CN114573290A - 一种可快速凝结的单组分活性同步注浆液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可快速凝结的单组分活性同步注浆液，由以下质量份的原料组成：水泥100份、粉煤灰240～270份、膨润土65～80份、砂500～550份、高效抗分散剂5～7份、封装速凝剂胶囊0.5～1.5份、洁净水360份～390份，其中，所述封装速凝剂胶囊的外部为水溶性封装材料，内部为速凝剂。本发明通过在同步注浆单浆液中引入自制的高效抗分散剂，大幅度提升浆液自身粘聚性；同时掺入囊芯为速凝剂的水溶性封装胶囊，在保证浆液良好工作性能的同时，显著提高了单浆液的早期强度，加强凝结块在土体与管片之间快速提供抗浮支撑，抑制同步注浆尚未凝固隧道段产生的浮力，控制隧道管片结构的变形。

Description

一种可快速凝结的单组分活性同步注浆液及其制备方法

技术领域

本发明涉及同步注浆液领域。更具体地说，本发明涉及一种可快速凝结的单组分活性同步注浆液及其制备方法。

背景技术

地下空间利用逐渐成为城市发展的趋势，尤其是城市地铁隧道的建设，但盾构法隧道施工过程中一般会引起地表沉降，其中以管片壁后空隙沉降为主。控制管片壁后沉降的关键在对管片壁后进行有效充填，因此需从盾尾向壁后充填同步注浆浆液。适宜的同步注浆浆液凝结时间对控制盾构法施工管片稳定至关重要。一般同步注浆有单液浆和双液浆两种，各有优缺点。

双液浆：优点是大量使用水玻璃，浆液凝结快，隧道超挖空隙可以迅速填充具有一定强度的材料，地表沉降小，隧道上浮控制较好。但是大规模使用耐久性较差，有时会回流盾尾刷，损坏盾尾刷，引发安全风险，国内有些行业已禁止使用。单液浆：优点是稳定性好，耐久性好，但是凝结时间较长，调配凝结时间短时，浆液有可能引发注浆管堵塞以及盾构刷固结，具有巨大风险。若隧道结构长期处在未凝结的浆液中，浮力会造成隧道剪切受力，严重时会破坏隧道结构；特别是在岩层中施工时，由于围岩的自承作用，荷载无法及时生效，隧道上浮十分严重，隧道结构开裂显现比较普遍。

发明内容

本发明提供一种在高渗透、高水压的富水地层中不分散速溶快凝型同步注浆及其制备方法，制备同步注浆液时加入采用羧甲基壳聚糖封装的速凝剂，实现浆液凝结时间可控，且需要时可快速凝结硬化，降低脱出盾构管片的浮力，保护隧道结构完整。通过引入由硫酸铝，十六烷基三丙级溴化铵，纳米二氧化硅，烷基酰胺甜菜碱，聚醚制备的高效抗分散剂，增大同步注浆液粘稠度，阻碍浆液中水分子的迁移，提升浆体内部结构密实度，保证同步注浆过程中浆液不会逸散流失；

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，一方面，本发明的一优选实施方案提供了一种可快速凝结的单组分活性同步注浆液，由以下质量份的原料组成：水泥100份、粉煤灰240～270份、膨润土65～80份、砂500～550份、高效抗分散剂5～7份、封装速凝剂胶囊0.5～1.5份、洁净水360份～390份；

其中，所述封装速凝剂胶囊的外部为水溶性封装材料，内部为速凝剂。

上述实施方案中，掺入少量的封装速凝剂胶囊，其中，封装速凝剂胶囊是利用水溶性封装材料将速凝剂密封在内，将掺杂封装速凝剂胶囊的单组分活性同步注浆液注入土体与管片之间，一段时间后，封装速凝剂的水溶性封装材料溶解，释放速凝剂，速凝剂与单液浆反应，局部迅速生成加强凝结块，使单浆液局部能够快速凝固，局部加强凝结块在土体与管片之间快速提供抗浮支撑，抑制同步注浆尚未凝固隧道段产生的浮力，控制隧道管片结构的变形。

