CN111533519A - 一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料及其制备方法和应用，属于隧道巷道支护技术领域。立面和顶面喷涂施工不流淌，施工速度快、施工环境友好、无任何回弹和环境污染问题；喷涂材料可通过常规喷涂设备进行远距离的喷涂施工，人工操作安全距离远，时间短，施工过程更加安全可靠；材料固化速度快、抗拉强度和粘结强度增长快速，解决了喷浆层厚度大、易脱落、开裂，需要反复维护的问题，采用本发明技术尤其适用于隧道关键或围岩碎裂严重位置的支护加固、防漏风、防渗漏水治理。

Description

一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料及其制备方法和应用，属于隧道巷道支护技术领域。

背景技术

随着一二线城市地铁快速发展、区域长距离调水和引水工程的建设、海绵城市管廊规划和逐步建设等需要，一大批隧道等地下工程需要开发建设，中国已经成为了名副其实的隧道及地下工程大国。隧道是一个由围岩与支护结构构成的复杂系统，地质条件的差异性使围岩具有不同的稳定状态，由于我国地质条件极端复杂多样，所以在隧道穿越复杂地层施工时，围岩难以自发实现平衡，受压变形的发展导致围岩破坏和失稳，严重危及工程安全和拖延工程进度。锚喷支护技术可以有效改善隧道围岩的受力状态，提高不同地质条件下围岩的稳定性，是我国目前地下工程应用较成熟的巷道支护技术。喷射混凝土等水硬性胶合料是锚喷支护技术的重要组成部分，在围岩表面进行喷涂，可以封闭围岩的暴露面，提高密闭性和耐久性，但是在长期应用中，喷射混凝土仍然存在一些不足：

(1)干喷工艺施工简单、设备价格低廉、操作简便，但施工过程中粉尘污染重、回弹率高、混凝土质量不稳定。相对于干喷技术，湿喷工艺大大减少或减低了粉尘污染、降低了回弹率(如专利CN107522442A)，但是国内目前湿式喷浆整体设备配套系统和工艺性还存在一定不完善性，实际应用中还是相对较少，很多情况下还是依靠干式喷浆为主；

(2)喷射混凝土技术使用的是混凝土脆性材料，其抗拉强度低、拉伸变形太小，受围岩动压作用易于开裂或垮落，并且混凝土材料固化时间长，达到能满足支护强度的速度较慢；

(3)喷射混凝土技术喷射距离短，人工操作存在一定安全隐患、同时需求混凝土层厚度达到至少10cm以上才具有一定的防护作用，浆料用量大，材料成本、运输成本和运输压力高。

针对现有技术存在的问题专利CN1281829A、CN105110718A和CN107352904分别公布了一种废渣掺杂的喷浆混凝土支护材料，利用废弃的煤矸石作为原料，降低了材料成本，增加了经济效益，缓解了煤矸石环境污染问题；制备的喷浆混凝土支护材料具有优异的抗压强度，施工过程中粉尘污染和回弹率降低。但上述技术没有改善材料的致密性、抗拉强度及抗变形能力，因此不能有效解决浆料用量大、浆层厚度高和易脱落开裂等问题；同时该类材料技术只是降低了回弹率，喷射混凝土过程中物料回弹浪费的问题也未能得到有效解决。通过在喷浆支护材料制备过程中加入聚合物乳液、聚合物纤维等(如专利CN1686197A和CN103159439A)，可以提高材料拉伸强度、断裂伸长率和致密性，达到喷浆层不易开裂脱落，降低浆料用量的效果。但CN1686197A公布的技术中，固化时间只有几十秒，不利于现场施工；专利CN103159439A使用了大量的聚合物乳液(聚合物乳液∶粉体＝2∶1)，材料成本高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料及其制备方法和应用，主要解决隧道围岩喷浆支护过程中喷浆层厚、回弹率高、材料成本高、粉尘污染严重、固化时间长、致密性差和容易脱落等喷浆长期存在的问题。

