CN116199490A - 一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基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注浆加固与防渗注浆材料领域，提供了一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料及其制备方法，包括：A组分、B组分，A组份包括：50～95份纳米硅溶胶溶液、1～20份促进剂、1～20份橡胶助剂、0～20份硅烷偶联剂；所述B组份包括：80～95份硅酸盐溶液、5～20份水、0.1～10份催化剂、0～0.5份表面活性剂。本发明的硅基注浆材料能够有效固结致密软弱土体，特别是对于SiO2含量较高的鞍山质玄武岩、石英岩、硅质岩和硅质石英砂岩等地层，注浆加固与抗渗效果更优；该材料在实现自身凝胶的同时，能够与岩土体表面的硅羟基脱水缩合形成硅氧共价键等，进一步提高固结效率，形成的固结体具有强度高、寿命长的特点。
Description
技术领域
本发明属于隧道与地下工程注浆加固与防渗注浆材料技术领域，尤其涉及一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基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。
目前，由于地形地貌及地质条件复杂，不良地质类型多样，导致隧道与地下工程施工中频繁发生突泥涌水、大变形、塌方等重大地质灾害，成为制约工程安全建设的关键难题。
注浆是隧道与地下工程灾害治理的主要方法，浆液注入地层并胶凝固化后可显著提升围岩的物理力学性能，降低灾害发生风险。然而，日益复杂的地质条件对于注浆浆液性能提出了更高要求。通常来说，对于空隙率较大的裂隙岩体、断层破碎带等，常规水泥基浆液即可满足围岩加固与堵水需求；但对于碎粉岩、粉细砂、白云岩砂化等致密软弱地层，因其颗粒粒径小、空隙率低、颗粒间粘聚力弱，常规水泥基浆液难以注入，无法形成有效的渗透扩散半径，同时浆液固结效果差，导致注浆治理难以达到预期效果。此外，对于致密软弱地层，即使采用现有的有机或无机溶液型注浆材料(如水玻璃、聚氨酯、环氧树脂、丙烯酰胺、木质素类浆材)，也各自存在不同程度的可注性差、固结强度低、经济成本高、环保性能弱等问题。
例如：专利202210618594.7公开了一种用于富水地层注浆堵水的抗分散注浆材料及制备方法和施工方法。该注浆材料包括：粉料A组分和液料B组分；所述粉料A组分包括：胶凝物质、聚合物胶粉和助剂；所述液料B组分包括：硅酸盐、硅溶胶、水玻璃改性剂和水。但该注浆材料为水泥基材料，硅酸盐、硅溶胶、水玻璃等作为添加剂，加入添加剂中用于调节水泥的初凝时间，在致密软弱地层中可注性差。
针对隧道与地下工程致密软弱地层灾害防控的迫切需求，目前亟需研发一种可注性好、固结能力强、成本低且具有良好环保性能的溶液类浆材。
发明内容
为克服现有材料对致密软弱地层岩适用性不强的问题，本发明提出了一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料及其制备方法。
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，提供了一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，包括：A组分、B组分，A组分与B组分的体积比范围为1：0.5～1：2；
所述A组份由以下重量份的原料组成：50～95份纳米硅溶胶溶液、1～20份促进剂、1～20份橡胶助剂、0～20份硅烷偶联剂；
所述B组份由以下按重量份的原料组成：80～95份硅酸盐溶液、5～20份水、0.1～10份催化剂、0～0.5份表面活性剂。
本发明提出了一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料及其制备方法，可为碎粉岩等致密软弱地层注浆治理提供材料支撑。
本发明的第二个方面，提供了一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料的制备方法，包括：
在纳米硅溶胶中分别加入促进剂、橡胶助剂以及硅烷偶联剂，混合均匀，得到A组分浆液；
将催化剂和表面活性剂加水溶解，在加入硅酸盐溶液，混合均匀，得到B组分浆液；
将所述A组分和B组分浆液根据施工需求按1：0.5～1：2比例范围混合，形成适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，即得。
本发明的第三个方面，提供了上述的注浆材料在隧道与地下工程建设中的应用。
本发明的有益效果
