CN115353351B - 用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆，包含高性能聚合物净浆和薄喷型高性能聚合物砂浆，包含A、B、C和D组分。A组分由聚氨酯硬段改性丙烯酸乳液、消泡剂、分散剂组成，B组分为水泥，C组分为环氧改性丙烯酸乳液、消泡剂、分散剂、水组成，D组分为:水泥、粉煤灰、乳胶粉、石英砂、淀粉醚、羟丙基甲基纤维素、聚丙烯纤维素组成。本发明可以明显提高薄喷型高性能聚合物砂浆与基岩的粘结性，粘结强度≥4MPa，无需锚杆锚固，薄喷型高性能聚合物砂浆力学性能高，抗渗、抗侵蚀、抗冲磨优异，进一步施用薄喷型高性能聚合物砂浆可以提高隧洞使用年限；喷涂施工，适用于凸凹不平的基岩岩面，施工更高效更均匀。

Description

用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆
技术领域
本发明涉及一种用于隧洞岩石防护的高性能聚合物砂浆，特别是一种用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆。
背景技术
现有隧洞岩石防护中，主要通过下列方法：①定锚杆，喷涂10～30cm的C20、C25、C30混凝土，该技术成本高，影响洞径，降低隧洞过水能力；②喷涂1～2mm环氧涂料，成本高，环保性相对差；③涂抹3～10mm环氧砂浆，成本高，施工复杂。
对于Ⅰ类围岩：极硬岩，岩体完整。属于稳定围岩，岩石新鲜完整，受地质构造影响轻微、节理裂隙不发育或稍发育，多系闭合且延伸不长，没有或仅有宽度一般小于0.lm的软弱结构面。结构面无不稳定组合，断层走向与洞线正交，地下水活动轻微，岩体呈块状整体结构或块状砌体结构。
对于Ⅰ类围岩一般不需要支护。
对于Ⅱ类围岩：极硬岩，岩体完整；硬岩，岩体完整。属于基本稳定围岩，岩石新鲜或微风化，受地质构造影响一般，节理裂隙稍发育或发育，有少数宽度不大于0.5～0.6m的软弱结构面，层间结合差，岩体呈块状砌体或层状砌体结构。结构面组合基本稳定，仅局部有不稳定组合，断层等软弱结构面走向与洞线斜交或正交。洞壁潮湿有渗水或滴水。
对于Ⅱ类围岩视情况可喷薄层混凝土，开挖跨度大时可采用喷锚支护。对于过水隧洞，运行过程中受到冲磨、侵蚀等破坏，需要对隧洞岩石表面进行防护处理，现有技术为混凝土或环氧砂浆较多。
目前急需一种不影响洞径，绿色环保、性价比较高的聚合物砂浆防护技术。
因此，一种能够较大程度的提升输水隧洞岩壁的抗渗、抗侵蚀、抗冲磨能力，提高安全运行年限的用于隧洞岩石防护的高性能聚合物涂料，特别是一种施工简单易行的用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆就应运而生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于隧洞岩石防护的高性能聚合物涂料，特别是一种施工简单易行的用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆，能够较大程度的提升输水隧洞岩壁的抗渗、抗侵蚀、抗冲磨能力，提高安全运行年限。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：包含高性能聚合物净浆和薄喷型高性能聚合物砂浆。
所述的高性能聚合物净浆包含A组分和B组分。
所述的A组分由聚氨酯硬段改性丙烯酸乳液4-6重量份、消泡剂0.03～0.05重量份、分散剂0.1～0.2重量份组成。
所述的A组分中，聚氨酯硬段改性丙烯酸酯乳液由甲基丙烯酸丁酯120～150重量份，甲基丙烯酸180～190重量份，丙烯酰胺45～65重量份，甲基丙烯酸羟丁酯25～45重量份，引发剂0.5～2.0重量份，去离子水40～70质量份，乳化剂2.5～5重量份，HDI三聚体80～120重量份组成并通过以下过程制备。
