CN118930126B - 盾构双液同步注浆外加剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基建筑材料外加剂技术领域，尤其是涉及一种盾构双液同步注浆外加剂及其制备方法，通过合成和易性母液、保水增稠剂、缓凝剂，并配合硅酸盐、膨胀剂、硅树脂聚醚乳液作为有效成分，制备得到的外加剂不仅能够提高注浆材料对不同渗透系数地层的适应性，加强注浆材料的稳定性，不离析泌水，同时不影响注浆材料力学性能的发展。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基建筑材料外加剂技术领域，尤其是涉及一种盾构双液同步注浆外加剂及其制备方法。
背景技术
在盾构法开掘隧道的过程中，由于盾构机的外径比隧道管片的外径大，盾构机通过后在衬砌管片与天然土层或岩层之间留下一的环形空隙。为防止地面沉降，需要在环形空隙中注入浆料。注入浆料起到了支撑地层、确保早期管片稳固性和提高隧道防水性能等作用。盾构注浆由水泥、粉煤灰、膨润土、砂子、水和外加剂组成。为达到可泵送、易注浆的要求，盾构注浆需采用大流动度的浆料。
盾构注浆外加剂一种改善盾构注浆材料性能的混合化学添加剂，盾构注浆外加剂主要是改善盾构材料大流动度引起的稳定性差的问题，调控盾构注浆材料的凝结时间，使盾构注浆材料具有防渗性，均质性。
而传统的注浆工艺往往会产生大量的废弃物和污染物，对环境造成潜在的危害。因此，开发环保型的注浆材料，如同步双液注浆技术，能够减少废弃物的产生，降低对环境的影响，实现绿色施工的要求。在双液浆技术中，水泥-水玻璃双液浆体系具备着超短的凝结时间、良好的早期强度，在控制地层沉降方面表现的优秀性能在行业内备受关注。而水泥-水玻璃双液浆主要组成是A液和B液按照配合比称取混合制成，其中A液是水泥基净浆，主要是水泥、膨润土、外加剂组成，B液则是水玻璃溶液。
现有技术中，传统双液注浆外加剂在面对不同渗透系数的地层施工中，容易出现达不到施工效果的情况。这是因为不同渗透系数的地层，地下水的渗透速度不同，注浆材料被稀释，其内部结构被破坏，材料无法快速凝结，会加剧施工中的管片上浮现象。而传统双液注浆外加剂使用的高效减水剂在面对此情况的适应性不够，不能保证注浆材料的匀质性和稳定性，并且在一定程度上还加剧了注浆材料的离析现象。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供一种盾构双液同步注浆外加剂，通过合成和易性母液、保水增稠剂、缓凝剂，和易性母液通过调整基团比例，可解决注浆材料和易性差以及工作性能损失快的问题，保水增稠剂可稳定料浆体系，保持流动性能，避免注浆材料分层的问题，合成的环境在保证凝结时间的条件下，可协同提高注浆材料的稳定性，并配合硅酸盐、膨胀剂、硅树脂聚醚乳液作为有效成分，制备得到的外加剂不仅能够提高注浆材料对不同渗透系数地层的适应性，加强注浆材料的稳定性，不离析泌水，同时不影响注浆材料力学性能的发展。
具体的，本发明盾构双液同步注浆外加剂，由以下重量份原料组成：和易性母液2-7份，保水增稠剂1-5份，缓凝剂15-30份，硅酸盐1-5份，膨胀剂1-5份，硅树脂聚醚乳液1-3份，水47-72份。
优选的，所述和易性母液由聚醚大单体300-340份、丙烯酸45-55份，丙烯酸羟丙酯8-12份聚合而成。本发明和易性母液通过调整有机基团组成，有效提高对水泥颗粒表面的钙离子吸附，锚固基团数量增加，吸附性也增加，空间位阻效应大，从而在大流动性注浆液体系下保证材料的稳定性和匀质性。
