CN115011317A - 一种盾构制浆用材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构制浆用材料及其制备方法。该盾构制浆用材料包括：膨润土，40~85%;水溶性高分子聚合物，3~10%；增粘剂，10~38%；碱度调节剂，2~5%。该制备方法包括：将膨润土、碱度调节剂加入混料机中预先混合钠化，然后再加入水溶性高分子聚合物、增粘剂，搅拌均匀后得到盾构制浆用材料。本发明旨在提供盾构制浆用材料及其制备方法，制得的盾构制浆材料是一种优良的泥水优化处理剂，能根据不同的施工地质状况，有效地与切削下泥土中的有益颗粒产生浮选作用，在旋喷加固或搅拌加固区建立良好的泥水体系，使泥水具有良好的流变性，防止因压力激动产生冒顶事故，控制地面沉降，并具有良好的润滑保护作用。

Description

一种盾构制浆用材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑施工材料技术领域，尤其涉及一种盾构制浆材料及其制备方法。

背景技术

随着我国城市地铁、高速公路隧道、铁路隧道以及引水隧洞等工程的大规模兴建，盾构隧道技术的应用越来越广泛。在盾构法开掘隧道的过程中，由于盾构机的外径比隧道管片的外径大，盾构机通过后在衬砌管片与天然土层(或岩层)之间留下100～200mm的环形空隙。为防止地面沉降，需要在环形空隙中注入泥浆。注入泥浆后起到了支撑地层、确保早期管片衬砌的稳定性和提高隧道防水性能等作用。

在低渗透的粘土及粉质粘土等地层，泥浆容易在开挖面上形成泥膜。但在粉细砂甚至砾砂等高渗透地层中，泥浆极易穿透地层直接渗出，无法在开挖面上形成泥膜，这将导致泥浆大量滤失，泥水压力无法保持，从而诱发开挖面失稳等事故发生。然而，泥水盾构多用于穿越城市、江河湖泊等危险地带，一旦发生开挖面失稳等事故，后果将不堪设想。因此，如何在高渗透地层表面形成良好的泥膜，降低滤失，已经成为工程界备受关注的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种盾构制浆用材料及其制备方法，制得的盾构制浆材料是一种优良的泥水优化处理剂，用量少，能根据不同的施工地质状况，有效地与切削下泥土中的有益颗粒产生浮选作用，在旋喷加固或搅拌加固区建立良好的泥水体系，使泥水具有良好的流变性，分散均匀性，防止因压力激动产生冒顶事故，控制地面沉降，并具有良好的润滑保护作用，能减少刀具和泥水管路的磨损。

本发明采用的技术方案是：

一种盾构制浆用材料，以质量之和为100%计，包括：

膨润土，40~85%;

水溶性高分子聚合物，3~10%；

增粘剂，10~38%；

碱度调节剂，2~5%

其中，膨润土中的一部分或者全部先后采用插层改性工艺处理和气体吸附工艺处理。

进一步地，插层改性工艺处理的具体步骤包括：

步骤SA1，将膨润土平铺、敞放于自然环境中30~60min，收集后快速升温至400~450℃，进行一次煅烧，煅烧时间30~60min，冷却备用；

步骤SA2，将造孔剂分散于去离子水中，得到造孔剂溶液，控制固含量在20~30%，备用；

步骤SA3，对步骤SA1中得到的膨润土进行连续搅拌，维持搅拌速度为200~300rpm，然后按照膨润土和造孔剂溶液的重量比为20~40：1的比例，将步骤SA2中得到的造孔剂溶液雾化后喷洒到膨润土中；造孔剂溶液加入完毕后，继续搅拌10~30min；

