CN117567124A - 绿色无机韧性tbm壁后注浆材料及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了绿色无机韧性TBM壁后注浆材料及应用，TBM壁后注浆材料包括按重量份计的如下组分：水泥50‑70份、粉煤灰30‑50份、脱硫石膏5‑10份、膨润土5‑10份、减水剂0.1‑0.5份、消泡剂0.05‑0.1份、增稠剂0.05‑0.1份、水性聚氨酯乳液5‑20份、改性玻璃纤维0.1‑2份、水40‑60份。本发明通过各原料组分协同使用，不仅实现了废弃物的资源化利用，减少了环境污染，同时提高了注浆材料的整体性能和耐久性，为盾构工程提供了更可靠的材料基础。
Description
技术领域
本发明涉及隧道建设工程技术技术领域，尤其涉及一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料及应用。
背景技术
盾构工程是一种广泛应用于地下隧道建设的工程技术。它采用盾构机作为施工设备，通过推进刀具切割土体，并在盾构机后部立即安装预制管片，形成隧道衬砌。盾构工程具有施工速度快、对地面影响小、适应性强等优点，因此在城市地铁、水利隧道、公路隧道等领域得到了广泛应用。在盾构施工中，开挖面与衬砌管片之间会形成厚度约10-20cm的环形空隙，可能造成地层变形，使相邻地表建筑物、构筑物沉降，并可能导致隧道偏移，为减少以上的可能产生的情况，通常采用壁后同步注浆技术充填此空隙，即在盾构机推进过程中，保持一定压力并综合考虑注入量不间断地从盾尾直接向壁后注浆，当盾构机推进结束时，停止注浆。
盾构同步注浆能有效提高盾构隧道的稳定性和安全性，确保施工顺利进行，其质量和效率决定着盾构机的推进速度和隧道建设的质量。目前，常用的同步注浆材料主要分为单液型与双液型，其中，单组分同步注浆材料多水泥、河砂、粉煤灰、膨润土、其他外加剂和水的非均质混合物组成，具有一定的早期强度和后期强度。双液型浆液是活性浆液，根据A液和B液的不同配比可以控制混合后浆液的硬化时间，具有初凝时间短，早期强度以及长期强度均比较大，固结后体积无变化，在地下水作用下无稀释性，泵送时没有材料分离现象，可以限定注入范围，无泄漏，充填性好，注入率高等优点。
虽然对于盾构同步注浆材料的研究已较为成熟，但是目前同步注浆料仍存在一些问题。盾构同步注浆料通常使用水泥作为胶凝材料，而水泥的生产和使用过程中会产生大量的二氧化碳，对环境造成负面影响。由于盾构隧道通常穿越地下水位较高的区域，地下水压力较大，存在漏水风险，这就要求注浆材料具有优异的防水性能，能够有效抵御地下水的渗透和压力。同时，盾构隧道穿越的地层往往存在不同的地层压力，注浆材料需要能够承受并分散这些压力，确保隧道的稳定性，因此要求注浆料具有优异的抗压性能。
CN115304333B公开了一种盾构同步注浆料及其制备方法，按重量份计包括的如下原料组分：150-200份的水泥，100-150份的粉煤灰，150-200份的生态烧结料，450-550份的铁尾矿细砂，0.3-0.4份的纤维素醚，1.5-1.7份的减水剂，560-610份的拌合水。该发明利用铁矿工业的废弃物作为湿拌盾构同步注浆料的主要成分，无需破碎和干燥等工艺；采用生态烧结料取代膨润土，充分利用了固体废弃物的同时降低对天然资源依赖。该发明所提供的盾构同步注浆料具有流动性好、泌水率低、固结率高、凝结时间可控、强度高的特点，但其韧性较低会导致注浆料的抗裂性能较差，从而降低结构的整体性和稳定性。
CN113716922B公开了一种盾构同步注浆料及其制备方法，所述盾构同步注浆料包括以下重量份数的组分：特种水泥12-22％、冶金渣微粉26-34％、尾矿砂45-52％、流变稳定剂1.6-4％、悬浮分散剂0.4-2％、保水增塑剂0.5-1.5％、减水剂0.8-1.6％、消泡剂0.04-0.09％、增强组分3-11％。该发明通过采用胶凝效率高的特种水泥，将冶金渣微粉和尾矿砂作为主要原材料，并采用多功能添加剂代替传统的注浆料外加剂，制得的盾构同步注浆料具有高流动性、良好的粘接性和微膨胀性，但是该发明将是尾矿砂经过筛分、水洗、烘干工艺处理后，再用来制备盾构同步注浆料，不仅没有合理利用铁尾矿细砂本身高含水率的特点，而且增加了产品的生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料及应用，将粉煤灰、脱硫石膏和膨润土与其他组分协同使用作为原料组分应用于注浆材料的制备中，不仅实现了废弃物的资源化利用，降低了生产成本，减少了环境污染，同时提高了注浆材料的整体性能和耐久性，为盾构工程提供了更可靠的材料基础。同时引入水性聚氨酯乳液和玻璃纤维，使得所制备的注浆材料具有良好的防水性能、抗折强度和抗压强度。
