PL151668B1

PL151668B1 - Sposób wzmacniania i uszczelniania gruntów

Info

Publication number: PL151668B1
Application number: PL26327386A
Authority: PL
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1990-09-28
Also published as: PL263273A1

Description

RZECZPOSPOLITA OPIS PATENTOWY 151 668

POLSKA

URZĄD

PATENTOWY

RP

Patent dodatkowy do patentu nr--Int. Cl.⁵ C09K 17/00

Zgłoszono: 86 12 23 (P. 263273)

Pierwszeństwo--- _Λ „ umilili

Zgłoszenie ogłoszono: 88 08 18

Opis patentowy opublikowano: 1991 03 29

Twórcy wynalazku: Janusz Bereś, Krystyna Ponikowska-Pajor, Stanisław Stryczek, Jacek Postawa, Wojciech Balcerowiak, Wanda Powierza, Andrzej Bachowski, Bronisław Musiał

Uprawniony z patentu: Instytut Ciężkiej Syntezy Organicznej „Blachownia”, Kędzierzyn-Koźle (Polska)

Sposób wzmacniania i uszczelniania gruntów

Przedmiotem wynalazku jest sposób wzmacniania i uszczelniania gruntów przez iniekcję lub powierzchniowe powlekanie wodnymi roztworami, opartymi na monomerach akrylowych i odpowiednich inicjatorach, umożliwiających zestalanie roztworu w ciągły żel, zespajający cząstki gruntu i wypełniający puste przestrzenie. Wynalazek dotyczy zwłaszcza sposobu regulacji czasu wiązania oraz poprawy własności utworzonego żelu.

Sposób wzmacniania i uszczelniania gruntów przez iniekcję lub powierzchniowe powlekanie za pomocą wodnych roztworów polimeryzujących monomerów akrylowych jest znany a istota proponowanych rozwiązań polega na tym, że wodny roztwór monomerów akrylowych, zawierający odpowiednie czynniki sieciujące i inicjatory, polimeryzuje po wprowadzeniu do gruntu, tworząc ciągły żel, zespajający cząstki gruntu i wypełniający wszelkie puste przestrzenie. Istotną trudność stanowi osiągnięcie założonego czasu wiązania, odpowiedniej penetracji środka oraz uzyskanie żelu o wymaganych własnościach, zwłaszcza przyczepności do składników mineralnych gruntu. Stąd liczne próby poprawy istniejącego stanu techniki. Polegały one zwłaszcza na poszukiwaniu optymalnych układów inicjatorów, środków sieciujących oraz dodatkowych modyfikujących własności utworzonego żelu. I tak w opisie patentowym PRL 77 244 opisano stosowanie jako inicjatorów polimeryzacji układów redoksowych złożonych z nadsiarczanu amonu oraz N,Ńdwumetylocykloheksyloaminy, N-morfoliny i trójetylenodwuaminy.

Inne rozwiązanie podane w polskim opisie patentowym 101 571 zaleca stosowanie układu nadtlenek wodoru-laktan kwasu l-keto-2,3,4,5-czterohydroksypentanokarboksylowy-l, umożliwiający polimeryzację przy małym zużyciu katalizatorów, w krótkim czasie i w dowolnych warunkach atmosferycznych.

W opisie patentowym RFN nr 1 767 349 przedstawiono sposób utwardzania powierzchni, polegający na jej powlekaniu wodnym r-rem monomerów akrylowych, który pod wpływem inicjatorów redoksowych polimeryzuje do stałego żelu, tworząc na powierzchni cienką warstwę utwar2

151 668 dzającą i uszczelniającą. Stosowany roztwór obok akryloamidu i czynnika sieciującego, zawiera dodatki soli kwasu metakrylowego oraz metakrylan 2-hydroksyetylowy. W patencie RFN nr 2 207 793 opisano spsoób wzmacniania gruntów przy użyciu mieszaniny amidu kwasu akrylowego lub metakrylowego i związków typu 1,2-dwuhydroksyetyleno N,N-dwuakryIoamidu.