步骤SA4，将步骤SA3中得到的膨润土和造孔剂溶液的混合物快速升温至400~450℃，进行二次煅烧，煅烧时间5~12h，冷却备用；

步骤SA5，对步骤SA4中得到的膨润土进行一次研磨，而后一次筛分，筛网目数200目，备用；

步骤SA6，将按照丙烯酸、偶氮二异丁腈和丙酮的重量比为10~15：1：100~150的比例，将丙烯酸和偶氮二异丁腈分散于丙酮中，得改性混合液；

步骤SA6，对步骤SA5中筛下的膨润土进行连续搅拌，维持搅拌速度为200~300rpm，同时加热升温；当至90~95℃时，停止加热，同时按照膨润土和改性混合液的重量比为40~50：1的比例，将步骤SA6中得到的改性混合液雾化后喷洒到膨润土中，控制改性混合液加入完毕后，膨润土的温度未降低至50℃以下，继续搅拌30~60min；

步骤SA7，对步骤SA6中得到的膨润土进行真空干燥，温度30~50℃，干燥时间5~8h，备用；

步骤SA8，对步骤SA7中得到的膨润土进行二次研磨，而后二次筛分，筛网目数100目，筛下即为经插层改性工艺处理的膨润土。

进一步地，所述步骤SA2中，造孔剂为淀粉、碳粉、聚乙烯醇或者氨水。

进一步地，所述步骤SA5中，一次研磨时，以及所述步骤SA8中，二次研磨时，添加有仅进行了干燥处理的膨润土，添加量为待研磨处理的膨润土重量的1~5%。

进一步地，气体吸附工艺处理的具体步骤包括：

步骤SB1，对经插层改性工艺处理的膨润土进行抽真空处理，直至真空度达到0.01Pa，同时对膨润土进行搅拌，搅拌速度100~300rpm；

步骤SB2，停止抽真空，维持搅拌，同时缓慢导入气体介质，将气体介质与步骤SB1中得到的膨润土进行混合，直至压力恢复到大气压力，而后继续搅拌20~30min，完成对膨润土的气体吸附工艺处理。

进一步地，所述步骤SB2中，气体介质为空气、液氮或者干冰。

进一步地，所述水溶性高分子聚合物为聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺中的一种或者多种。

进一步地，所述增粘剂为羧甲基纤维素、黄原胶、聚阴离子纤维素、羟乙基纤维素中的一种或多种。

进一步地，所述碱度调节剂为氢氧化钠或碳酸钠。

制备前述的盾构制浆用材料的方法，包括以下步骤：

将膨润土、碱度调节剂加入混料机中预先混合钠化，搅拌20～40min，然后再加入水溶性高分子聚合物、增粘剂，混合搅拌20～30min，搅拌均匀后得到盾构制浆用材料。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种盾构制浆用材料，该材料的组成原料包括膨润土，40~85%;水溶性高分子聚合物，3~10%；增粘剂，10~38%；碱度调节剂，2~5%。该材料具有以下特点：

1、本发明制得的盾构制浆用材料，可以用于配制网状结构框架基础浆液，将自由水和有益土颗粒包围在其网状结构中，提高泥浆的粘度切力，形成造浆护壁的初始浆液。

2、本发明制得的盾构制浆用材料，可以增强泥水内部的结构性和流变性；提高结构力、增强泥膜强度和泥水的携带能力及护壁能力，起到稳定开控面，防止施工面坍塌的作用，保障施工安全顺利，提高工效。

3、本发明制得的盾构制浆用材料，配合不同级配的核桃壳、蛭石等常规堵漏材料使用，可以防止浅露层冒浆，封堵砂土层、砾石层、风化岩层等孔隙，形成致密泥膜稳定开挖面、防止垮塌。

4、本发明制得的盾构制浆用材料能使泥水具有良好的流变性，分散均匀性，防止因压力激动产生冒顶事故，控制地面沉降。同时能减少输送能耗，防止造成堵管，防盐、钙侵蚀，减少刀具和泥水管路的磨损，并具有良好的润滑保护作用。用量少，成本低。本发明制得的盾构制浆用材料的成本一般为化学糨糊和膨润土的40~70%，制浆速度快。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。

一种盾构制浆用材料，以质量之和为100%计，包括：

膨润土，40~85%;