本发明提供了一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料，按重量份计，包括如下组分：
水泥50-70份、粉煤灰30-50份、脱硫石膏5-10份、膨润土5-10份、减水剂0.1-0.5份、消泡剂0.05-0.1份、增稠剂0.05-0.1份、水40-60份；
或，水泥50-70份、粉煤灰30-50份、脱硫石膏5-10份、膨润土5-10份、减水剂0.1-0.5份、消泡剂0.05-0.1份、增稠剂0.05-0.1份、水性聚氨酯乳液5-20份、改性玻璃纤维0.1-2份、水40-60份。
优选的，所述减水剂选自聚羧酸减水剂、萘系高效减水剂、木质素磺酸盐类减水剂、三聚氰胺减水剂、氨基磺酸盐减水剂、脂肪酸减水剂中的一种或多种。
优选的，所述消泡剂选自磷酸三丁酯、有机硅类消泡剂、聚醚类消泡剂、聚醚改性硅类中的一种或多种。
优选的，所述增稠剂选自羟丙基甲基纤维素醚、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺中的一种或多种。
优选的，所述水性聚氨酯乳液为单硬脂酸甘油酯改性蓖麻油基水性聚氨酯乳液，其制备方法包括如下步骤，以重量份计：
将4-4.1份异佛尔酮二异氰酸酯、4.2-4.3份蓖麻油和0.7-0.8份单硬脂酸甘油酯混合，滴入0.065-0.070份二丁基二月桂酸锡，混合均匀后加热至50-60℃，反应30-40min；待反应完后降至常温，加入0.8-0.9份二羟甲基丙酸，加热至50-60℃，持续滴加丙酮反应2-2.5h；待反应完后降至常温，加入0.9-1份三乙胺，在50-100r/min转速下搅拌5-6min，调至转速为300-500r/min，同时加入20-30份水，然后搅拌30-40min，得混合物；混合物旋蒸，得到单硬脂酸甘油酯改性蓖麻油基水性聚氨酯乳液。
优选的，所述改性玻璃纤维的制备方法包括如下步骤，以重量份计：
将2-2.2份3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶解在乙醇水溶液中，混合搅拌1-1.2h，得混合液；将3-5份玻璃纤维倒入混合液中，在室温、超声频率为30-50KHz、超声功率为450-600W的条件下超声处理1-1.5h，得混合物；乙醇洗涤混合物，于120-150℃下干燥2-2.5h，得改性玻璃纤维。
本发明还提供了上述绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥和水在水泥砂浆搅拌机中充分搅拌30-40s，然后加入粉煤灰、脱硫石膏、膨润土充分搅拌2-3min，使其混合均匀，得到预混体系；将减水剂、消泡剂、增稠剂加入到预混体系中，继续在水泥砂浆搅拌机中搅拌1-2min，使其混合均匀，即可制备出所述绿色无机韧性TBM壁后注浆材料；
或，将水泥和水在水泥砂浆搅拌机中充分搅拌30-40s；然后加入水性聚氨酯乳液和改性玻璃纤维，快速搅拌180-200s；之后加入粉煤灰、脱硫石膏、膨润土充分搅拌2-3min，使其混合均匀，得到预混体系；将减水剂、消泡剂、增稠剂加入到预混体系中，继续在水泥砂浆搅拌机中搅拌1-2min，使其混合均匀，即可制备出所述绿色无机韧性TBM壁后注浆材料。
本发明还提供了上述的绿色无机韧性TBM壁后注浆材料在盾构施工过程中的应用。
本发明的有益效果：
