CN114196191B - 一种堵水注浆复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种粉细砂地层的堵水注浆复合材料，由黑料和白料组成，原料按照重量份为，白料50‑70份：硅烷改性二氧化硅2‑4份；羧甲基纤维素钠4‑5份；水玻璃10‑15份；聚醚多元醇20‑28份；三乙烯二胺0.2‑1份；水余量；黑料30‑50份：多异氰酸酯20‑28份；水余量。此外，还公开了上述堵水注浆复合材料的制备方法。

Description

一种堵水注浆复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于土木工程注浆技术领域；涉及一种堵水注浆复合材料及其制备方法。

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。

在粉细砂地层中进行地下工程的修建，由于粉细砂层结构松散，且开挖后地层原始围岩应力状态发生改变，围岩应力释放，如若不采取任何预支护措施，则很容易发生坍塌、冒顶等工程事故。

中国专利申请公开CN102748036A公开了一种加固干燥粉细砂层隧道的浆液配比及施工方法，解决了现有加固干燥粉细砂层隧道采用的浆液存在浆液不易扩散、固结慢且风险大的问题。水平旋喷桩采用如下步骤施作：a、浆液是由如下质量份数的原料制成：水100份，水泥90-110份，膨润土10-30份；b、高压注浆泵内的浆液旋喷压力为38-42MPa，钻杆喷头直径为2.5-3.0mm，钻杆转速为12-16转/分钟；c、旋喷过程中钻杆退出的速度为20-30cm/min；斜向旋喷桩采用如下步骤施作：a、浆液是由如下质量份数的原料制成：水100份，水泥40-80份，膨润土10-30份；b、高压注浆泵内的浆液旋喷压力为25-30MPa，钻杆喷头直径为2.0-2.5mm，钻杆转速为12-16转/分钟；c、旋喷过程中钻杆退出的速度为15-20cm/min。该发明采用的浆液配比在干燥粉细砂层隧道中渗透性好，扩散均匀，固结效果明显。

中国专利申请公开CN107572994A公开了一种用于富水砂层注浆治理的高效超细水泥基复合注浆材料、制备工艺及应用，由以下重量份的组分组成：硅酸盐水泥熟料40～80份，粉煤灰10～45份，矿渣微粉5～30份，脱硫石膏2～6.5份，硅灰1～10份，外掺复合调节剂一0.51～2.10份，外掺复合调节剂二0.4～2.4份，外掺复合调节剂三5.5～8.9份；粉煤灰由以下重量份的组分组成：高钙粉煤灰50～100份，低钙粉煤灰0～50份；复合调节剂一由以下重量份的组分组成：超塑化剂96～99份，羟丙基甲基纤维素1～4份；复合调节剂二由以下重量份的组分组成：氢氧化钠20～32份，碳酸钠21～28份，硫酸钠18～32份，偏铝酸钠18～36份；复合调节剂三由以下重量份的组分组成：氯化钙12～25份，氯化锂8～21份，三乙醇胺10～23份，硫铝酸盐水泥熟料32～68份。这种材料不仅具有可注性高、泵送性好、胶凝时间可控、早后期强度高、堵水能力强体积稳定性好固砂体抗渗透性好耐久性强价格适宜及环保无毒的优点，而且浆液能够在较宽温度及注浆压力下保持性能温度，为富水砂层注浆治理提供高效注浆材料。

采用化学注浆的方法对粉细砂层围岩进行加固，相较于水泥浆液，化学浆液更易注入到粉细砂层中，通过注浆用化学浆液替换出砂体中的孔隙水和空气，使粉细砂土胶结为一个整体，提高砂体的固结度和力学强度；通过施加注浆压力，使粉细砂土颗粒间相互挤压，使砂土结构变得致密、均匀，有效提高粉细砂层的物理力学性能，减少滑动面的产生。