本发明的技术是通过以下技术方案实现的。

一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料，该柔性喷涂材料包括组分A和组分B，组分A与组分B的质量比为1∶1，

所述的组分A的原料包括水泥材料、细骨料、矿渣粉、增强纤维、速凝剂和缓凝剂；以组分A原料的总质量份数为100份计算，各组分的质量份数为：

所述的组分B的原料包括聚合物乳液、减水剂、速凝剂和稀释剂；以组分B原料的总质量份数为100份计算，各组分的质量份数为：

优选的组分A按质量份数包括：70-78份的水泥材料、15-20份的细骨料、6-8份的矿渣粉、0.15-0.25份的增强纤维、0.12-0.18份的速凝剂和0.03-0.08份的缓凝剂；优选的组分B按质量份数包括：84-89份的聚合物乳液、6-8份的减水剂、1.5-4份的速凝剂和1.5-4份的稀释剂；

所述的水泥基材料可以调控喷浆材料的胶凝时间，提高喷浆材料的抗压强度，所述的水泥基材料选自硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥、明矾石水泥中的至少一种，优选选自硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥中的至少一种，

所述的细骨料为粒径小于5mm的粉末，具有提高喷浆材料抗压强度和润滑性的作用，所述的细骨料选自煤矸石、细砂、石英粉、熟石灰、滑石粉中的至少一种，优选选自煤矸石和细砂中的一种或两种混合物，细砂为河砂、河卵石、山砂、山卵石、海砂或海卵石；

所述的矿渣粉为冶金工业生产过程中或矿物开采过程中产生的各种具有一定活性的固体废料，作为悬浮剂使用，同时可以降低材料成本，所述的矿渣粉选自高岭土渣、高炉铁矿渣、锂云母渣、煤矸石、粉煤灰、玄武岩渣、锡矿渣、钨矿渣中的至少一种，优选选自高岭土渣、高炉铁矿渣、锂云母渣中的至少一种；

添加增强纤维可以提高喷浆材料抗开裂性能，但大量添加增强纤维不利于材料成本控制，所述的增强纤维选自玻璃纤维、碳纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、芳纶纤维中的至少一种，优选选自玻璃纤维和碳纤维的一种或两种；

所述的速凝剂具有加速喷浆材料胶凝的作用，所述的速凝剂选自碳酸锂粉末、硅酸钠粉末、硅酸钾粉末、氢氧化钠粉末、氢氧化钙粉末、硫酸铝粉末中的至少一种，优选选自碳酸锂粉末和硅酸钠粉末的一种或两种；

所述的缓凝剂可以调控喷浆材料浆料初凝反应时间，所述的缓凝剂选自酒石酸、木钙、木钠、柠檬酸、葡萄糖酸、水杨酸、糖蜜、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉、糊精中的至少一种，优选选自酒石酸、木钙、木钠中的至少一种；

所述的聚合物乳液具有增加喷浆材料流淌时间，提高喷浆材料抗压强度和韧性，降低喷浆层厚度、防止喷浆层脱落和开裂的作用，所述的聚合物乳液选自聚醋酸乙烯乳液、乙烯-醋酸乙烯乳液(VAE乳液、EVA乳液)、聚丙烯乳液、丙烯酸乳液、丁苯乳液中的至少一种，优选选自EVA乳液和丁苯乳液的一种或两种；

添加适当量的减水剂不会影响喷浆材料胶凝体的抗压强度，且具有提高喷浆材料浆料泵送性能的作用，所述的减水剂选自萘系减水剂、脂肪族减水剂、木质素磺酸钠减水剂、聚羧酸减水剂、氨基减水剂中的至少一种，优选选自萘系减水剂和脂肪族减水剂的一种或两种；