优选地，所述水泥为强度等级42.5级的普通硅酸盐水泥；水泥与封装速凝剂胶囊的重量比为90～100:0.1～10，该掺量下的封装速凝剂胶囊可调节同步注浆液的凝结硬化时间，满足不同情况下的施工需求。

所述粉煤灰为II级灰，密度为2440kg/m³，烧失量小于2.3％，需水比为105％，45μm方孔筛余量不大于20％。

优选地，所述膨润土为纳基膨润土，细度规格为200目；所述砂为天然河砂，细度模数为1.8～2.2，含泥量不高于2.0％，不含泥块。

优选地，所述高效抗分散剂由硫酸铝，十六烷基三甲基溴化铵，纳米二氧化硅，烷基酰胺甜菜碱及聚醚以重量比(15～30):(12～20):(2～5):(15～25):(10～20)制备而成，具体制备步骤如下所示：

1)按上述比例将硫酸铝、聚醚加入反应釜中，常温下均匀搅拌3h；

2)再按上述比例将十六烷基三甲基溴化铵与烷基酰胺甜菜碱的混合物掺入到反应釜中，保持50～70℃反应1.5～3小时，得到胶体材料；

3)将胶体材料置于20℃去离子水中，加入上述比例的纳米二氧化硅以及质量分数3.0％的三聚磷酸钠水溶液，搅拌30min，即可得到液体高效抗分散剂。

通过在单浆液中掺入高效抗分散剂，增大同步注浆液粘稠度，阻碍浆液中水分子的迁移，提升浆体内部结构密实度，保证同步注浆过程中浆液不会逸散流失；可显著提高浆液的抗水分散性能，烷基酰胺甜菜碱具有长链结构，其水溶液会形成缠接的胶束网络，能够对水泥和粉煤灰等颗粒起到吸附作用，通过分子链将颗粒连接在一起形成架桥；同时纳米二氧化硅具有非常大的比表面积，在浆液稳定性提高的同时，又能有效填充浆液内部孔隙结构，进一步提升单浆液凝聚性，避免同步注浆液在水流作用下分散逸浆。

优选地，所述封装速凝剂胶囊由以下步骤制备得到：利用水溶性封装材料将速凝剂密封在内，形成封装速凝剂胶囊，通过调节胶囊的囊壁厚度，控制胶囊水溶时间；胶囊大小满足盾构机注浆管道流动性要求，

通过调节封装速凝剂的胶囊的厚度及材料，控制胶囊水溶时间，控制在盾构外部特定的时间能融化释放速凝剂，避免速凝剂的快速凝结糊住盾构刷，引发盾构机系统故障。

胶囊形状为球形，其直径为0.1～0.7mm。该直径范围内的球形胶囊，在与同步注浆液混合搅拌时，能较为均匀的分散在浆液内，不易出现团聚。

优选地，所述水溶性封装微胶囊采用以下步骤制备得到：

将壳聚糖溶于稀乙酸中，用过量的丙酮沉淀，得到壳聚糖乙酸盐，转入带有搅拌的反应瓶中，加入质量分数20％的NaOH溶液和异丙醇，边搅拌边滴加氯乙酸的异丙醇溶液，控制反应温度为60～80℃，反应数小时，冷却至室温，用稀酸调pH值至中性，用专利分数85％甲醇洗涤，即得羧甲基壳聚糖溶液，喷至囊芯表面后干燥，即可得到水溶性封装微胶囊。

优选地，利用水溶性封装材料将速凝剂密封在内中，所述水溶性封装微胶囊采用两仓独立设置，用于分别封装两种不同的速凝剂材料，两种速凝剂材料均可自行与同步注浆料反应。胶囊采用两仓独立设置，可将两种速凝剂分别储存，避免互相混合发生化学反应，降低对同步注浆液的凝结硬化作用；采用不同速凝剂同时加入浆液中，可产生增强效应，进一步促进同步注浆液的水化反应。

