一种低温加固用有机无机杂化注浆材料及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种低温加固用有机无机杂化注浆材料及其制备方法与应用，属于注浆加固技术领域。所述注浆材料包括A、B两组分；A组分由如下重量份的无机原料组成：硅酸盐溶液65～80份、偶联剂10～25份、催化剂3～6份；B组分由如下重量份的有机原料组成：异氰酸酯类物质65～85份、流动改性剂20～30份、增韧剂5～15份、耐寒剂25～40份。使用时将A、B组分按体积比1：1混合注浆。所述注浆材料固结体抗压强度较高，韧性好，可以满足绝大部分工程需求，能明显增强待加固部分的连接，提高待加固体强度；所述注浆材料耐寒性好，在0℃以下仍具有优秀的流动性，可有效充满岩石裂隙，适合在极端恶劣环境中使用。

权利要求

1.一种低温加固用有机无机杂化注浆材料，其特征在于，包括A、B两组分；

A组分由如下重量份的无机原料组成：硅酸盐溶液65～80份、偶联剂10～25份、催化剂3～6份；

B组分由如下重量份的有机原料组成：异氰酸酯类物质65～85份、流动改性剂20～30份、增韧剂5～15份、耐寒剂25～40份；

所述硅酸盐溶液为硅酸钠溶液和硅酸钾溶液的混合物，按体积比计，硅酸钠溶液：硅酸钾溶液＝3:2；

所述硅酸钠溶液的模数为2.5，波美度为47°，硅酸钾溶液的模数为3.3，波美度为37°；

所述偶联剂为硅烷偶联剂和丙三醇的混合物，按质量比计，硅烷偶联剂：丙三醇＝1:1；

所述催化剂为固胺和吡啶的混合物，按质量比计，固胺：吡啶＝1:1；

所述流动改性剂为碳酸丙烯酯和聚丙烯的混合物，按质量比计，碳酸丙烯酯：聚丙烯＝

3:1；

所述增韧剂为聚乙烯吡咯烷酮和邻苯二甲酸二乙酯的混合物，按质量比计，聚乙烯吡咯烷酮：邻苯二甲酸二乙酯＝2:1；

所述耐寒剂为四氢呋喃共聚醚二醇和十二碳二元酸二辛酯的混合物，按质量比计，四氢呋喃共聚醚二醇：十二碳二元酸二辛酯＝3:1。

2.根据权利要求1所述的低温加固用有机无机杂化注浆材料，其特征在于，所述异氰酸酯类物质为多亚甲基多苯基异氰酸酯。

3.一种根据权利要求1‑2任意一项所述的低温加固用有机无机杂化注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在硅酸盐溶液中加入偶联剂和催化剂，搅拌均匀，得到A组分；

(2)在异氰酸酯类物质中加入流动改性剂、增韧剂、耐寒剂，搅拌均匀，得到B组分。

4.一种根据权利要求1‑2任意一项所述的低温加固用有机无机杂化注浆材料在低温注浆加固中的应用，其特征在于，将A组分和B组分按体积比为1：1混合注浆。

说明书

一种低温加固用有机无机杂化注浆材料及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明属于注浆加固技术领域，具体涉及一种低温加固用有机无机杂化注浆材料及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 在进行隧道等地下工程施工时，施工所造成的扰动会对周边软弱地质体产生较大影响。如不加以控制，则会造成巨大的工程灾害，影响施工的正常进行。为防止灾害发生，通常向软弱地质体中注入加固材料，固结土的颗粒并充塞岩层裂缝，使得地质体的力学性质得到改善。

[0003] 硅酸盐改性注浆材料是一种新型的高分子注浆加固材料。具有应用安全、可靠性高、力学性能优异、成分简单的优点。近几年来在地下工程领域得到了广泛应用。但经过大量的工程实践发现，在低温环境中，地下温度常低于0℃，延缓了材料反应的速度，增加了材料的粘性，从而使得注浆材料固化不正常，凝结时间长，流动性差，不能有效充填岩层裂缝，严重影响加固区的使用寿命，影响施工的安全进行。因此，如何克服现有硅酸盐注浆材料在低温环境下凝结时间长，流动性差，不能有效充填岩层裂缝的问题，是本领域技术人员亟待解决的难题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是克服现有硅酸盐注浆加固材料在低温环境中应用时存在的问题，提供一种在低温下固结速度快、强度高、流动性好，能够有效满足低温条件地下施工的要求的低温加固用有机无机杂化注浆材料。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