(1)首先设计一个小分子量的丙烯酸树脂中间体化合物，确保该化合物侧链含有足够量的活性羟基和氨基基团，并且将该化合物的数均分子量控制在800-15000以内。为实现以上设计，合成时采用甲基丙烯酸丁酯，甲基丙烯酸，丙烯酰胺，甲基丙烯酸羟丁酯为原料，在引发剂作用下，温度控制在70～95℃反应2～3h，进行自由基聚合得到分子量的丙烯酸树脂中间体化合物。所述的引发剂为2～4％浓度的过硫酸钾溶液。
(2)将以上中间体到入含有碱性中和剂的水溶液，35～45℃下，搅拌0.5～1.5h，随后慢慢加入HDI三聚体，温度升到65～75℃，反应0.5～1.5h，检测NCO含量小于0.2％，降温到35℃以下，加入杀菌剂，搅拌0.3～0.6h，过滤得到A乳液。所述的碱性中和剂为4～6％浓度的碳酸氢钠溶液。
所述聚氨酯硬段改性丙烯酸酯乳液为HDI预聚物改性，或者为TDI、MDI或LDI的预聚物改性。
上述的消泡剂为金属皂类矿物油基消泡剂、有机硅消泡剂、矿物油类消泡剂等中的一种或两种以上的任意比例的混合，所述的分散剂为聚羧酸系列高效减水剂。
所述的B组分为水泥5～10重量份，水泥优选P·O42.5。还可选择P·I42.5、P·I52.5、P·II42.5、P·II52.5、P·O42.5、P·O52.5、P·O42.5R等水泥。
在施工前将上述的A组分与B组分进行混合进行施用。
所述的薄喷型高性能聚合物砂浆包含C组分和D组分。
所述C组分为环氧改性丙烯酸乳液4～6重量份、消泡剂0.03～0.05重量份、分散剂0.2～0.4重量份、水3～5重量份组成。
进一步地，上述的环氧改性丙烯酸乳液通过如下过程制备：取甲基丙烯酸丁酯120～150重量份，甲基丙烯酸180～190重量份，丙烯酰胺45～65重量份，甲基丙烯酸羟丁酯25～45重量份，引发剂0.2～1.0重量份，去离子水20～30质量份，在70～95℃下反应2～3h，制成丙烯酸共聚乳液。
取环氧树脂40～80重量份，乳化剂2.5～5重量份，去离子水20～40质量份，
将环氧树脂、乳化剂、去离子水混合形成稳定的环氧乳液,
进一步地，所述乳化剂为反应性环氧树脂乳化剂，既具备乳化功能，又具有反应性官能团的专用表面活性剂。如
Figure BDA0003821650530000031
0092。
所述的环氧树脂为E-44、E-51或E-20中的任意一种或两种以上的混合。
在两种的情况下，优选为E-44与E-51或E44与E-20中的混合中的一种，并且E44:E51＝2:1～0.1的重量比例的混合，E44:E20＝3:2～0.5的重量比例的混合。
将环氧乳液持续搅拌，并缓慢升温至55～60℃，向容器中加入1/3至1/2的丙烯酸共聚乳液,升温至70～75℃，当出现蓝色乳液后,连续均匀加入剩余的引发剂0.3～1.0重量份和丙烯酸共聚乳液，并控制加入速度，在1.5～2h内加入完毕，保温0.4～0.6h，升温至75～85℃，保温0.4～6h后，再冷却至45℃以下，最后用缓冲剂调节pH值至6-8，过滤，即得到环氧改性丙烯酸乳液。
所述的缓冲剂为3～6％浓度的碳酸氢钠溶液，引发剂为2～4％浓度的过硫酸钾溶液。
所述的D组分为:水泥10～20重量份、粉煤灰3～5重量份、乳胶粉0.5～1重量份、石英砂25～30重量份、淀粉醚0.05～0.25重量份、羟丙基甲基纤维素0.1～1重量份、聚丙烯纤维素0.1～1重量份组成。
水泥优选P·O52.5。根据基材及强度要求，可选择P·I42.5、P·I52.5、P·Ⅱ42.5、P·Ⅱ52.5、P·O42.5、P·O52.5、P·O62.5等水泥。
石英砂优选20～40目(380～830μm)粒径。
