CN114181365B - 一种粉细砂地层的注浆材料及其配套注浆加固工艺 - Google Patents

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Abstract

公开了一种粉细砂地层的注浆材料，由黑料和白料组成，黑料包含多异氰酸酯；白料包含聚醚多元醇。此外，还公开了一种加固注浆工艺，按照20‑40%的掺入比，将所述的注浆材料加入到粉细砂地层中。在聚氨酯定量混入硅烷改性二氧化硅和水玻璃，辅之以丙酮，不仅能够有效提高注浆后地层强度，而且能够在一定程度上有效避免脆性破坏。

Description

一种粉细砂地层的注浆材料及其配套注浆加固工艺
技术领域
本发明属于土木工程注浆技术领域；涉及一种粉细砂地层的注浆材料及其配套注浆加固工艺。
背景技术
粉细砂是第四纪时期所形成的松散沉积物，主要指粒径小于0.25mm的颗粒含量超过全部重量的50%，且粒径大于0.075mm的颗粒也超过全部质量的50%的砂土。天然状态下的粉细砂，胶结性差，结构松散，承载力较低，在自重的作用下即可被压密，粉细砂层的密度随埋深增大而变大。由以往的工程实践和室内试验，总结出粉细砂土的主要工程性质如下：
(1) 粉细砂砂土在荷载的作用下，容易发生瞬时滑移破坏，造成失稳，从而产生沉降和变形。
(2) 当受到剪切应力作用时，砂土颗粒间相互填充挤压，结构由松散转变为密实，颗粒间由于相互挤压形成粒间法向应力和粒间摩擦力。
(3) 一般条件下，粉细砂属中-高等透水性地层，渗透性受到颗粒粒径和级配影响，渗透系数在10-4～10-1cm/s之间。粉细砂不均匀系数一般不大于5，渗透破坏形式主要为流土、流砂。
(4) 粉细砂遇水饱和，容易出现湿化崩解，造成整体结构性丧失，且砂土体经开挖卸荷后往往会沿着结构性薄弱的滑动面滑移，呈现整体的剪切滑动破坏。
(5) 饱和粉细砂在往复剪切作用下，孔隙体积减小，导致孔隙水压力突然上升，砂土颗粒间接触压力减小，摩擦阻力也随之减小。当孔隙水压力等于上覆压力时，细砂从散粒状态转变为粘滞流体状态，产生振动液化流动现象。
针对富水粉细砂层注浆，很多研究人员从注浆材料技术及配套注浆工艺方面进行了大量研究，取得了一定效果。目前，富水粉细砂层注浆通常使用超细水泥，而超细水泥粒径正好处于可注的临界状态，任何对可注性不利的因素都会导致注浆的失败。为了提高可注性，通常加入多种外加剂，如，悬浮剂、减水剂、稀释剂等，浆液制作繁琐，且需要不断的试验才能成功。
中国专利申请公开CN101597497A公开了一种加固粉细砂用水玻璃类注浆材料，以水玻璃为主材，以固化剂、催化剂、表面活性剂为辅材，按以下重量份配比而成，水100份；水玻璃40～75份；固化剂三醋酸甘油酯3～15份；催化剂0.05～0.5份；表面活性剂0.5～2份。该注浆材料固砂强度可以达到1.2MPa，固化时间30min左右，解决了用水玻璃加固粉细砂强度低、渗透性不稳定、污染地下水的技术问题。在0.3～0.5MPa的注浆压力下对密实型粉细砂注浆渗透半径可达50cm，适合于地下工程施工时对粉细砂层进行预加固。
中国专利CN107619236B公开了一种用于微裂隙及粉细砂土注浆治理的高性能超细水泥基注浆材料及其应用，由以下重量份的组分组成：硅酸盐水泥熟料50～79份，辅助胶凝材料19～48份，脱硫石膏2～7份；其中，所述辅助胶凝材料，由以下重量份的组分组成：矿渣25～57份，钢渣8～21份，粉煤灰18～36份，石灰石粉6～12份，硅灰1～8份，高性能复合调节剂2.5-12.8份；所述高性能复合调节剂，由以下重量份的组分组成：氢氧化钠5～16份，硅酸钠4～12份，偏铝酸钾4～14份，氯化钙12～21份，氯化锂11～18份，三乙醇胺4～12份，明矾21～27份，硫酸铝18～29，羟丙基甲基纤维素0.2-1.5份，粘性聚合物0.1～3.0份，聚丙烯纤维0～0.8份，超塑化剂0.5-3.0份；所述粘性聚合物为丙烯酸酯聚合物或乙烯-醋酸乙烯共聚物。这种材料可注性高、扩散能力强、泵送稳定性好、胶凝时间可控、结石体早期后期强度高、体积不倒缩、抗裂效果好、致密度高、抗渗性好、耐久性高、环境友好及成本较低，可确保微裂隙岩体及微孔隙粉细砂土优良的注浆效果。
