CN108002802A - 一种新型磷镁基水泥注浆材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型磷镁基水泥注浆材料及制备方法，属于注浆材料技术应用领域。所述的注浆材料由如下重量份的原料组成，组分A：复合镁化物30～90份，复合缓凝剂0.5～5份，减水剂0.2～0.7份，酸碱缓冲剂0.2～1.5份，复合稳定剂1～5份，复合表面活性剂0.5～1.5份；组分B：磷酸盐20～50份，消泡剂0.2～2份。按比例精确称取组分A和组分B材料搅拌均匀后，分别与水按重量比100:20～50混合搅拌成浆液，混合均匀后压入裂隙或裂缝后固化。本发明的有益效果是：新型磷镁基水泥注浆材料凝结时间可控，可调范围大，早期强度高，粘结强度高，渗透性好，施工简单方便，绿色环保，成本低廉，满足可注入性、可控性、抗渗性的“三性”要求。

Description

一种新型磷镁基水泥注浆材料及制备方法

技术领域

本发明属于注浆材料技术应用领域，尤其涉及一种新型磷镁基水泥注浆材料及制备方法。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，高铁、地铁、隧道和挖矿采煤的规模越来越大，地下工程也愈发受到人们的重视。这是由于高铁、地铁、隧道、矿山、煤矿不断增多，且地下工程环境日趋复杂，逐渐出现崩塌、基坑漏水、突水、涌泥等问题。为了解决这些问题，人们使用注浆材料对地下工程进行加固和封堵。

目前，注浆材料主要可分为水泥注浆材料和化学注浆材料。水泥注浆材料又包括水泥浆、水泥黏土浆和水泥-水玻璃浆等。水泥类注浆材料尽管具有无毒、无环境污染、强度高、成本低、配制方便、操作简单等优点，但由于普通水泥颗粒粒径较大(一般为10～80μm)，注入细微的孔隙或裂隙中较困难，初凝与终凝时间较长且不易准确控制、稳定性差、强度增长速度慢及析水率高等缺点，因此限制了其在加固、补强、止水中的应用。化学注浆材料包括丙烯酰胺类、木质素类、脲醛树脂类、聚氨树脂类和环氧树脂浆液等。化学类注浆材料虽然具有稳定性好、可注性好、浆液粘度低、凝胶时间易控等优点，且能注入岩土中的较细小的裂隙或孔隙，但其不足之处在于：形成的“结石体”强度比水泥注浆材料形成的“结石体”强度低、耐久性较差、有一定的毒性、对环境产生污染且价格昂贵。因此，这些注浆材料的应用范围是非常有限的。

中国专利CN104671739B公开了《一种自吸热型煤矿安全用双液注浆材料及其制备方法》，它是利用水玻璃和异氰酸酯反应，同时利用其产生的热量引发反应体系中的双键发生聚合，使得浆料固化后的蓄热温度降低，同时提高了注浆材料的力学性能，但是水玻璃生产过程中对环境造成严重污染，国家已逐步进行限制生产。

中国专利CN201510719840.8公开了《一种改性注浆材料》，它是由硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、聚合物乳液、矿物外加剂和各种助剂组成，通过聚合物的柔性和矿物外加剂的刚性进行共同改性，从而获得性能良好的注浆材料，但该类产品渗透性不足导致修补范围小，深层扩展能力差，对于深层裂纹和狭细裂纹修补能力不足。

中国专利CN201210002291.9公开了《一种聚氨酯注浆堵水-加固材料及制备方法和使用方法》，包括两种组分，A组分为聚醚多元醇和辅料，B组分为异氰酸酯或其预混物，用于注浆-堵水加固，反应速度很快，20s开始反应，90s基本结束，反应时间根据工程情况可调，但该类产品成本高昂，遇水会发泡,且现场可调性差，难以满足目前的工程需求,很难广泛应用。