优选地，两种速凝剂材料分别为水玻璃和三乙醇胺，二者的重量比为1:1～1:3。

优选地，所述水溶性封装微胶囊的囊芯和囊壁的重量比为1:0.15～1:0.45。当囊芯和囊壁的重量比在此范围内时，胶囊的稳定性良好，易于保存。

另一方面，本发明的一优选实施方案提供了一种可快速凝结的单组分活性同步注浆液的制备方法，包括以下步骤：

S1、按上述质量份取水泥、粉煤灰、膨润土、砂混合，搅拌30s后得到均匀混合的干混料；

S2、将上述质量份的高效抗分散剂加入水中，混合均匀后再加入到干混料，搅拌后得到均匀混合浆液；

S3、向上述混合浆液中加入封装速凝剂胶囊，均匀混合后按国家标准成型养护，即可得到所述单组分活性同步注浆液。

本发明至少包括以下有益效果：通过在同步注浆单浆液中引入自制的高效抗分散剂，大幅度提升浆液自身粘聚性；同时掺入囊芯为速凝剂的水溶性封装胶囊，在保证浆液良好工作性能的同时，显著提高了单浆液的早期强度，加强凝结块在土体与管片之间快速提供抗浮支撑，抑制同步注浆尚未凝固隧道段产生的浮力，控制隧道管片结构的变形。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

实施例1

(1)高效抗分散剂的合成：将15份硫酸铝及10份聚醚加入反应釜中，常温下均匀搅拌3h，再将12份十六烷基三甲基溴化铵，15份烷基酰胺甜菜碱的混合物掺入到反应釜中，保持60℃反应2小时，得到胶体材料；随后将胶体材料置于20℃去离子水中，加入2份纳米二氧化硅及其质量分数3.0％的三聚磷酸钠，使用高速搅拌器高速(2000r/min)搅拌30min，水浴超声分散30min，即可得到所需的液体高效抗分散剂。

(2)囊芯为速凝剂的水溶性胶囊的制备：将1份水玻璃和1份三乙醇胺分别制备成粉末状囊芯，分别置于两个囊仓中；将0.15份壳聚糖溶于稀乙酸中，用过量的丙酮沉淀，得到壳聚糖乙酸盐，转入带有搅拌的反应瓶中，加入20％的NaOH溶液和异丙醇，边搅拌边滴加氯乙酸的异丙醇溶液，控制反应温度为70℃，反应数小时，冷却至室温，用稀酸调pH值至中性，用85％甲醇洗涤，即得羧甲基壳聚糖溶液，喷至囊芯表面后干燥，即可得到微胶囊。

(3)同步注浆单浆液的制备：取普通硅酸盐水泥100份、粉煤灰240份、膨润土65份、砂500份混合，搅拌30s后得到均匀混合的干混料；将5份高效抗分散剂加入360份水中，混合均匀后再加入到干混料，搅拌4～6min后得到均匀混合浆液；向上述混合浆液中加入囊芯为速凝剂的水溶性封装胶囊0.5份，搅拌2～3min均匀混合后按国家标准成型养护，即可得到所述的适用于高渗透、高水压的富水地层中的同步注浆单浆液。

实施例2

(1)高效抗分散剂的合成：将20份硫酸铝及12份聚醚加入反应釜中，常温下均匀搅拌3h，再将14份十六烷基三甲基溴化铵，18份烷基酰胺甜菜碱的混合物掺入到反应釜中，保持60℃反应2小时，得到胶体材料；随后将胶体材料置于20℃去离子水中，加入2份纳米二氧化硅及其质量分数3.0％的三聚磷酸钠，使用高速搅拌器高速(2000r/min)搅拌30min，水浴超声分散30min，即可得到所需的液体高效抗分散剂。

