CN104386987A

CN104386987A - 改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料及其制备方法

Info

Publication number: CN104386987A
Application number: CN201410573093.7A
Authority: CN
Inventors: 邵晓妹; 李珍; 韩炜; 汪在芹; 魏涛; 甘国权; 景锋; 尹作仿; 兰静; 邱本胜; 张辉; 郑卫
Original assignee: WUHAN CHANGJIANG KECHUANG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: WUHAN CHANGJIANG KECHUANG TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD.; Changjiang River Scientific Research Institute Changjiang Water Resources Commission
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2034-10-23
Also published as: CN104386987B

Abstract

本发明公开了一种改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料及其制备方法，该复合灌浆材料的原料按重量份数比计包括：100份的改性水泥、5～20份的改性沥青乳液、40～60份的水和1～10份的有机硅偶联剂。该方法按上述重量份数比计称取，改性水泥、改性沥青乳液、水和有机硅偶联剂；将改性水泥和水在高速条件下搅拌均匀，得到混合物；向混合物中加入沥青乳液、偶联剂，慢速搅拌均匀，即得复合灌浆材料。该复合灌浆材料具有高强且有适当变形的特点，其能够解决煤矿深井巷道破碎、裂隙围岩的注浆加固以及隧洞等地下复杂工程施工的疑难问题，以便更好地应用于煤矿灾害及隧洞坍塌的防治。

Description

改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及灌浆材料领域，具体地指一种改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料及其制备方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，能源紧缺促使煤矿开采业大力发展，一批大型、高产高效的井工矿纷纷投产，传统煤矿采深加大，随之而来的生产安全和高效生产保障问题十分严峻，在煤矿巷道开挖和修复过程中，由于巷道围岩极其破碎，围岩松动破碎范围大，如大的断裂带、破碎松散围岩区、裂隙发育带、动压增大下冒顶、地下水害等极易发生冒顶和片帮事故，既造成施工的不安全，又造成巷道断面不规整，直接影响煤矿井下安全和高效生产。目前，国家基础设施的快速发展，西南、西北地区各类铁路隧洞、公路隧洞、引水隧洞的建设，同样面临着复杂地质条件下的各类灾害问题的及时和有效处理。传统的水泥/水玻璃和普通的化灌材料和施工技术已很难适应现代安全、快速高效生产的需要。而国际上先进国家已经快速发展起来的新型化灌材料，对有效解决复杂地质条件下煤岩体加固防塌方、偏帮、顶板稳定性控制、空穴的快速处理、渗漏水及涌水有效快速治理等方面非常具有针对性，有利保障地下工程安全、高效生产的需要。

目前，灌浆材料及配套工艺相关技术已在国内煤矿井下得到广泛的应用，如邯郸、淮南、淄博、焦作、徐州等矿区近几年来已开始大量应用，为煤矿井下松散破碎围岩加固、通风控制及灌浆堵水等提供了新的技术手段，并创造了显著的社会经济效益。但是仍存在很多问题，如有机灌浆材料虽具有性能优异、可灌性好、凝固时间可以调节等优点，但亦存在着对裂缝界面条件要求苛刻，造价高、环保性能差以及在固化过程中放出的热量对煤矿的安全问题造成隐患等无法克服的缺点。目前水泥作为灌浆材料应用于加固煤矿破碎煤岩体最为普遍，但大量工程实践表明，其常用的普通硅酸盐水泥、高强速凝水泥浆液结石体太脆，结石刚度过大，不利于松弛瞬间冲击荷载，如当围岩裂隙面出现剪切变形或裂隙发生张开变形时，浆液结石体因不能适应围岩的变形而发生破坏失效，极易造成二次破坏；此外，水泥浆体与岩石界面的粘结性能较差，不足以满足固结补强的要求，故现在使用的灌浆技术已很难适应现代安全、快速高效生产的需要。可见，使用有机灌浆材料和无机灌浆材料都存在自身难以克服的缺点，因此研发高强且有适当变形的有机无机复合灌浆新材料以解决煤矿深井巷道破碎、裂隙围岩的注浆加固以及隧洞等地下复杂工程施工的疑难问题，以便更好地应用于煤矿灾害及隧洞坍塌的防治已成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料及其制备方法，该复合灌浆材料具有高强且有适当变形的特点，其能够解决煤矿深井巷道破碎、裂隙围岩的注浆加固以及隧洞等地下复杂工程施工的疑难问题，以便更好地应用于煤矿灾害及隧洞坍塌的防治。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料，该复合灌浆材料的原料按重量份数比计包括：100份的改性水泥、5～20份的改性沥青乳液、40～60份的水和1～10份的有机硅偶联剂。

