CN115651421A - 一种缓释可控的注浆堵水材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种缓释可控的注浆堵水材料及其制备方法和应用，它是由吸水膨胀内核和水溶性缓释包衣组成；所述的吸水膨胀内核是由膨润土、高吸水树脂和黄原胶混合后，依靠黄原胶的粘聚性通过圆盘造粒机造粒而成的；所述的水溶性缓释包衣是由水溶性淀粉、聚乙烯醇、泊洛沙姆、润滑剂和增塑剂与去离子水混合制得成膜液，利用包衣机将成膜液涂覆在膨胀内核上，再经过干燥制得的。本发明通过包衣机在吸水膨胀内核表面包覆一层缓释包衣，通过控制包衣成膜液与吸水膨胀内核颗粒质量之比调整包衣厚度，实现膨胀内核吸水起效时间可控。

Description

一种缓释可控的注浆堵水材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及地下工程注浆材料领域，尤其涉及一种缓释性可控的注浆堵水材料及其制备方法。
背景技术
目前，我国地下工程建设规模越来越大，面临复杂地质条件的情况也逐渐增多，复杂地质条件下地下工程建设遇到的突水、突泥灾害已经成为影响工程施工的主要灾害之一。大规模、频繁发生的突水灾害不仅危及工程施工安全，而且严重影响工程进度，给工程造成巨大的损失。在解决地下工程突水事故问题时，注浆技术是最为有效的治理措施之一。
中国专利公布号为CN109535306A的专利公开了一种用于高压大流量岩溶突涌水治理的膨胀高分子注浆材料及其制备方法，主要是先制得丙烯酸类高吸水树脂，然后在其表面喷洒交联剂，通过调控交联度来控制高吸水树脂的吸水膨胀时间，达到有效控制浆液体积膨胀的目的。该方法可有效封堵大流量涌水，但是其生产工艺较为复杂，并且由于该技术方案只应用了高吸水树脂作为遇水膨胀材料，该材料封堵动水后，再经过一段时间后材料失水，会留下大量孔洞，无法根治渗漏问题。中国专利公布号CN113024865A的专利公开了一种可降解型膨胀高分子注浆材料及其制备方法，将改性后的竹屑与丙烯酸单体进行交联，加入引发剂聚合制得可降解高分子聚合物，再使其与固化剂混合，即可制得可降解的膨胀高分子注浆材料，该材料除了能治理大流量岩溶涌水外，在一段时间内可自行降解，减少了对环境的污染，但是该材料需要双组分施工，对施工设备要求较高，施工程序较为复杂。
中国专利公告号为CN1302083C公开了一种吸水膨胀剂的生产方法，其主要技术方案是将无水石膏、膨润土和高吸水树脂与凹凸棒土混合，利用粘土和无水石膏组成的骨架，支撑高吸水树脂承受水流的冲击，实现较为稳定的膨胀堵水效果。该技术方案虽然可解决普通膨胀堵漏袋能被水流冲走的缺陷，但是该技术方案不具备有效控制吸水材料开始吸水膨胀时间的功能。
中国专利公布号CN114409967A公开了一种吸水材料的制备及其使用方法，其技术方案主要是将高吸水树脂、植物纤维与无机填料混合组成吸水材料，将该吸水材料与普通砂子、石子和泥土混合，制备成堵漏材料用于堤坝防渗堵漏。该技术通过砂石材料的重力覆盖作用以及吸水材料的膨胀作用，能够较好地实现对渗漏堤坝的封堵，但是其吸水膨胀起效时间不可控，不具备缓释功能。