(1)本发明所述的硅基注浆材料的A、B两个组分的粘度范围为2～9cP，能注入颗粒粒径小于0.01mm的地层中，在致密地层中具有良好的可注性；A、B组分混合后，凝结时间在5min～1h范围内可调；一般地，两组分混合后一段时间内，材料保持低粘度和强可注性，直至达到凝结时间。
(2)本发明所述的硅基注浆材料能够有效固结致密软弱土体，特别是对于SiO2含量较高的鞍山质玄武岩、石英岩、硅质岩和硅质石英砂岩等地层，注浆加固与抗渗效果更优；该材料在实现自身凝胶的同时，能够与岩土体表面的硅羟基脱水缩合形成硅氧共价键等，进一步提高固结效率，形成的固结体具有强度高、寿命长的特点。
(3)本发明所述的硅基注浆材料适用于致密软弱地层注浆施工，为保证浆液胶凝固结效果，注浆时宜选择涌水量小于20L/min的注浆孔，并采用双液泵送方式，使A组分和B组分于注浆孔孔口处充分混合。
(4)本发明中促进剂为甘油酯类材料，混合物可溶解于水中，并在水中分解为羧酸和醇类，促进硅酸盐溶液的固化过程；加入适量的橡胶助剂有利于提升固结体的强度；硅烷偶联剂用于提升注浆材料中有机成分和无机成分的相容性；催化剂用于调节硅溶胶成分的固化速率。
(5)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制备的净浆固化后的微观形貌。
图2为本发明实施例1制备的浆液在注入碎粉岩后形成固结体的微观形貌。
图3为本发明实施例1制备浆液对于碎粉岩地层的固结作用机理。
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。
本发明所述的适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料是基于硅酸盐、纳米硅溶胶及岩土体表面基团之间的界面化学反应原理研发的，其主要成分为硅酸盐溶液与纳米硅溶胶，通过将二者混合形成新的稳定分布体系，增大了SiO2对K2O、Na2O等金属氧化物的摩尔比率，有效促进了浆液凝胶过程中硅氧键(Si-O-Si)的形成，进而提高了凝胶体强度；此外，两种主要成分混合后，其中的胶体粒子和可溶原硅酸低聚体相互作用，共同促进粒子间化学键的形成，使凝胶体在保持较低粘度的同时，也具有低收缩率与高强度特征。该注浆材料注入致密软弱地层后，自身能够形成以Si-O-Si键为主体的三维网络结构，还能充分利用致密软弱介质比表面积高的特性，使材料与岩土体表面羟基脱水缩合形成大量Si-O-Si键，从而有效提升致密软弱地层的胶结效率和固结体力学强度。
本发明的目的在于提供一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料及其制备方法。
所述的一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，由A组分和B组分混合而成。
在一些实施例中，所述的A组份由以下按重量份数计的原料构成：50～95份纳米硅溶胶溶液、1～20份促进剂、1～20份橡胶助剂、0～20份硅烷偶联剂；
在一些实施例中，所述的纳米硅溶胶溶液中纳米硅含量范围为20～40％，平均颗粒粒径为7～80nm。
在一些实施例中，所述的促进剂为乙酸甘油酯、二乙酸甘油酯、三乙酸甘油酯中的一种或多种并用；
在一些实施例中，所述的橡胶助剂为丁苯乳液、苯丙乳液中的一种或两种并用；
在一些实施例中，所述的硅烷偶联剂为氨基硅烷、环氧基硅烷、巯基硅烷和(甲基)丙烯酸酯基硅烷中的一种或多种并用；
在一些实施例中，所述的B组份由以下按重量份数计的原料构成：80～95份硅酸盐溶液、5～20份水、0.1～10份催化剂、0～0.5份表面活性剂。
在一些实施例中，所述的硅酸盐溶液为钾水玻璃，模数为1.8～4.0；
在一些实施例中，所述的催化剂为氯化钠或氯化钾中的一种或两种并用；
在一些实施例中，所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的一种或两种并用。
上述的一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，在使用时A组分与B组分的体积比范围为1：0.5～1：2。
上述的一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，配制A组分浆液，在纳米硅溶胶中分别加入促进剂、橡胶助剂以及硅烷偶联剂，搅拌均匀；
第二步，配制B组分浆液，量取一定量的催化剂和表面活性剂，加入水充分溶解，再掺入硅酸盐溶液，搅拌均匀；
第三步，A组分和B组分浆液根据施工需求按1：0.5～1：2比例范围混合，形成适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，以备施工使用。