[0006] 本发明的技术方案之一，一种低温加固用有机无机杂化注浆材料，包括A、B两组分；

[0007] A组分由如下重量份的无机原料组成：硅酸盐溶液65～80份、偶联剂10～25份、催化剂3～6份；

[0008] B组分由如下重量份的有机原料组成：异氰酸酯类物质65～85份、流动改性剂20～30份、增韧剂5～15份、耐寒剂25～40份。

[0009] 进一步地，所述硅酸盐溶液为硅酸钠溶液和硅酸钾溶液的混合物，按体积比计，硅酸钠溶液：硅酸钾溶液＝3:2。

[0010] 进一步地，所述硅酸钠溶液的模数为2.3～2.8，所述硅酸钠溶液的波美度为45～50°，所述硅酸钾溶液的模数为3.0～3.6，所述硅酸钾溶液的波美度为35～38°。

[0011] 模数和波美度是硅酸钠和硅酸钾的重要性能，模数越大，含Si量越大，粘结力也就越大，但也会更加难溶于水，所以要选择合适的范围，波美度表示溶液的浓度，浓度越大，含硅酸钠和硅酸盐越多，本发明选择的硅酸钠和硅酸钾的模数及波美度的范围可以使最终的加固材料具有良好的溶解性和粘结力。

[0012] 进一步地，所述偶联剂为硅烷偶联剂和丙三醇的混合物，按质量计，硅烷偶联剂：丙三醇＝1:1。

[0013] 丙三醇还可以起到防冻的作用，加入到原料中，可以起到耐寒的作用。

[0014] 进一步地，所述催化剂为固胺和吡啶的混合物，按质量比计，固胺：吡啶＝1:1。

[0015] 催化剂用于连接具有不同化学结构的材料，增加有机物与无机物的结合。

[0016] 进一步地，所述异氰酸酯类物质为多亚甲基多苯基异氰酸酯。

[0017] 进一步地，所述多亚甲基多苯基异氰酸酯为MDI‑PM200、MDI‑PM400、MDI‑M200、MDI‑MR100或MDI‑MR200。

[0018] 进一步地，所述流动改性剂为碳酸丙烯酯和聚丙烯的混合物，按质量比计，碳酸丙烯酯:聚丙烯＝3:1。

[0019] 进一步地，所述增韧剂为聚乙烯吡咯烷酮和邻苯二甲酸二乙酯的混合物，按质量比计，聚乙烯吡咯烷酮:邻苯二甲酸二乙酯＝2:1。

[0020] 进一步地，所述耐寒剂为四氢呋喃共聚醚二醇和十二碳二元酸二辛酯的混合物，按质量比计，四氢呋喃共聚醚二醇:十二碳二元酸二辛酯＝3:1。

[0021] 本发明的技术方案之二，一种上述低温加固用有机无机杂化注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0022] (1)在硅酸盐溶液中加入偶联剂和催化剂，搅拌均匀，得到A组分；

[0023] (2)在异氰酸酯类物质中加入流动改性剂、增韧剂、耐寒剂，搅拌均匀，得到B组分。

[0024] 进一步地，步骤(1)中所述搅拌的转速为120～160r/min，搅拌的时间为15～25min；步骤(2)中所述搅拌的转速为70～

[0025] 100r/min，搅拌的时间为15～25min。

[0026] 进一步地，步骤(1)中在硅酸盐溶液中先加入偶联剂再加入催化剂。

[0027] 进一步地，步骤(2)中在异氰酸酯类物质中先加入流动改性剂，再加入增韧剂，最后加入耐寒剂。

[0028] 本发明的技术方案之三，一种上述低温加固用有机无机杂化注浆材料在低温注浆加固中的应用。

[0029] 进一步地，将A组分和B组分按体积比为1：1混合注浆。

[0030] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0031] (1)本发明提供的低温加固用有机无机杂化注浆材料固化强度可达40MPa以上，固结体抗压强度较高，韧性好，可以满足绝大部分工程需求，能够明显增强待加固部分的连接，提高待加固体强度；本发明提供的低温加固用有机无机杂化注浆材料耐寒性好，在低温环境(0℃以下)中，仍具有优秀的流动性，可以有效充满岩石裂隙，具有优良的工作性能，适合在极端恶劣环境中使用。