另外现有的水泥基注浆材料虽然价格便宜、制备简单，但是由于普通水泥凝结时间较慢，抗冲刷效果差，导致水泥基注浆材料应用效果不佳，堵水效果不理想，尤其是不适用于动水的封堵。普通复合高分子注浆材料虽然能保证硬化浆体的体积稳定性，但材料易于老化，原材料价格较高，材料的制备过程复杂，且多数有机类材料对环境会造成污染，限制了这类材料的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提出了一种缓释性可控的注浆堵水材料及其制备方法。本发明是在复合吸水膨胀内核外边包覆一层水溶性缓释包衣，该缓释包衣遇水可完全溶解，且通过调整缓释包衣厚度可实现调控注浆堵水材料吸水膨胀时间。本发明制备过程简单，可有效解决地下工程注浆堵水材料抗冲刷效果差、起效时间难以控制的技术难题，且绿色环保无污染。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种缓释性可控的注浆堵水材料，其特征在于，它是由吸水膨胀内核和水溶性缓释包衣组成；所述的吸水膨胀内核是由膨润土、高吸水树脂和黄原胶混合后，依靠黄原胶的粘聚性通过圆盘造粒机造粒而成的；所述的水溶性缓释包衣是由水溶性淀粉、聚乙烯醇、泊洛沙姆、润滑剂和增塑剂与去离子水混合制得成膜液，利用包衣机将成膜液涂覆在膨胀内核上，再经过干燥制得的。
下面提供一种制备上述缓释性可控的注浆堵水材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将膨润土、黄原胶粉末与水均匀混合后，得到具有粘性的膨润土湿料；
步骤2：在步骤1中的具有粘性的膨润土湿料中加入高吸水树脂(SAP)成球造粒，得到吸水膨胀内核；
步骤3：将步骤2制得的吸水膨胀内核在室温下晾干或在60℃以下烘箱内烘干，制得干燥的吸水膨胀内核；
步骤4：在水溶性淀粉、聚乙烯醇和泊洛沙姆混合物中边搅拌边加入去离子水，再加入水溶性润滑剂和增塑剂，持续搅拌，直至完全溶解获得成膜液；
步骤5：将步骤3中制得干燥的吸水膨胀内核至于包衣机内，将步骤4中制得的成膜液喷洒到滚动的吸水膨胀内核表面，通入热空气以使滚动的吸水膨胀内核表面成膜液中的去离子水蒸发，使成膜液在吸水膨胀内核表面形成一层连续的缓释包衣，通过控制成膜液的喷洒时间来控制包衣厚度，从而制得不同包衣厚度的注浆堵水材料，冷却后即可得到缓释可控的注浆堵水材料。
优选地，步骤1中，所述膨润土中蒙脱石含量≥80％，所述黄原胶为市售黄原胶粉末，所述膨润土与黄原胶粉末质量比为10：(0.5-2.5)；所用水量以手捏能成型为宜，一般为膨润土质量的40％～50％。
优选地，步骤2中，所述膨润土与高吸水树脂(SAP)质量比为1：(0.5-5)，高吸水树脂(SAP)粒径在150-180目之间。
优选地，步骤2中，成球造粒所用的设备为圆盘造粒机。
优选地，步骤2中，所述吸水膨胀内核直径为1mm-3mm。
优先地，步骤4中，所述水溶性淀粉为玉米淀粉，用量为去离子水质量的8％-12％；所述聚乙烯醇聚合度为1700，醇解度为88％，可冷水溶解，用量为去离子水质量的3％-5％；所述泊洛沙姆用量为去离子水质量的2％-4％；所述的水溶性润滑剂为甘油，用量为去离子水质量的0.3％-0.5％；所述增塑剂为环氧乙酰亚麻油酸甲酯、9,10-环氧硬脂酸辛酯、乙酰柠檬酸三丁酯中的一种或几种，用量为去离子水质量的1％-3％。
优选地，步骤5中，喷洒成膜液用量以干膜质量计为吸水膨胀内核颗粒质量的5％-20％，该用量可通过调整喷洒时间进行控制。
本发明使用方法是：
根据具体工程选择包衣厚度适中的注浆堵水材料(包衣厚度决定了注浆堵水材料的开始膨胀时间)，然后将该注浆堵水材料与水混合混成浆料后(加水的目的是为了输送缓释可控注浆材料)，用普通注浆设备注入透水部位，注浆堵水材料随着动水向裂隙流动，在流动过程中随着缓释包衣的溶解，膨胀内核吸水开始膨胀，动水流速逐渐降低直至静止，达到止水堵水的目的。
本发明的有益效果是：