在一些实施例中，本发明所述的硅基注浆材料的主要性能参数调控方法如下：
(1)凝结时间调控。根据现场注浆扩散范围需求，通过调节促进剂以及催化剂含量来调节凝结时间，通常促进剂和催化剂含量越高，凝结时间越短；
(2)粘度调控。注浆时通过调节A、B两组分的比例来控制浆体粘度，以达到最佳可注性。一般地，减少B组分含量，浆液粘度下降，有利于提升浆液扩散范围；增大B组分含量，浆液粘度也随之增大，有利于固结体强度提升。
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。实施例中所用的碎粉岩为云南省滇中引水工程香炉山隧洞施工中揭露的典型致密软弱围岩介质，其颗粒粒径小，粘聚力低，在地下水作用下极易发生渗透破坏，属于突泥涌水强致灾地层，同时由于其高致密性，常规浆液难以注入，给灾害治理带来极大难度。
实施例1
一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)制备A组分：按重量份计，取80份纳米硅溶胶液、10份促进剂(含乙酸甘油酯5％、二乙酸甘油酯50％和三乙酸甘油酯45％)、10份丁苯乳液、2份硅烷偶联剂KH550，混合后搅拌均匀。
(2)制备B组分：按重量份计，取10份水、0.4份氯化钠和0.05份十二烷基苯磺酸钠，搅拌均匀后得到澄清溶液，加入90份钾水玻璃，搅拌均匀。
(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。
经测试，该材料初凝时间为19min，对碎粉岩进行筛分，与浆液混合，1d后通过单轴压缩试验，测得碎粉岩固结体强度为1.15MPa。
实施例2
一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)制备A组分：按重量份计，取80份纳米硅溶胶液、8份促进剂(含乙酸甘油酯5％、二乙酸甘油酯50％和三乙酸甘油酯45％)、5份丁苯乳液、2份硅烷偶联剂KH550，混合后搅拌均匀。
(2)制备B组分：按重量份计，取10份水、0.4份氯化钠和0.05份十二烷基苯磺酸钠，搅拌均匀后得到澄清溶液，加入90份钾水玻璃，再次搅拌均匀。
(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。
经测试，该材料初凝时间为24min，对碎粉岩进行筛分，与浆液混合，1d后通过单轴压缩试验，测得碎粉岩固结体强度为1.01MPa。
实施例3
一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)制备A组分：按重量份计，取80份纳米硅溶胶液、6份促进剂(含乙酸甘油酯5％、二乙酸甘油酯50％和三乙酸甘油酯45％)、10份丁苯乳液、2份硅烷偶联剂KH550，混合后搅拌均匀。
(2)制备B组分：按重量份计，取10份水、0.4份氯化钠和0.05份十二烷基苯磺酸钠，搅拌均匀后得到澄清溶液，加入90份钾水玻璃，再次搅拌均匀。
(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。
经测试，该材料初凝时间为30min，对碎粉岩进行筛分，与浆液混合，1d后通过单轴压缩试验，测得碎粉岩固结体强度为0.6MPa。
实施例4
一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)制备A组分：按重量份计，取80份纳米硅溶胶液、10份促进剂(含乙酸甘油酯5％、二乙酸甘油酯50％和三乙酸甘油酯45％)、10份丁苯乳液、2份硅烷偶联剂KH550，混合后搅拌均匀。
(2)制备B组分：按重量份计，取10份水、0.4份氯化钠和0.05份十二烷基苯磺酸钠，搅拌均匀后得到澄清溶液，加入80份钾水玻璃，再次搅拌均匀。
(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。
经测试，该材料初凝时间为18min，对碎粉岩进行筛分，与浆液混合，1d后通过单轴压缩试验，测得碎粉岩固结体强度为0.95MPa。
实施例5
一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)制备A组分：按重量份计，取80份纳米硅溶胶液、10份促进剂(含乙酸甘油酯5％、二乙酸甘油酯50％和三乙酸甘油酯45％)、10份丁苯乳液、2份硅烷偶联剂KH550，混合后搅拌均匀。
(2)制备B组分：按重量份计，取10份水、0.4份氯化钠和0.05份十二烷基苯磺酸钠，搅拌均匀后得到澄清溶液，加入70份钾水玻璃，再次搅拌均匀。
(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。