Natomiast w opisie patentowym RFN nr 1 811 838 zaleca się stosowanie układu inicjatorów, zawierającego jako składnik redukujący mieszaninę amin i kompleksu redukującego jonu metalicznego, rozpuszczalnego w wodzie i stabilnego w obecności amin. Z opisu patentowego PRL nr 86068, znany jest środek służący do zeskalania lub uszczelniania gruntów metodą iniekcji lub powlekania, składający się z soli kwasu akrylowego lub metakrylowego, zwłaszcza soli takich metali jak Ca, Mg, Fe, Al i z soli kwasu maleinowego lub jego soli, katalizatorów typu redox, inhibitorów polimeryzacji i dodatków modyfikujących. Dodatkami modyfikującymi w tej metodzie mogą być między innymi monomaleinian gliceryny jak opisano w polskich patentach nr 113 722 i 118 986 oraz monoestry kwasu maleinowego i glikolu mono- dwu-, lub trójetylenowego opisane w polskim patencie nr 140 344. Dodatki te nadają uzyskanym żelom niezwykłe interesujące własności, a mianowicie wzrost objętości żelu pod wpływem zetknięcia z wodą, a więc zdolność do „samoczynnego uszczelniania wszelkich nowych pęknięć, a także podwyższają adhezję środka składników mineralnych gruntu.

Znaczną zmianę własności tworzonych żeli akrylowych, a zwłaszcza podwyższenie ich własności mechanicznych, uzyskuje się przez wprowadzenie do polimeryzacji mieszaniny cementu lub cementu z piaskiem, w postaci suchej lub mokrej zawiesiny. I tak np. w patencie PRL nr 120865 opisano sposób powierzchniowego utwardzenia i uszczelniania wyrobisk górniczych, wykopów ziemnych i konstrukcji budowlanych polegający na tym, że na żądaną powierzchnię nanosi się wodny roztwór akryloamidu i akrylanu magnezu oraz ewntualnie poliakryloamid, z inicjatorami polimeryzacji, najkorzystniej nadsiarczanem amonu i trójetanoloaminę oraz cement lub mieszaninę cementu z piaskiem. Uzyskuje się uszczelniające i wzmacniające warstwy izolujące, o dowolnej grubości, dobrze przyczepne do podłoża.

Wadą wszystkich stosowanych dotychczas rozwiązań, jest trudność w uzyskaniu założonego czasu wiązania. Pochodne amin stosowane najczęściej jako składnik redukujący układu katalitycznego, ulegają neutralizacji pod wpływem kwaśnych składników gruntu zmieniając w sposób niekontrolowany czas żelowania środka. Dalszą niedogodnością dotychczasowych rozwiązań, jest trudność wprowadzenia stosowanych środków do wąskich izczelin, zwłaszcza wypełnionych powietrzem lub wodą. Nawet w przypadku wysokich ciśnień iniekcji, stosowane środki żelują jeszcze przed całkowitym wypełnieniem bardzo drobnych pęknięć górotworu. Ma to niekorzystny wpływ na skuteczność przeprowadzonego zabiegu uszczelniającego.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że trudności tych można uniknąć stosując obok monomerów akrylowych i składników sieciujących oraz ewentualnie innych dodatków modyfikujących, układ inicjujący, składający się z nadsiarczanu amonu lub potasu, urotropiny oraz węglanów metali alkalicznych lub amonu. Układ ten umożliwia polimeryzację monomerów akrylowych w środowisku kwaśnym, a co jest szczególnie istotne, tworzące się żele ulegają znacznemu spienieniu po polimeryzacji.

Spienienie to powoduje wzrost objętości, a wytworzone „wewnętrzne ciśnienie umożliwia znacznie dokładniejsze wnikanie gotowego żelu do wolnych pęknięć i szczelin górotworu. W rezultacie uzyskuje się warstwy uszczelniające bardziej spoiste, ściślej przylegające do podłoża.

Sposób według wynalazku polega na tym, że do wzmacniania i uszczelniania gruntów stosuje się roztwór wodny o pH 2-7, zawierający 5-40% wagowych akryloamidu i/lub 5-40% wagowych kwasu akrylowego lub jego pochodnych oraz 0,1-1,5% wagowych inicjatorów nadtlenkowych, 0,1-5% wagowych urotropiny, 0,1-5% wagowych węglanów metali alkalicznych lub węglanu amonu i 0,05-5% wagowych dwuwinylowych związków sieciujących oraz ewentualnie wypełniaczy i środków podwyższających wytrzymałość mechaniczną i adhezję do składników gruntu w ilości do 3% wagowych. Jako wypełniacze stosuje się cement, piasek, gips, pyły dymnicowe, szkło wodne i/lub żywice organiczne, wieloalkohole i ich estry.