在施工前将上述的C组分与D组分进行混合进行施用。
本发明的施工过程如下：首先在冲洗干净的岩壁上喷涂一遍高性能聚合物净浆，然后在输水隧洞岩壁喷涂3～5mm薄喷型高性能聚合物砂浆即可。
本发明的薄喷型高性能聚合物砂浆为M40砂浆，抗渗性:1.2MPa,8h未渗水，抗冲磨强度≥100h/(kg/m2)。
与现有技术相比，本发明的优点主要为：通过高性能聚合物净浆可以明显提高薄喷型高性能聚合物砂浆与基岩的粘结性，粘结强度≥4MPa(或基材破坏)，无需锚杆锚固，薄喷型高性能聚合物砂浆力学性能高，抗渗、抗侵蚀、抗冲磨优异，进一步施用薄喷型高性能聚合物砂浆可以提高隧洞使用年限；喷涂施工，适用于凸凹不平的基岩岩面，施工更高效更均匀。
具体实施方式
下面详细说明本发明的优选实施方式。
实施例1：包含高性能聚合物净浆和薄喷型高性能聚合物砂浆。
所述的高性能聚合物净浆包含A组分和B组分。
所述的A组分由聚氨酯硬段改性丙烯酸乳液4-6重量份、消泡剂0.03～0.05重量份、分散剂0.1～0.2重量份组成。
所述的A组分中，聚氨酯硬段改性丙烯酸酯乳液由甲基丙烯酸丁酯120～150重量份，甲基丙烯酸180～190重量份，丙烯酰胺45～65重量份，甲基丙烯酸羟丁酯25～45重量份，引发剂0.5～2.0重量份，去离子水40～70质量份，乳化剂2.5～5重量份，HDI三聚体80～120重量份组成，并通过以下过程制备。
(1)首先设计一个小分子量的丙烯酸树脂中间体化合物，确保该化合物侧链含有足够量的活性羟基和氨基基团，并且将该化合物的数均分子量控制在800-15000以内。为实现以上设计，合成时采用甲基丙烯酸丁酯，甲基丙烯酸，丙烯酰胺，甲基丙烯酸羟丁酯为原料，在引发剂作用下，温度控制在70～95℃反应2～3h，进行自由基聚合得到分子量的丙烯酸树脂中间体化合物。引发剂为2～4％浓度的过硫酸钾溶液。
(2)将以上中间体到入含有碱性中和剂的水溶液，35～45℃下，搅拌0.5～1.5h，随后慢慢加入HDI三聚体，温度升到65～75℃，反应0.5～1.5h，检测NCO含量小于0.2％，降温到35℃以下，加入杀菌剂，搅拌0.3～0.6h，过滤得到A乳液。碱性中和剂为4～6％浓度的碳酸氢钠溶液。
所述聚氨酯硬段改性丙烯酸酯乳液为HDI预聚物改性，或者为TDI、MDI或LDI的预聚物改性。
上述的消泡剂为金属皂类矿物油基消泡剂、有机硅消泡剂、矿物油类消泡剂等中的一种或两种以上的任意比例的混合，所述的分散剂为聚羧酸系列高效减水剂。
所述的B组分为水泥5～10重量份，水泥优选P·O42.5。还可选择P·I42.5、P·I52.5、P·II42.5、P·II52.5、P·O42.5、P·O52.5、P·O42.5R等水泥。
在施工前将上述的A组分与B组分进行混合进行施用。
所述的薄喷型高性能聚合物砂浆包含C组分和D组分。
所述C组分为环氧改性丙烯酸乳液4～6重量份、消泡剂0.03～0.05重量份、分散剂0.2～0.4重量份、水3～5重量份组成。
其中环氧改性丙烯酸乳液生产工艺如下：取甲基丙烯酸丁酯120～150重量份，甲基丙烯酸180～190重量份，丙烯酰胺45～65重量份，甲基丙烯酸羟丁酯25～45重量份，引发剂0.2～1.0重量份，去离子水20～30质量份，在70～95℃下反应2～3h，制成丙烯酸共聚乳液。
取环氧树脂40～80重量份，乳化剂2.5～5重量份，去离子水20～40质量份，
将环氧树脂、乳化剂、去离子水混合形成稳定的环氧乳液。
进一步地，所述乳化剂为反应性环氧树脂乳化剂，既具备乳化功能，又具有反应性官能团的专用表面活性剂。如
Figure BDA0003821650530000051
0092。
所述的环氧树脂为E-44、E-51或E-20中的任意一种或两种以上的混合。
