CN116217783A - 一种高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道与地下工程地层加固灌浆材料的领域，提供了一种高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料及其制备方法，上述的纳米改性丙烯酸盐复合注浆材料由A组分与B组分混合而成，A组分包括：50‑120份丙烯酸盐溶液、0.1‑10份交联剂、1‑60份纳米改性剂、0‑0.05份表面活性剂、0.1‑10份硅烷偶联剂、0.1‑4份促进剂；B组分包括：0.1‑4份引发剂、1‑40份橡胶助剂、5‑120份无机增强剂、0‑20份水组成。该材料具有黏度低、凝胶时间可控、可注性强、渗透扩散效果好、固结体强度高、韧性好的特点，能够显著改善隧道与地下工程致密软弱围岩的物理力学性能，极大降低突水突泥、塌方等重大灾害发生风险，保障工程建设安全。
Description
技术领域
本发明属于隧道与地下工程地层加固灌浆材料的技术领域，尤其涉及一种高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
近年隧道与地下工程的建设规模与速度不断提升，所面临的地质条件也日趋复杂。隧道与地下工程建设经常遭遇断层破碎带、富水软岩等不良地质体，极易诱发突水突泥、围岩垮塌等重大地质灾害。在众多不良地质类型中，以碎粉岩、粉细砂为代表的致密软弱地层分布广泛、致灾性强、治理难度大，给交通隧道、引水隧洞的安全建设带来极大挑战。
以某引水工程为例，在施工过程中揭露了大范围分布的富水碎粉岩地层，先后发生数十次突水突泥、围岩大变形、塌方灾害，施工安全风险极高。该碎粉岩地层是在断层挤压研磨作用下形成的细粉末状介质，具有颗粒粒径小、致密性强、粘聚力低、承载性能弱、遇水软化严重等特点，在地下水作用下极易发生渗透破坏，进而导致灾害发生。
超前固结注浆是对碎粉岩等致密软弱地层进行加固抗渗处理的主要手段。然而，由于该类地层的颗粒粒径小、渗透性差，采用常规注浆材料进行治理时通常难以达到预期效果。目前工程中常用的注浆主要包括无机注浆材料(如水泥、水玻璃等)和有机化学注浆材料(如聚氨酯、丙烯酰胺、木质素等)。水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆等最常用的无机注浆材料在该类致密软弱地层中难以发生渗透扩散，当采用高压劈裂注浆时又会引发围岩变形、应力积聚等问题；而水玻璃类注浆材料虽然具有一定的渗透性，但其固结体强度低，在富水环境下的固结性能较差。常用的有机注浆材料，如丙烯酰胺、络木素注浆材料具有环保性差的特点，而聚氨酯类材料黏度高、可注性差，对致密软弱地层的适用性不强。相对于其他有机注浆材料，丙烯酸盐类材料在致密地层内的可注性强，具有很大的改性潜力，但存在强度和粘结性较低的问题，例如：专利CN106927719A公开了一种丙烯酸盐复合注浆填充材料及其制备方法与应用，由A材料和B材料混合制备而成，其中，A材料由以下重量份的组分组成：主剂30-40份，交联剂6-10份，水50-64份，主剂为丙烯酸镁、丙烯酸钙和丙烯酸铜的混合物，交联剂为聚乙二醇二烯丙基醚和乙氧化双酚A双烯丙基醚中的一种或两种的混合物；B材料由以下重量份的组分组成：促进剂3～6份，引发剂1～4份，复合增强剂(纳米二氧化硅)3～7份，助剂0.04～0.3份，缓凝剂0～0.1份，水82.6～92.96份。但发明人发现：采用该材料制备的固结体强度仍有待增强。
发明内容
为克服现有注浆材料对致密软弱地层适用性不强的问题，本发明的主要目的在于提供一种针对碎粉岩等致密软弱地层加固及防渗处理的高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料，该材料具有黏度低、凝胶时间可控、可注性强、渗透扩散效果好、固结体强度高、韧性好的特点，能够显著改善隧道与地下工程致密软弱围岩的物理力学性能，极大降低突水突泥、塌方等重大灾害发生风险，保障工程建设安全。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料，包括：A组分、B组分，A组分、B组分的体积比为1:0.2-1；
所述A组分是由以下重量份的原料组成：50-120份丙烯酸盐溶液、0.1-10份交联剂、1-60份纳米改性剂、0-0.05份表面活性剂、0.1-10份硅烷偶联剂、0.1-4份促进剂；
所述B组分是由以下重量份的原料组成：0.1-4份引发剂、1-40份橡胶助剂、5-120份无机增强剂、0-20份水。