Mechanizm działania środka według wynalazku nie został dotychczas w pełni wyjaśniony. Niewątpliwie urotropina ulega rozkładowi w czasie polimeryzacji, a produkty rozkładu prowadzą do dalszego usieciowania żelu poprzez grupy metylenowe. Powoduje to oczywiście dalsze utwar —

151 668 dzenie i usztywnienie żelu. Równocześnie gazowe produkty reakcji tj. amoniak i dwutlenek węgla, pochodzące z rozkładu urotropiny i stosowanych węglanów powodują spienienie i wzrost objętości produktu polimeryzacji.

Skład roztworu do umacniania i uszczelniania gruntu zmieniać można w szerokich granicachzależnie od wymaganego czasu wiązania i oczekiwanych własności żelu. I tak np. stężenie monomerów akrylowych, zwłaszcza akryloamidu i pochodnych kwasu akrylowego, zmieniać można w zakresie 5 do 40% wagowych. Przy niskich stężeniach uzyskuje się wystarczające uszczelnienie gruntów, natomiast wyższe stężenie monomerów-powodują równocześnie znaczne podwyższenie wytrzymałości mechanicznej żelu. Zazwyczaj stężenie na poziomie około 10% wagowych są już wystarczające, zarówno dla uzyskania odpowiedniej szczelności jak i wytrzymałości mechanicznej, zainiektowanego gruntu. Również dowolny może być odczyn wodnego roztworu monomerów akrylowych. Dla uzyskania wysokiego stopnia spienienia oraz wysokiego wtórnego usieciowania, korzystne jest jednak, aby mieścił się on w granicach pH = 2-7. Alkaliczne środowisko umożliwia wprawdzie również polimeryzację składników środka, prowadzi jednak do uzyskania żeli o niższej wytrzymałości mechanicznej i niższym stopniu usieciowania.

W środowisku kwaśnym następuje rozkład urotropiny, która poprzez tworzące się grupy metylenowe prowadzi do wtórnego usieciowania a więc i usztywnienia powstającego polimeru. Zawartość urotropiny oraz związków dwuwinylowych, takich jak np. N,N-metylenodwuakryloamid /NMBA/ i jego pochodne, oraz soli kwasu akrylowego z metalami dwu lub więcej wartościowymi, wynosić może od 0,05 do 5% wagowych. Niższe stężenia tych składników prowadzą do uzyskania żeH o wyższej elastyczności, natomiast wyższe-do podwyższania sprężystości, lecz również i kruchości produktu. Ponadto wyższe stężenie urotropiny prowadzą do większego spienienia produktu, -podobnie jak węglany metali alkalicznych lub amonu, których ilość może się zmieniać w zakresie 0,1 do 5% wagowych. Polimeryzację przeprowadza się w obecności inicjatorów nadtlenkowych, najlepiej nadsiarczanu amonu lub potasu, użytych w ilości 0,1-1,5% wagowych. Stosując rozwiązanie według wynalazku dzięki łatwości regulacji czasu wiązania oraz częściowemu spienieniu uzyskanego żelu uzyskuje się odpowiednią głębokość penetracji środka w górotwór oraz dokładne wypełnienie szczelin i pęknięć górotworu a przez to lepsze jego uszczelnienie i wzmocnienie.

Przykład I. Przez warstwę piasku o granulacji 1-3mm przesącza się woda z szybkością objętościową 60 dm³ piasku na godzinę. W strumień dopływającej wody doprowadzono roztwór o składzie /w % wagowych/: akryloamid-30,0; urotropina-5,0; N,N-metylenodwuakryloamid-0,5; węglan sodowy 5,0; nadsiarczanu amonu 1,5 i woda do 100%. Ilość dodanego preparatu wynosiła 1,15 dm³ na 1 dm³ piasku. Po 2 minutach przepływ wody zostaje całkowicie zatamowany a piasek zespolony zostaje przez zwarty żel.

Przykład II. Analogicznie jak w przykładzie 1 przez warstwę żwiru o granulacji 3-7mm przepływa woda z szybkością objętościową 133 dm³ na 1 dm³ żwiru na godzinę tworząc nad żwirem warstwę wodną o wysokości 2-krotnie wyższej niż wysokość warstwy żwiru. Do warstwy wodnej wprowadzono roztwór o składzie jak w przykładzie I, rozcieńczony w stosunku wagowym 1:1 za pomocą cementu. Ilość dodanego roztworu wynosiła 0,44 dm³ na 1 dm³ żwiru, tj. około 0,22 dm³na 1 dm³ wody znajdującej się nad warstwą żwiru. Preparat opada na dno warstwy wodnej i wnika między ziarna żwiru. Zestalając się w czasie około 2 minut tworzy szczelną warstwę nieprzepuszczającą wody. Podobny wynik uzyskano stosując zamiast cementu pyły dymnicowe, piasek, żywicę mocznikową oraz kopolimer styren-bezwodnik maleinowy.

