CN114349931B

CN114349931B - 一种改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN114349931B
Application number: CN202210026813.2A
Authority: CN
Inventors: 李树忱; 刘日成; 万泽恩; 陈祎; 刘祥坤; 王新宇; 彭科峰; 童里
Original assignee: Shandong Hongyu Engineering Technology Co ltd; China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: Shandong Hongyu Engineering Technology Co ltd; China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2042-01-11
Also published as: CN114349931A

Abstract

本发明公开了一种改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法与应用，属于注浆加固技术领域。所述改性硅酸盐注浆加固材料包括A、B两组分；A组分由如下重量份的原料组成：水玻璃80～120份、催化剂1～15份；B组分由如下重量份的原料组成：氰酸酯类物质80～120份、聚醚多元醇树脂10～20份、触变剂8～10份、促溶剂8～10份。使用时将A组分和B组分按体积比为1：1混合注浆。所述改性硅酸盐注浆材料固结体抗压强度较高，韧性好，可以满足绝大部分工程需求，粘性低，流动性好，具有良好的触变性，可以有效充满破碎岩体，明显增强代加固部分的连接，提高待加固体强度。所述注浆加固材料制备方法简单，易于操作，环保无污染。

Description

一种改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于注浆加固技术领域，具体涉及一种改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法与应用。

背景技术

在进行隧道等地下工程施工时，施工所造成的扰动会对周边软弱地质体产生较大影响。如不加以控制，则会造成巨大的工程灾害，影响施工的正常进行。为防止灾害发生，通常向软弱地质体中注入加固材料，固结土的颗粒并充塞岩层裂缝，使得地质体的力学性质得到改善。

硅酸盐改性注浆材料是一种新型的高分子注浆加固材料。具有应用安全、可靠性高、力学性能优异、成本低廉、成分简单的优点。近几年来在地下工程领域得到了广泛应用。但经过大量的工程实践发现，水玻璃注浆加固料固结后强度偏低，在某些特定环境无法解决工程技术问题，还无法替代某些化学注浆加固材料。另外，水玻璃浆材的耐久性低，水玻璃凝胶固化后，未反应的水玻璃在凝胶后析出，引起脱水收缩，造成抗渗性降低，从而耐久性降低。不能有效充填岩层裂缝，严重影响加固区的使用寿命，影响施工的安全进行，后期影响到工程安全。因此，如何克服现有水玻璃注浆加固材料强度低、韧性差、粘结力弱及耐久性差的问题，是本领域技术人员亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的是克服现有水玻璃注浆加固材料强度低、韧性差、粘结力弱及耐久性差的问题，提供一种强度高、韧性好、渗透性好、粘结性能强、耐久性好且具有良好触变性的改性硅酸盐注浆加固材料。

为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

本发明的技术方案之一，一种改性硅酸盐注浆加固材料，包括A、B两组分；

A组分由如下重量份的原料组成：水玻璃80～120份、催化剂1～15份；

B组分由如下重量份的原料组成：氰酸酯类物质80～120份、聚醚多元醇树脂10～20份、触变剂8～10份、促溶剂8～10份。

进一步地，所述水玻璃为硅酸钠溶液和硅酸钾溶液的混合物，按体积比计，硅酸钠溶液：硅酸钾溶液＝4:1。

进一步地，所述硅酸钠溶液的模数为2.0～2.7，所述硅酸钠溶液的波美度为42～52°，所述硅酸钾溶液的模数为3.6～3.8，所述硅酸钾溶液的波美度为34～38°。

模数和波美度是硅酸钠和硅酸钾的重要性能，模数越大，含Si量越大，粘结力也就越大，但也会更加难溶于水，所以要选择合适的范围，波美度表示溶液的浓度，浓度越大，含硅酸钠和硅酸盐越多，本发明选择的硅酸钠和硅酸钾的模数及波美度的范围可以使最终的加固材料具有良好的溶解性和粘结力。

