CN116063060A - 一种加酯固化水玻璃浆液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种加酯固化水玻璃浆液及其制备方法，通过在水玻璃溶液中加入三乙酸甘油酯，利用三乙酸甘油酯的水解特性，逐渐生成醋酸与多元醇(乙三醇)，多元醇的亲水性会吸收一部分水分。醋酸与硅酸钠反应，不断生成醋酸钠与硅酸，同时促进三乙酸甘油酯水解。当浆液达到浓度‑模数界限条件后，即使溶液中存有未参与反应的钠水玻璃溶液，浆液开始固化凝结。用于粉细砂加固时水玻璃浆液的固结特性会使得松散的砂粒表面被浆液包裹覆盖，形成一个整体，进而增强粉细砂的抗渗性与稳定性，从而解决施工过程中粉细砂层遇水扰动后易崩解、垮塌的工程问题。
Description
技术领域
本发明属于铸造型砂改性技术领域，尤其涉及一种加酯固化水玻璃浆液及其制备方法。
背景技术
在重大项目施工过程中，往往会遇到复杂地形、岩层砂化、围岩等级较低、地层软弱的问题，伴随出现的通常是工程中隧洞漏水、塌方、涌泥涌砂等工程事故。对于不稳定的大裂隙、松散岩层、砂卵石层、粗砂层等带来的问题通过水泥灌浆基本能达到稳定、高强、防渗的目的。但对于渗透系数低稳定性差的粉细砂地层、砂化岩层的提强防渗目前仍然是比较棘手的工程问题。对于粉细砂、砂化岩层等低渗透性地层，普通硅酸盐水泥无法满足灌浆条件，颗粒型材料在渗透系数低、裂缝小的情况下可灌性较差。虽说超细水泥理论上满足需求，但是在实际使用上对注浆压力要求高、且扩散距离有限，对于粉细砂地层的灌浆效果并不理想。因此近年来很多学者将目光投放到化学材料上，希望寻找一种溶液型化学浆材来实现工程上特殊地层的灌浆加固。目前比较常见的化学灌浆材料一般是水玻璃、丙烯酸盐、环氧树脂、聚氨酯、硅溶胶等。
关于丙烯酸盐材料国内已有不少。最早由中国水利水电科学研究院利用丙烯酸镁提出的AC-MS材料，到长江科学院谭日升等利用丙烯酸镁与丙烯酸钙的拮抗作用降低毒性的新型丙烯酸盐，并成功用于万安水电站、三峡二期工程。近年来众多学者通过对交联剂的改变也提出了一些新型灌浆材料改进了丙烯酸盐浆液的毒性、渗透性、可灌性在一定程度上对丙烯酸盐材料性能进行了提高，但其凝后强度不高，且在现场使用过程中依然保持有一定毒性。相对而言环氧树脂的凝固后力学性能好，更为可控，发展也更为成熟。但由于环氧浆液的黏度问题，其稀释剂的使用会造成不可避免的环境危害，且其本身的高昂价格也决定了不能大规模使用的特点，聚氨酯类材料遇水会发生反应，形成固结体，其黏度较高，一般用于渗漏水的封堵中，同时使用后会残留剧毒物质。硅溶胶类注浆材料，面临固结后抗压强度低的问题。
现在对于隧洞堵水主流的应用材料即为水泥-水玻璃双液注浆材料。但是此类双液注浆材料仍然存在一定的缺点如：扩散不均匀、压力要求较高等。为满足安全施工的条件，目前需要一种能满足实际需求的灌浆材料来应对当前严苛的工程问题。水玻璃于其他化学注浆材料具有价格低、无毒无害的特点，它较好的渗透性可以发挥化学灌浆的优势，利用酯化法将水玻璃作为单液灌浆材料使用，可为粉细砂等低渗透性地层灌浆工程提供一条新的方向。
现有应对低渗透性粉细砂地层的处理手段主要是通过灌浆法解决需求，常用的材料为水泥-水玻璃双液注浆材料，此种注浆材料主要利用水玻璃作为速凝剂，促进水泥凝结。水泥浆液中加入一定量水玻璃后，水泥的固化速率明显提高，具体凝胶时间可准确控制在几秒至几十分钟范围内。
水泥本身的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的胶体物质所引起的，在硅酸三钙的水化过程中产生氢氧化钙。当加入水玻璃后，水玻璃马上与新生成的氢氧化钙反应，生成具有一定强度的凝胶体水化硅酸钙。
针对粉细砂类低渗透性地层，常用水泥-水玻璃进行高压劈裂灌浆，通过较高的压力使得地层出现裂隙，浆液通过裂隙达到扩散的目的，以此实现地层的防渗加固。但通过劈裂灌浆法扩散，常导致浆液只能沿着地层的裂隙扩散，虽扩散距离远，但是扩散不均匀，导致注浆浪费量大，利用率低。一般来说此法可增加地层的稳定性，但是防渗效果不理想。