(1)本发明选用膨润土与高吸水树脂作为主要膨胀原料，其中高吸水树脂吸水膨胀率高，但是吸水后结构疏松，无粘聚性，容易被动水冲溃，膨润土虽然吸水膨胀率低于高吸水树脂，但是其吸水后形成易于流动的微细浆液，微细膨润土浆液可进入结构疏松的高吸水树脂膨胀体中，二者协同作用，提高了封堵效果。另外，两者质量比例可调，可得到不同膨胀量，遇水膨胀性能可控，吸水释水性能稳定，注浆结石体孔隙率小，封堵性能好。
(2)本发明选用的黄原胶具有一定的胶凝作用，可将膨润土与高吸水树脂粘聚在一起，易于造粒成球。该黄原胶还有助于改善高吸水树脂与膨润土吸水后膨胀体的流变性，易于注浆。
(3)本发明通过包衣机在吸水膨胀内核表面包覆一层缓释包衣，通过控制包衣成膜液与吸水膨胀内核颗粒质量之比调整包衣厚度，实现膨胀内核吸水起效时间可控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的制备流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一种缓释性可控的注浆堵水材料及其制备方法，其特征在于，包括缓释包衣和吸水膨胀内核，所述缓释包衣以水溶性淀粉和聚乙烯醇等为成膜原料，所述吸水膨胀内核为膨润土和高吸水树脂(SAP)制备的颗粒状高吸水膨胀材料。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。
下面参照图1说明本发明缓释性可控的注浆堵水材料的制备方法。
实施例一
一种缓释性可控的注浆堵水材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将质量比为10:2的膨润土与黄原胶粉末均匀混合后添加膨润土质量40％的水，混合均匀，得到具有一定粘性的膨润土湿料；
步骤2：在步骤1中的具有一定粘性的膨润土湿料中加入高吸水树脂(SAP)成球造粒，得到吸水膨胀内核，膨润土与高吸水树脂(SAP)质量比为1:3；
步骤3：将步骤2制得的吸水膨胀内核在室温下晾干或在60℃以下烘箱内烘干，制得干燥的吸水膨胀内核；
步骤4：以去离子水质量为基准，按照与去离子水质量比称取以下原料：水溶性淀粉10％，聚乙烯醇4％，泊洛沙姆3％,甘油0.4％和环氧乙酰亚麻油酸甲酯2％；先将水溶性淀粉、聚乙烯醇和泊洛沙姆混合均匀，再加入去离子水、甘油和环氧乙酰亚麻油酸甲酯，搅拌20min，得到完全溶解的成膜液；
本发明为何以去离子水质量为基准确定成膜原料的质量，是因为在产业化时成膜液都是批量生产。制备时先在容器中加入去离子水，然后将成膜原料按照事先确定好的比例依次加入到去离子水中完全溶解得到。
步骤5：将步骤3中制得干燥的吸水膨胀内核置于包衣机内，将步骤4中制得的成膜液喷洒到滚动的吸水膨胀内核表面，成膜液用量(按照干膜量计)为吸水膨胀内核质量的5％，通入热空气，使滚动的吸水膨胀内核表面成膜液中的去离子水蒸发，使成膜液在吸水膨胀内核表面形成一层连续的干燥缓释包衣，冷却后得到所述缓释性可控的注浆堵水材料成品。
为了证明本发明制备的缓释性可控的注浆堵水材料的缓释性和膨胀性能，量取一定体积的实施例一制备的缓释性可控的注浆堵水材料成品加入到盛有自来水的带刻度容器中，记录从加入到开始膨胀的时间，膨胀结束后容器中不流动体增加的体积即为缓释性可控的注浆堵水材料膨胀的体积，对比缓释性可控的注浆堵水材料膨胀前后的体积即可得到实施例一制备的成品的膨胀倍率。试验结果见表一，开始膨胀的时间为9min，膨胀倍率为65倍。
实施例二
实施例二除了步骤5中按照干膜量计成膜液用量为吸水膨胀内核质量的10％外，其余与实施例一相同。制备的缓释性可控的注浆堵水材料的开始膨胀的时间为38min，膨胀倍率为63倍。