进一步地，该复合灌浆材料的原料按重量份数比计还包括0.1～1份的消泡剂和0.1～5份的外加剂。

再进一步地，所述改性水泥是由快硬硫铝酸盐水泥加工而成，其比表面积为600～800m²/kg。

再进一步地，所述改性沥青乳液的原料按照重量份数比计包括：50～70份的沥青、30～50份的水、1～5份的丁苯胶乳、0.1～1.0份的稳定剂、40～60份的氯丁胶乳液、0.5～2份的胺类硫化剂、0.5～2份的再生聚乙烯、0.5～2份的双氧树脂和0.5～2份的固化剂。所述稳定剂为丁基橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶和顺丁橡胶中的任意一种或几种、固化剂为品牌名为T31的固化剂。

再进一步地，所述改性沥青乳液的制备方法，包括以下步骤：

1)按上述重量份数比计称取：沥青、水、丁苯胶乳、稳定剂、氯丁胶乳液、胺类硫化剂、再生聚乙烯、双氧树脂和固化剂，备用；

2)向沥青中加入水、丁苯胶乳、稳定剂，首先将沥青加热融化后，再用超声波乳化法混合均匀；得到乳化沥青；

3)将乳化沥青加入氯丁胶乳液，再加入胺类硫化剂、再生聚乙烯、双氧树脂和固化剂，混合均匀；即改性沥青乳液。

再进一步地，所述外加剂为早强剂、聚羧酸型减水剂和CaCl₂中任意一种。消泡剂为品牌为B-943和B-199的消泡剂

本发明还提供了一种改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料制备方法，包括以下步骤：

1)将快硬硫铝酸盐水泥加工制备得到比表面积为600～800m2/kg的改性水泥；

2)按上述重量份数比计称取：沥青、水、丁苯胶乳、稳定剂、氯丁胶乳液、胺类硫化剂、再生聚乙烯、双氧树脂和固化剂，备用；

3)将乳化沥青加入氯丁胶乳液，再加入胺类硫化剂、再生聚乙烯、双氧树脂和固化剂，混合均匀；即改性沥青乳液；

4)按上述重量份数比计称取，改性水泥、改性沥青乳液、水和有机硅偶联剂；

5)将改性水泥和水在高速条件下搅拌均匀，得到混合物；

6)向步骤5)的混合物中加入沥青乳液、偶联剂，慢速搅拌均匀，即得复合灌浆材料。

作为优选方案，所述步骤5)中，加入0.1～5份的外加剂，并与改性水泥和水搅拌速度50～150rpm的条件下搅拌均匀。

作为优选方案，所述步骤6)中，混合物加入0.1～1份的消泡剂，并与混合物，在搅拌速度50～150rpm条件下搅拌均匀。

为了对灌浆材料的结构进行进一步的了解和分析，进行了扫描电镜(SEM)分析，扫描电镜型号为日本日立公司生产的S-570。SEM用于观察和分析水泥在复合材料中的微观形态。样品为经液氮处理后折断形成的断面，表面喷金后测定。