(2)囊芯为速凝剂的水溶性胶囊的制备：将1份水玻璃和2份三乙醇胺分别制备成粉末状囊芯，分别置于两个囊仓中；将0.20份壳聚糖溶于稀乙酸中，用过量的丙酮沉淀，得到壳聚糖乙酸盐，转入带有搅拌的反应瓶中，加入20％的NaOH溶液和异丙醇，边搅拌边滴加氯乙酸的异丙醇溶液，控制反应温度为70℃，反应数小时，冷却至室温，用稀酸调pH值至中性，用85％甲醇洗涤，即得羧甲基壳聚糖溶液，喷至囊芯表面后干燥，即可得到微胶囊。

(3)同步注浆单浆液的制备：取普通硅酸盐水泥100份、粉煤灰245份、膨润土70份、砂510份混合，搅拌30s后得到均匀混合的干混料；将5份高效抗分散剂加入370份水中，混合均匀后再加入到干混料，搅拌4～6min后得到均匀混合浆液；向上述混合浆液中加入囊芯为速凝剂的水溶性封装胶囊0.75份，搅拌2～3min均匀混合后按国家标准成型养护，即可得到所述的适用于高渗透、高水压的富水地层中的同步注浆单浆液。

实施例3

(1)高效抗分散剂的合成：将25份硫酸铝及16份聚醚加入反应釜中，常温下均匀搅拌3h，再将17份十六烷基三甲基溴化铵，22份烷基酰胺甜菜碱的混合物掺入到反应釜中，保持60℃反应2小时，得到胶体材料；随后将胶体材料置于20℃去离子水中，加入4份纳米二氧化硅及其质量分数3.0％的三聚磷酸钠，使用高速搅拌器高速(2000r/min)搅拌30min，水浴超声分散30min，即可得到所需的液体高效抗分散剂。

(2)囊芯为速凝剂的水溶性胶囊的制备：将1份水玻璃和2份三乙醇胺分别制备成粉末状囊芯，分别置于两个囊仓中；将0.30份壳聚糖溶于稀乙酸中，用过量的丙酮沉淀，得到壳聚糖乙酸盐，转入带有搅拌的反应瓶中，加入20％的NaOH溶液和异丙醇，边搅拌边滴加氯乙酸的异丙醇溶液，控制反应温度为70℃，反应数小时，冷却至室温，用稀酸调pH值至中性，用85％甲醇洗涤，即得羧甲基壳聚糖溶液，喷至囊芯表面后干燥，即可得到微胶囊。

(3)同步注浆单浆液的制备：取普通硅酸盐水泥100份、粉煤灰260份、膨润土75份、砂530份混合，搅拌30s后得到均匀混合的干混料；将高效抗分散剂6份加入水380份中，混合均匀后再加入到干混料，搅拌4～6min后得到均匀混合浆液；向上述混合浆液中加入囊芯为速凝剂的水溶性封装胶囊1份，搅拌2～3min均匀混合后按国家标准成型养护，即可得到所述的适用于高渗透、高水压的富水地层中的同步注浆单浆液。

实施例4

(1)高效抗分散剂的合成：将28份硫酸铝及20份聚醚加入反应釜中，常温下均匀搅拌3h，再将18份十六烷基三甲基溴化铵，25份烷基酰胺甜菜碱的混合物掺入到反应釜中，保持60℃反应2小时，得到胶体材料；随后将胶体材料置于20℃去离子水中，加入4份纳米二氧化硅及其质量分数3.0％的三聚磷酸钠，使用高速搅拌器高速(2000r/min)搅拌30min，水浴超声分散30min，即可得到所需的液体高效抗分散剂。

