CN109971485A - 一种土体加固剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土体加固剂及其制备方法和应用，该土体加固剂由A液和B液组成；A液包括以下重量份组分：15‑25份的丙烯酰胺、0.5‑1.5份的甲叉双丙烯酰胺、0.4‑1.0份的四甲基乙二胺、70‑85份的水；B液为质量百分数0.8‑1.6%的过硫酸铵水溶液；以过硫酸铵做为引发剂，以丙烯酰胺为聚合单体原料，甲叉双丙烯酰胺和四甲基乙二胺为交联剂，不仅利用生成的聚合物溶胶的固化效果，使土体凝固形成一个整体，实现土体的稳定，具有优异的加固效果，能保证掘进的顺利进行；而且，生成的聚合物溶胶粘结性较低，阻水性好，既不会导致盾构机出现糊仓和刀盘面板结泥饼，又能封堵盾尾后部来水，实现盾构机的快速掘进，对隧道的施工具有积极作用。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程材料领域，具体涉及一种土体加固剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展，国家加大了交通体系的建设力度，在交通建设过程中，因为地形或其它因素的影响和限制，经常需要开挖隧道，其中，常用的隧道挖掘工具为盾构机。盾构机也被称作盾构隧道掘进机，是一种用于隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高，盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工会显得更为经济合理。采用盾构机进行隧道掘进过程中，经常遇到特殊土体，如回填土、砂层、卵石层及风化泥岩等土体，由于该类土体自稳性较差，从而导致在掘进过程中容易出现掌子面坍塌、超挖、刀盘结饼等现象，致使盾构无法正常掘进。为了实现隧道的快速掘进，人们通常采用地面加固和洞内加固相结合的方法来解决盾构机常压开仓、清理刀盘、地层预加固等问题，保证掘进的顺利进行。
地面加固和洞内加固大多是采用打孔注浆的方式进行加固，利用加固剂的固化作用，使土体凝固形成一个整体，实现土体的稳定，从而保证掘进的顺利进行，因此，加固剂的固化效果直接影响加固剂的加固效果。现有常用的加固剂有双液浆（水泥、水和水玻璃）、聚氨酯和杰夫莱F等几种，虽然均具有一定的加固效果，也能保证隧道的顺利掘进，但在使用过程中发现，其还存在使盾构机糊仓和刀盘面板结泥饼的缺陷，同时，加固效果还不足，每次加固后，盾构机掘进长度较小，严重影响了隧道的掘进速度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有土体加固剂存在的加固效果较差、会造成盾构机出现糊仓和刀盘面板结泥饼的缺陷，提出了一种土体加固剂及其制备方法和应用；该土体加固剂是以过硫酸铵做为引发剂，以丙烯酰胺为聚合单体原料，甲叉双丙烯酰胺和四甲基乙二胺为交联剂，使丙烯酰胺发生自由基聚合反应，生成聚合物溶胶，不仅利用聚合物溶胶的固化效果，使土体凝固形成一个整体，实现土体的稳定，具有优异的加固效果，能保证掘进的顺利进行；而且，通过控制聚合物单体原料的配比，使生成的聚合物溶胶粘结性较低，阻水性好，既不会导致盾构机出现糊仓和刀盘面板结泥饼，又能封堵盾尾后部来水，实现盾构机的快速掘进，对隧道的施工具有积极作用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种土体加固剂，由A液和B液组成；其中，A液包括以下重量份组分：15-25份的丙烯酰胺、0.5-1.5份的甲叉双丙烯酰胺、0.4-1.0份的四甲基乙二胺、70-85份的水；B液为质量百分数0.8-1.6%的过硫酸铵水溶液。
其中，A液中的原材料用量和组分直接影响加固剂固化后溶胶的性能；丙烯酰胺为聚合物单体，占比过大，容易导致盾构机出现糊仓和刀盘面板结泥饼，占比过小，固化后对土体的加固效果差；甲叉双丙烯酰胺可催化过硫酸铵产生自由基，并与四甲基乙二胺一起作为交联剂，使聚丙烯酰胺形成三维网络结构，增加对土体的加固效果，用量过大则会导致盾构机出现糊仓；优选的，所述A液包括以下重量份组分：18-22份的丙烯酰胺、0.8-1.2份的甲叉双丙烯酰胺、0.6-0.8份的四甲基乙二胺、75-80份的水；最优选的，所述A液包括以下重量份组分：20份的丙烯酰胺、1.0份的甲叉双丙烯酰胺、0.7份的四甲基乙二胺、78份的水。
其中，过硫酸铵作为引发剂，其浓度直接影响聚合反应的速度，浓度过大，聚合反应速度快，加固剂来不及浸入土体中就已经固化，固化范围小，加固效果差，成本增加，浓度过小，加固剂固化速度慢，施工工期长；优选的，所述B的液为质量百分数1.0-1.4%的过硫酸铵水溶液；最优选的，所述的B液为质量百分数1.2%的过硫酸铵水溶液。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种土体加固剂的制备方法，包括A液的配制方法和B液的配制方法；其中，A液的配制方法为：按重量份配比称取原料后，将丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和四甲基乙二胺在水中溶解混合，得到A液；B液的配制方法为：将过硫酸铵用水溶解，配制成规定质量百分数的溶液，得到B液。