虽然注浆材料的研究工作取得了一定的成就，但是目前国内未出台制定关于注浆加固的统一规范标准，均依据企业标准或者地方法规执行，性能指标参差不齐。主要表现在：(1)传统无机注浆材料，早期强度低，只有后期膨胀；(2)凝固时间可调性差；(3)施工受气候环境影响大，特别是寒冷地区受限；(4)有机注浆材料不环保，成本高，无法大规模推广应用。

除此之外，磷酸镁水泥(MPC)是由MgO、磷酸盐、缓凝剂、掺合料等配制而成，在水作为介质下可以快速发生反应形成具有快硬早强、粘结强度高、体积变形小、抗盐、抗冻、耐磨、耐酸腐蚀及环境适应性广等优良性能的胶凝材料，用于快速混凝土修补材料具有广阔的前景。但目前传统的磷酸镁水泥存在以下问题：(1)凝固时间可调范围小；(2)使用前浆液静置后容易发生沉淀、固结、起皮，影响施工；(3)浆液颗粒间摩擦力大，渗透性有限。

中国专利CN105294049A公开了一种《特种水泥基的修补材料及水泥混凝土路面快修方法》，由特定重量份的以下组分制成：磷酸镁水泥、硫铝酸盐水泥、早强剂、减水剂、可再分散乳胶粉、粉煤灰、金刚砂、细砂份、碎石、碳纤维、水溶性聚氨酯。该修补材料的力学性能、耐磨耗性能、防水抗渗性和耐久性能等均满足应用要求，但是初凝时间只有8-14分钟，存在凝结时间调控范围过小的问题。

中国专利CN201710237230.3公开了《一种磷酸盐水泥基修补材料及其制备方法》，按重量份数由以下组分组成：磷酸镁水泥100份，矿物掺合料20-40份，细集料120-140份，水玻璃0.5-1份，纤维0.5-1份，水20-30份。该修补材料修复需要时间短而且不影响施工，但浆液颗粒间摩擦力大，渗透性不足，难以修补深层裂纹和狭细裂缝。

因此，开发一种凝结时间可控、可调范围大、早期强度高、粘结强度高、渗透性好、施工简单方便、环境友好的注浆材料将对改善其应用性能、拓宽其应用范围起到非常重要的作用。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供一种新型磷镁基水泥注浆材料及制备方法，新型磷镁基水泥注浆材料凝结时间可控，可调范围大，早期强度高，粘结强度高，渗透性好，施工简单方便，绿色环保，成本低廉，满足可注入性、可控性、抗渗性的“三性”要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型磷镁基水泥注浆材料，由组分A和组分B按照1～5:1的重量比单独配制而成；

其中，组分A由如下重量份的原料组成：复合镁化物30～90份，复合缓凝剂0.5～5份，减水剂0.2～0.7份，酸碱缓冲剂0.2～1.5份，复合稳定剂1～5份，复合表面活性剂0.5～1.5份；

组分B由如下重量份的原料组成：磷酸盐20～50份，消泡剂0.2～2份。

优选的，所述复合镁化物为氧化镁、氢氧化镁、硫酸镁、磷酸镁和碳酸镁中的至少两种。

优选的，所述复合缓凝剂为尿素、硼酸、硼砂、十六胺、三乙醇胺、二乙醇胺、硼酸酯和三聚磷酸钠中的至少两种。

优选的，所述减水剂为木质素磺酸盐减水剂、氨基磺酸盐减水剂、聚羧酸减水剂和萘减水剂中的至少一种。

优选的，所述酸碱缓冲剂为碳酸镁、碳酸氢镁、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。

本申请使用对羟基敏感的多种稳定剂进行复配，对镁化物进行包覆，以确保A、B各组分的浆液在施工前长期稳定存放，弥补传统磷酸镁水泥材料静置容易沉淀、固结和起皮的施工难题。就本发明的磷镁基水泥注浆体系而言，当稳定剂的总用量小于1份时，对镁化物包覆效果不佳，无法达到长期稳定的要求；当稳定剂的总用量大于5份时，继续增加稳定剂用量对浆液的长期稳定性提升不大，还易导致浆液的流动性下降。因此，本发明优选的稳定剂总用量为1-5份。