中国专利CN103359970B公开了一种隧道同步注浆专用干粉型外加剂及其制备方法，该材料组成为：甲基纤维素醚0.9%～1.3%、萘系减水剂29.2%～39.2%、皂角素0.5%～0.9%、钠基膨润土29%～45%、消石灰22～32%。该发明不仅可用于干粉型同步注浆专用砂浆，也可用于预拌砂浆，储存简便，运输成本低。即便使用模数小于1.8的细砂也能生产出满足隧道同步注浆施工要求的浆液，浆液4h坍落度经时损失在30mm以内，在8h仍能保证质量。

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堵水注浆复合材料及其制备方法。

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堵水注浆复合材料及其制备方法。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：一种粉细砂地层的堵水注浆复合材料，由黑料和白料组成，其特征在于，原料按照重量份为，

白料 50-70份：

硅烷改性二氧化硅 2-4份；

羧甲基纤维素钠 4-5份；

水玻璃 10-15份；

聚醚多元醇 20-28份；

三乙烯二胺 0.2-1份；

水 余量；

黑料30-50份：

多异氰酸酯20-28份；

水 余量。

根据本发明所述的复合材料，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。

根据本发明所述的复合材料，其中，所述硅烷改性二氧化硅的平均粒径为50-100nm。

根据本发明所述的复合材料，其中，羧甲基纤维素钠的平均分子量M_w=22-28万道尔顿。

根据本发明所述的复合材料，其中，羧甲基纤维素钠的取代度DS=0.7-1.1。

根据本发明所述的复合材料，其中，所述水玻璃的波美度为50-55，模数为2.6-3.0。

根据本发明所述的复合材料，其中，所述聚醚多元醇的官能度为3。

根据本发明所述的复合材料，其中，所述聚醚多元醇的平均分子量M_w=4500-5200道尔顿。

根据本发明所述的复合材料，其中，所述多异氰酸酯选自二苯甲烷二异氰酸酯。

另一方面，本发明提供一种根据本发明所述的复合材料的制备方法，其特征在于，分别制备黑料和白料，在使用前将二者混合。

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以及羧甲基纤维素钠，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。而适量羧甲基纤维素钠的加入，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、4.5重量份羧甲基纤维素钠（M_w=25万道尔顿；取代度DS=0.9）、12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24重量份的聚醚多元醇360（官能度为3，平均分子量M_w=4800道尔顿）和16重量份水中，搅拌30min后静置，作为白料；将24重量份二苯甲烷二异氰酸酯MDI和16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4.97MPa。

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483kPa。

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3.57MPa。

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320kPa。

比较例2

将3重量份硅烷改性二氧化硅、12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24重量份的聚醚多元醇360（官能度为3，平均分子量M_w=4800）和16重量份水中，搅拌30min后静置，作为白料；将24重量份二苯甲烷二异氰酸酯MDI和16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4.06MPa。

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417kPa。

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 (10)

1.一种粉细砂地层的堵水注浆复合材料，由黑料和白料组成，其特征在于，原料按照重量份为，

白料 50-70份：

硅烷改性二氧化硅 2-4份；

羧甲基纤维素钠 4-5份；

水玻璃 10-15份；

聚醚多元醇 20-28份；

三乙烯二胺 0.2-1份；

水 余量；

黑料30-50份：

多异氰酸酯20-28份；

水 余量。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述硅烷改性二氧化硅的平均粒径为50-100nm。

4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，羧甲基纤维素钠的平均分子量M_w=22-28万道尔顿。

5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于，羧甲基纤维素钠的取代度DS=0.7-1.1。

6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述水玻璃的波美度为50-55，模数为2.6-3.0。

7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述聚醚多元醇的官能度为3。

8.根据权利要求7所述的复合材料，其特征在于，所述聚醚多元醇的平均分子量M_w=4500-5200。

9.根据权利要求8所述的复合材料，其特征在于，所述多异氰酸酯选自二苯甲烷二异氰酸酯。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，分别制备黑料和白料，在使用前将二者混合。