在两种的情况下，按E44:E51＝2:1～0.1，E44:E20＝3:2～0.5的重量比例配制混合。
将环氧乳液缓慢升温至55～60℃，向容器中加入1/3至1/2的丙烯酸共聚乳液,优选采用滴加方式，升温至70～75℃，当出现蓝色乳液后,连续均匀加入剩余的引发剂0.3～1.0重量份和丙烯酸共聚乳液，并控制加入速度，优选采用滴加方式，在1.5～2h内加入完毕，保温0.4～0.6h，升温至75～85℃，保温0.4～6h后，再冷却至45℃以下，最后用缓冲剂调节pH值至6-8，过滤，即得到环氧改性丙烯酸乳液。
所述的缓冲剂为3～6％浓度的碳酸氢钠溶液，引发剂为2～4％浓度的过硫酸钾溶液。
所述的D组分为:水泥10～20重量份、粉煤灰3～5重量份、乳胶粉0.5～1重量份、石英砂25～30重量份、淀粉醚0.05～0.25重量份、羟丙基甲基纤维素0.1～1重量份、聚丙烯纤维素0.1～1重量份组成。
水泥优选P·O52.5。根据基材及强度要求，可选择P·I42.5、P·I52.5、P·Ⅱ42.5、P·Ⅱ52.5、P·O42.5、P·O52.5、P·O62.5等水泥。
石英砂优选20～40目(350～830μm)粒径。
在施工前将上述的C组分与D组分进行混合进行施用。
本发明的施工过程如下：首先在冲洗干净的岩壁上喷涂一遍高性能聚合物净浆，然后在输水隧洞岩壁喷涂3～5mm薄喷型高性能聚合物砂浆即可。
本发明的薄喷型高性能聚合物砂浆为M40砂浆，抗渗性:1.2MPa,8h未渗水，抗冲磨强度≥100h/(kg/m2)。
实施例2：新疆某输水隧洞Ⅱ类围岩，未做支护或防护处理，环境温度为10～12℃，湿度90％～99％。对基面进行高压冲洗，凉置无明水。
高性能聚合物净浆：A组分由聚氨酯硬段改性丙烯酸酯乳液5份、消泡剂0.03份、分散剂0.2份组成；B组分为水泥(P·O42.5)8份。A、B组分高速分散(800～1000r/min)均一无颗粒，即可高压无气喷涂机喷涂，要求薄而均一无漏点(厚度：0.1～0.2mm)
薄喷型高性能聚合物砂浆：C组分为环氧改性丙烯酸乳液5份、消泡剂0.03份、分散剂0.3份、水3份组成；D组分为水泥(P·O42.5)15份、粉煤灰3份、乳胶粉0.5份、石英砂(20～40目)25份、淀粉醚0.20重量份、羟丙基甲基纤维素0.5重量份、聚丙烯纤维素0.5重量份组成。C、D组分分散(300～500r/min)均一，待高性能聚合物净浆实干后立即进行喷涂薄喷型高性能聚合物砂浆，要求均一无漏点(厚度2～3mm)。
若环境湿度＜90％，需要进行覆盖保水或洒水养护，养护时间不得少于3天。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆，其特征在于：包含高性能聚合物净浆和薄喷型高性能聚合物砂浆；
所述的高性能聚合物净浆包含A组分和B组分；
所述的A组分由聚氨酯硬段改性丙烯酸乳液4-6重量份、消泡剂0.03～0.05重量份、分散剂0.1～0.2重量份组成；
所述的B组分为水泥5～10重量份；
所述的薄喷型高性能聚合物砂浆包含C组分和D组分；
所述C组分为环氧改性丙烯酸乳液4～6重量份、消泡剂0.03～0.05重量份、分散剂0.2～0.4重量份、水3～5重量份组成；
所述的D组分为:水泥10～20重量份、粉煤灰3～5重量份、乳胶粉0.5～1重量份、石英砂25～30重量份、淀粉醚0.05～0.25重量份、羟丙基甲基纤维素0.1～1重量份、聚丙烯纤维素0.1～1重量份组成；
所述聚氨酯硬段改性丙烯酸酯乳液为HDI预聚物改性，或者为TDI、MDI或LDI的预聚物改性；
所述的消泡剂为金属皂类矿物油基消泡剂、有机硅消泡剂、矿物油类消泡剂中的一种或两种以上的任意比例的混合，所述的分散剂为聚羧酸系列高效减水剂。