基于上述分析，一种能实现钠水玻璃单液浆凝结时间可调控，完成钠水玻璃单液灌浆，解决了粉细砂地层可灌性差，化学材料成本高，灌浆工序复杂的问题的水玻璃浆液是目前行业内急需的。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种利用酯固化水玻璃来灌浆加固粉细砂层的方法。通过在水玻璃溶液中加入三乙酸甘油酯，利用三乙酸甘油酯的水解特性，逐渐生成醋酸与多元醇(乙三醇)，多元醇的亲水性会吸收一部分水分。醋酸与硅酸钠反应，不断生成醋酸钠与硅酸，同时促进三乙酸甘油酯水解。当浆液达到浓度-模数界限条件后，即使溶液中存有未参与反应的钠水玻璃溶液，浆液开始固化凝结。其具体的水解反应过程为：
醋酸与硅酸钠的反应过程为：
Na2SiO3+2CH3COOH＝2CH3COONa+H2SiO3
用于粉细砂加固时水玻璃浆液的固结特性会使得松散的砂粒表面被浆液包裹覆盖，形成一个整体，进而增强粉细砂的抗渗性与稳定性，从而解决施工过程中粉细砂层遇水扰动后易崩解、垮塌的工程问题。
在生成醋酸后，醋酸不断与硅酸钠发生反应生成醋酸钠与硅酸。随着反映的进行，当浆液达到浓度-模数界限条件后，即使溶液中存有未参与反应的钠水玻璃溶液，浆液开始固化凝结。
以下是在室温(25℃)常压(101KPa)条件下，不同固化剂掺加量的数据分析表：
表1固砂体凝结时间与三乙酸甘油酯掺量的关系
根据图1结果可知，固定其他添加剂的量，改变三乙酸甘油酯的量从2％～12％。观测初始黏度、凝结时间、固砂体1d抗压强度变化规律。浆液初始黏度变化范围20～34mPa.s，初始黏度最大在34mPa.s。浆液凝结时间随添加剂增加而逐渐降低，凝结时间在在30～40min之间。当添加剂的量大于8％时凝结时间不再明显变化。实验显示当固化剂的添加量低于4％时浆液无法凝结。
其固砂体1d抗压强度在0～2.58MPa之间，随固化剂添加量的增加其抗压强度逐步提升。当添加量为4％时固砂体1d抗压强度可达1.24MPa，当添加量为12％时，1d抗压强度可达2.58MPa。当添加量由4％提升为12％时，固砂体强度为提升为208％，其提升幅度较大。从曲线的发展规律亦可得当固化剂添加量在8％以上时，抗压强度不再发生明显变化。可确定固化剂的质量比最小为8％，即可达到固化所需的最佳掺加量。
反映过程中浆液的PH始终处于11.5-12.2之间，基本没有改变。
但是利用此法在使用过程中存在一些问题，有机酸酯在钠水玻璃溶液中分散性比较差，导致固化时间不稳定、固化不均匀、胶凝强度低。为解决有机酸酯在钠水玻璃溶液中分散性差，固化不均匀、胶凝强度低的问题。实验采用油酸钠、吐温为乳化剂，通过实验确定不同乳化剂的效果和用量。以胶凝强度与凝结时间为依据判断乳化效果。
参照JCT 2041-2010《聚氨酯灌浆材料》，对水玻璃胶凝体采用直径4、高10cm的圆柱形膜具。钠水玻璃胶凝体随着固化后失水其强度会逐渐提升，可压缩性也会逐渐降低。浆液胶膜后密封，一天后拆模直接实验。对不同配比的胶凝体进行抗压强度实验，当竖向应变到30％，记录其承载力并计算其抗压强度。试验在室温常压下进行：
表2吐温掺量
表3油酸钠掺量
根据图3结果可知，随着乳化剂掺加量的提高，胶凝体抗压强度逐渐提升。反应过程中浆液PH变化不大始终处于11.5-12.2之间。
吐温掺量从0提至0.2％时，胶凝体的抗压强度从300kPa，提升至600kPa。当乳化剂的掺加量由0.2％提升为1.2％时，其胶凝体抗压强度提升为650kPa，变化不大。在浆液固化后表面有部分自由水析出。根据强度曲线可得当乳化剂的添加量大于0.4％时，胶凝体的强度不再有明显变化。
油酸钠做乳化剂时胶凝体强度最大为500kPa。当油酸钠添加量在0～0.6％范围递增时抗压强度增加，当油酸钠添加量超过0.6％时抗压强度变化不再明显。由于油酸钠常温下为乳白色粉末状固体，添加时需要加水提前搅拌混合。故其作为乳化剂时固化后会析出较多自由水，其强度稍低。根据强度曲线可得当乳化剂的添加量大于0.6％时，胶凝体的强度不再有明显变化。
对比可知吐温作为乳化剂时乳化效果明显，当其掺加量大于0.4％时即可对固化剂实现较好的分散效果。
通过上述反应方程与室内试验可知：在室温常压条件下，利用三乙酸甘油酯可实现钠水玻璃浆液的酯化固结。利用乳化剂吐温可以较好得解决三乙酸甘油酯在钠水玻璃中得溶解分散问题。根据试验得出最佳配比为钠水玻璃：三乙酸甘油酯：吐温(质量比)为100(g)：8～10(g)：0.4～0.6(g)。
