积下目标比重的注浆材料；
[0091]
所述溢流机构包括溢流管21、固定连接在溢流管21上端的连接筒20和固定连接在溢流管21下端的安装头22，溢流管21为软管，该软管的长度大于溢流入口和溢流出口的高度差，为溢流管21的升降预留足够的活动长度，溢流管21的顶端入口为溢流入口，溢流管21的另一端为溢流出口；所述溢流管21的上端(溢流入口)通过连接筒20固定在移管杆23上，所述移管杆23固定在纵向移动架8上，由所述所述纵向驱动机构驱动所述溢流管21上下移动。
[0092]
如图7、图10、图11所示，所述浆液搅拌机构包括框架27、若干第一转杆28和若干第二转杆29，所述第一转杆28的一端通过第一铰接座40铰接在框架27上，所述第一转杆28可相对于所述框架27水平转动；所述第二转杆29的一端通过第二铰接座41铰接在第一转杆28上，所述第二转杆29可相对于所述第一转杆28水平或是竖直转动；所述第一转杆28和第二转杆29的转动角度范围均小于90
°
；第一转杆28相对于框架27的最大展开角度为90
°
，展开至最大角度为其张开状态，回收状态为其转动至最小角度；第二转杆29相对于第一转杆28的最大展开角度为90
°
，展开至最大角度为其张开状态，回收状态为其转动至最小角度；
[0093]
所述浆液搅拌机构对配料斗中的浆液做不引起液面剧烈变化的非剧烈搅拌，具体的是采用在溢流管21口以下进行水平方向上的搅拌以及小幅度的竖直方向上的搅拌实现，不会引起配料斗中液面的强烈波动，且轻柔搅拌装置与溢流管21同步上下移动，确保溢流液面与非轻柔搅拌的第一转杆28和第二转杆29间距恒定，使得轻柔搅拌装置的第一转杆28和第二转杆29始终处于溢流入口下方，且轻柔搅拌装置可相对于溢流管21在水平方向上往复运动带动第一转杆28和第二转杆29在张开状态与回收状态之间变换；所述张开状态是指第一转杆28和第二转杆29随着框架27的a向水平运动转动至最大角度，从而达到切割水流，轻柔搅拌的目的，所述回收状态是指第一转杆28和第二转杆29随着框架27的b向水平运动转动至最小角度，b向为a的反向，从而回缩至几乎闭合，减少与水的阻力，不怎么引起水流扰动的状态，通过第一转杆28和第二转杆29在张开状态与回收状态之间变换，实现间歇性的单向扰流搅拌、轻柔搅拌的目的；
[0094]
在一个实施例中，所述第二转杆29相对于所述第一转杆28竖直转动，如图10所示，所述第一转杆28在水平面内转动，所述第二转杆29在竖直面内转动，第一转杆28张开状态为与框架27垂直，第一转杆28回收状态为转动至贴近框架27，随着框架27的直线往复运动；
第一转杆28包括多个，一个第一转杆28上可以设置一个或多个第二转杆29，只要是处于避让各个管路的位置即可；优选的，为了增加第二转杆29在垂直面上的转动幅度，在第二转的自由端设置杆片30，所述杆片30表面所在的平面垂直所述第二转杆29的转动平面，由于第二转杆29实际上是随着第一转杆28的水平往复运动主要介于张开状态与回收状态之间，因而设置具有一定表面积的较薄的杆片30来增加第二转杆29的浮力或阻力，来实现第二转杆29随着水平往复运动而上下摇摆，实现轻柔的扰流搅拌；优选的，所述杆片30限位转动连接在所述第二转杆29上，以更好的与水流方向配合；
[0095]
在另一个实施例中，所述第二转杆29相对于所述第一转杆28水平转动，所述第二杆体也仅在水平面内转动，因而只会随着直线往复运动对单层的液位面进行扰流搅拌，不会造成浆液表面液面剧烈波动。
[0096]
如图7、图10、图11所示，所述纵向驱动机构包括电机一25、纵向移动架8和齿带，电机一25设置在所述配料斗的上方，电机一25的位置是固定的，且不与配料斗直接接触，电机一25为步进电机或伺服电机；齿轮24固定安装在所述电机一25的输出轴上，所述齿带固定安装在纵向移动架8上，所述齿带与所述齿轮24啮合，从而实现电机一25驱动溢流管21以及框架27上下移动；所述横向驱动机构设置在所述纵向移动架8上，所述框架27通过吊杆39与所述横向驱动机构驱动连接。
