CN110668778B - 一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法，属于土木工程材料技术领域。本发明的半刚性复合改性注浆材料，由以下组分按重量份数制备而成：48‑53份高分子预聚物，0.15‑0.4份稀释剂，3.7‑6.8份水泥，21‑28份煤矸石粉，41‑49份水玻璃，2.9‑3.8份交联剂，1.2‑1.8份丁烯二醇，0.28‑0.43份激发剂，0.3‑0.7份乳化剂，0.1‑0.2份催化剂。本发明的注浆材料对注浆环境的湿度没有要求，自身固化时间可控，固化成型后的胶体具有半刚性，浆液具有很好的可灌性和耐酸碱性。

Description

一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法

技术领域

本发明属于土木工程材料技术领域，具体涉及一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法。

背景技术

为努力缓解现阶段人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾，为国家生产力发展水平的提高提供保障，我国工民建和交通基建等土木工程事业不断发展，大量的混凝土工程修筑起来，由于工程的复杂性和材料本身特性，混凝土构筑物难免会产生裂缝，这些裂缝严重影响了构筑物的耐久性甚至安全性。注浆材料主要用于充填和固结地层裂隙或构筑物孔隙，在其本身特性或借助外力增压的情况下可以渗入人工或机械无法达到的裂缝中，它是实现堵漏或补强加固的关键，无论是地基采空区填筑，不良地质改性，还是地上、地下混凝土构筑物缝隙堵漏，路基沉陷注浆补强，路面结构裂缝填充，各种注浆材料的研发和使用发挥了巨大作用。

无机注浆材料具有价格低廉、取材丰富易得、不含有毒物质、对环境不会造成污染等优点，在灌浆应用中使用得最为广泛，使用量也位居首位，主要有水泥浆类、水玻璃类、CS浆类。有机注浆材料具有较高的固结强度、较好的粘结力、较好的化学稳定性、凝结时间可调、颗粒极细，能够渗入微米级的裂缝中发挥作用，主要有丙烯酰胺类、环氧树脂类浆材、脲醛树脂类、木质素类、聚氨酯类等。其中当属水玻璃和聚氨酯类的注浆材料综合性能尤为突出，然而在具体的实践应用中逐渐发现，水玻璃无机类注浆材料可适用范围较窄、固化可控性较差、固化稳定性较差、力学性能较低，聚氨酯有机注浆材料制作成本较高，易燃性高、阻隔性较差、热稳定性较差等也存在一定的缺点。

在实际应用中并不像实验室那么理想化，在注浆环境复杂多变，受温度、湿度、荷载等多种外因协同作用下，堵漏的缝隙处可能产生二次应变位移，因此对注浆材料的性能提出了更高的要求，需要研发一种高效经济的复合型改性注浆材料，能够综合上述两种材料的优点，避免其缺点，满足注浆材料的各种性能要求指标的同时具有一定的半刚性，可以应用于荷载扰动或者温度波动较大等产生二次应变位移的特殊加固工程领域。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法；旨在解决凝结后注浆材料质地的问题，主反应是通过异氰酸酯基与羟基发生聚合反应生成高粘聚性的聚合物，期间添加相应助剂使得注浆材料满足相关性能指标且具有一定的半刚性，在充分参考查阅现有的技术资料前提下，提供一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种半刚性复合改性注浆材料，由以下组分按重量份数制备而成：48-53份高分子预聚物，0.15-0.4份稀释剂，3.7-6.8份水泥，21-28份煤矸石粉，41-49份水玻璃，2.9-3.8份交联剂，1.2-1.8份丁烯二醇，0.28-0.43份激发剂，0.3-0.7份乳化剂，0.1-0.2份催化剂；

所述高分子预聚物为异氰酸酯基团含量16.7％，25℃下黏度420mPa·s的高分子预聚物；

所述稀释剂为苯类化合物、脂类化合物或酮类化合物。

在上述方案的基础上，所述高分子预聚物，是用工业级的多苯酚多亚甲基多异氰酸酯(PAPI)或二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)材料溶于分析纯的丙酮溶剂中制得的异氰酸酯基团含量16.7％，25℃下黏度420mPa·s的高分子预聚物；