进一步地，所述催化剂为三亚乙基二胺和油酸钾的混合物，按质量比计，三亚乙基二胺：油酸钾＝1:1。

催化剂用于连接具有不同化学结构的材料，增加有机物与无机物的结合。

进一步地，所述异氰酸酯物质为异佛尔酮二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的一种或多种。

异氰酸酯基(-NCO)具有高度不饱和结构，可与含有活泼氢的聚醚/聚酯多元醇反应生成氨基甲酸酯基(-NHCOO)(聚氨酯的主要合成反应)，可与氨基反应生成取代脲，还可与水反应生成氨基甲酸，并迅速分解为CO₂及胺，使最终得到的固结体具有较高的抗压强度和较好的韧性。

进一步地，所述聚醚多元醇树脂为聚醚二元醇树脂、聚醚三元醇树脂中的一种或多种。

进一步地，所述触变剂为气相二氧化硅或沉淀二氧化硅。

气相二氧化硅或沉淀二氧化硅作为触变剂，能加速反应进行。

进一步地，所述促溶剂为蓖麻油甲酸酯、乙二醇二乙酸酯、柠檬酸三丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种。

本发明的技术方案之二，一种上述改性硅酸盐注浆加固材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在水玻璃中加入催化剂，搅拌10～60min，得到A组分；

(2)在异氰酸酯类物质中加入聚醚多元醇树脂、触变剂、促溶剂，搅拌10～60min，得到B组分。

进一步地，步骤(1)中所述搅拌的转速为110～150r/min，步骤(2)中所述搅拌的转速为70～110r/min。

本发明的技术方案之三，一种上述改性硅酸盐注浆加固材料在注浆加固中的应用。

进一步地，将A组分和B组分按体积比为1：1混合注浆。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的改性硅酸盐注浆材料固结体抗压强度较高，韧性好，可以满足绝大部分工程需求，粘性低，流动性好，具有良好的触变性，可以有效充满破碎岩体，明显增强待加固部分的连接，提高待加固体强度。本发明提供的改性硅酸盐注浆材料反应温度低，在0℃及以下的温度条件下即可反应，无高温安全隐患；同时不含有机阻燃剂成分，属绿色环保新型材料，注入地层后，对环境无影响，环保要求完全达标。本发明提供的改性硅酸盐注浆材料性能稳定，可注性好，应用范围广泛，可用于煤层地质、水利水电、地下工程、地铁隧道等领域的岩土加固。同时，本发明提供的改性硅酸盐注浆材料制备方法简单，易于操作，所用聚氨酯原料无需预聚，从而降低成本和能耗。

(2)本发明提供的改性硅酸盐注浆材料的配方原材料中未使用改性MDI，材料性能比较稳定，受复配因子影响小。材料固化强度可达到55MPa以上，固结体抗压强度较高，韧性好，可以满足绝大部分工程需求，非常适用于要求较高的岩层地质加固。

(3)本发明提供的改性硅酸盐注浆材料，在水玻璃中加入醇类物质，改善材料韧性，材料抗拉强度可大于20MPa,加入催化剂，方便调节反应速度，材料固化时间甚至可控制在1min以内。

(4)本发明提供的改性硅酸盐注浆材料A、B组分在混合反应过程中，不与水反应，能在水下亦能凝结成型，强度受影响较小，能够加固有水裂隙。本发明提供的改性硅酸盐注浆材料A、B组分在混合反应过程中，反应温度低，无高温安全隐患，完全克服了传统聚氨酯加固材料反应温度高的不足，因此，特别适用于高温高瓦斯煤矿的加固处理。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

以下各实施例和对比例中使用的水玻璃由硅酸钠溶液和硅酸钾溶液按体积比4:1混合而成，其中硅酸钠溶液的模数为2.4，波美度为45°，硅酸钾溶液的模数为3.6，波美度为35°；使用的催化剂由三亚乙基二胺和油酸钾按质量比1:1混合而成。

实施例1

A组分：取90重量份的水玻璃、5份催化剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌20分钟，得到A液备用；

B组分：取90份异佛尔酮二异氰酸酯、10份聚醚二元醇树脂、8份沉淀二氧化硅、8份蓖麻油甲酸酯依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