(2)囊芯为速凝剂的水溶性胶囊的制备：将1份水玻璃和3份三乙醇胺分别制备成粉末状囊芯，分别置于两个囊仓中；将0.40份壳聚糖溶于稀乙酸中，用过量的丙酮沉淀，得到壳聚糖乙酸盐，转入带有搅拌的反应瓶中，加入20％的NaOH溶液和异丙醇，边搅拌边滴加氯乙酸的异丙醇溶液，控制反应温度为70℃，反应数小时，冷却至室温，用稀酸调pH值至中性，用85％甲醇洗涤，即得羧甲基壳聚糖溶液，喷至囊芯表面后干燥，即可得到微胶囊。

(3)同步注浆单浆液的制备：取普通硅酸盐水泥100份、粉煤灰265份、膨润土80份、砂540份混合，搅拌30s后得到均匀混合的干混料；将高效抗分散剂7份加入水385份中，混合均匀后再加入到干混料，搅拌4～6min后得到均匀混合浆液；向上述混合浆液中加入囊芯为速凝剂的水溶性封装胶囊1.5份，搅拌2～3min均匀混合后按国家标准成型养护，即可得到所述的适用于高渗透、高水压的富水地层中的同步注浆单浆液。

对比例1

参照实施例1的同步注浆单浆液的制备方法，不同的是直接采用常规同步注浆材料制备在富水地区适用的单浆液，不加入高效抗分散剂、囊芯为速凝剂的微胶囊。

对比例2

参照实施例1的同步注浆单浆液的制备方法，不同的是仅掺用高效抗分散制备在富水地区适用的单浆液，不加入囊芯为速凝剂的微胶囊。

对比例3

参照实施例1的同步注浆单浆液的制备方法，不同的是仅掺用囊芯为速凝剂的微胶囊制备在富水地区适用的单浆液，不加入高效抗分散剂。

实施效果验证

将本发明实施例1～4和对比例1～3的同步注浆单浆液的稠度、流动度、凝结时间参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测定；浆液抗水分散试验参照DI/T 5177_2000《水下不分散混凝土实验规范》进行。抗压强度参照GB/T 17671_2020《水泥胶砂强度检验方法》进行测试。测试基准配比为：100份42.5普通硅酸盐水泥、粉煤灰240份、膨润土65份、砂500份、5份高效抗分散剂、360份水、0.5份水溶性封装速凝剂胶囊。测试结果见下表1。

表1各样品同步注浆单浆液性能测试结果

由上表1可知，对比例1相比，采用本发明制备的同步注浆液具有稠度大，可施工性的优点，其流动度均高于对比例1-3，最终成型后1d抗压强度及水路强度比均高于对比例，说明实施例制备的同步注浆单浆液具有高粘度、大流动性、良好的防水能力及早期强度高等特点，能显著改进单浆液的工作性能及力学性能。

对比例1与实施例1相比，同步注浆单浆液所需原材料及制备方法相同，但未加入自制的高效抗分散剂及囊芯为速凝剂的微胶囊。与实施例1相比，对比例1制备的同步注浆液稠度降低了28.8％，1d陆、水抗压强度分别降低21.4％、25.0％，力学性能及工作性能均大幅降低。

对比例2与实施例1相比，同步注浆单浆液所需原材料及制备方法相同，加入自制的高效抗分散剂，但未加入囊芯为速凝剂的微胶囊。与实施例1相比，对比例2制备的同步注浆液稠度仅降低了8.7％，初始流动度减小了16.4％，1d陆、水抗压强度分别降低10.7％、8.3％，力学性能及工作性能均降低。

对比例3与实施例1相比，同步注浆单浆液所需原材料及制备方法相同，加入囊芯为速凝剂的微胶囊，但未加入自制的高效抗分散剂。与实施例1相比，对比例3制备的同步注浆液稠度降低了26.2％，初始流动度减小了34.8％，1d陆、水抗压强度分别降低3.6％、4.2％，力学性能及工作性能均降低。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (10)

1.一种可快速凝结的单组分活性同步注浆液，其特征在于，由以下质量份的原料组成：水泥100份、粉煤灰240～270份、膨润土65～80份、砂500～550份、高效抗分散剂5～7份、封装速凝剂胶囊0.5～1.5份、洁净水360份～390份，