水溶性高分子聚合物，3~10%；

增粘剂，10~38%；

碱度调节剂，2~5%

其中，膨润土中的一部分或者全部先后采用插层改性工艺处理和气体吸附工艺处理。

所述水溶性高分子聚合物为聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺中的一种或者多种。

所述增粘剂为羧甲基纤维素、黄原胶、聚阴离子纤维素、羟乙基纤维素中的一种或多种。

所述碱度调节剂为氢氧化钠或碳酸钠。

制备前述的盾构制浆用材料的方法，包括以下步骤：

将膨润土、碱度调节剂加入混料机中预先混合钠化，搅拌20～40min，然后再加入水溶性高分子聚合物、增粘剂，混合搅拌20～30min，搅拌均匀后得到盾构制浆用材料。

本实施例中，盾构制浆用材料采用膨润土作为主要的配置材料，达到高悬浮、高造浆、高护壁和高动朔比的性能。膨润土具有极强的吸湿性，吸水后膨胀。在水中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘滞性和触变性，从而形成具有类似网状结构框架基础浆液。与聚丙烯酸盐等水溶性高分子聚合物结合可以增强其粘滞性，提升其携带钻屑的能力。与羧甲基纤维素等增粘剂相结合可以提升其胶体性能，提高保水性和护壁的能力。再者，膨润土中的一部分或者全部先后采用插层改性工艺处理和气体吸附工艺处理后，其进一步改进了胶体的分散性能。并且经过气体吸附工艺处理后，膨润土内壁的气体含量有所增加。一方面，膨润土中含有的气体会适当阻碍水分进入到膨润土内部，防止制浆初期胶体粘度过大，不利于分散。另一方面，膨润土在制浆过程中，气体会逐步释放，形成微气泡，以加快膨润土的分散。

本实施例中，插层改性工艺处理的具体步骤包括：

步骤SA1，将膨润土平铺、敞放于自然环境中30~60min，收集后快速升温至400~450℃，进行一次煅烧，煅烧时间30~60min，冷却备用；

步骤SA2，将造孔剂分散于去离子水中，得到造孔剂溶液，控制固含量在20~30%，备用；

步骤SA3，对步骤SA1中得到的膨润土进行连续搅拌，维持搅拌速度为200~300rpm，然后按照膨润土和造孔剂溶液的重量比为20~40：1的比例，将步骤SA2中得到的造孔剂溶液雾化后喷洒到膨润土中；造孔剂溶液加入完毕后，继续搅拌10~30min；

步骤SA4，将步骤SA3中得到的膨润土和造孔剂溶液的混合物快速升温至400~450℃，进行二次煅烧，煅烧时间5~12h，冷却备用；

步骤SA5，对步骤SA4中得到的膨润土进行一次研磨，而后一次筛分，筛网目数200目，备用；

步骤SA6，将按照丙烯酸、偶氮二异丁腈和丙酮的重量比为10~15：1：100~150的比例，将丙烯酸和偶氮二异丁腈分散于丙酮中，得改性混合液；

步骤SA6，对步骤SA5中筛下的膨润土进行连续搅拌，维持搅拌速度为200~300rpm，同时加热升温；当至90~95℃时，停止加热，同时按照膨润土和改性混合液的重量比为40~50：1的比例，将步骤SA6中得到的改性混合液雾化后喷洒到膨润土中，控制改性混合液加入完毕后，膨润土的温度未降低至50℃以下，继续搅拌30~60min；

步骤SA7，对步骤SA6中得到的膨润土进行真空干燥，温度30~50℃，干燥时间5~8h，备用；

步骤SA8，对步骤SA7中得到的膨润土进行二次研磨，而后二次筛分，筛网目数100目，筛下即为经插层改性工艺处理的膨润土。

本实施例中，插层改性工艺处理中，在一次煅烧前，先利用膨润土的吸潮特性，吸收一定的水分。而后，利用快速升温过程，使得膨润土内部发生剧烈膨胀，有利于改变膨润土片层之间间隙。而后通过造孔剂以及二次煅烧，造孔剂在高温下分解，进一步改变膨润土片层之间间隙。最后，利用膨润土加热后的余温，在膨润土表面以及膨润土片层内形成分子分量低且分布较宽的聚丙烯低聚物，该聚丙烯低聚物可与其他水溶性高分子聚合物的链段进行缠绕的连接点，进一步提升网状结构框架基础浆液的稳定性。同时，利用余温聚合，防止爆聚，避免因聚合物增加了膨润土结块量增加。