优选的，所述保水增稠剂由丙烯酸100-120份，丙烯酰胺70-90份，聚醚大单体20-30份，丙烯酸-2-羟基乙酯8-12份聚合而成。本发明保水增稠剂羧酸电离后形成羧酸根负离子而带上电荷，在同种电荷之间的斥力作用下，大分子链张开形成网状结构，水分子被吸附，使体系流动性下降，粘度上升，得到增稠的效果，进而能够稳定注浆材料体系，让同步注浆材料在渗透系数大的富水地层保持稳定性，改善传统注浆材料已出现的分层问题，并且本发明采用保水增稠剂和硅树脂聚醚乳液进行复合搭配使用，能够更好的提高盾构材料在不同渗透系数的地层施工下的稳定性，保证盾构材料的施工性能。
优选的，所述缓凝剂由聚醚大单体300-400份，丙烯酸40-50份，AMPS80-100份，衣康酸20-40份聚合而成。盾构材料中常规缓凝剂主要包括有机磷酸(盐)、硼砂(酸)复配物、羟基磷酸(盐)复配物等，虽然这些材料廉价易得且具有良好的缓凝作用，但均有对水泥浆性能有一定负面影响，本发明采用自主研制的缓凝剂，耐温耐盐性能好、产品性能可控、加量敏感性低，其吸附水泥表面颗粒上的Ca2+能力增加，缓凝效果增强，实现凝结时间可调，凝结时间以内满足工作性能损失小的要求，最终达到具备高抗水分散性，并不会造成注浆液强度损失。
更优选的，所述和易性母液制备工艺为：
a.向反应釜加入300-340份聚醚大单体、470-490份溶剂，搅拌均匀，加入8-12份丙烯酸羟丙酯、9-12份次亚磷酸钠、4-6份硫酸亚铁溶液、大部分丙烯酸、8-9份双氧水，搅拌均匀，
b.将剩余丙烯酸、2-3份巯基丙酸、8-10份溶剂混合均匀，得A料，将1-2份维生素C、7-9份溶剂混合均匀，得B料，
c.将A料、B料滴加至反应釜，保温，调节pH值为5-7，冷却，即得。
优选的，步骤a中反应釜温度为40-45℃，步骤c中A料滴加时间为1.5-2h，B料滴加时间为1.5-2h，AB料滴加完成后保温1-2h。
更优选的，所述保水增稠剂制备工艺为：
①.向反应釜加入70-90份丙烯酰胺、470-490份溶剂，搅拌均匀，加入20-30份聚醚大单体、8-12份丙烯酸-2-羟基乙酯，混合均匀，再加入1-2份巯基乙酸、2-3份亚硫酸氢钠、7-8份过硫酸铵、大部分丙烯酸，搅拌均匀，
②.将剩余丙烯酸、7-9份溶剂混合均匀，得C料，将2-3份维生素C、9-10份溶剂混合均匀，得D料，
③.将C料、D料滴加至反应釜，保温，调节pH值为6-7，冷却，即得。
优选的，步骤①中反应釜温度为55-65℃，步骤③中C料滴加时间为1-1.5h，D料滴加时间为1.5-2h，CD料滴加完成后保温1-2h。
更优选的，所述缓凝剂制备工艺为：
i）向反应釜中加入300-400份聚醚大单体、20-40份衣康酸、80-100份AMPS、370-520份溶剂，搅拌均匀，加入5-10份次亚磷酸钠，搅拌均匀，
ii）将45-55份丙烯酸、9-11份溶剂混合均匀，得E料，将5-7份过硫酸铵、8-10份溶剂混合均匀，得F料，
iii）将E料、F料滴加至反应釜，保温，冷却，即得。
优选的，步骤i）中反应釜温度为55-60℃，步骤iii）中E料滴加时间为1-1.5h，F料滴加时间为0.5-1h，EF料滴加完成后保温2-3h。
优选的，所述溶剂为去离子水。
优选的，所述硅酸盐为硅酸钾、硅酸钠、硅酸锂的至少一种。
优选的，所述膨胀剂为塑性膨胀剂。
优选的，所述聚醚大单体为TPEG、EPEG的至少一种。
本发明还涉及上述盾构双液同步注浆外加剂的制备方法，具体的，包括如下步骤：
1）按重量份称取各原料，