然而，普通粉细砂各细小颗粒粒径较小，且分布均匀，不均匀系数一般小于5；同时各细小颗粒之间互相充填结构中的孔隙，导致渗透系数普遍变小。当采用水泥等颗粒类注浆材料进行注浆时，由于浆液颗粒粒径较大，会出现浆液难以注入甚至注不进去的情况。即使部分浆液注入粉细砂中，也会出现加固效果不佳的结果。
因此，迫切需要针对上述技术缺陷，提供一种加固效果更好的粉细砂地层的注浆材料及其配套注浆加固工艺。
发明内容
本发明目的是提供一种加固效果更好的粉细砂地层的注浆材料及其配套注浆加固工艺。与现有技术相比，加固后的粉细砂土样不仅抗压强度更高，同时抗拉强度更高。
为了实现上述目的，一方面，本发明所采取的技术方案如下：一种粉细砂地层的注浆材料，由黑料和白料组成，所述黑料包含多异氰酸酯；其特征在于，所述白料包含聚醚多元醇。
根据本发明所述的注浆材料，其中，多异氰酸酯与聚醚多元醇的重量比为（0.8-1.2）：1。
根据本发明所述的注浆材料，其中，多异氰酸酯的含量为24-30wt%，基于注浆材料的总重量计。
根据本发明所述的注浆材料，其中，聚醚多元醇的含量为24-30wt%，基于注浆材料的总重量计。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述多异氰酸酯选自二苯甲烷二异氰酸酯。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述聚醚多元醇的官能度为3，平均分子量Mw=4500-5200道尔顿。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述白料进一步包含硅烷改性二氧化硅。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述硅烷改性二氧化硅的制备如下：无水乙醇、氨水、去离子水和四乙氧基硅烷在40-60℃下保温反应6-72h；四者的体积比为55：3：1：2；然后向其中加入0.2-0.3mL的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，继续保温反应0.5-24h；无水乙醇洗涤，真空干燥。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述硅烷改性二氧化硅的含量为2.7-3.3wt%，基于注浆材料的总重量计。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述白料进一步包含丙酮。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述丙酮的含量为6-9wt%，基于注浆材料的总重量计。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述白料进一步包含水玻璃。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述水玻璃的波美度为50-55，模数为2.6-3.0。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述水玻璃的含量为12-18wt%，基于注浆材料的总重量计。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述白料包含硅烷改性二氧化硅、丙酮、水玻璃、催化剂、聚醚多元醇和水。
在一个具体的实施方式中，所述白料由硅烷改性二氧化硅、丙酮、水玻璃、催化剂、聚醚多元醇和水组成。
根据本发明所述的注浆材料，其中，所述黑料包含多异氰酸酯和水。
在一个具体的实施方式中，所述黑料由多异氰酸酯和水组成。
另一方面，本发明提供一种加固效果更好的加固注浆工艺，本发明所采取的技术方案如下：按照20-40%的掺入比，将根据本发明所述的注浆材料加入到粉细砂地层中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：在聚氨酯定量混入硅烷改性二氧化硅和水玻璃，辅之以丙酮，不仅能够有效提高注浆后地层强度，而且能够在一定程度上有效避免脆性破坏。