为满足致密地层注浆治理需求，本发明研发了高渗透性、强胶结性的高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料。
本发明的第二个方面，提供了一种高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料的制备方法，包括：
在丙烯酸盐溶液中分别加入交联剂、纳米改性剂、表面活性剂、促进剂，混合均匀后，再加入硅烷偶联剂，形成A组分浆液，备用，其中，纳米改性剂分多次加入；
将引发剂、橡胶助剂、无机增强剂、水，混合均匀，形成B组分浆液，备用。
将A组份浆液和B组浆液份按照体积比1:0.2-1均匀混合，形成高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料。
本发明的第三个方面，提供了上述的高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料在致密地层注浆中的应用。
本发明的有益效果
(1)本发明的材料由A、B两组分构成。其中，A组分包括丙烯酸盐溶液、绿色交联剂、纳米改性剂、表面活性剂、硅烷偶联剂和促进剂；B组分包括引发剂、无机增强剂、橡胶助剂和水。其中，丙烯酸盐为A组分的主要成分，由于其自身分子结构简单，水溶液粘度低，可保证浆液整体具有较强的可注性和渗透性。浆液材料的作用原理为：A组分中的促进剂与B组分中的引发剂接触后形成氧化还原自由基引发体系，其自由基会打破丙烯酸盐单体中双键并生成分子链，进而与绿色交联剂反应，逐步形成三维网状结构，使凝胶体表现出高弹性和高韧性特征，因此浆液注入致密软弱地层后所形成的固结体具有较高的抗拉和抗压强度；为在保证材料具有较好可注性的条件下进一步提升其固结强度，加入富含二氧化硅的纳米材料作为改性剂和增强剂，由于纳米粒子在丙烯酸盐有机基体中均匀分布，对浆液粘度几乎无影响，但纳米材料表面羟基发生相互作用，脱水缩合后形成的硅氧键(Si-O-Si)对固结体强度具有提升作用；有机丙烯酸盐凝胶具有较好韧性但强度较低，硅氧键形成的无机凝胶具有较高强度但韧性差，通过添加硅烷偶联剂作为有机和无机成分之间的“桥梁”，增强两种基体的相容性，实现两者性质互补，可同步提升浆液凝胶体的力学强度与韧性。
(2)本发明中橡胶助剂用于提升材料的粘结性能和固结体的强度，无机增强剂能够较大幅度提升碎粉岩固结体的强度。
(3)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1制备的A组分中纳米粒子分布微观照片。
图2为本发明实施例1制备的浆材与碎粉岩混合微观下胶结形貌。
图3为本发明实施例1制备的浆材与碎粉岩混合，凝固后固结体单轴抗压试验。
图4为本发明实施例1制备的注浆材料碎粉岩固结体压裂后裂缝内部结构。
图5为本发明实施例1制备的注浆材料现场应用固结体照片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明的第一目的，提供一种用于致密破碎地层加固的高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料及其制备方法。
本发明的第二目的，提供一种上述高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料的应用。
为实现上述目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
上述的纳米改性丙烯酸盐复合注浆材料由A组分与B组分混合而成，A液与B液体积比为1:0.2-1。
所述的A组分是由以下按重量份数计的组分组成：50-120份丙烯酸盐溶液、0.1-10份交联剂、1-60份纳米改性剂、0-0.05份表面活性剂、0.1-10份硅烷偶联剂、0.1-4份促进剂；B组分是由以下按重量份数计的组分组成：0.1-4份引发剂、1-40份橡胶助剂、5-120份无机增强剂、0-20份水组成。
在一些实施例中，所述的丙烯酸盐溶液为丙烯酸钠、丙烯酸镁、丙烯酸钙、丙烯酸锌中的至少一种；
在一些实施例中，所述的交联剂为聚乙二醇单烯丙基醚、聚乙二醇双烯丙基醚、聚乙二醇二丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯中的至少一种，其中聚乙二醇分子量为200-2000之间。
在一些实施例中，所述的纳米改性剂为纳米二氧化硅、纳米粉煤灰、纳米电石渣、纳米高岭土，其中纳米增强材料粒径范围为4-100nm。