[0097]
如图7、图10、图11所示，所述横向驱动机构包括中转板46、电机二37、转板44、滑块43、滑板42和横连杆38，所述中转板46固定安装在所述纵向移动架8上，所述中转板46上开设有横移通孔；所述电机二37固定所述中转板46上，所述滑块43固定安装在远离所述转板44转轴的边沿上，所述滑板42的两端分别固定连接有一个横连杆38；所述滑板42上开设有滑孔，所述滑孔的长度方向与所述横连杆38的长度方向相互垂直；所述滑块43的自由端位于所述滑孔内，所述横连杆38的自由端经所述横移通孔伸出，所述横连杆38在所述横移通孔内滑动；所述电机二37与所述转板44驱动连接并驱动所述转板44转动，所述转板44通过所述滑块43带动滑板42和横连杆38一起相对于所述中转板46做横向往复运动，带动所述框架27水平移动，框架27上的浆液搅拌机构随框架27的水平移动对配料斗中浆液轻柔搅拌；所述横连杆38的自由端端头与吊杆39固定连接。
[0098]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

技术特征：
1.水泥-石粉-黏土复合注浆材料，其特征在于，由母浆和清水混合而成，母浆由以下原料组成：黏土原浆、水泥、石粉、水玻璃、纤维素和硅微粉；其中，黏土原浆比重为1.12～1.18吨/立方米，每立方黏土原浆水泥和石粉的总用量为100～150公斤，石粉用量为水泥和石粉总质量的10％～50％，每立方黏土原浆水玻璃用量为5升-10升，纤维素用量为石粉重量的1
‰
～5
‰
，硅微粉用量为石粉重量的1％～5％。2.根据权利要求1所述的水泥-石粉-黏土复合注浆材料，其特征在于，所述石粉颗粒粒径在0.25mm以下，含水率0.3％～0.4％，液限22.5％～26.2％，塑限12.8％～14.0％，塑性指数9.5～12.5，液性指数-1.43～-1.07，可分类为粉质黏土。3.水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤a:母浆配制：分别称取水泥、石粉、纤维素和硅微粉，并准备好所需体积的黏土原浆和水玻璃，然后利用母浆配制装置配制母浆；其中，黏土原浆比重为1.12～1.18吨/立方米，每立方黏土原浆水泥和石粉的总用量为100～150公斤，石粉用量为水泥和石粉总质量的10％～50％，每立方黏土原浆水玻璃用量为5升-10升，纤维素用量为石粉重量的1
‰
～5
‰
，硅微粉用量为石粉重量的1％～5％；步骤b：注浆材料配制：利用注浆材料配比装置将所述母浆与适量的清水混合，得到目标比重的注浆材料。4.根据权利要求3所述的水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺，其特征在于，所述母浆配制装置包括预混槽(14)、母浆搅拌机构(13)和同时下料器，所述母浆搅拌机构(13)位于所述预混槽(14)内，所述同时下料器安装在所述预混槽(14)上，并且所述预混槽(14)的加料口位于原料出口下方。5.根据权利要求4所述的水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺，其特征在于，所述预混槽(14)的上部并排设置有两个同时下料器，所述同时下料器包括料槽架(12)、设置在料槽架(12)下侧的称重传感器(11)、转动装配在所述料槽架(12)上的两个用于承装物料的料槽单元(7)和用于掀翻所述料槽单元(7)的翻动机构；每个所述料槽单元(7)对应一个原料出口；所述料槽单元(7)在所述翻动机构的作用下可将所述料槽单元(7)内的物料完全倾倒出来。6.