1、与现有技术相比，本发明使用单硬脂酸甘油酯对蓖麻油基水性聚氨酯乳液进行改性处理，然后将改性后的水性聚氨酯乳液引入TBM壁后注浆材料中，提高了注浆材料的防水性能和抗折强度。水性聚氨酯分子能够与注浆材料表面和内部孔隙形成良好的粘结，有效封闭注浆材料表面并阻止水分渗透，提高防水性能。同时，乳液在固化过程中形成坚韧的膜，增强注浆材料的抗折强度，吸收并分散外力，防止开裂。此外，乳液能够填充注浆材料的微小裂缝，增加密实性和整体性，进一步提升强度。单硬脂酸甘油酯改性蓖麻油基水性聚氨酯乳液能够降低由于蓖麻油分子的羟基与聚氨酯分子所发生的的分子内交联，使链段更容易折叠，乳液变得稳定。稳定性提升的水性聚氨酯乳液能够更好地在注浆材料中分散和固化，形成更加均匀且连续并且结构更加坚韧和牢固的膜，不仅能更有效地阻止水分渗透，而且与注浆材料基体的粘结力更强，进一步提高了注浆材料的防水性能和的抗折强度，使得所制备的TBM壁后注浆材料的韧性性能及耐久性得到提升。
2、本发明通过引入水性聚氨酯乳液和改性玻璃纤维协同使用，在一定程度上缓解了由于水性聚氨酯的掺量的增加所导致的材料的抗压强度下降，提升了注浆材料的抗压强度。这是因为改性玻璃纤维可以与水性聚氨酯的硬链形成强氢键，能在一定程度上扰乱水性聚氨酯的硬链的结晶，避免因其结晶的产生导致材料的内部孔隙率增加，有助于改善注浆材料微观结构的均匀性和密实性，减少孔隙和裂缝的形成，提高其的抗压强度。同时，氢键的形成增强了纤维与聚氨酯之间的相互作用，两者之间的界面粘结强化，从而能够有效地将应力从注浆材料基体传递到玻璃纤维上，提高整体的承载能力，进一步增加抗压强度，优化了注浆材料的性能。
具体实施方式
使用具体化学物质的参数，来源。
水泥：莒县水泥或山水水泥。
粉煤灰：二级华电粉煤灰，平均粒径20～25μm。
玻璃纤维：长度为0.5-6mm，直径为6-15μm。
聚羧酸系高性能减水剂：透明或浅黄色液体，生产厂家为淮南市科迪化工科技有限公司，型号：ZM-4B。
实施例1
一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
将600kg水泥和500kg水在水泥砂浆搅拌机中充分搅拌30s，然后加入400kg粉煤灰、100kg脱硫石膏、100kg膨润土充分搅拌2min，使其混合均匀，得到预混体系；将2kg聚羧酸系高性能减水剂、0.5kg磷酸三丁酯、0.5kg羟丙基甲基纤维素醚加入到预混体系中，继续在水泥砂浆搅拌机中搅拌1min，使其混合均匀，即可制备出所述绿色无机韧性TBM壁后注浆材料。
实施例2
一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
将600kg水泥和500kg水在水泥砂浆搅拌机中充分搅拌30s，然后加入90kg水性聚氨酯乳液和13.5kg改性玻璃纤维，快速搅拌180s；之后加入400kg粉煤灰、100kg脱硫石膏、100kg膨润土充分搅拌2min，使其混合均匀，得到预混体系；将2kg聚羧酸系高性能减水剂、0.5kg磷酸三丁酯、0.5kg羟丙基甲基纤维素醚加入到预混体系中，继续在水泥砂浆搅拌机中搅拌1min，使其混合均匀，即可制备出所述绿色无机韧性TBM壁后注浆材料。
所述水性聚氨酯乳液为单硬脂酸甘油酯改性蓖麻油基水性聚氨酯乳液，其制备方法包括如下步骤：
将4g异佛尔酮二异氰酸酯、4.28g蓖麻油和0.73g单硬脂酸甘油酯加入容器中混合，滴入0.068g二丁基二月桂酸锡，混合均匀后封闭容器，升温至55℃，反应30min；待反应完后降至常温，加入0.88g二羟甲基丙酸，加热至55℃，控制滴加速率为1滴/s持续滴加2g丙酮反应2h；待反应完后降至常温，加入0.91g三乙胺，在50r/min转速下搅拌5min，调至转速为400r/min，同时加入30g水，然后搅拌30min，得混合物；混合物旋蒸去掉丙酮，得到单硬脂酸甘油酯改性蓖麻油基水性聚氨酯乳液。
所述改性玻璃纤维的制备方法包括如下步骤：
将2g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶解在100g乙醇水溶液(50wt％)中，混合搅拌1h，得混合液；将5g玻璃纤维倒入混合液中，在室温、超声频率为50KHz、超声功率为600W的条件下超声处理1h，得混合物；乙醇洗涤混合物，在120℃的烘箱中干燥2h，得改性玻璃纤维。
实施例3
一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，与实施例2的区别在于13.5kg改性玻璃纤维替换为4.5kg改性玻璃纤维。