进一步地，所述步骤SA2中，造孔剂为淀粉、碳粉、聚乙烯醇或者氨水。

进一步地，所述步骤SA5中，一次研磨时，以及所述步骤SA8中，二次研磨时，添加有仅进行了干燥处理的膨润土，添加量为待研磨处理的膨润土重量的1~5%。利用为未经其他处理的膨润土作为研磨润滑剂，减少研磨过程对膨润土层间结构的损伤。

本实施例中，气体吸附工艺处理的具体步骤包括：

步骤SB1，对经插层改性工艺处理的膨润土进行抽真空处理，直至真空度达到0.01Pa，同时对膨润土进行搅拌，搅拌速度100~300rpm；

步骤SB2，停止抽真空，维持搅拌，同时缓慢导入气体介质，将气体介质与步骤SB1中得到的膨润土进行混合，直至压力恢复到大气压力，而后继续搅拌20~30min，完成对膨润土的气体吸附工艺处理。

进一步地，所述步骤SB2中，气体介质为空气、液氮或者干冰。

通过将未进行气体吸附工艺处理以及采用本实施例中的气体吸附工艺处理的膨润土放入清水中，观察状态，可以明显看出采用本实施例中的气体吸附工艺处理的膨润土会释放微小气泡。

为了降低生产成本等，当膨润土中先后采用插层改性工艺处理和气体吸附工艺处理的部分的重量为膨润土总重量的30~50%时，综合性价较高。

为了更好的理解本实施例中的方案，特配置实施例1、实施例2和实施例3，并进行了相应的测试。其中，各个实施例中，膨润土中先后采用插层改性工艺处理和气体吸附工艺处理的部分的重量为膨润土总重量的35%。

实施例1、实施例2和实施例3的组成如下表1中所示。

表1 原料组成

	膨润土	碱度调节剂	水溶性高分子聚合物	增粘剂
					实施例1	80%	2%	聚丙烯酰胺5%	13%（羧甲基纤维素：黄原胶：聚阴离子纤维素=8:2:3）
实施例2	75%	2%	聚丙烯酰胺3%	20%（羧甲基纤维素：黄原胶=3:2）
					实施例3	55%	1%	聚丙烯酰胺5%，聚丙烯酸钾5%	34%（羧甲基纤维素：黄原胶：聚阴离子纤维素=3:0.5:1）

测试方法：量取800mL蒸馏水，加入实施例1~3配制的盾构制浆用材料8g，低速搅拌20min，室温密闭养护24h。用苏式漏斗粘度计测试1%水溶液的漏斗黏度，以及表观粘度。量取300mL蒸馏水，加入实施例1~3配制的盾构制浆用材料9g，搅拌20min，室温密闭养护24h。测试3%水溶液的表观粘度，API失水及泥饼厚度，描述泥饼质量。测试结果见下表2所示：

表2 测试结果

从上表可知，盾构制浆用材料加量1%、3%时，均表现出良好的流变性，滤失量小，泥饼质量好，薄且致密。

同时，从实验数据判断，1%水溶液漏斗粘度≥25s、表观粘度≥10mPa.s时，盾构制浆用材料可以作为提粘材料；3%水溶液表观粘度≥20mPa.s、API≤15mL时，盾构制浆用材料可以用作基础浆配液材料。

Claims (10)

1.一种盾构制浆用材料，其特征在于，以质量之和为100%计，包括：

膨润土，40~85%;