2）将水、和易性母液、保水增稠剂、缓凝剂、硅酸盐、膨胀剂、硅树脂聚醚乳液依次加入搅拌机，混合均匀，即得。
本发明还涉及盾构双液同步注浆外加剂的应用，具体的，添加量为胶凝材料质量的0.8-2%。
采用本发明盾构双液注浆外加剂的注浆材料具有良好的分散效果，注浆材料稳定性显著改善，不易离析分层，强度稳定性好。
具体实施方式
为表征本发明技术效果，采用本发明制备方法，变换原料配比制备盾构双液同步注浆外加剂，添加至注浆材料中并对注浆材料性能进行测试，其中膨胀剂采用北极熊CSA塑性膨胀剂。试验过程中，注浆材料配比为：A液：P·O42.5水泥400份，膨润土150份，注浆外加剂4份，水700份，B液：水玻璃47.6L。
实施例1
盾构双液同步注浆外加剂，由以下重量份原料组成：和易性母液5份，保水增稠剂4份，缓凝剂25份，硅酸钠2份，膨胀剂4份，硅树脂聚醚乳液1份，水55份。
和易性母液制备工艺为：
a.向反应釜加入320份TPEG、470份去离子水，搅拌均匀，加入10份丙烯酸羟丙酯、10份次亚磷酸钠、5份硫酸亚铁溶液、45份丙烯酸、8份双氧水，搅拌均匀，
b.将5份丙烯酸、2份巯基丙酸、8份去离子水混合均匀，得A料，将1.5份维生素C、8份去离子水混合均匀，得B料，
c.将A料于1.5h、B料于1.5h滴加至反应釜，保温1.5h，调节pH值为7，冷却，即得。
保水增稠剂制备工艺为：
①.向反应釜加入90份丙烯酰胺、480份去离子水，搅拌均匀，加入25份EPEG、9份丙烯酸-2-羟基乙酯，混合均匀，再加入1.5份巯基乙酸、2份亚硫酸氢钠、8份过硫酸铵、100份丙烯酸，搅拌均匀，
②.将10份丙烯酸、8份去离子水混合均匀，得C料，将3份维生素C、10份去离子水混合均匀，得D料，
③.将C料于1h、D料于1.5h滴加至反应釜，保温2h，调节pH值为7，冷却，即得。
缓凝剂制备工艺为：
i）向反应釜中加入380份TPEG、30份衣康酸、90份AMPS、450份去离子水，搅拌均匀，加入7份次亚磷酸钠，搅拌均匀，
ii）将55份丙烯酸、10份去离子水混合均匀，得E料，将5份过硫酸铵、8份去离子水混合均匀，得F料，
iii）将E料于1h、F料于1h滴加至反应釜，保温3h，冷却，即得。
经检测，注浆材料初始流动度为275mm，分层度为3mm，泌水率1.71%，28d抗压强度38.3MPa。
实施例2
盾构双液同步注浆外加剂，由以下重量份原料组成：和易性母液7份，保水增稠剂5份，缓凝剂24份，硅酸盐3份，膨胀剂2份，硅树脂聚醚乳液2份，水60份，
和易性母液制备工艺为：
a.向反应釜加入300份EPEG、470份去离子水，搅拌均匀，加入12份丙烯酸羟丙酯、11份次亚磷酸钠、6份硫酸亚铁溶液、45份丙烯酸、8.5份双氧水，搅拌均匀，
b.将8份丙烯酸、2.5份巯基丙酸、9份去离子水混合均匀，得A料，将2份维生素C、7份去离子水混合均匀，得B料，
c.将A料于1.5h、B料于1.5h滴加至反应釜，保温1.5h，调节pH值为7，冷却，即得。
保水增稠剂制备工艺为：
①.向反应釜加入80份丙烯酰胺、470份去离子水，搅拌均匀，加入28份TPEG、11份丙烯酸-2-羟基乙酯，混合均匀，再加入2份巯基乙酸、3份亚硫酸氢钠、8份过硫酸铵、100份丙烯酸，搅拌均匀，
②.将6份丙烯酸、7份去离子水混合均匀，得C料，将3份维生素C、10份去离子水混合均匀，得D料，
③.将C料于1h、D料于1.5h滴加至反应釜，保温2h，调节pH值为7，冷却，即得。
缓凝剂制备工艺为：