改性玻璃纤维和水性聚氨酯乳液的制备方法与实施例2相同。
实施例4
一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，与实施例2的区别在于13.5kg改性玻璃纤维替换为9kg改性玻璃纤维。
改性玻璃纤维和水性聚氨酯乳液的制备方法与实施例2相同。
实施例5
一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，与实施例2的区别在于13.5kg改性玻璃纤维替换为18kg改性玻璃纤维。
改性玻璃纤维和水性聚氨酯乳液的制备方法与实施例2相同。
对比例1
一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
将600kg水泥和500kg水在水泥砂浆搅拌机中充分搅拌30s，然后加入53kg水性聚氨酯乳液，快速搅拌180s；之后加入400kg粉煤灰、100kg脱硫石膏、100kg膨润土充分搅拌2min，使其混合均匀，得到预混体系；将2kg聚羧酸减水剂、0.5kg磷酸三丁酯、0.5kg羟丙基甲基纤维素醚加入到预混体系中，继续在水泥砂浆搅拌机中搅拌1min，使其混合均匀，即可制备出所述绿色无机韧性TBM壁后注浆材料。
水性聚氨酯乳液的制备方法与实施例2相同。
对比例2
一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，与对比例1的区别在于53kg水性聚氨酯乳液替换为90kg水性聚氨酯乳液。
水性聚氨酯乳液的制备方法与实施例2相同。
对比例3
一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，与对比例1的区别在于53kg水性聚氨酯乳液替换为129kg水性聚氨酯乳液。
水性聚氨酯乳液的制备方法与实施例2相同。
对比例4
一种绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，与对比例1的区别在于53kg水性聚氨酯乳液替换为170kg水性聚氨酯乳液。
水性聚氨酯乳液的制备方法与实施例2相同。
测试例1
按照《T/CECS 563-2018盾构法隧道同步注浆材料应用技术规程》和《SL/T352-2020水工混凝土试验规程》测试本发明实施例1和对比例1-4所制备的绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的机械性能及抗渗性能。
表1注浆材料机械性能及抗渗性能测试
由表1可知，对比实施例1和对比例1-4，对比例1-4材料的防水性能和抗折强度增加，这是因为水性聚氨酯乳液加入到注浆材料中，水性聚氨酯分子能够与注浆材料表面和内部孔隙形成良好的粘结，有效封闭注浆材料表面并阻止水分渗透，提高防水性能。同时，乳液在固化过程中形成坚韧的膜，增强注浆材料的抗折强度，吸收并分散外力，防止开裂。此外，乳液能够填充注浆材料的微小裂缝，增加密实性和整体性，进一步提升强度。单硬脂酸甘油酯改性蓖麻油基水性聚氨酯乳液能够降低由于蓖麻油分子的羟基与聚氨酯分子所发生的的分子内交联，使链段更容易折叠，乳液变得稳定。稳定性提升的水性聚氨酯乳液能够更好地在注浆材料中分散和固化，形成更加均匀且连续并且结构更加坚韧和牢固的膜，不仅能更有效地阻止水分渗透，而且与注浆材料基体的粘结力更强，进一步提高了注浆材料的防水性能和的抗折强度。
从表1可知，随着水性聚氨酯的掺量的进一步增加，材料的抗压强度持续下降，这是因为水性聚氨酯中存在部分异氰酸酯尚未反应完全，异氰酸酯与水发生水化反应生成结晶和CO2，增加了材料的内部孔隙率，使得材料的内部变得很不均匀，内部孔隙明显增多，导致抗压强度降低。
测试例2
按照《T/CECS 563-2018盾构法隧道同步注浆材料应用技术规程》和《SL/T352-2020水工混凝土试验规程》测试本发明实施例1-5所制备的绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的机械性能及抗渗性能。
表2注浆材料机械性能及抗渗性能测试