不希望局限于任何理论，硅烷改性二氧化硅在分子层面上改善了水玻璃与聚氨酯之间的相互作用，从而导致了上述技术效果。而适量丙酮的加入，对浆液在砂层中的扩散并无不利影响，而且有利于加快提高注浆后地层强度。因此，在特定工程需求下，根据本发明实施方式的注浆材料具有较高的使用价值。
具体实施方式
必须指出的是，除非上下文另外明确规定，否则如本说明书及所附权利要求中所用，单数形式“一”、“一个/种”和“该/所述”既可包括一个指代物，又可包括多个指代物(即两个以上，包括两个)。
除非另外指明，否则本发明中的数值范围为大约的，并且因此可以包括在所述范围外的值。所述数值范围可在本发明表述为从“约”一个特定值和/或至“约”另一个特定值。当表述这样的范围时，另一个方面包括从所述一个特定值和/或至另一个特定值。相似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应当理解，所述特定值形成另一个方面。还应当理解，数值范围中每一个的端点在与另一个端点的关系中均是重要的并独立于另一个端点。
在说明书和最后的权利要求书中提及组合物或制品中特定元素或组分的重量份是指组合物或制品中该元素或组分与任何其它元素或组分之间以重量份表述的重量关系。
在本发明中，除非具体指出有相反含义，或基于上下文的语境或所属技术领域内惯用方式的暗示，否则本发明中提及的溶液均为水溶液；当水溶液的溶质为液体时，所有分数以及百分比均按体积计，且组分的体积百分比基于包含该组分的组合物或产品的总体积；当水溶液的溶质为固体时，所有分数以及百分比均按重量计，且组分的重量百分比基于包含该组分的组合物或产品的总重量。
本发明中提及的“包含”、“包括”、“具有”以及类似术语并不意欲排除任何可选组分、步骤或程序的存在，而无论是否具体公开任何可选组分、步骤或程序。为了避免任何疑问，除非存在相反陈述，否则通过使用术语“包含”要求的所有方法可以包括一个或多个额外步骤、设备零件或组成部分以及/或物质。相比之下，术语“由……组成”排除未具体叙述或列举的任何组分、步骤或程序。除非另外说明，否则术语“或”是指单独以及以任何组合形式列举的成员。
此外，本发明中任何所参考的专利文献或非专利文献的内容都以其全文引用的方式并入本发明，尤其关于所属领域中公开的定义(在并未与本发明具体提供的任何定义不一致的情况下)和常识。
在本发明中，除非另外指明，否则份数均为重量份，温度均以℃表示或处于环境温度下，并且压力为大气压或接近大气压。室温表示20-30℃。存在反应条件(例如组分浓度、所需的溶剂、溶剂混合物、温度、压力和其它反应范围)以及可用于优化通过所述方法得到的产物纯度和收率的条件的多种变型形式和组合。将只需要合理的常规实验来优化此类方法条件。
实施例1
将无水乙醇、氨水和去离子水加入到反应装置中，三者的体积分别为550mL、30mL和10mL，升温至50℃；滴加20mL的四乙氧基硅烷，滴加完毕，保温反应24h。随后向其中加入2.5mL的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，保温反应6h。用无水乙醇离心洗涤3次，真空干燥得到硅烷改性二氧化硅。硅烷改性二氧化硅的平均粒径为72nm。
将3重量份硅烷改性二氧化硅、7.5重量份丙酮、15重量份水玻璃（波美度53.1，模数2.8）、0.5重量份三乙烯二胺加入到27重量份的聚醚多元醇360（官能度为3，平均分子量Mw=4800道尔顿）和10重量份水中，搅拌30min后静置，作为白料；将27重量份二苯甲烷二异氰酸酯MDI和10重量份水混合均匀，作为黑料。
在使用前，将黑料和白料混合，得到注浆材料。按照30%的掺入比，将注浆材料加入到本地采集的粉细砂土样中，置于30mm×30mm×120mm的模具中，自然养护1天后拆模，切割为30mm×30mm×30mm的试样。试样在自然条件干养14天。