实施例三
实施例三除了步骤5中按照干膜量计成膜液用量为吸水膨胀内核质量的20％外，其余与实施例一相同。制备的缓释性可控的注浆堵水材料的开始膨胀的时间为85min，膨胀倍率为66倍。
实施例四
步骤1：将质量比为10:1的膨润土与黄原胶粉末均匀混合后添加膨润土质量40％的水，混合均匀，得到具有一定粘性的膨润土湿料；
步骤2：在步骤1中的具有一定粘性的膨润土湿料中加入高吸水树脂(SAP)成球造粒，得到吸水膨胀内核，膨润土与高吸水树脂(SAP)质量比为1:0.5；
步骤3：将步骤2制得的吸水膨胀内核在室温下晾干或在60℃以下烘箱内烘干，制得干燥的吸水膨胀内核；
步骤4：以去离子水质量为基准，按照与去离子水质量比称取以下原料：水溶性淀粉8％，聚乙烯醇3％，泊洛沙姆2％，混合均匀，加入去离子水、去离子水质量0.3％甘油和1％的氧乙酰亚麻油酸甲酯，拌20min，得到完全溶解的成膜液；
步骤5：将步骤3中制得干燥的吸水膨胀内核置于包衣机内，将步骤4中制得的成膜液喷洒到滚动的吸水膨胀内核表面，成膜液用量(按照干膜量计)为吸水膨胀小球质量的10％，通入热空气，使滚动的吸水膨胀内核表面成膜液中的去离子水蒸发，使成膜液在吸水膨胀内核表面形成一层连续的干燥缓释包衣，冷却后得到所述缓释性可控的注浆堵水材料成品。经测试，该可控的注浆堵水材料的开始膨胀的时间为41min，膨胀倍率为9倍。
实施例五
实施例五的成膜液用量与实施例四相同，也是按照干膜量计成膜液用量为吸水膨胀内核质量的10％。与实施例四不同的是中包衣成膜液中水溶性淀粉、PVA、泊洛沙姆、润滑剂和增塑剂分别占去离子水质量的9％、3％、3％、0.4％和2％，吸水膨胀内核中膨润土与黄原胶的质量比为10:1.5，膨润土与高吸水树脂的质量比为1:2。经测试，制备的缓释性可控的注浆堵水材料的开始膨胀的时间为45min，膨胀倍率为48倍。
实施例六
实施例六的成膜液用量与实施例四相同，也是按照干膜量计成膜液用量为吸水膨胀内核质量的10％。与实施例四不同的是中包衣成膜液中水溶性淀粉、PVA、泊洛沙姆、润滑剂和增塑剂分别占去离子水质量的12％、5％、4％、0.5％和3％，吸水膨胀内核中膨润土与黄原胶的质量比为10:2，膨润土与高吸水树脂的质量比为1:5。经测试，制备的缓释性可控的注浆堵水材料的开始膨胀的时间为49min，膨胀倍率为156倍。
表一为本发明六个实施例的原料配比以及对应的试验数据汇总，表中“土”代表膨润土。
Figure BDA0003933102780000071
比较实施例一到三的试验数据看出，缓释包衣干膜厚度是影响注浆堵水材料缓释性的关键因素。
比较实施例四到六，可以看出改变高吸水树脂的配比对材料的膨胀倍率影响很大。
比较实施例二以及实施例四到六，发现即便是同样厚度的成膜液，在成膜液各组分配比改变的条件下，材料开始膨胀的时间还是有点区别的，这说明控制成膜液各组分的配比是有必要的。
上述实例只是本发明的具体实施方式，并不能作为对本发明的限制，比如六个实施例都选取环氧乙酰亚麻油酸甲酯作为增塑剂，这只是为了便于比较试验数据，并不代表环氧乙酰亚麻油酸甲酯是唯一可用的增塑剂，因此，保护范围应该以权利要求记载的范围为准。

Claims (9)

1.一种缓释性可控的注浆堵水材料，其特征在于，它是由吸水膨胀内核和水溶性缓释包衣组成；所述的吸水膨胀内核是由膨润土、高吸水树脂和黄原胶混合后，依靠黄原胶的粘聚性通过圆盘造粒机造粒而成的；所述的水溶性缓释包衣是由水溶性淀粉、聚乙烯醇、泊洛沙姆、润滑剂和增塑剂与去离子水混合制得成膜液，利用包衣机将成膜液涂覆在膨胀内核上，再经过干燥制得的。