图1为改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料固结体的断口照片，从图中可以看出，沥青和水泥分散均匀，无团聚现象，复合材料的断面的裂纹方向在不断的发生变化，且没有一定的方向性，因此，复合材料的抗冲击能和变形能力较单体材料增强。

此外，不同掺量组合的水泥乳化沥青净浆试件水化产物7d、28d、90d的SEM图片见图2～4所示。

从图2(A)中可以看出，7d时水泥处于水化早期，未掺乳化沥青的水泥净浆水化产物主要是C-S-H凝胶、Ca(OH)₂、AFt、AFm等，还有一些未水化的水泥熟料颗粒，孔隙率大，晶体形态尚未完全发育；C-S-H凝胶主要以II型为主，等大粒子的III型C-S-H很难发现。孔洞中存在一些针状钙矾石(AFt)，造成这一现象的原因可能是由于石膏、石灰能够激发试样形成钙矾石(AFt)。但随着龄期的增长，未水化的颗粒逐渐减少，水化产物增多，结构逐渐密实。水化产物仍以等大粒子聚集而成的团状C-S-H凝胶为主。掺入乳化沥青后，图2(B)中乳化沥青未参与水泥水化反应，硬化后的水泥乳化沥青浆体内部存在许多孔隙，是成型过程中引入空气形成的气泡破裂和水分蒸发留下的“空位”所致。浆体表面并不光滑，凹凸不平且存在许多凸起。沥青颗粒圆润，部分包裹水泥颗粒，水泥水化速度减缓。

28d龄期时，图3(A)中水化产物为纤维状(I型)、网状(II型)和颗粒状(III型)C-S-H凝胶，有些I型C-S-H凝胶组成花朵形状，有一些Ca(OH)₂晶体和六角小片状单硫型水化硫铝酸钙。图3(B)中乳化沥青中水分参与水化反应，水化产物逐渐增多，沥青颗粒由规则的球形变成不规则的球饼状，并附着在水泥水化产物上。

随着水化的进行，90d龄期时，图4(A)中，水泥石结构致密化程度继续提高，水化产物发育完善，相互交织在一起，结构更加致密，还可以看到很多条状Ca(OH)₂晶体。图4(B)中尽管水化产物很多，仍可以观察到部分沥青与水化产物相互镶嵌。

水泥乳化沥青浆体内部存在孔隙，浆体表面凹凸不平，大量的水泥水化产物和部分包覆在其表面的沥青薄膜形成硬化浆体骨架。水泥乳化沥青浆体由未水化水泥粒状颗粒、沥青和纤维状水泥水化产物C-S-H凝胶、CH和针状钙矾石等相互交织构成，形成一种空间结构。

本发明的有益效果在于：

1)本发明制备的改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料具有低水灰比、高流动性；

2)改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料为一种环保型的无机—有机复合材料，材料柔韧性好、适当变形、界面粘结力强度高；

3)克服了现有无机灌浆材料可灌性差、凝结时间过长、柔韧性差等的缺点，并可完全替代化学灌浆材料，应用于某些对流动性和凝结时间有较高要求的工程上，扩大了工程选材的范围。

本发明制备的改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料可用于深井巷道裂隙围岩加固、隧道防水技术加固、不良地质体的基础处理、高速公路路面及路基病害处理等。