所述的稀释剂为分析纯的苯、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、丙酮或丁酮。

在上述方案的基础上，所述激发剂为偶氮二咪唑啉基丙烷。

在上述方案的基础上，所述乳化剂为吐温-80或OP-9。

在上述方案的基础上，所述催化剂为：叔胺类化合物、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、1，4丁二醇或者双吗啉二乙基醚。

在上述方案的基础上，所述半刚性复合改性注浆材料的制备方法，步骤如下：

1)在固定室温下，将稀释剂添加于高分子预聚物中，搅拌使其充分混合，记为材料Ⅰ放置于容器中备用；

2)将水泥与煤矸石粉加入水中搅拌制得混合浆液备用；

3)取水玻璃、交联剂、丁烯二醇、激发剂、乳化剂和催化剂混合后，制得混合物后加入步骤2)制得的混合浆液中搅拌，制得材料Ⅱ后取出备用；

4)最后将Ⅰ、Ⅱ两种材料配合后充分搅拌便制得复合改性注浆材料。

在上述方案的基础上，

所述的水泥为强度C30水泥；

所述的煤矸石粉为100-200目的红煤矸石或黑煤矸石粉；

所述的水玻璃为工业级水玻璃；

所述的交联剂为N-羟甲基丙烯酰胺。

在上述方案的基础上，

所述的水玻璃为模数2.3-2.8的工业水玻璃；

所述的交联剂为纯度≥98％的N-羟甲基丙烯酰胺；

所述的丁烯二醇为纯度≥99％，20℃下的黏度为21.8mPa·s；

所述的激发剂为分子量323，纯度≥98％的偶氮二咪唑啉基丙烷；

所述的乳化剂为羟值93mg KOH/g的OP-9；

所述的催化剂为胺值7.9–8.1mmol/g，纯度≥99％的DMDEE。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

1.对注浆环境的湿度没有要求，适合带水堵漏，凝固过程中能吸收裂缝处的水分，固化完成后，遇水仍会有一定的膨胀性，解决二次反弹问题。

2.自身固化时间可控制在1min-30min之间，根据情况可灵活应用。

3.固化成型后的胶体具有半刚性，能够在裂缝结构发生胀缩时仍具有良好的堵漏效果。

4.浆液有很好地可灌性，可以渗透到微米级细微缝隙，在注浆设备压力的作用下渗透范围可达3米。

5.具有良好的耐酸碱性，也不会受各种生物侵害的影响。

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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合，下面结合具体实施例，对本发明方法进行详细说明。

实施例1：

一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法，按重量份数计算包括以下组份原料加工而得：48份高分子预聚物，0.2份稀释剂，4.2份水泥，22份煤矸石粉，43份水玻璃，3份交联剂，1.2份丁烯二醇，0.3份激发剂，0.4份乳化剂，0.1份催化剂。

所述的高分子预聚物为多苯酚多亚甲基多异氰酸酯(PAPI)高分子预聚物；

所述的稀释剂为丙酮稀释剂；

所述的水泥为工业级C30水泥；

所述的煤矸石粉为100目黑煤矸石粉；

所述的水玻璃为模数2.2的工业水玻璃；

所述的交联剂为N-羟甲基丙烯酰胺交联剂；

所述的丁烯二醇为纯度≥99％，20℃下的黏度为21.8mPa·s；

所述的激发剂为偶氮二咪唑啉基丙烷激发剂；

所述的乳化剂为OP-9乳化剂；

所述的催化剂为1，4丁二醇催化剂。

所述的半刚性复合改性注浆材料制备方法，包括如下步骤：

1)按照质量份数计算，将稀释剂添加于高分子预聚物中，并采取搅拌等措施使其充分混合，记为材料Ⅰ放置于容器中备用；

2)按照质量份数计算，将水泥与100目的煤矸石粉加入水中搅拌制得混合浆液备用；

3)按照质量份数计算，水玻璃、交联剂、丁烯二醇、激发剂、乳化剂、催化剂混合后，制得混合物后加入步骤2)制得的混合浆液中搅拌，制得材料Ⅱ后取出备用；

4)最后将Ⅰ、Ⅱ两种材料配合后便制得复合改性注浆材料。

实施例2：

一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法，按重量份数计算包括以下组份原料加工而得：50份高分子预聚物，0.3份稀释剂，3.7份水泥，25份煤矸石粉，45份水玻璃，3份交联剂，1.5份丁烯二醇，0.3份激发剂，0.5份乳化剂，0.1份催化剂。

