本发明涉及工程材料，具体为一种工业固废水泥基盾构同步注浆材料的制备方法。
背景技术：
1、现有的研究如《材料导报》盾构废弃泥沙再生制备高性能注浆材料的试验研究[2021-12-09]采用水泥为原料制备单液硬性浆，但其也存在稳定性差，易离析、分层导致的充填效果不佳等缺点。此外，单液硬性浆液的力学性能主要依靠水泥提供，而水泥的生产不仅消耗了大量的能源，而且产生了大量二氧化碳，是温室气体的主要来源。另外，现有工业固体废弃物主要通过简单堆放或填埋的方式进行处理，若能将大宗的工业固废物作为胶凝材料进行资源化利用，用于替代盾构隧道同步注浆材料中的水泥，这将不仅降低这些固废物对环境的污染与危害，还会带来巨大的经济效益。
2、以往的研究中将单独一种工业固废掺入使用总会出现不如人意的问题，不同粉料掺入后的配比对浆液某些性能可以起到改善作用，但难以同时使浆液的多种性能处于较优水平，甚至对某一性能的提升会导致其他性能劣化，进而不满足工程需求。如单独使用粉煤灰对浆液泵送能力提升较大，但会对浆液的硬化及硬化后结石体的力学性能及抗渗性能不佳；单独将硅灰作为胶凝材料对浆液泵送能力及早期强度有所减弱，但却对浆液稳定性能、后期强度及抗渗性能的增强起到积极作用；单独掺入矿渣作为胶凝材料可有效改善浆液的力学及抗渗性能，但过量掺入对浆液稳定性能不利。现有技术《硅酸盐通报》[2023-09-13]报道了固废基盾构惰性同步注浆材料力学性能及抗水分散性研究，采用石灰作为主要原料，掺入工业固废时只考虑到了力学性能和抗渗性能，并没有同时考虑同步注浆材料的流动性等其他工作性能；中国专利cn117720318a公开了“一种盾构同步注浆材料及其制备方法”，提出了以水泥、粉煤灰、硅粉和硅酸钠作为原料，用泥饼完全代替细砂制备同步注浆材料时浆液容易凝结硬化过快导致流动性不足，需要施工人员临场判断是否需要加入减水剂等外加剂，非常依赖施工经验。若能将多种工业固废作为盾构同步注浆材料的原材料，且同时考虑其泵送性能、力学性能等各项工作性能并提高至较优水平，将实现减少水泥的用量，资源化再利用多种工业固废，为盾构同步注浆材料制备提供一种绿色、环保且性能优异的方法。
技术实现思路
1、为了提高传统单液硬性浆的性能，本发明提供一种具有早期强度高、后期强度继续增长，凝结时间长、初始流动度大且均可调控，耐久性好的工业固废水泥基盾构同步注浆材料；本发明还提供了一种能够针对浆液性能要求实现精准调控配比的方法，其精度高、可靠性好，实际应用范围较广。
2、本发明采用的技术方案是：提供一种工业固废水泥基盾构同步注浆材料的制备方法，该注浆材料的成分和重量份为：水泥50～200份、粉煤灰300～350份、硅灰25～50份、高炉矿渣微粉25～50份、膨润土56.3份、细砂714.3份、减水剂1份、水375份。
3、所述工业固废水泥基盾构同步注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
4、(1)同时考虑同步注浆浆液的泵送性能、稳定性能、凝结性能和力学性能，将流动度(y1)、泌水率(y2)、结石率(y3)、凝结时间(y4)、3天抗压强度(y5)、7天抗压强度(y6)、28天抗压强度(y7)和56天抗压强度(y8)作为因变量，粉煤灰、硅灰和高炉矿渣微粉掺量三个因素作为自变量，通过二阶多元非线性回归方程建立各因素与浆液各性能之间的关系，按如下回归方程对浆液性能进行精准预测：
5、y＝β0+β1a+β2b+β3c+β12ab+β13ac+β23bc+β11a2+β22b2+β33c2
6、式中，y为代表各性能，β0为常数项，β1、β2和β3为线性回归系数，β12、β13和β23为交互作用下的回归系数，β11、β22和β33为二阶回归系数，a、b和c为一次项，ab、ac和bc为交互项，a2、b2和c2为二阶项。按重量份设定粉煤灰掺量范围为300～400份，硅灰掺量为25～100份，高炉矿渣微粉掺量为25～100份；
7、(2)构建如下期望函数，确保浆液各性能均处于较优水平，并得到满足浆液各项性能要求的精准配比：0≤di(yi)≤1
8、式中，yi为性能因变量，当yi值与目标值相一致时，则di(yi)＝1；当yi值不在目标区域内时，则di(yi)＝0，当性能因变量的需求为最大值或最小值时，各自期望函数的计算如下所示：
9、
10、式中，ui为第i个性能的上限值，li为第i个性能的下限值，r为第i个性能对应的权重，代表了各性能因变量的重要程度，本发明中的流动度需求取最大值，泌水率需求取最小值，结石率需求取最大值，凝结时间需求取最小值，抗压强度需求取最大值；
11、各性能的总期望函数d由所有单独性能的期望函数进行组合计算得到，如下所示：
12、