其中，优选的， A液的配制方法中，水的温度为30-50℃；在该温度的水中，甲叉双丙烯酰胺的溶解性更好，溶解速度更快。
为了实现上述发明目的，更进一步的，本发明提供了一种土体加固剂的应用方法,包括以下步骤：（1）钻孔：设计孔的位置和深度；根据设计钻孔；在钻好的孔中注油脂，封孔堵水；安装注浆闸阀；
（2）注浆：先在孔中注惰性浆液进行空洞回填；再将土体加固剂中的A液和B液混合后，注入孔洞中；等待土体加固剂固化，完成土体加固。
其中，优选的，步骤（2）中所述的惰性浆液包括以下重量份原材料混合制备而成:5-10份的膨胀土、5-10份的粉煤灰、10-20份河砂和60-80份水。
其中，优选的，步骤（2）中A液和B液的用量体积比为1︰1。
其中，优选的，步骤（2）中固化时间大于5min。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明土体加固剂利用固化形成的聚合物溶胶，使土体凝固形成一个整体，实现土体的稳定，具有优异的加固效果，能保证掘进的顺利进行。
2、本发明土体加固剂固化形成的聚合物溶胶粘结性较低，阻水性好，既不会导致盾构机出现糊仓和刀盘面板结泥饼，又能封堵盾尾后部来水。
3、本发明土体加固剂的制备方法简单，应用方便，适合大规模推广应用。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种土体加固剂：由A液和B液组成；其中，A液包括以下重量份组分：20份的丙烯酰胺、1.0份的甲叉双丙烯酰胺、0.7份的四甲基乙二胺、78份的水；B液为质量百分数1.2%的过硫酸铵水溶液。
实施例2
一种土体加固剂：由A液和B液组成；其中，A液包括以下重量份组分：15份的丙烯酰胺、0.5份的甲叉双丙烯酰胺、0.4份的四甲基乙二胺、85份的水；B液为质量百分数1.6%的过硫酸铵水溶液。
实施例3
一种土体加固剂：由A液和B液组成；其中，A液包括以下重量份组分：25份的丙烯酰胺、1.5份的甲叉双丙烯酰胺、1.0份的四甲基乙二胺、70份的水；B液为质量百分数0.8%的过硫酸铵水溶液。
实施例4
一种土体加固剂：由A液和B液组成；其中，A液包括以下重量份组分：22份的丙烯酰胺、0.8份的甲叉双丙烯酰胺、0.8份的四甲基乙二胺、80份的水；B液为质量百分数1.0%的过硫酸铵水溶液。
对比例1
一种土体加固剂：包括以下重量份组分：20份的丙烯酰胺、1.0份的甲叉双丙烯酰胺、0.7份的四甲基乙二胺、78份的水。
对比例2
一种土体加固剂：由A液和B液组成；其中，A液包括以下重量份组分：20份的丙烯酰胺、1.0份的甲叉双丙烯酰胺、0.7份的四甲基乙二胺、78份的水；B液为质量百分数2.0%的过硫酸铵水溶液。
对比例3
一种土体加固剂：由A液和B液组成；其中，A液包括以下重量份组分：28份的丙烯酰胺、1.0份的甲叉双丙烯酰胺、0.7份的四甲基乙二胺、78份的水；B液为质量百分数1.2%的过硫酸铵水溶液。
对比例4
一种土体加固剂：由A液和B液组成；其中，A液包括以下重量份组分：20份的丙烯酰胺、2.0份的甲叉双丙烯酰胺、0.7份的四甲基乙二胺、78份的水；B液为质量百分数1.2%的过硫酸铵水溶液。
对比例5
一种土体加固剂：由A液和B液组成；其中，A液包括以下重量份组分：12份的丙烯酰胺、1.0份的甲叉双丙烯酰胺、0.7份的四甲基乙二胺、78份的水；B液为质量百分数1.2%的过硫酸铵水溶液。
对比例6
一种土体加固剂：由A液和B液组成；其中，A液包括以下重量份组分：20份的丙烯酰胺、1.0份的甲叉双丙烯酰胺、1.0份的四甲基乙二胺、78份的水；B液为质量百分数1.2%的过硫酸铵水溶液。
将上述实施例1-4和对比例1-6制备得到的加固剂进行加固实验（土体情况：上部松散卵石，下部稳定泥岩复合地层；采用潜孔钻钻孔，每段孔数为6；惰性浆液由8份的膨胀土、8份的粉煤灰、15份河砂和70份水混合制备而成；实验注浆时，A液和B液的用量体积比为1︰1），记录实验结果如下：
| 序号 | 固化时间（min） | 加固效果 | 开仓情况 | 掘进长度（m） |
| 实施例1 | 8 | 加固效果好 | 没有糊仓和结泥饼现象 | 11.03 |
| 实施例2 | 5 | 加固效果好 | 没有糊仓和结泥饼现象 | 9.26 |
| 实施例3 | 10 | 加固效果好 | 没有糊仓和结泥饼现象 | 10.52 |
| 实施例4 | 7 | 加固效果好 | 没有糊仓和结泥饼现象 | 10.28 |