优选的，所述复合稳定剂为羟甲基纤维素、正烷基十六醇、淀粉醚、纤维素醚和黄原胶中的至少两种。

本申请使用复合表面活性剂控制浆液的表面张力，同时通过调节镁化物的粒径大小，根据实际地况来调节浆液渗透性，满足施工地下结构的复杂多变。就本发明的磷镁基水泥注浆体系而言，当复合表面活性剂总用量小于0.5份时，镁化物粒径变化不明显，浆液的渗透性能不佳；当复合表面活性剂总用量大于1.5份时，继续增加复合表面活性剂的用量对浆料的渗透性提升不大，还易导致浆料的稳定性下降，初凝时间延长。

优选的，所述复合表面活性剂为烷基聚氧乙烯醚、苄基酚聚氧乙烯醚和烷基磺酸盐中的至少两种。

优选的，所述磷酸盐为：磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸氢钙、磷酸二氢钙、磷酸氢二钠和磷酸二氢钠中的至少一种；

优选的，所述消泡剂为有机硅消泡剂、磷酸三丁酯、聚醚消泡剂和酰胺消泡剂中的至少一种。

本发明还提供了一种新型磷镁基水泥注浆材料的制备方法，包括：

(1)组分A制备：按比例精确称取复合镁化物30～90份，复合缓凝剂0.5～5份，减水剂0.2～0.7份，酸碱缓冲剂0.2～1.5份，复合稳定剂1～5份，复合表面活性剂0.5～1.5份，搅拌均匀后备用；

(2)组分B制备：按比例精确称取磷酸盐20～50份，消泡剂0.2～2份，搅拌均匀后备用；

(3)混合固化：将组分A和组分B分别与水按重量比100:20～50混合搅拌成浆液，混合均匀后压入裂隙或裂缝后固化。

本发明的有益效果

1、早期强度高，具有较强的抗压、抗折强度，凝结时间可以在5-1800秒范围内任意调整，可调范围大，并能准确控制，具有快硬固化、终凝时间短的特点；

2、渗透性好，流动性好，粘结强度高，能够与土层、砂层、石层及旧混凝土层长期稳固粘结；

3、稳定性好，在常温常压下较长时间存放不改变其基本性质，不受温度湿度变化的影响，贮存期长，材料绿色环保、施工工艺简单，所用原料均可从市场购得，且不需要加工处理，使用条件宽泛，更有利于推广应用；

4、本发明主要通过以下几个方面来解决上述问题，满足工程要求：

(1)引入氢氧化镁、磷酸镁等镁化物与氧化镁共同使用，弥补传统配方中单一氧化镁的性能不足，提高早期强度，调节水化放热量，满足严寒地区的正常使用；

(2)使用多种缓凝剂复配以达到协同作用，新型磷镁基水泥注浆材料的凝固时间可精确控制在5-1800秒的范围；

(3)使用对羟基敏感的多种稳定剂进行复配，对镁化物进行包覆，以确保A、B各组分的浆液在施工前长期稳定存放，弥补传统磷酸镁水泥材料静置容易沉淀、固结和起皮的施工难题；

(4)使用复合表面活性剂控制浆液的表面张力，同时通过调节镁化物的粒径大小，根据实际地况来调节浆液渗透性，满足施工地下结构的复杂多变；

(5)使用减水剂和酸碱缓冲剂复配，提高产品浆液的使用容错率，以解决现场施工操作误差大而导致性能下降的实际问题；

(6)本发明配制方法简单、封堵效率高、实用性强，易于推广。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。其中，性能测试方法按现行国家标准《水泥基灌浆材料应用技术规范》GB/T50448-2015执行。

一种新型磷镁基水泥注浆材料，由组分A和组分B按照1～5:1的重量比单独配制而成；

其中，组分A由如下重量份的原料组成：复合镁化物30～90份，复合缓凝剂0.5～5份，减水剂0.2～0.7份，酸碱缓冲剂0.2～1.5份，复合稳定剂1～5份，复合表面活性剂0.5～1.5份；