根据权利要求5所述的水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺，其特征在于，所述翻动机构包括分别设置在料槽单元(7)外壁一角的角柱、连接两个角柱的同步架(33)、固定设置在所述料槽架(12)上的电机二(37)、与所述电机二(37)驱动连接的中轴(36)和一端固定在所述中轴(36)上的摆杆(34)，所述摆杆(34)的另一端转动连接在所述同步架(33)上。7.根据权利要求3所述的水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺，其特征在于，所述注浆材料配比装置包括配料斗、浆液搅拌机构、溢流机构、纵向驱动机构和横向驱动机构，所述浆液搅拌机构位于所述配料斗内；所述纵向驱动机构驱动所述浆液搅拌机构在所述配料斗内纵向往复运动，所述横向驱动机构驱动所述浆液搅拌机构在所述配料斗内横向往复运动，所述横向驱动机构安装在所述纵向驱动机构驱动上；所述溢流机构的溢流入口端位于所述配料斗内，所述溢流机构的溢流出口端位于所述配料斗外；所述溢流入口的高度可调。8.根据权利要求3所述的水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺，其特征在于，所述浆液搅拌机构包括框架(27)、若干第一转杆(28)和若干第二转杆(29)，所述第一转杆(28)
的一端铰接在框架(27)上，所述第一转杆(28)可相对于所述框架(27)水平转动；所述第二转杆(29)的一端铰接在第一转杆(28)上，所述第二转杆(29)可相对于所述第一转杆(28)水平或是竖直转动；所述第一转杆(28)和第二转杆(29)的转动角度范围均小于90
°
。9.根据权利要求7所述的水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺，其特征在于，所述纵向驱动机构包括电机一(25)、纵向移动架(8)和齿带，所述齿带固定安装在纵向移动架(8)上，所述齿带与电机一(25)输出轴上的齿轮(24)啮合；所述溢流机构的溢流入口端与所述纵向移动架(8)相对固定；所述横向驱动机构设置在所述纵向移动架(8)上，所述框架(27)通过吊杆(39)与所述横向驱动机构驱动连接。10.根据权利要求7所述的水泥-石粉-黏土复合注浆材料的制备工艺，其特征在于，所述横向驱动机构包括中转板(46)、电机二(37)、转板(44)、滑块(43)、滑板(42)和横连杆(38)，所述中转板(46)固定安装在所述纵向移动架(8)上，所述中转板(46)上开设有横移通孔；所述电机二(37)固定所述中转板(46)上，所述滑块(43)固定安装在远离所述转板(44)转轴的边沿上，所述滑板(42)的两端分别固定连接有一个横连杆(38)；所述滑板(42)上开设有滑孔，所述滑孔的长度方向与所述横连杆(38)的长度方向相互垂直；所述滑块(43)的自由端位于所述滑孔内，所述横连杆(38)的自由端经所述横移通孔伸出，所述横连杆(38)在所述横移通孔内滑动；所述电机二(37)与所述转板(44)驱动连接并驱动所述转板(44)转动，所述转板(44)通过所述滑块(43)带动滑板(42)和横连杆(38)一起相对于所述中转板(46)做横向往复运动；所述横连杆(38)的自由端端头与吊杆(39)固定连接。

技术总结
本发明公开了一种水泥-石粉-黏土复合注浆材料及其制备工艺，所述复合注浆材料由母浆和清水混合而成，母浆由以下原料组成：黏土原浆、水泥、石粉、水玻璃、纤维素和硅微粉；其中，黏土原浆比重为1.12～1.18吨/立方米，每立方黏土原浆水泥和石粉的总用量为100～150公斤，石粉用量为水泥和石粉总质量的10％～50％，每立方黏土原浆水玻璃用量为5升-10升，纤维素用量为石粉重量的1


技术研发人员：田乐 李生生 安许良 唐世界 阚雪冬 李国栋 李为琦 邓昀 常若曦 陈君 杨雪 邵晨霞 王超
受保护的技术使用者：河南焦煤能源有限公司古汉山矿
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/9