从表2可知，对比实施例1-5，实施例2-4的机械性能和抗渗性能优于实施1，其中实施例2最佳，说明水性聚氨酯乳液和改性玻璃纤维的引入，使得注浆材料的机械性能和抗渗性能得到提升，其中抗压强度得到明显提升。这是因为改性玻璃纤维可以与水性聚氨酯的硬链形成强氢键，能在一定程度上扰乱水性聚氨酯的硬链的结晶，避免因结晶的产生导致材料的内部孔隙率增加，有助于改善注浆材料微观结构的均匀性和密实性，减少孔隙和裂缝的形成，提高其抗压强度。同时，氢键的形成增强了纤维与聚氨酯之间的相互作用，两者之间的界面粘结强化，从而能够有效地将应力从注浆材料基体传递到玻璃纤维上，提高整体的承载能力，进一步增加抗压强度。与此同时，注浆材料微观结构的均匀性和密实性的改善有利于其抗折强度和防水性能的提升。
Claims (8)
1.绿色无机韧性TBM壁后注浆材料，其特征在于，按重量份计，包括如下组分：
水泥50-70份、粉煤灰30-50份、脱硫石膏5-10份、膨润土5-10份、减水剂0.1-0.5份、消泡剂0.05-0.1份、增稠剂0.05-0.1份、水40-60份；
或，水泥50-70份、粉煤灰30-50份、脱硫石膏5-10份、膨润土5-10份、减水剂0.1-0.5份、消泡剂0.05-0.1份、增稠剂0.05-0.1份、水性聚氨酯乳液5-20份、改性玻璃纤维0.1-2份、水40-60份。
2.如权利要求1所述的绿色无机韧性TBM壁后注浆材料，其特征在于，所述减水剂选自聚羧酸减水剂、萘系高效减水剂、木质素磺酸盐类减水剂、三聚氰胺减水剂、氨基磺酸盐减水剂、脂肪酸减水剂中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的绿色无机韧性TBM壁后注浆材料，其特征在于，所述消泡剂选自磷酸三丁酯、有机硅类消泡剂、聚醚类消泡剂、聚醚改性硅类中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的绿色无机韧性TBM壁后注浆材料，其特征在于，所述增稠剂选自羟丙基甲基纤维素醚、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的绿色无机韧性TBM壁后注浆材料，其特征在于，所述水性聚氨酯乳液为单硬脂酸甘油酯改性蓖麻油基水性聚氨酯乳液，其制备方法包括如下步骤：
将异佛尔酮二异氰酸酯、蓖麻油和单硬脂酸甘油酯混合，滴入二丁基二月桂酸锡，混合均匀后加热至50-60℃，反应30-40min；待反应完后降至常温，加入二羟甲基丙酸，加热至50-60℃，持续滴加丙酮反应2-2.5h；待反应完后降至常温，加入三乙胺，在50-100r/min转速下搅拌5-6min，调至转速为300-500r/min，同时加入水，然后搅拌30-40min，得混合物；混合物旋蒸，得到单硬脂酸甘油酯改性蓖麻油基水性聚氨酯乳液。
6.如权利要求1所述的绿色无机韧性TBM壁后注浆材料，其特征在于，所述改性玻璃纤维的制备方法包括如下步骤：
将3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶解在乙醇水溶液中，混合搅拌1-1.2h，得混合液；将玻璃纤维倒入混合液中，在室温、超声频率为30-50KHz、超声功率为450-600W的条件下超声处理1-1.5h，得混合物；乙醇洗涤混合物，于120-150℃下干燥2-2.5h，得改性玻璃纤维。
7.如权利要求1-6中任一项所述的绿色无机韧性TBM壁后注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将水泥和水搅拌均匀，然后加入粉煤灰、脱硫石膏、膨润土混合搅拌均匀，得到预混体系；将减水剂、消泡剂、增稠剂加入到预混体系中，混合搅拌均匀，即可制备出所述绿色无机韧性TBM壁后注浆材料。
或，将水泥和水搅拌均匀，然后加入水性聚氨酯乳液和改性玻璃纤维，快速搅拌，之后加入粉煤灰、脱硫石膏、膨润土混合搅拌均匀，得到预混体系；将减水剂、消泡剂、增稠剂加入到预混体系中，混合搅拌均匀，即可制备出所述绿色无机韧性TBM壁后注浆材料。
8.如权利要求1-6中任一项所述的绿色无机韧性TBM壁后注浆材料在盾构施工过程中的应用。
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