基于此，本发明的技术方案是：
一种水玻璃浆液，包括：
水玻璃100份；
有机酯8～10份；以及
乳化剂0.4～0.6份。
进一步地，所述水玻璃为碱性硅酸钠水玻璃，选用水玻璃的模数为3.0-3.2，PH值为11.8-12.2，波美度38。
进一步地，所述有机酯为三乙酸甘油酯。
进一步地，所述乳化剂为吐温80或油酸钠。
本发明的有益效果在于：
1、与水泥-水玻璃双液注浆相比，减少了水泥浆液的搅拌混合工序，可以直接使用单个灌浆泵灌浆。
2、与水泥-水玻璃双液注浆相比，提高了注浆效率。(即通过渗透注浆可提高浆液的利用率，避免浆液的浪费，减少工程问题反复)
附图说明
图1为固砂体抗压强度与三乙酸甘油酯掺量的关系图；
图2为胶凝体抗压试验图；
图3为胶凝体抗压强度与油酸钠、吐温掺量的关系图。
具体实施方案
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。在无冲突的情况下，本说明书中的科学术语具有本领域技术人员通常理解的含义，如有冲突应以本说明书中的定义为准。
试验用的材料：碱性钠水玻璃模数3.2，波美度38、三乙酸甘油酯(98％)、吐温80、油酸钠材料均为市售工业级、标准砂粒径0.08-2mm、细砂、粉土。
实施例1
本产品首次应用是在云南省滇中引水工程中，玉溪段小朴隧洞2#支洞。小扑隧洞位于金沙江水系与南盘江水系的分水岭地带，分水岭脊线位于隧洞中部大尖山—干海一带。分水岭北翼由走向近南北向条带状展布的中～古生代岩层构成低中山地形，山体走向与地层及构造线一致，地形坡度20°～35°，地面高程2000～2200m，相对高差100～200m，地势南高北低。
标段起点位于昆明市晋宁区上蒜镇小扑村，终点位于晋宁区六街镇新寨村，隧道地质复杂，含水破碎带、可溶岩层密布，岩性有白云岩、砂质白云岩等，水量丰富，遇水极易软化，且水力通道联通性好，一旦开挖打开水力通道，必将产生大量涌水涌砂，造成施工无法正常推进；
本工程小扑隧洞2#施工支洞进主洞上游YX6+595.2后地层岩性为砂质白云岩，碎裂散体结构，洞身岩体砂化剧烈～强烈，岩体透水性弱～中等。隧洞受地下水环境影响问题的风险性高。因含水破碎带、破碎白云岩等为特殊不良地质体，极易产生涌水、涌沙及变形。
本发明主要应用于上述提及地层的灌浆防渗加固问题，具体适用灌浆案例为小朴隧洞IV-4号第2段，灌浆段长度为5米(4.3m-9.3m)，其中该段为剧烈砂化白云岩段。
将材料备齐后在现场完成配置灌浆，主要利用到的设备有化学灌浆泵(4.5kw喷涂机)、灌浆管、电子秤、搅拌器(2.0kw)。
配比为碱性钠水玻璃：三乙酸甘油酯：吐温80质量比为100：8：0.6进行配比灌浆。
首先将喷涂机与灌浆管连接好，将掌子面上孔口管固定牢。准备好容器后，称量2kg三乙酸甘油酯、0.15kg的吐温，将其混合后搅拌均匀，然后称量25kg的钠水玻璃。将混合后的三乙酸甘油酯与吐温加入到水玻璃溶液中，通过搅拌器搅拌后，倒入到容器内，开动喷涂机开始灌浆。
灌浆过程及结果分析：
1.灌前检查压水透水率为2.3Lu(1.5MPa压力)，经过孔内电视看无明显裂隙；
2.试验时间：2小时15分钟；灌浆温度：15°～20°；空气相对湿度较高；
3.灌浆压力：泵口灌浆压力1.5MPa，孔口压力1.0MPa；
4.共灌注336kg，减去孔内占浆，共灌入砂化岩体269kg，每米单耗53.88kg；
5.最后33kg浆液灌注了15分钟，注入率2.2kg/min；
6.灌浆后检查透水率降低至0.04Lu(1.5MPa压力)；
以上所述，只是本发明的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种水玻璃浆液，包括：
水玻璃100份；
有机酯8～10份；以及
乳化剂0.4～0.6份。
2.根据权利要求1所述的水玻璃浆液，其中：
所述水玻璃为碱性硅酸钠水玻璃，选用水玻璃的模数为3.0-3.2，PH值11.8-12.2，波美度38。
3.根据权利要求1所述的水玻璃浆液，其中：
所述有机酯为三乙酸甘油酯。
4.根据权利要求1所述的水玻璃浆液，其中：
所述乳化剂为吐温80或油酸钠。
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