组分B由如下重量份的原料组成：磷酸盐20～50份，消泡剂0.2～2份。

优选的，所述复合镁化物为氧化镁、氢氧化镁、硫酸镁、磷酸镁和碳酸镁中的至少两种。

优选的，所述复合缓凝剂为尿素、硼酸、硼砂、十六胺、三乙醇胺、二乙醇胺、硼酸酯和三聚磷酸钠中的至少两种。

优选的，所述减水剂为木质素磺酸盐减水剂、氨基磺酸盐减水剂、聚羧酸减水剂和萘减水剂中的至少一种。

优选的，所述酸碱缓冲剂为碳酸镁、碳酸氢镁、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。

本申请使用对羟基敏感的多种稳定剂进行复配，对镁化物进行包覆，以确保A、B各组分的浆液在施工前长期稳定存放，弥补传统磷酸镁水泥材料静置容易沉淀、固结和起皮的施工难题。就本发明的磷镁基水泥注浆体系而言，当稳定剂的总用量小于1份时，对镁化物包覆效果不佳，无法达到长期稳定的要求；当稳定剂的总用量大于5份时，继续增加稳定剂用量对浆液的长期稳定性提升不大，还易导致浆液的流动性下降。因此，本发明优选的稳定剂总用量为1-5份。

优选的，所述复合稳定剂为羟甲基纤维素、正烷基十六醇、淀粉醚、纤维素醚和黄原胶中的至少两种。

本申请使用复合表面活性剂控制浆液的表面张力，同时通过调节镁化物的粒径大小，根据实际地况来调节浆液渗透性，满足施工地下结构的复杂多变。就本发明的磷镁基水泥注浆体系而言，当复合表面活性剂总用量小于0.5份时，镁化物粒径变化不明显，浆液的渗透性能不佳；当复合表面活性剂总用量大于1.5份时，继续增加复合表面活性剂的用量对浆料的渗透性提升不大，还易导致浆料的稳定性下降，初凝时间延长。

优选的，所述复合表面活性剂为烷基聚氧乙烯醚、苄基酚聚氧乙烯醚和烷基磺酸盐中的至少两种。

优选的，所述磷酸盐为：磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸氢钙、磷酸二氢钙、磷酸氢二钠和磷酸二氢钠中的至少一种；

优选的，所述消泡剂为有机硅消泡剂、磷酸三丁酯、聚醚消泡剂和酰胺消泡剂中的至少一种。

本发明还提供了一种新型磷镁基水泥注浆材料的制备方法，包括：

(1)组分A制备：按比例精确称取复合镁化物30～90份，复合缓凝剂0.5～5份，减水剂0.2～0.7份，酸碱缓冲剂0.2～1.5份，复合稳定剂1～5份，复合表面活性剂0.5～1.5份，搅拌均匀后备用；

(2)组分B制备：按比例精确称取磷酸盐20～50份，消泡剂0.2～2份，搅拌均匀后备用；

(3)混合固化：将组分A和组分B分别与水按重量比100:20～50混合搅拌成浆液，混合均匀后压入裂隙或裂缝后固化。

实施例1

(1)组分A制备：精确称取氧化镁10份，氢氧化镁60份，尿素0.3份，三乙醇胺0.2份，萘减水剂0.5份，氢氧化钠1.5份，羟甲基纤维素2份，淀粉醚1份，十二烷基聚氧乙烯醚1份，搅拌均匀后备用；

(2)组分B制备：精确称取磷酸氢二铵35份，磷酸三丁酯0.3份，搅拌均匀后备用；

(3)混合固化：将组分A与水按照重量比100:50混合搅拌成浆液，将组分B与水按照重量比100:40混合搅拌成浆液，混合均匀后压入裂隙或裂缝后固化。

注浆材料性能：初凝时间5s，终凝时间45s，结石率96.0％，结石体7d抗压强度45.8MPa，28d抗压强度66.9MPa。

实施例2

(1)组分A制备：精确称取氧化镁72份，磷酸镁8份，硼砂4份，硼酸1份，聚羧酸减水剂0.2份，碳酸氢镁0.5份，淀粉醚1份，黄原胶1份，苄基酚聚氧乙烯醚2份，搅拌均匀后备用；