在一些实施例中，所述的表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚两种中的至少一种。
在一些实施例中，所述的硅烷偶联剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、环氧基硅烷、巯基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一种。
在一些实施例中，所述的促进剂为三乙醇胺、二乙醇胺、四甲基乙二胺、三乙烯二胺中的至少一种。
在一些实施例中，所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾中的至少一种。
在一些实施例中，所述的橡胶助剂溶聚丁苯橡胶、水性氯化橡胶乳液、丁腈乳液、丙烯酸乳液中的至少一种。
在一些实施例中，所述的无机增强剂为纳米硅溶胶，不限于碱性、中性或酸性硅溶胶，平均颗粒粒径为7-80nm。
上述的一种高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在丙烯酸盐溶液中分别加入交联剂、纳米改性剂、表面活性剂、促进剂，搅拌均匀后，再加入硅烷偶联剂，其中纳米改性剂需分多次加入，形成A组分浆液备用。
(2)将引发剂、橡胶助剂、无机增强剂加入水组成，并搅拌均匀混合，形成B组分浆液，备用。
(3)将A组份和B组份按照体积比1:0.2-1均匀混合，形成高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料。
形成的丙烯酸盐注浆材料粘度小于10cP、初凝时间2小时内可调，渗透性高，可注性强。实验结果表明，该注浆材料与粉状岩体混合后形成强粘结、高韧性的固结体，如图2所示，即使受到破坏，仍然具有一定强度，固结体裂缝人为拉开甚至会发现拉丝状胶体，能够很好的粘结岩体颗粒，如图3所示。
该材料注浆时采用双液泵送方式，现场应用根据现场注浆扩散范围需求，通过调节A液和B液的体积比或调节促进剂及引发剂含量控制浆液初凝时间，注浆时将A、B液孔口或孔内混合，注入目标位置，根据现场岩层属性、注浆工艺、注浆位置、注浆段长等因素进行调整。
上述的高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料，可应用于隧道与地下工程突水突泥重大灾害治理，特适用于致密性强、受开挖扰动易松散、遇水易泥化的岩体，有效加固周围岩体，降低岩体渗透性，减少坍塌、突水突泥等灾害发生。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取25％含量丙烯酸盐90份、交联剂(乙二醇二丙烯酸酯)2份、纳米二氧化硅2份、脂肪醇聚氧乙烯醚0.01份、促进剂(三乙醇胺)2份、环氧基硅烷3份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取引发剂(过硫酸钾)0.2份、硅溶胶80份、水10份、丁苯乳液10份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。
(3)将A、B组分以1:1比例充分搅拌混合均匀，即可用于注浆。
实施例2
一种高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取20％含量丙烯酸盐90份、交联剂(乙二醇二丙烯酸酯)3份、纳米二氧化硅4份、促进剂(三乙醇胺)2份、环氧基硅烷2份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取引发剂(过硫酸钾)0.1份、硅溶胶20份、水10份、丁苯乳液5份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。
(3)将A、B组分以1:1比例充分搅拌混合均匀，即可用于注浆。
实施例3
一种高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取25％含量丙烯酸盐90份、交联剂(乙二醇二丙烯酸酯)2份、纳米二氧化硅2份、表面活性剂0.01份、促进剂(三乙醇胺)4份、环氧基硅烷2份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取引发剂(过硫酸钾)4份、硅溶胶80份、水10份、丁苯乳液10份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。
(3)将A、B组分以1:1比例充分搅拌混合均匀，即可用于注浆。