所述的高分子预聚物为多苯酚多亚甲基多异氰酸酯(PAPI)高分子预聚物；

所述的稀释剂为丁酮稀释剂；

所述的水泥为工业级C30水泥；

所述的煤矸石粉为100目红煤矸石粉；

所述的水玻璃为模数2.5的工业水玻璃；

所述的交联剂为N-羟甲基丙烯酰胺交联剂；

所述的丁烯二醇为纯度≥99％，20℃下的黏度为21.8mPa·s；

所述的激发剂为偶氮二咪唑啉基丙烷激发剂；

所述的乳化剂为OP-9乳化剂；

所述的催化剂为二月桂酸二丁基锡。

所述的半刚性复合改性注浆材料制备方法，与实施例1相同。

实施例3：

一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法，按重量份数计算包括以下组份原料加工而得：52份高分子预聚物，0.4份稀释剂，5.1份水泥，27份煤矸石粉，48份水玻璃，3.5份交联剂，1.7份丁烯二醇，0.4份激发剂，0.6份乳化剂，0.2份催化剂。

所述的高分子预聚物为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)高分子预聚物；

所述的稀释剂为甲苯稀释剂；

所述的水泥为工业级C30水泥；

所述的煤矸石粉为200目的黑煤矸石粉；

所述的水玻璃为模数为2.8的工业水玻璃；

所述的交联剂为N-羟甲基丙烯酰胺交联剂；

所述的丁烯二醇为纯度≥99％，20℃下的黏度为21.8mPa·s；

所述的激发剂为偶氮二咪唑啉基丙烷激发剂；

所述的乳化剂为吐温-80乳化剂；

所述的催化剂为双吗啉二乙基醚(DMDEE)。

所述的半刚性复合改性注浆材料制备方法，与实施例1相同。

对比例1：

一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法，将实施例3中的高分子预聚物改为58份，煤矸石粉改为30份，水玻璃改为50份，其余成分配比和制备工艺如实施例3不变。

对比例2：

一种半刚性复合改性注浆材料及其制备方法，将实施例1中的高分子预聚物改为42份，煤矸石粉改为20份，其余成分配比和制备工艺如实施例1不变。

注浆材料性能测试研究：

1)养护时间测试

按照GB/T1041-92标准，制作40*40*40mm³立方体抗压试件。测定注浆材料试样在50％压缩状态下的抗压强度随养护时间的变化，如表1可见，抗压强度随固化时间延长先快速增加，然后缓慢增加，最后达到稳定值。值得注意的是，即使经过50％的压缩，注浆材料试件也没有明显的裂缝，保持了良好的抗压强度，并能充分发挥其抗压性能并完全恢复到初始状态，进一步体现了注浆材料优异的整体半刚性。

与三个实施例相比，对比例1中增大了高分子预聚物、煤矸石粉和水玻璃的质量分数，在同样的养护时间下，其抗压强度有一定的增强，而对比例2中的减少了高分子预聚物、煤矸石粉的质量分数，其抗压强度与其他实施例相比要低一些，说明高分子预聚物和煤矸石粉的含量对于本专利申请产品抗压强度起到影响作用，但对于其他方面性能是否仍待探究。

表1

2)拉伸试验

按照GB/T1040.2-2006标准，制作25*5*2mm³抗拉试件，通过施加较小的力，可使注浆材料试件发生拉伸，在不同应变值下，注浆材料的应力值如表2可见，在拉伸过程中可以清楚地观察到两个阶段，在每个阶段力和应变之间显示出近似线性的关系，断裂伸长率能够达到137％。

与三个实施例相比，对比例1在达到同样的拉伸值时，应力值较大，而对比例2在达到同样的拉伸值程度时，应力值较小，说明高分子预聚物和煤矸石粉的含量对于本专利申请产品抗拉强度起到影响作用，但对于其他方面性能是否仍待探究。