2.根据权利要求1所述的用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆，其特征在于：所述的A组分中，聚氨酯硬段改性丙烯酸酯乳液由甲基丙烯酸丁酯120～150重量份，甲基丙烯酸180～190重量份，丙烯酰胺45～65重量份，甲基丙烯酸羟丁酯25～45重量份，引发剂0.5～2.0重量份，去离子水40～70质量份，乳化剂2.5～5重量份，HDI三聚体80～120重量份组成；
 (1)首先设计一个小分子量的丙烯酸树脂中间体化合物，确保该化合物侧链含有足够量的活性羟基和氨基基团，并且将该化合物的数均分子量控制在800-15000 以内；合成时采用甲基丙烯酸丁酯，甲基丙烯酸，丙烯酰胺，甲基丙烯酸羟丁酯为原料，在引发剂作用下，温度控制在70～95℃反应2~3h，进行自由基聚合得到分子量的丙烯酸树脂中间体化合物，引发剂为2～4%浓度的过硫酸钾溶液；
 (2)将以上中间体到入含有碱性中和剂的水溶液，35～45℃下，搅拌0.5~1.5h，随后慢慢加入HDI三聚体，温度升到65～75℃，反应0.5~1.5h，检测NCO含量小于0.2%，降温到35℃以下，加入杀菌剂，搅拌0.3~1.6h，过滤得到A乳液，碱性中和剂为4～6%浓度的碳酸氢钠溶液。
3.根据权利要求1所述的用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆，其特征在于：
所述的环氧改性丙烯酸乳液通过以下过程制备：
取甲基丙烯酸丁酯120～150重量份，甲基丙烯酸180～190重量份，丙烯酰胺45～65重量份，甲基丙烯酸羟丁酯25～45重量份，引发剂0.2～1.0重量份，去离子水20～30质量份，在70～95℃下反应2～3h，制成丙烯酸共聚乳液；
取环氧树脂40～80重量份，乳化剂2.5～5重量份，去离子水20～40质量份，
将环氧树脂、乳化剂、去离子水混合形成稳定的环氧乳液,
将环氧乳液缓慢升温至55～60℃，向容器中加入1/3至1/2的丙烯酸共聚乳液,升温至70～75℃，当出现蓝色乳液后，连续均匀加入剩余的引发剂0.3～1.0重量份和丙烯酸共聚乳液，并控制加入速度,在1.5～2h内加入完毕，保温0.4～0.6h,升温至75～85℃，保温0.4～0.6h后，再冷却至45℃以下，最后用缓冲剂调节pH值至6-8，过滤，即得到环氧改性丙烯酸乳液；
所述的缓冲剂为3～6%浓度的碳酸氢钠溶液，引发剂为2～4%浓度的过硫酸钾溶液。
4.根据权利要求3所述的用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆，其特征在于：所述的环氧树脂为E-44、E-51或E-20中的任意一种或两种以上的混合。
5.根据权利要求4所述的用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆，其特征在于：所述的环氧树脂为E-44与E-51或E44与E-20中的混合中的一种，并且E44:E51=2:1～0.1的重量比例的混合， E44:E20=3:2～0.5的重量比例的混合。
6.根据权利要求2～5任一项所述的用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆，其特征在于：所述的乳化剂为反应性环氧树脂乳化剂。
7.根据权利要求1～5任一项所述的用于隧洞岩石防护的薄喷型高性能聚合物砂浆，其特征在于：所述的水泥为P•O52.5、P•I42.5、P•I52.5、P•Ⅱ42.5、P•Ⅱ52.5、P•O42.5、P•O52.5、P•O62.5中的一种。
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