附图说明

图1为改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料的SEM图；

其中，图1为的500倍放大图；

图2为水泥乳化沥青7d水化产物SEM照片；

图中，A为未掺乳化沥青的图，B为掺乳化沥青的图；

图3为水泥乳化沥青28d水化产物SEM照片

图中，A为未掺乳化沥青的图，B为掺乳化沥青的图；

图4为水泥乳化沥青净浆90d水化产物SEM照片；

图中，A为未掺乳化沥青的图，B为掺乳化沥青的图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

改性沥青乳液的配方表1

根据上表1中改性沥青乳液的配方，结合下述方法，制备改性沥青乳液，

改性沥青乳液的制备方法，包括以下步骤：

1)按上述重量份数比计称取：沥青、水、丁苯胶乳、稳定剂、氯丁胶乳液、硫化剂、再生聚乙烯、双氧树脂和固化剂，备用；

3)将乳化沥青加入氯丁胶乳液，再加入硫化剂、再生聚乙烯、双氧树脂和固化剂，混合均匀；即改性沥青乳液。

用上述得到改性沥青乳液作为原料制备复合灌浆材料，其配方如表2：

复合灌浆材料配方表2

上述的原料均购于市面，其中，

改性水泥是由快硬硫铝酸盐水泥加工而成，其比表面积为600～800m²/kg。

消泡剂为品牌为B-943和B-199的消泡剂。固化剂为品牌名为T31的固化剂

改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料制备方法，包括以下步骤：

1)按上述重量份数比计称取，改性水泥、改性沥青乳液、水和有机硅偶联剂、外加剂和消泡剂；

2)将改性水泥、水和外加剂在搅拌速度50～150rpm的条件下搅拌均匀，得到混合物；

3)向步骤2)的混合物中加入沥青乳液、偶联剂和消泡剂，在搅拌速度50～150rpm条件下搅拌均匀，即得复合灌浆材料。

将实施例1～5得到改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料进行检测。如下表3所示：

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims

1.一种改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料，其特征在于：该复合灌浆材料的原料按重量份数比计包括：100份的改性水泥、5～20份的改性沥青乳液、40～60份的水和1～10份的有机硅偶联剂。

2.根据权利要求1所述改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料，其特征在于：该复合灌浆材料的原料按重量份数比计还包括0.1～1份的消泡剂和0.1～5份的外加剂。

3.根据权利要求1或2所述改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料，其特征在于：所述改性水泥是由快硬硫铝酸盐水泥加工而成，其比表面积为600～800m²/kg。

4.根据权利要求1或2所述改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料，其特征在于：所述改性沥青乳液的原料按照重量份数比计包括：50～70份的沥青、30～50份的水、1～5份的丁苯胶乳、0.1～1.0份的稳定剂、40～60份的氯丁胶乳液、0.5～2份的硫化剂、0.5～2份的再生聚乙烯、0.5～2份的双氧树脂和0.5～2份的固化剂。

5.根据权利要求4所述改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料，其特征在于：所述稳定剂为丁基橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶和顺丁橡胶中的任意一种或几种。

6.根据权利要求4或5所述改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料，其特征在于：所述改性沥青乳液的制备方法，包括以下步骤：

7.根据权利要求1或2所述改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料，其特征在于：所述外加剂为早强剂、聚羧酸型减水剂和CaCl₂中任意一种。

8.一种权利要求1所述改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2)按上述重量份数比计称取：沥青、水、丁苯胶乳、稳定剂、氯丁胶乳液、胺类硫化剂、再生聚乙烯、双氧树脂和固化剂，备用；3)向沥青中加入水、丁苯胶乳、稳定剂，首先将沥青加热融化后，再用超声波乳化法混合均匀；得到乳化沥青；

4)将乳化沥青加入氯丁胶乳液，再加入胺类硫化剂、再生聚乙烯、双氧树脂和固化剂，混合均匀；即改性沥青乳液；

5)按上述重量份数比计称取，改性水泥、改性沥青乳液、水和有机硅偶联剂；

6)将改性水泥和水在高速条件下搅拌均匀，得到混合物；

7)向步骤6)的混合物中加入沥青乳液、偶联剂，慢速搅拌均匀，即得复合灌浆材料。

9.根据权利要求8所述改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，加入0.1～5份的外加剂，并与改性水泥和水搅拌速度50～150rpm的条件下搅拌均匀。

10.根据权利要求8或9所述改性沥青乳液与改性水泥的复合灌浆材料制备方法，其特征在于：所述步骤6)中，混合物加入0.1～1份的消泡剂，并与混合物，在搅拌速度50～150rpm条件下搅拌均匀。