13、式中n为所有性能的数量，本发明中的同时考虑的性能数量n＝8；
14、(3)称取水泥、粉煤灰、硅灰、高炉矿渣微粉、膨润土、细河砂、减水剂，然后将其放入搅拌机中低速干搅3min直至搅拌均匀，其中按重量份粉煤灰掺量为300～350份，硅灰掺量为25～50份，高炉矿渣微粉25～50份，膨润土掺量为56.3份，细砂掺量为714.3份；
15、(4)称取减水剂和水，其中按重量份减水剂掺量为1份，水掺量为375份，将减水剂和水与搅拌均匀的粉料混合，高速搅拌4min。
16、所述粉煤灰为ⅱ级f类粉煤灰。
17、所述硅灰sio2含量98.40％。
18、所述高炉矿渣微粉为s95级。
19、所述膨润土为钙基膨润土。
20、所述细河砂为细度模数为1.86，含泥量1.68％的细河砂。
21、所述减水剂为聚羧酸型减水剂。
22、技术原理：
23、工业固体废物(以下简称固废)普遍含有丰富的sio2、al2o3、和cao胶凝组分，但在不同种类的固废中的胶凝成分因原材料、冶炼方式和冷却方式的不同而表现出不同的活性。微观形貌上粉煤灰颗粒具有“玻璃微珠”的形态，在浆液的作用类似“滚珠”作用，即降低与其他粉料的摩擦，减缓浆液中粉体颗粒絮凝成块，达到提高流动度的效果。粉煤灰还具有潜在的火山灰活性，与水泥发生二次反应生成的水化硅酸钙凝胶和硅酸铝盐凝胶可以继续提高后期强度。粉煤灰掺入不仅可以减少水泥用量，而且可以改善浆液和易性，调节凝结时间，优化胶凝材料的级配。矿渣含有大量的玻璃相，可与水泥发生火山灰反应。高炉矿渣微粉含有大量cao，与水泥发生火山灰反应生成的c-s-h、c-a-s-h凝胶，是早期强度的主要组成。掺入矿渣可以优化水泥基材料孔隙率，提高强度并改善耐久性能，同时可降低成本，实现工业固废的再利用。硅灰通常含有80％以上的无定形sio2，cao含量很低，在胶凝粉料体系中具有极小的粒径和极高的比表面积，易于填充浆液孔隙，以密实浆液硬化后的结石体，进而提高硬化后的结石体强度。在水泥基浆液中用适量硅灰代替水泥，可以吸附浆液中大量的自由水从而大幅降低浆液的泌水率。还可以发挥硅灰的火山灰和微集料效应，改善浆体与骨料的界面过渡区，减少结石体内部大孔径数目，提高致密度，同时具有更好的经济和环保效益。
24、本发明与现有技术单液硬性浆相比，具有如下显著效果：
25、1、工业固废-水泥基材料技术是采用掺入粉煤灰、矿渣、硅灰三种工业固废作为胶凝材料，并等质量代替水泥，不但减少了水泥的用量，使工业固废资源化充分利用以达到减少对自然资源的消耗和对环境的破坏，为工业固废的资源化利用提供了一条有效路径。而且通过数学模型，同步注浆材料的流动性、泌水率、结石率、凝结时间、早期强度(3d)和后期强度(28d)同时考虑，工作性能优异且均达到较高水平。在现场施工时只需要将同步注浆材料的各种原材料按配比进行搅拌即可，无需提前准备即可现拌现用，实际应用价值较高。
26、2、粉煤灰、高炉矿渣微粉和硅灰三种工业固废矿料复合掺入发生的交互作用，使制备的盾构同步注浆材料发生梯度水化，满足对材料早期强度和后期强度的需要，且能优势互补，通过调整三种工业固废的用量，最大程度地使三种工业固废物尽其用，提高流动性能、早期强度、后期强度、泌水性能和结石性能同时达到较高水平，调控凝结时间符合工程实际要求。
27、3、该盾构同步注浆材料具有流动性好，早期强度较高，后期强度持续增长，泌水率低、结石率高，凝结时间长且可调的特点，工艺简单，经济成本低，绿色环保，适合更多实际工况，具有更加广阔的应用前景。
1.一种工业固废水泥基盾构同步注浆材料的制备方法，其特征在于：该注浆材料的成分和重量份为：水泥50～200份、粉煤灰300～350份、硅灰25～50份、高炉矿渣微粉25～50份、膨润土56.3份、细砂714.3份、减水剂1份、水375份，
2.根据权利要求1所述的工业固废水泥基盾构同步注浆材料的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰为ⅱ级f类粉煤灰。
3.根据权利要求1所述的工业固废水泥基盾构同步注浆材料的制备方法，其特征在于：所述硅灰sio2含量98.40％。
4.根据权利要求1所述的工业固废水泥基盾构同步注浆材料的制备方法，其特征在于：所述高炉矿渣微粉为s95级。
5.根据权利要求1所述的工业固废水泥基盾构同步注浆材料的制备方法，其特征在于：所述膨润土为钙基膨润土。
6.根据权利要求1所述的工业固废水泥基盾构同步注浆材料的制备方法，其特征在于：所述细河砂为细度模数为1.86，含泥量1.68％的细河砂。
7.根据权利要求1所述的工业固废水泥基盾构同步注浆材料的制备方法，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸型减水剂。