(2)组分B制备：精确称取磷酸二氢钾10份，磷酸氢二钾3份，磷酸二氢钠2份，有机硅消泡剂0.8份，搅拌均匀后备用；

(3)混合固化：将组分A与水按照重量比100:50混合搅拌成浆液，将B组与水按照重量比100:50混合搅拌成浆液，混合均匀后压入裂隙或裂缝后固化。

注浆材料性能：初凝时间1800s，终凝时间50min，结石率94.5％，结石体7d抗压强度20.6MPa，28d抗压强度33.7MPa。

实施例3

(1)组分A制备：精确称取氧化镁25份，硫酸镁50份，磷酸镁5份，三聚磷酸钠1份，三乙醇胺1.5份，氨基磺酸盐减水剂0.7份，氢氧化钠0.7份，正烷基十六醇1份，纤维素醚3份，苄基酚聚氧乙烯醚2份，搅拌均匀后备用；

(2)组分B制备：精确称取磷酸二氢铵20份，磷酸二氢钾10份，聚醚消泡剂0.7份，搅拌均匀后备用；

(3)混合固化：将组分A与水按照重量比100:50混合搅拌成浆液，将B组与水按照重量比100:35混合搅拌成浆液，混合均匀后压入裂隙或裂缝后固化。

注浆材料性能：初凝时间90s，终凝时间4min，结石率97.1％，结石体7d抗压强度29.7MPa，28d抗压强度43.3MPa。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种新型磷镁基水泥注浆材料,其特征在于，由组分A和组分B按照1～5:1的重量比单独配制而成；

其中，组分A由如下重量份的原料组成：复合镁化物30～90份，复合缓凝剂0.5～5份，减水剂0.2～0.7份，酸碱缓冲剂0.2～1.5份，复合稳定剂1～5份，复合表面活性剂0.5～1.5份；

组分B由如下重量份的原料组成：磷酸盐20～50份，消泡剂0.2～2份。

2.如权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述复合镁化物为氧化镁、氢氧化镁、硫酸镁、磷酸镁和碳酸镁中的至少两种。

3.如权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述复合缓凝剂为尿素、硼酸、硼砂、十六胺、三乙醇胺、二乙醇胺、硼酸酯和三聚磷酸钠中的至少两种。

4.如权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述减水剂为木质素磺酸盐减水剂、氨基磺酸盐减水剂、聚羧酸减水剂和萘减水剂中的至少一种。

5.如权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述酸碱缓冲剂为碳酸镁、碳酸氢镁、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。

6.如权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述复合稳定剂为羟甲基纤维素、正烷基十六醇、淀粉醚、纤维素醚和黄原胶中的至少两种。

7.如权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述复合表面活性剂为烷基聚氧乙烯醚、苄基酚聚氧乙烯醚和烷基磺酸盐中的至少两种。

8.如权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述磷酸盐为：磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸氢钙、磷酸二氢钙、磷酸氢二钠和磷酸二氢钠中的至少一种。

9.如权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述消泡剂为有机硅消泡剂、磷酸三丁酯、聚醚消泡剂和酰胺消泡剂中的至少一种。

10.一种新型磷镁基水泥注浆材料的制备方法，其特征在于，包括：

(1)组分A制备：按比例精确称取复合镁化物30～90份，复合缓凝剂0.5～5份，减水剂0.2～0.7份，酸碱缓冲剂0.2～1.5份，复合稳定剂1～5份，复合表面活性剂0.5～1.5份，搅拌均匀后备用；

(2)组分B制备：按比例精确称取磷酸盐20～50份，消泡剂0.2～2份，搅拌均匀后备用；

(3)混合固化：将组分A和组分B分别与水按100:20～50混合搅拌成浆液，混合均匀后压入裂隙或裂缝后固化。