水溶性高分子聚合物，3~10%；

增粘剂，10~38%；

碱度调节剂，2~5%；

其中，膨润土中的一部分或者全部先后采用插层改性工艺处理和气体吸附工艺处理。

2.根据权利要求1所述的盾构制浆用材料，其特征在于，插层改性工艺处理的具体步骤包括：

步骤SA1，将膨润土平铺、敞放于自然环境中30~60min，收集后快速升温至400~450℃，进行一次煅烧，煅烧时间30~60min，冷却备用；

步骤SA2，将造孔剂分散于去离子水中，得到造孔剂溶液，控制固含量在20~30%，备用；

步骤SA3，对步骤SA1中得到的膨润土进行连续搅拌，维持搅拌速度为200~300rpm，然后按照膨润土和造孔剂溶液的重量比为20~40：1的比例，将步骤SA2中得到的造孔剂溶液雾化后喷洒到膨润土中；造孔剂溶液加入完毕后，继续搅拌10~30min；

步骤SA4，将步骤SA3中得到的膨润土和造孔剂溶液的混合物快速升温至400~450℃，进行二次煅烧，煅烧时间5~12h，冷却备用；

步骤SA5，对步骤SA4中得到的膨润土进行一次研磨，而后一次筛分，筛网目数200目，备用；

步骤SA6，将按照丙烯酸、偶氮二异丁腈和丙酮的重量比为10~15：1：100~150的比例，将丙烯酸和偶氮二异丁腈分散于丙酮中，得改性混合液；

步骤SA6，对步骤SA5中筛下的膨润土进行连续搅拌，维持搅拌速度为200~300rpm，同时加热升温；当至90~95℃时，停止加热，同时按照膨润土和改性混合液的重量比为40~50：1的比例，将步骤SA6中得到的改性混合液雾化后喷洒到膨润土中，控制改性混合液加入完毕后，膨润土的温度未降低至50℃以下，继续搅拌30~60min；

步骤SA7，对步骤SA6中得到的膨润土进行真空干燥，温度30~50℃，干燥时间5~8h，备用；

步骤SA8，对步骤SA7中得到的膨润土进行二次研磨，而后二次筛分，筛网目数100目，筛下即为经插层改性工艺处理的膨润土。

3.根据权利要求2所述的盾构制浆用材料，其特征在于，所述步骤SA2中，造孔剂为淀粉、碳粉、聚乙烯醇或者氨水。

4.根据权利要求2所述的盾构制浆用材料，其特征在于，所述步骤SA5中，一次研磨时，以及所述步骤SA8中，二次研磨时，添加有仅进行了干燥处理的膨润土，添加量为待研磨处理的膨润土重量的1~5%。

5.根据权利要求2、3或4所述的盾构制浆用材料，其特征在于，气体吸附工艺处理的具体步骤包括：

步骤SB1，对经插层改性工艺处理的膨润土进行抽真空处理，直至真空度达到0.01Pa，同时对膨润土进行搅拌，搅拌速度100~300rpm；

步骤SB2，停止抽真空，维持搅拌，同时缓慢导入气体介质，将气体介质与步骤SB1中得到的膨润土进行混合，直至压力恢复到大气压力，而后继续搅拌20~30min，完成对膨润土的气体吸附工艺处理。

6.根据权利要求5所述的盾构制浆用材料，其特征在于，所述步骤SB2中，气体介质为空气、液氮或者干冰。

7.根据权利要求1所述的盾构制浆用材料，其特征在于，所述水溶性高分子聚合物为聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺中的一种或者多种。

8.根据权利要求1所述的盾构制浆用材料，其特征在于，所述增粘剂为羧甲基纤维素、黄原胶、聚阴离子纤维素、羟乙基纤维素中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的盾构制浆用材料，其特征在于，所述碱度调节剂为氢氧化钠或碳酸钠。

10.制备权利要求1~9中任意一项所述的盾构制浆用材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将膨润土、碱度调节剂加入混料机中预先混合钠化，搅拌20～40min，然后再加入水溶性高分子聚合物、增粘剂，混合搅拌20～30min，搅拌均匀后得到盾构制浆用材料。