i）向反应釜中加入370份聚醚大单体、40份衣康酸、100份AMPS、490份去离子水，搅拌均匀，加入7份次亚磷酸钠，搅拌均匀，
ii）将55份丙烯酸、11份去离子水混合均匀，得E料，将6份过硫酸铵、9份去离子水混合均匀，得F料，
iii）将E料于1h、F料于1h滴加至反应釜，保温3h，冷却，即得。
经检测，注浆材料初始流动度为270mm，分层度为2mm，泌水率1.65%，28d抗压强度38.6MPa。
对比例1
注浆外加剂，由以下重量份原料组成：本公司SR型聚羧酸缓释母液5份，保水增稠剂4份，缓凝剂25份，硅酸钠2份，膨胀剂4份，硅树脂聚醚乳液1份，水55份。
保水增稠剂和缓凝剂制备工艺同实施例1。
经检测，注浆材料初始流动度为230mm，分层度为7mm，泌水率3.64%，28d抗压强度30.2MPa。
对比例2
注浆外加剂，由以下重量份原料组成：和易性母液5份，羟丙基甲基纤维素醚4份，缓凝剂25份，硅酸钠2份，膨胀剂4份，硅树脂聚醚乳液1份，水55份。
和易性母液和缓凝剂制备工艺同实施例1。
经检测，注浆材料初始流动度为250mm，分层度为10mm，泌水率3.98%，28d抗压强度27.5MPa。
对比例3
注浆外加剂，由以下重量份原料组成：和易性母液5份，保水增稠剂4份，羟基乙叉二膦酸25份，硅酸钠2份，膨胀剂4份，硅树脂聚醚乳液1份，水55份。
和易性母液和保水增稠剂制备工艺同实施例1。
经检测，注浆材料初始流动度为240mm，分层度为8mm，泌水率3.22%，28d抗压强度25.5MPa。
对比例4
注浆外加剂，由以下重量份原料组成：和易性母液5份，保水增稠剂4份，缓凝剂25份，硅酸钠2份，膨胀剂4份，水55份。
和易性母液、保水增稠剂和缓凝剂制备工艺同实施例1。
经检测，注浆材料初始流动度为260mm，分层度为9mm，泌水率3.06%，28d抗压强度27.3MPa。
对比例5
注浆外加剂，由以下重量份原料组成：和易性母液5份，保水增稠剂4份，缓凝剂25份，硅酸钠2份，膨胀剂4份，硅树脂聚醚乳液1份，水55份。
和易性母液制备工艺为：
a.向反应釜加入360份TPEG、470份去离子水，搅拌均匀，加入5份丙烯酸羟丙酯、10份次亚磷酸钠、5份硫酸亚铁溶液、40份丙烯酸、8份双氧水，搅拌均匀，
b.将5份丙烯酸、2份巯基丙酸、8份去离子水混合均匀，得A料，将1.5份维生素C、8份去离子水混合均匀，得B料，
c.将A料于1.5h、B料于1.5h滴加至反应釜，保温1.5h，调节pH值为7，冷却，即得。
保水增稠剂制备工艺为：
①.向反应釜加入100份丙烯酰胺、480份去离子水，搅拌均匀，加入40份EPEG、6份丙烯酸-2-羟基乙酯，混合均匀，再加入1.5份巯基乙酸、2份亚硫酸氢钠、8份过硫酸铵、100份丙烯酸，搅拌均匀，
②.将10份丙烯酸、8份去离子水混合均匀，得C料，将3份维生素C、10份去离子水混合均匀，得D料，
③.将C料于1h、D料于1.5h滴加至反应釜，保温2h，调节pH值为7，冷却，即得。
缓凝剂制备工艺同实施例1。
经检测，注浆材料初始流动度为250mm，分层度为8mm，泌水率3.49%，28d抗压强度24.6MPa。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种盾构双液同步注浆外加剂，其特征在于，由以下重量份原料组成：和易性母液2-7份，保水增稠剂1-5份，缓凝剂15-30份，硅酸盐1-5份，膨胀剂1-5份，硅树脂聚醚乳液1-3份，水47-72份，