| 对比例1 | 不能固化 | 无加固效果 | 仓内有大量加固剂 | 1.86 |
| 对比例2 | 3 | 加固效果好 | 有轻微糊仓和结泥饼现象 | 4.25 |
| 对比例3 | 10 | 加固效果好 | 中部糊仓，刀盘面板结泥饼 | 5.65 |
| 对比例4 | 6 | 加固效果好 | 有轻微糊仓和结泥饼现象 | 7.62 |
| 对比例5 | 20 | 加固效果差 | 仓内有部分加固剂 | 3.08 |
| 对比例6 | 8 | 加固效果好 | 有轻微糊仓和结泥饼现象 | 7.85 |
根据上述实验结果可知：本发明土体加固剂具有加固效果好，不会造成盾构机出现糊仓和结泥饼的现象，且固化时间合理，对隧道的掘进具有积极作用；而对比例1中未添加引发剂，加固剂不能固化，无加固效果；对比例2中引发剂浓度大，导致固化时间短，固化后聚合物凝胶分子量高，粘度大，导致盾构机中有轻微糊仓和结泥饼现象；对比例3中丙烯酰胺含量过大，固化后聚合物凝胶分子量高，粘度大，导致盾构机中出现糊仓和结泥饼现象；对比例4中甲叉双丙烯酰胺用量过大，导致固化后聚合物凝胶分子交联度高，粘度大，导致盾构机中出现糊仓和结泥饼现象；对比例5中丙烯酰胺用量过少，加固剂加固效果显著降低；对比例6中四甲基乙二胺用量过大，导致固化后聚合物凝胶分子交联度高，粘度大，导致盾构机中出现糊仓和结泥饼现象。
Claims (10)
1.一种土体加固剂，其特征在于，由A液和B液组成； A液包括以下重量份组分：15-25份的丙烯酰胺、0.5-1.5份的甲叉双丙烯酰胺、0.4-1.0份的四甲基乙二胺、70-85份的水；B液为质量百分数0.8-1.6%的过硫酸铵水溶液。
2.根据权利要求1所述的加固剂，其特征在于，所述A液包括以下重量份组分：18-22份的丙烯酰胺、0.8-1.2份的甲叉双丙烯酰胺、0.6-0.8份的四甲基乙二胺、75-80份的水。
3.根据权利要求2所述的加固剂，其特征在于，所述A液包括以下重量份组分：20份的丙烯酰胺、1.0份的甲叉双丙烯酰胺、0.7份的四甲基乙二胺、78份的水。
4.根据权利要求1所述的加固剂，其特征在于，所述B的液为质量百分数1.0-1.4%的过硫酸铵水溶液。
5.根据权利要求4所述的加固剂，其特征在于，所述的B液为质量百分数1.2%的过硫酸铵水溶液。
6.一种如权利要求1-5任一项所述土体加固剂的制备方法，其特征在于，包括A液的配制方法和B液的配制方法；A液的配制方法为：按重量份配比称取原料后，将丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和四甲基乙二胺在水中溶解混合，得到A液；B液的配制方法为：将过硫酸铵用水溶解，配制成规定质量百分数的溶液，得到B液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，A液的配制方法中，水的温度为30-50℃。
8.一种如权利要求1-5任一项所述土体加固剂的的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）钻孔：设计孔的位置和深度；根据设计钻孔；在钻好的孔中注油脂，封孔堵水；安装注浆闸阀；
（2）注浆：先在孔中注惰性浆液进行空洞回填；再将土体加固剂中的A液和B液混合后，注入孔洞中；等待土体加固剂固化，完成土体加固。
9.根据权利要求8所述的应用方法，其特征在于，步骤（2）中所述的惰性浆液包括以下重量份原材料混合制备而成:5-10份的膨胀土、5-10份的粉煤灰、10-20份河砂和60-80份水。
10.根据权利要求8所述的应用方法，其特征在于，步骤（2）中A液和B液的用量体积比为1︰1。
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|---|---|---|---|---|
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| CN106244108A (zh) * | 2016-08-03 | 2016-12-21 | 郭金龙 | 一种防水补漏剂及其制备方法 |
| CN106589225A (zh) * | 2015-10-20 | 2017-04-26 | 中国石油化工股份有限公司 | 深部调剖堵水用聚合物凝胶颗粒及其制备方法 |
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2019
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| CN115448640B (zh) * | 2022-08-17 | 2023-09-26 | 中煤科工西安研究院(集团)有限公司 | 高韧性、吸水膨胀性复合注浆材料及其制备方法和应用 |
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