所述的速凝剂选自碳酸锂粉末、硅酸钠粉末、硅酸钾粉末、氢氧化钠粉末、氢氧化钙粉末、硫酸铝粉末中的至少一种，优选选自碳酸锂粉末和硅酸钠粉末的一种或两种；

添加稀释剂可以降低喷浆材料浆料的初始粘度，提升泵送性能，所述的稀释剂选自蓖麻油甲酸酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙二醇二乙酸酯、柠檬酸三丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的至少一种，优选选自乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯中的至少一种。

一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料的制备方法，将组分A的原料进行混合，搅拌，得到组分A，将组分B的原料进行混合，搅拌，得到组分B，再将组分A和组分B进行混合，搅拌，得到柔性固结喷涂材料，组分A和组分B的质量份数比例为1∶1。

一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料的应用，将柔性喷涂材料用于隧道围岩表面加固、防漏水、防潮和防漏风等治理，具体方法为：

(1)气泵喷涂设备调试

向气泵喷涂设备的搅拌仓内加入适量的水，开启搅拌仓马达适当搅拌，然后开泵打水，观察出水情况，然后打开气阀，观察设备运转情况和雾化效果。

(2)混料

按等质量比例称量组分A和组分B，向气泵喷涂设备的搅拌仓内先加入组分A，然后打开搅拌，在3-5min内向搅拌仓缓慢加入组分B。组分B加入完成后，提高搅拌速度，当混料结果满足：无粉料结团，看不到明显的未分散开的粉料，整个浆体混合均匀，颜色一致，稠度适当，有流动性，能流挂的长度为3～5cm时，停止搅拌。

(3)喷涂打料

开泵打料，待出料口浆料输出正常后，打开气阀雾化浆料，采用一字喷涂方式喷料(包括横向喷涂和纵向喷涂两步)，喷涂速度为0.5m²/min，喷涂距离为0.5～2m，每次喷涂厚度约2-5mm，两步喷涂间隔30min。喷涂施工时，在隧道围岩表面预先布置一排间隔1～1.5米钉子，钉子外漏长度需满足所喷涂段的要求，浆层厚度遮盖住钉子基本达到喷涂厚度。当隧道围岩表面有比较大的裂缝或管孔等，需先用东西塞住，然后在均匀喷涂。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)立面和顶面喷涂施工不流淌，施工速度快、施工环境友好、无任何回弹和环境污染问题；

(2)喷涂材料可通过常规喷涂设备进行远距离的喷涂施工，人工操作安全距离远，时间短，施工过程更加安全可靠；

(3)材料固化速度快、抗拉强度和粘结强度增长快速，解决了喷浆层厚度大、易脱落、开裂，需要反复维护的问题；

(4)适宜的体系粘度、使浆料能渗透到隧道围岩表面松散和破碎的缝隙中，并快速固结把围岩高强度的粘结成一个整体，防止围岩表面的任何松动和破碎；

(5)材料阻燃，抗静电；

(6)采用本发明技术尤其适用于隧道关键或围岩碎裂严重位置的支护加固、防漏风、防渗漏水治理。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合具体的实施方式对本发明优选实施方案作进行描述。

实施例1-5

按照下表1所列水泥基材料、细骨料、矿渣粉、增强纤维、速凝剂和缓凝剂的质量份数，经搅拌均匀制备得到组分A备用。

表1

按照下表2所列聚合物乳液、减水剂、速凝剂和稀释剂的质量份数，经搅拌均匀制备得到组分B备用。

表2

采用表1和表2提供的组分，依照本发明提供的应用方法，在隧道围岩表面处进行喷涂施工，喷涂速度0.5m²/min，喷涂距离2m，每次喷涂厚度约2-5mm，喷涂次数2次，喷涂间隔30min，性能指标如表3所列。

表3

Claims (10)

1.一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料，其特征在于：该柔性喷涂材料包括组分A和组分B，组分A与组分B的质量比为1∶1；