经测试，该材料初凝时间为21min，对碎粉岩进行筛分，与浆液混合，1d后通过单轴压缩试验，测得碎粉岩固结体强度为0.85MPa。
实施例6
一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)制备A组分：按重量份计，取80份纳米硅溶胶液、20份促进剂(含乙酸甘油酯5％、二乙酸甘油酯50％和三乙酸甘油酯45％)、10份丁苯乳液、2份硅烷偶联剂KH550，混合后搅拌均匀。
(2)制备B组分：按重量份计，取10份水、0.4份氯化钠，搅拌均匀后得到澄清溶液，加入90份钾水玻璃，再次搅拌均匀。
(3)将A、B组分以1:2比例充分搅拌混合均匀，即可用于注浆。
经测试，该材料初凝时间为14min，对碎粉岩进行筛分，与浆液混合，1d后通过单轴压缩试验，测得碎粉岩固结体强度为1.12MPa。
实施例7
一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料的制备，包括如下步骤：
(1)制备A组分：按重量份计，取80份纳米硅溶胶液、12份促进剂(含乙酸甘油酯5％、二乙酸甘油酯50％和三乙酸甘油酯45％)、10份丁苯乳液、2份硅烷偶联剂KH550，混合后搅拌均匀。
(2)制备B组分：按重量份计，取10份水、0.8份氯化钠和0.05份十二烷基苯磺酸钠，搅拌均匀后得到澄清溶液，加入80份钾水玻璃，再次搅拌均匀。
(3)将A、B组分以1:1比例充分搅拌混合均匀后，即可用于注浆。
经测试，该材料初凝时间为17min，对碎粉岩进行筛分，与浆液混合，1d后通过单轴压缩试验，测得碎粉岩固结体强度为1.04MPa。
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)
1.一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，其特征在于，包括：A组分、B组分，A组分与B组分的体积比范围为1：0.5～1：2；
所述A组份由以下重量份的原料组成：50～95份纳米硅溶胶溶液、1～20份促进剂、1～20份橡胶助剂、0～20份硅烷偶联剂；
所述B组份由以下按重量份的原料组成：80～95份硅酸盐溶液、5～20份水、0.1～10份催化剂、0～0.5份表面活性剂。
2.如权利要求1所述的适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，其特征在于，所述纳米硅溶胶溶液中纳米硅含量范围为20～40％，平均颗粒粒径为7～80nm。
3.如权利要求1所述的适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，其特征在于，所述促进剂为乙酸甘油酯、二乙酸甘油酯、三乙酸甘油酯中的至少一种。
4.如权利要求1所述的适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，其特征在于，所述橡胶助剂为丁苯乳液、苯丙乳液中的一种或两种并用。
5.如权利要求1所述的适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为氨基硅烷、环氧基硅烷、巯基硅烷和(甲基)丙烯酸酯基硅烷中的至少一种。
6.如权利要求1所述的适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，其特征在于，所述的硅酸盐溶液为钾水玻璃，模数为1.8～4.0。
7.如权利要求1所述的适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，其特征在于，所述催化剂为氯化钠或氯化钾中的一种或两种并用。
8.如权利要求1所述的适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，其特征在于，所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的一种或两种并用。
9.一种适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料的制备方法，其特征在于，包括：
在纳米硅溶胶中分别加入促进剂、橡胶助剂以及硅烷偶联剂，混合均匀，得到A组分浆液；
将催化剂和表面活性剂加水溶解，在加入硅酸盐溶液，混合均匀，得到B组分浆液；
将所述A组分和B组分浆液根据施工需求按1：0.5～1：2比例范围混合，形成适用于致密软弱地层加固与抗渗处理的硅基注浆材料，即得。
10.权利要求1-8任一项所述的注浆材料在隧道与地下工程建设中的应用。
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