实施例2

A组分：取95重量份的水玻璃、5份催化剂依次加入搅拌机中，以145r/min的转速搅拌25分钟，得到A液备用；

B组分：取95份异佛尔酮二异氰酸酯、15份聚醚二元醇树脂、8份沉淀二氧化硅、8份蓖麻油甲酸酯依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

实施例3

A组分：取100重量份的水玻璃、10份催化剂依次加入搅拌机中，以145r/min的转速搅拌25分钟，得到A液备用；

B组分：取100份异佛尔酮二异氰酸酯、20份聚醚二元醇树脂、6份沉淀二氧化硅、8份蓖麻油甲酸酯依次加入搅拌机中，以130r/min的转速搅拌25分钟，得到B液备用；

使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

对比例1

B组分：取95份异佛尔酮二异氰酸酯、15份聚醚二元醇树脂、8份蓖麻油甲酸酯依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

对比例2

A组分：取95重量份的水玻璃、5份三亚乙基二胺依次加入搅拌机中，以145r/min的转速搅拌25分钟，得到A液备用；

对比例3

A组分：取95重量份的水玻璃、5份油酸钾依次加入搅拌机中，以145r/min的转速搅拌25分钟，得到A液备用；

效果验证

分别取实施例1-3和对比例1-3制得的改性硅酸盐注浆材料进行注浆加固试验(A、B液按体积比1:1混合)，试验方法及标准参照《岩石物理力学性质试验规程》。各实施例和对比例的性能指标如表1所示。

表1

编号	固化时间(s)	固结体强度(MPa)	触变系数	初始粘度(MPa*s)
					实施例1	91	41	0.51	37
实施例2	84	44	0.58	32
					实施例3	95	45	0.63	30
对比例1	99	39	0.49	38
					对比例2	98	35	0.49	39
对比例3	97	38	0.47	40

选择权利要求中所述的多亚甲基多苯基多异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的一种或多种作为异氰酸酯类物质，聚聚醚三元醇树脂或聚醚二元醇树脂和聚醚三元醇树脂作为聚醚多元醇树脂，气相二氧化硅作为触变剂，乙二醇二乙酸酯、柠檬酸三丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种作为促溶剂时，在权利要求范围内各组分选择其他份数时，以及在权利要求范围内硅酸钠溶液和硅酸钾溶液选择其他模数和波美度时，得到的改性硅酸盐注浆加固材料具有与以上实施例相同或相似的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的护范围之内。

Claims

1.一种改性硅酸盐注浆加固材料，其特征在于，包括A、B两组分；

B组分由如下重量份的原料组成：异氰酸酯物质80～120份、聚醚多元醇树脂10～20份、触变剂8～10份、促溶剂8～10份；

所述水玻璃为硅酸钠溶液和硅酸钾溶液的混合物，按体积比计，硅酸钠溶液：硅酸钾溶液＝4:1；

所述硅酸钠溶液的模数为2.0～2.7，所述硅酸钠溶液的波美度为42～52°，所述硅酸钾溶液的模数为3.6～3.8，所述硅酸钾溶液的波美度为34～38°；

所述触变剂为沉淀二氧化硅；

所述催化剂为三亚乙基二胺和油酸钾的混合物，按质量比计，三亚乙基二胺：油酸钾＝1:1；

所述异氰酸酯物质为异佛尔酮二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的一种或多种；

所述聚醚多元醇树脂为聚醚二元醇树脂、聚醚三元醇树脂中的一种或多种；

所述促溶剂为蓖麻油甲酸酯、乙二醇二乙酸酯、柠檬酸三丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或多种；

所述A组分和B组分的体积比为1：1。

2.一种根据权利要求1所述的改性硅酸盐注浆加固材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在水玻璃中加入催化剂，搅拌10～60min，得到A组分；

(2)在异氰酸酯物质中加入聚醚多元醇树脂、触变剂、促溶剂，搅拌10～60min，得到B组分。

3.一种根据权利要求1所述的改性硅酸盐注浆加固材料在注浆加固中的应用。