其中，所述封装速凝剂胶囊的外部为水溶性封装材料，内部为速凝剂。

2.根据权利要求1所述的可快速凝结的单组分活性同步注浆液，其特征在于，所述水泥为强度等级42.5级的普通硅酸盐水泥；水泥与封装速凝剂胶囊的重量比为90～100:0.1～10；

所述粉煤灰为II级灰，密度为2440kg/m³，烧失量小于2.3％，需水比为105％，45μm方孔筛余量不大于20％。

3.根据权利要求1所述的可快速凝结的单组分活性同步注浆液，其特征在于，所述膨润土为纳基膨润土，细度规格为200目；所述砂为天然河砂，细度模数为1.8～2.2，含泥量不高于2.0％，不含泥块。

4.根据权利要求1所述的可快速凝结的单组分活性同步注浆液，其特征在于，所述高效抗分散剂由硫酸铝，十六烷基三甲基溴化铵，纳米二氧化硅，烷基酰胺甜菜碱及聚醚以重量比(15～30):(12～20):(2～5):(15～25):(10～20)制备而成，具体制备步骤如下所示：

1)按上述比例将硫酸铝、聚醚加入反应釜中，常温下均匀搅拌3h；

2)再按上述比例将十六烷基三甲基溴化铵与烷基酰胺甜菜碱的混合物掺入到反应釜中，保持50～70℃反应1.5～3小时，得到胶体材料；

3)将胶体材料置于20℃去离子水中，加入上述比例的纳米二氧化硅以及质量分数3.0％的三聚磷酸钠水溶液，搅拌30min，即可得到液体高效抗分散剂。

5.根据权利要求1所述的可快速凝结的单组分活性同步注浆液，其特征在于，所述封装速凝剂胶囊由以下步骤制备得到：利用水溶性封装材料将速凝剂密封在内，形成封装速凝剂胶囊，通过调节胶囊的囊壁厚度，控制胶囊水溶时间；胶囊大小满足盾构机注浆管道流动性要求。

6.根据权利要求5所述的可快速凝结的单组分活性同步注浆液，其特征在于，所述水溶性封装微胶囊采用以下步骤制备得到：

将壳聚糖溶于稀乙酸中，用过量的丙酮沉淀，得到壳聚糖乙酸盐，转入带有搅拌的反应瓶中，加入质量分数20％的NaOH溶液和异丙醇，边搅拌边滴加氯乙酸的异丙醇溶液，控制反应温度为60～80℃，反应数小时，冷却至室温，用稀酸调pH值至中性，用专利分数85％甲醇洗涤，即得羧甲基壳聚糖溶液，喷至囊芯表面后干燥，即可得到水溶性封装微胶囊。

7.根据权利要求5所述的可快速凝结的单组分活性同步注浆液，其特征在于，利用水溶性封装材料将速凝剂密封在内中，所述水溶性封装微胶囊采用两仓独立设置，用于分别封装两种不同的速凝剂材料，两种速凝剂材料均可自行与同步注浆料反应。

8.根据权利要求6所述的可快速凝结的单组分活性同步注浆液，其特征在于，两种速凝剂材料分别为水玻璃和三乙醇胺，二者的重量比为1:1～1:3。

9.根据权利要求6所述的可快速凝结的单组分活性同步注浆液，其特征在于，所述水溶性封装微胶囊的囊芯和囊壁的重量比为1:0.15～1:0.45。

10.一种如权利要求1-9任一所述的可快速凝结的单组分活性同步注浆液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、按上述质量份取水泥、粉煤灰、膨润土、砂混合，搅拌30s后得到均匀混合的干混料；

S2、将上述质量份的高效抗分散剂加入水中，混合均匀后再加入到干混料，搅拌后得到均匀混合浆液；

S3、向上述混合浆液中加入封装速凝剂胶囊，均匀混合后按国家标准成型养护，即可得到所述单组分活性同步注浆液。