试验前将土样混匀风干，过 2mm筛，利用激光粒度分布仪进行颗粒分析，采用国际制标准分析土质。土样颗粒粒径累计百分含量（D10、D30和D60）、曲率系数、不均匀系数、密度和孔隙比具体参见下表1。
表1
D<sub>10</sub>/mm D<sub>30</sub>/mm D<sub>60</sub>/mm 曲率系数C<sub>c</sub> 不均匀系数C<sub>μ</sub> 密度/g/cm<sup>3</sup> 孔隙比/%
0.43 1.35 2.36 1.69 4.98 1.5 42
采用万能试验机测量试样的无侧限抗压强度。试验方法采用位移控制法，位移变化速率为5mm/min。试样抗压强度为4.28MPa。
采用应变控制式无侧限压力仪测量试样的抗拉强度。试验方法采用巴西劈裂法，应变施加速度为5mm/min。干燥条件下，试样抗拉强度为416kPa。
比较例1
将无水乙醇、氨水和去离子水加入到反应装置中，三者的体积分别为550mL、30mL和10mL，升温至50℃；滴加20mL的四乙氧基硅烷，滴加完毕，保温反应24h。用无水乙醇离心洗涤3次，真空干燥得到未改性二氧化硅。硅烷改性二氧化硅的平均粒径为65nm。
其余条件同实施例1。
采用万能试验机测量试样的无侧限抗压强度。试验方法采用位移控制法，位移变化速率为5mm/min。试样抗压强度为3.19MPa。
采用应变控制式无侧限压力仪测量试样的抗拉强度。试验方法采用巴西劈裂法，应变施加速度为5mm/min。干燥条件下，试样抗拉强度为285kPa。
比较例2
将3重量份硅烷改性二氧化硅、15重量份水玻璃（波美度53.1，模数2.8）、0.5重量份三乙烯二胺加入到27重量份的聚醚多元醇360（官能度为3，平均分子量Mw=4800）和10重量份水中，搅拌30min后静置，作为白料；将27重量份二苯甲烷二异氰酸酯MDI和10重量份水混合均匀，作为黑料。
其余条件同实施例1。
采用万能试验机测量试样的无侧限抗压强度。试验方法采用位移控制法，位移变化速率为5mm/min。试样抗压强度为3.74MPa。
采用应变控制式无侧限压力仪测量试样的抗拉强度。试验方法采用巴西劈裂法，应变施加速度为5mm/min。干燥条件下，试样抗拉强度为385kPa。
此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明的技术方案作出各种改动、替换、删减、修正或调整，这些等价技术方案同样落于本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种粉细砂地层的注浆材料，由黑料和白料组成，所述黑料由多异氰酸酯和水组成；其特征在于，所述白料由硅烷改性二氧化硅、丙酮、水玻璃、催化剂、聚醚多元醇和水组成；其中，所述硅烷改性二氧化硅的含量为2.7-3.3wt%，所述丙酮的含量为6-9wt%，所述水玻璃的含量为12-18wt%，聚醚多元醇的含量为24-30wt%，基于注浆材料的总重量计；
多异氰酸酯的含量为24-30wt%，基于注浆材料的总重量计；
所述硅烷改性二氧化硅的制备如下：无水乙醇、氨水、去离子水和四乙氧基硅烷在40-60℃下保温反应6-72h；四者的体积比为55：3：1：2；然后向其中加入0.2-0.3mL的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，继续保温反应0.5-24h；无水乙醇洗涤，真空干燥。
2.根据权利要求1所述的注浆材料，其中，多异氰酸酯与聚醚多元醇的重量比为（0.8-1.2）：1。
3.根据权利要求1所述的注浆材料，其中，所述多异氰酸酯选自二苯甲烷二异氰酸酯。
4.根据权利要求1所述的注浆材料，其中，所述聚醚多元醇的官能度为3，平均分子量Mw=4500-5200。
5.根据权利要求1所述的注浆材料，其中，所述水玻璃的波美度为50-55，模数为2.6-3.0。
6.一种加固注浆工艺，其特征在于，按照20-40%的掺入比，将根据权利要求1-5任一项所述的注浆材料加入到粉细砂地层中。
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