所述和易性母液由聚醚大单体300-340份、丙烯酸45-55份，丙烯酸羟丙酯8-12份聚合而成，
所述保水增稠剂由丙烯酸100-120份，丙烯酰胺70-90份，聚醚大单体20-30份，丙烯酸-2-羟基乙酯8-12份聚合而成，
所述缓凝剂由聚醚大单体300-400份，丙烯酸45-55份，AMPS80-100份，衣康酸20-40份聚合而成，
所述聚醚大单体为TPEG、EPEG的至少一种。
2.根据权利要求1所述盾构双液同步注浆外加剂，其特征在于，所述和易性母液制备工艺为：
a.向反应釜加入300-340份聚醚大单体、470-490份溶剂，搅拌均匀，加入8-12份丙烯酸羟丙酯、9-12份次亚磷酸钠、4-6份硫酸亚铁溶液、大部分丙烯酸、8-9份双氧水，搅拌均匀，
b.将剩余丙烯酸、2-3份巯基丙酸、8-10份溶剂混合均匀，得A料，将1-2份维生素C、7-9份溶剂混合均匀，得B料，
c.将A料、B料滴加至反应釜，保温，调节pH值为5-7，冷却，即得。
3.根据权利要求2所述盾构双液同步注浆外加剂，其特征在于，步骤a中反应釜温度为40-45℃，步骤c中A料滴加时间为1.5-2h，B料滴加时间为1.5-2h，AB料滴加完成后保温1-2h。
4.根据权利要求1所述盾构双液同步注浆外加剂，其特征在于，所述保水增稠剂制备工艺为：
①.向反应釜加入70-90份丙烯酰胺、470-490份溶剂，搅拌均匀，加入20-30份聚醚大单体、8-12份丙烯酸-2-羟基乙酯，混合均匀，再加入1-2份巯基乙酸、2-3份亚硫酸氢钠、7-8份过硫酸铵、大部分丙烯酸，搅拌均匀，
②.将剩余丙烯酸、7-9份溶剂混合均匀，得C料，将2-3份维生素C、9-10份溶剂混合均匀，得D料，
③.将C料、D料滴加至反应釜，保温，调节pH值为6-7，冷却，即得。
5.根据权利要求4所述盾构双液同步注浆外加剂，其特征在于，步骤①中反应釜温度为55-65℃，步骤③中C料滴加时间为1-1.5h，D料滴加时间为1.5-2h，CD料滴加完成后保温1-2h。
6.根据权利要求1所述盾构双液同步注浆外加剂，其特征在于，所述缓凝剂制备工艺为：
i）向反应釜中加入300-400份聚醚大单体、20-40份衣康酸、80-100份AMPS、370-520份溶剂，搅拌均匀，加入5-10份次亚磷酸钠，搅拌均匀，
ii）将45-55份丙烯酸、9-11份溶剂混合均匀，得E料，将5-7份过硫酸铵、8-10份溶剂混合均匀，得F料，
iii）将E料、F料滴加至反应釜，保温，冷却，即得。
7.根据权利要求6所述盾构双液同步注浆外加剂，其特征在于，步骤i）中反应釜温度为55-60℃，步骤iii）中E料滴加时间为1-1.5h，F料滴加时间为0.5-1h，EF料滴加完成后保温2-3h。
8.根据权利要求2-7任一项所述盾构双液同步注浆外加剂，其特征在于，所述溶剂为去离子水。
9.根据权利要求1所述盾构双液同步注浆外加剂，其特征在于，所述硅酸盐为硅酸钾、硅酸钠、硅酸锂的至少一种，所述膨胀剂为塑性膨胀剂。
10.根据权利要求1-9任一项所述盾构双液同步注浆外加剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按重量份称取各原料，
2）将水、和易性母液、保水增稠剂、缓凝剂、硅酸盐、膨胀剂、硅树脂聚醚乳液依次加入搅拌机，混合均匀，即得。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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