表2

3)循环试验测试

注浆材料试件以60％的应变进行循环试验后测定其应力值，通过表3可以发现，应力应变曲线基本不变，说明注浆材料具有良好的同质性和协同性，有利于其力学性能，验证了注浆材料具有良好的力学延展性和长期稳定性，有利于实际应用。

与三个实施例相比，对比例1和对比例2在达到同样的循环次数时，应力值与三个实施例相比要小，且随着循环次数增加对比例1应力值减小幅度相对于对比例2来说要大。说明增大了高分子预聚物、煤矸石粉和水玻璃的质量分数并不利于增强本专利申请产品的耐久性能，而减小高分子预聚物、煤矸石粉质量分数的对比例2其耐久性也比实施例要差，说明其配比仍要保持在实施例中要求的合理范围内，才能达到本专利申请产品各方面最佳性能。

表3

本发明所述并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。显然本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术范围内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种半刚性复合改性注浆材料，其特征在于，由以下组分按重量份数制备而成：48-52份高分子预聚物，0.2-0.4份稀释剂，3.7-5.1份水泥，22-27份煤矸石粉，43-48份水玻璃，3.0-3.5份交联剂，1.2-1.7份丁烯二醇，0.3-0.4份激发剂，0.4-0.6份乳化剂，0.1-0.2份催化剂；

所述高分子预聚物为异氰酸酯基团含量16.7％，25℃下黏度420mPa·s的高分子预聚物；

所述稀释剂为苯类化合物、脂类化合物或酮类化合物；

所述高分子预聚物，是用工业级的多苯酚多亚甲基多异氰酸酯(PAPI)或二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)材料溶于分析纯的丙酮溶剂中制得的异氰酸酯基团含量16.7％，25℃下黏度420mPa·s的高分子预聚物；

所述的稀释剂为分析纯的苯、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、丙酮或丁酮；

所述激发剂为偶氮二咪唑啉基丙烷；

所述乳化剂为吐温-80或OP-9；

所述催化剂为：叔胺类化合物、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、1，4丁二醇或者双吗啉二乙基醚；

所述半刚性复合改性注浆材料的制备方法，步骤如下：

1)在固定室温下，将稀释剂添加于高分子预聚物中，搅拌使其充分混合，记为材料Ⅰ放置于容器中备用；

2)将水泥与煤矸石粉加入水中搅拌制得混合浆液备用；

3)取水玻璃、交联剂、丁烯二醇、激发剂、乳化剂和催化剂混合后，制得混合物后加入步骤2)制得的混合浆液中搅拌，制得材料Ⅱ后取出备用；

最后将Ⅰ、Ⅱ两种材料配合后充分搅拌便制得复合改性注浆材料。

2.权利要求1所述半刚性复合改性注浆材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1) 在固定室温下，将稀释剂添加于高分子预聚物中，搅拌使其充分混合，记为材料Ⅰ放置于容器中备用；

2) 将水泥与煤矸石粉加入水中搅拌制得混合浆液备用；

3) 取水玻璃、交联剂、丁烯二醇、激发剂、乳化剂和催化剂混合后，制得混合物后加入步骤2)制得的混合浆液中搅拌，制得材料Ⅱ后取出备用；

4) 最后将Ⅰ、Ⅱ两种材料配合后充分搅拌便制得复合改性注浆材料。

3.根据权利要求2所述半刚性复合改性注浆材料的制备方法，其特征在于，

所述的水泥为强度C30水泥；

所述的煤矸石粉为100-200目的红煤矸石或黑煤矸石粉；

所述的水玻璃为工业级水玻璃；

所述的交联剂为N-羟甲基丙烯酰胺。

4.根据权利要求3所述半刚性复合改性注浆材料的制备方法，其特征在于，

所述的水玻璃为模数2.3-2.8的工业水玻璃；

所述的交联剂为纯度≥98％的N-羟甲基丙烯酰胺；

所述的丁烯二醇为纯度≥99％，20℃下的黏度为21.8mPa·s；

所述的激发剂为分子量323，纯度≥98％的偶氮二咪唑啉基丙烷；

所述的乳化剂为羟值93mgKOH/g的OP-9；

所述的催化剂为胺值7.9–8.1mmol/g，纯度≥99％的DMDEE。