Przykład III. Roztwór o składzie jak w przykładzie I, rozcieńczony cementem w stosunku 1:1,5, naniesiono na warstwę żwiru w ilości 10 kg/m². W czasie 2 minut następuje utwardzenie preparatu i zamiszanie się cząstek żwiru. Utwardzona warstwa posiada wysoką wytrzymałość mechaniczną i jest całkowicie szczelna dla wody.

W kolejnych przykładach, zestawionych w tabelach 1 i 2, przedstawiono sposób regulacji czasu wiązania oraz zakres składów roztworów wzmacniających i uszczelniających grunt.

151 668

Tabela 1.

Przykłady regulacji czasu wiązania

Skład podstawowego roztworu: 8% wagowych akryloamidu, 1% wagowy monomaleinianu glikolu etylenowego, 0,5% wagowych Ν,Ν-metylenodwuakrylonitrylu; pH 2

Stężenie inicjatorów /% wag/	Wzrost objętości po żelowaniu /% obj./
Nr . przykładu	/CH₂/_eN₄	NaizCOa	/NH4/2S2O8	. Czas żelowania /min/
4	2,5	2,5	0,375	10	16
5	1,5	1,5		17	15
6	1,0	1,0	0,375	32	12
7	0,5	0,5		55	5
8	0,25	0,25		120	2
9	2,5	2,5	0,125	30	12
10	1,5	1,5	0,125	48	8
11	1,0	1,0		53	5

Tabela 2

Nr przykład·	Skład preparatu /% wagowych/	PH	Czas żelowania /mm/	Wzrost objętości po polimeryzacji /%obj/
akryloamid	kwas akrylowy	akrylan magnezu	akrylan wapnia	/CH₂/»N4 NMBA	NatCO)	/NH4/aS₂O.
12	5.0	_ .			0.5	1.5	1.5	0.5*	5.4	40	3
13	40.0	—	—	—	0.1	10	5.0	0.5	5.6	8	22
14	5.0	5.0	—	—	0,5	U	1.5	0.5	5.7	5	7
15	—	26,0	—	—	0,1	10	5.0”	0.5	6.0	3	18
16	10.0	—	—	—	0.05	1.5	1.5	0.5	6.0	18	15
17	10.0	—	5.0	—	0.1	1.5	1.5	1.25	5.8	13	20
18	10.0	—	—	5.0	0.1	1.5	1.5	1.5*	5.5	13	20
19	10.0	—	—	—	0.5	0.1	1.5	0.5	5.7	50	6
20	10.0	’ —	—	—	0.5	5.0	1.5	0.5	5.7	3	3
21	10.0	—	— '	—	0.5	5.0	0.1	1.5	5.6	7	12
22	10.0	—	—	—	0.5	1.5	5.0	0.5	5.8	10	7
23	10.0	—	—	—	0.5	1.5	5.0	0.1	5.6	85	4
24	10.0	5.0	—	—	0.5	1.5	5.0	1.5	10	10	20
25	10.0	—	—	—	0.5	1.5	5.0	1.5	7.0	10	15

x nadsiarczan potasu; x węglan amonu

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1.Sposób wzmacniania i uszczelniania gruntów przez iniekcję i powierzchniowe powlekanie wodnymi roztworami monomerów akrylowych zawierającymi składniki sieciujące, nadtlenkowe inicjatory polimeryzacji oraz wypełniacze w postaci estrów wieloalkoholi lub związków nieorganicznych, znamienny tym, że do wzmacniania i uszczelniania gruntów stosuje się roztwór wodny o pH 2-7 zawierający 5-40% wagowych akryloamidu i/lub 5-40% wagowych kwasu akrylowego lub jego pochodnych 0,1-1,5% wagowych inicjatorów nadtlenkowych, 0,1-5% wagowych urotropiny i 0,1-5% wagowych węglanów metali alkalicznych lub węglanu amonu 0,05-5% wagowych dwuwinylowych związków sieciujących oraz ewentualnie wypełniaczy i środków podwyższających wytrzymałość mechaniczną i adhezję do składników gruntu w ilości do 3% wagowych.
2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że jako wypełniacze stosuje się cement, piasek, gips, pyły dymicowe, szkło wodne, i/lub żywice organiczne wieloalkohole i ich estry.

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz.

Cena 3000 zł