所述的组分A的原料包括水泥材料、细骨料、矿渣粉、增强纤维、速凝剂和缓凝剂；以组分A原料的总质量份数为100份计算，各组分的质量份数为：

所述的组分B的原料包括聚合物乳液、减水剂、速凝剂和稀释剂；以组分B原料的总质量份数为100份计算，各组分的质量份数为：

所述的水泥基材料选自硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥、明矾石水泥中的至少一种；

所述的细骨料选自煤矸石、细砂、石英粉、熟石灰、滑石粉中的至少一种，优选选自煤矸石和细砂中的一种或两种混合物；

所述的矿渣粉为选自高岭土渣、高炉铁矿渣、锂云母渣、煤矸石、粉煤灰、玄武岩渣、锡矿渣、钨矿渣中的至少一种；

所述的增强纤维选自玻璃纤维、碳纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、芳纶纤维中的至少一种；

所述的速凝剂选自碳酸锂粉末、硅酸钠粉末、硅酸钾粉末、氢氧化钠粉末、氢氧化钙粉末、硫酸铝粉末中的至少一种；

所述的缓凝剂选自酒石酸、木钙、木钠、柠檬酸、葡萄糖酸、水杨酸、糖蜜、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉、糊精中的至少一种；

所述的聚合物乳液选自聚醋酸乙烯乳液、乙烯-醋酸乙烯乳液(VAE乳液、EVA乳液)、聚丙烯乳液、丙烯酸乳液、丁苯乳液中的至少一种；

所述的减水剂选自萘系减水剂、脂肪族减水剂、木质素磺酸钠减水剂、聚羧酸减水剂、氨基减水剂中的至少一种；

所述的速凝剂选自碳酸锂粉末、硅酸钠粉末、硅酸钾粉末、氢氧化钠粉末、氢氧化钙粉末、硫酸铝粉末中的至少一种；

所述的稀释剂选自蓖麻油甲酸酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙二醇二乙酸酯、柠檬酸三丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料，其特征在于：组分A按质量份数包括：70-78份的水泥材料、15-20份的细骨料、6-8份的矿渣粉、0.15-0.25份的增强纤维、0.12-0.18份的速凝剂和0.03-0.08份的缓凝剂；组分B按质量份数包括：84-89份的聚合物乳液、6-8份的减水剂、1.5-4份的速凝剂和1.5-4份的稀释剂。

3.根据权利要求1所述的一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料，其特征在于：所述的水泥基材料选自硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料，其特征在于：所述的细骨料为粒径小于5mm的粉末，细砂为河砂、河卵石、山砂、山卵石、海砂或海卵石。

5.根据权利要求1所述的一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料，其特征在于：所述的矿渣粉选自高岭土渣、高炉铁矿渣、锂云母渣中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料，其特征在于：所述的增强纤维选自玻璃纤维和碳纤维的一种或两种。

7.根据权利要求1所述的一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料，其特征在于：所述的速凝剂选自碳酸锂粉末和硅酸钠粉末的一种或两种。

8.根据权利要求1所述的一种用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料，其特征在于：所述的缓凝剂选自酒石酸、木钙、木钠中的至少一种。

9.一种权利要求1所述的用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料的制备方法，其特征在于：将组分A的原料进行混合，搅拌，得到组分A，将组分B的原料进行混合，搅拌，得到组分B，再将组分A和组分B进行混合，搅拌，得到柔性固结喷涂材料，组分A和组分B的质量份数比例为1∶1。

10.一种权利要求1所述的用于隧道巷道支护的柔性喷涂材料的应用，其特征在于：

(1)混料

按等质量比例称量组分A和组分B，向气泵喷涂设备的搅拌仓内先加入组分A，然后打开搅拌，在3-5min内向搅拌仓缓慢加入组分B；

(2)喷涂打料

开泵打料，待出料口浆料输出后，打开气阀雾化浆料，采用一字喷涂方式喷料，喷涂速度为0.5m²/min，喷涂距离为0.5-2m，每次喷涂厚度2-5mm，两步喷涂间隔30min。