2.一种如权利要求1所述的缓释性可控的注浆堵水材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将膨润土、黄原胶粉末与水均匀混合后，得到具有粘性的膨润土湿料；
步骤2：在步骤1中的具有粘性的膨润土湿料中加入高吸水树脂(SAP)成球造粒，得到吸水膨胀内核；
步骤3：将步骤2制得的吸水膨胀内核在室温下晾干或在60℃以下烘箱内烘干，制得干燥的吸水膨胀内核；
步骤4：在水溶性淀粉、聚乙烯醇和泊洛沙姆混合物中边搅拌边加入去离子水，再加入水溶性润滑剂和增塑剂，持续搅拌，直至完全溶解获得成膜液；
步骤5：将步骤3中制得干燥的吸水膨胀内核至于包衣机内，将步骤4中制得的成膜液喷洒到滚动的吸水膨胀内核表面，通入热空气以使滚动的吸水膨胀内核表面成膜液中的去离子水蒸发，使成膜液在吸水膨胀内核表面形成一层连续的缓释包衣，通过控制成膜液的喷洒时间来控制包衣厚度，从而制得不同包衣厚度的注浆堵水材料，冷却后即可得到缓释可控的注浆堵水材料。
3.如权利要求2所述的缓释性可控的注浆堵水材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述膨润土中蒙脱石含量≥80％，所述黄原胶为市售黄原胶粉末，所述膨润土与黄原胶粉末质量比为10：(0.5-2.5)；所用水量以手捏能成型为宜，一般为膨润土质量的40％～50％。
4.如权利要求2所述的缓释性可控的注浆堵水材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述膨润土与高吸水树脂(SAP)质量比为1：(0.5-5)，高吸水树脂(SAP)粒径在150-180目之间。
5.如权利要求2所述的缓释性可控的注浆堵水材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，成球造粒所用的设备为圆盘造粒机。
6.如权利要求2所述的缓释性可控的注浆堵水材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述吸水膨胀内核直径为1mm-3mm。
7.如权利要求2所述的缓释性可控的注浆堵水材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述水溶性淀粉为玉米淀粉，用量为去离子水质量的8％-12％；所述聚乙烯醇聚合度为1700，醇解度为88％，可冷水溶解，用量为去离子水质量的3％-5％；所述泊洛沙姆用量为去离子水质量的2％-4％；所述的水溶性润滑剂为甘油，用量为去离子水质量的0.3％-0.5％；所述增塑剂为环氧乙酰亚麻油酸甲酯、9,10-环氧硬脂酸辛酯、乙酰柠檬酸三丁酯中的一种或几种，用量为去离子水质量的1％-3％。
8.如权利要求2所述的缓释性可控的注浆堵水材料的制备方法，其特征在于，步骤5中，喷洒成膜液用量以干膜质量计为吸水膨胀内核颗粒质量的5％-20％，该用量可通过调整喷洒时间进行控制。
9.一种如权利要求1所述的缓释性可控的注浆堵水材料的使用方法，其特征在于，根据具体工程选择包衣厚度适中的注浆堵水材料，然后将该注浆堵水材料与水混合混成浆料后，用注浆设备注入透水部位，注浆堵水材料随着动水向裂隙流动，在流动过程中随着缓释包衣的溶解，膨胀内核吸水开始膨胀，动水流速逐渐降低直至静止，达到止水堵水的目的。
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