实施例4
一种高渗透型纳米改性丙烯酸盐注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)按重量份计，取25％含量丙烯酸盐90份、交联剂(乙二醇双丙烯丙基醚)2份、纳米二氧化硅2份、促进剂(三乙醇胺)4份、环氧基硅烷2份，将上述材料混合并充分搅拌，制备A组分备用；
(2)取引发剂(过硫酸钾)4份、硅溶胶80份、水10份、丁苯乳液10份，将上述材料混合并充分搅拌，制备B组分备用。
(3)将A、B组分以1:0.8比例充分搅拌混合均匀，即可用于注浆。
对碎粉岩进行筛分，与上述实施例1-4制备的浆液分别混合，凝固后，对碎粉岩固结体抗压强度，渗透系数、固化时间、粘度分别进行测量，结果如下：
表1
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料，其特征在于，包括：A组分、B组分，A组分、B组分的体积比为1:0.2-1；
所述A组分是由以下重量份的原料组成：50-120份丙烯酸盐溶液、0.1-10份交联剂、1-60份纳米改性剂、0-0.05份表面活性剂、0.1-10份硅烷偶联剂、0.1-4份促进剂；
所述B组分是由以下重量份的原料组成：0.1-4份引发剂、1-40份橡胶助剂、5-120份无机增强剂、0-20份水。
2.如权利要求1所述的高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料，其特征在于，所述丙烯酸盐溶液为丙烯酸钠、丙烯酸镁、丙烯酸钙、丙烯酸锌中的至少一种。
3.如权利要求1所述的高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料，其特征在于，所述交联剂为聚乙二醇单烯丙基醚、聚乙二醇双烯丙基醚、聚乙二醇二丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯中的至少一种，其中，聚乙二醇分子量为200-2000之间。
4.如权利要求1所述的高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料，其特征在于，所述纳米改性剂为纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米钛白粉、纳米高岭土中的至少一种，其中，纳米改性剂粒径范围为4-100nm。
5.如权利要求1所述的高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料，其特征在于，所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚中的至少一种。
6.如权利要求1所述的高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、环氧基硅烷、巯基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一种。
7.如权利要求1所述的高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料，其特征在于，所述促进剂为三乙醇胺、二乙醇胺、四甲基乙二胺、三乙烯二胺中的至少一种。
8.如权利要求1所述的高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾中的至少一种；
或，所述橡胶助剂溶聚丁苯橡胶、水性氯化橡胶乳液、丁腈乳液、丙烯酸乳液中的至少一种；
或，所述无机增强剂为纳米硅溶胶，不限于碱性、中性或酸性硅溶胶，平均颗粒粒径为7-80nm。
9.一种高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料的制备方法，其特征在于，包括：
在丙烯酸盐溶液中分别加入交联剂、纳米改性剂、表面活性剂、促进剂，混合均匀后，再加入硅烷偶联剂，形成A组分浆液，备用，其中，纳米改性剂分多次加入；
将引发剂、橡胶助剂、无机增强剂、水，混合均匀，形成B组分浆液，备用；
将A组份浆液和B组浆液份按照体积比1:0.2-1均匀混合，形成高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料。
10.权利要求1-8任一项所述的高渗透纳米改性丙烯酸盐注浆材料在致密地层注浆中的应用。
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