[0032] (2)本发明提供的低温加固用有机无机杂化注浆材料性能稳定，可注性好，应用范围广泛。

[0033] (3)本发明提供的低温加固用有机无机杂化注浆材料属绿色环保新型材料，注入地层后，对环境无影响，环保要求完全达标。

具体实施方式

[0034] 现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

[0035] 应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

[0036] 除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

[0037] 在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

[0038] 关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

[0039] 以下各实施例和对比例中使用的硅酸盐溶液由硅酸钠溶液和硅酸钾溶液按体积比3:2混合而成，其中硅酸钠溶液的模数为2.5，波美度为47°，硅酸钾溶液的模数为3.3，波美度为37°；使用的偶联剂由硅烷偶联剂和丙三醇按质量比1:1混合而成；使用的催化剂由固胺和吡啶按质量比1:1混合而成；使用的流动改性剂由碳酸丙烯酯和聚丙烯按质量比3:1混合而成；使用的增韧剂由聚乙烯吡咯烷酮和邻苯二甲酸二乙酯按质量比2:1混合而成；使用的耐寒剂由四氢呋喃共聚醚二醇和十二碳二元酸二辛酯按质量比3:1混合而成。

[0040] 实施例1

[0041] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的偶联剂、3份催化剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0042] B组分：取90份MDI‑PM200、22份流动改性剂、8份增韧剂、30份耐寒剂依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0043] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0044] 实施例2

[0045] A组分：取74重量份的硅酸盐溶液、14重量份的偶联剂、3份催化剂依次加入搅拌机中，以145r/min的转速搅拌25分钟，得到A液备用；

[0046] B组分：取72份MDI‑PM200、26份流动改性剂、8份增韧剂、34份耐寒剂依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0047] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0048] 实施例3

[0049] A组分：取80重量份的硅酸盐溶液、14重量份的偶联剂、5份催化剂依次加入搅拌机中，以145r/min的转速搅拌25分钟，得到A液备用；

[0050] B组分：取80份MDI‑PM200、28份流动改性剂、6份增韧剂、38份耐寒剂依次加入搅拌机中，以130r/min的转速搅拌25分钟，得到B液备用；

[0051] 使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0052] 对比例1

[0053] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的硅烷偶联剂、3份催化剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0054] B组分：取90份MDI‑PM200、22份流动改性剂、8份增韧剂、30份耐寒剂依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0055] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0056] 对比例2

[0057] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的丙三醇、3份催化剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0058] B组分：取90份MDI‑PM200、22份流动改性剂、8份增韧剂、30份耐寒剂依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0059] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0060] 对比例3

[0061] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的偶联剂、3份固胺依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0062] B组分：取90份MDI‑PM200、22份流动改性剂、8份增韧剂、30份耐寒剂依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0063] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0064] 对比例4

[0065] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的偶联剂、3份吡啶依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0066] B组分：取90份MDI‑PM200、22份流动改性剂、8份增韧剂、30份耐寒剂依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0067] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0068] 对比例5

[0069] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的偶联剂、3份催化剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0070] B组分：取90份MDI‑PM200、22份碳酸丙烯酯、8份增韧剂、30份耐寒剂依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0071] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0072] 对比例6

[0073] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的偶联剂、3份催化剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0074] B组分：取90份MDI‑PM200、22份聚丙烯、8份增韧剂、30份耐寒剂依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0075] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0076] 对比例7

[0077] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的偶联剂、3份催化剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0078] B组分：取90份MDI‑PM200、22份流动改性剂、8份聚乙烯吡咯烷酮、30份耐寒剂依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0079] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0080] 对比例8

[0081] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的偶联剂、3份催化剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0082] B组分：取90份MDI‑PM200、22份流动改性剂、8份邻苯二甲酸二乙酯、30份耐寒剂依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0083] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0084] 对比例9

[0085] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的偶联剂、3份催化剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0086] B组分：取90份MDI‑PM200、22份流动改性剂、8份增韧剂、30份四氢呋喃共聚醚二醇依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0087] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0088] 对比例10

[0089] A组分：取70重量份的硅酸盐溶液、12重量份的偶联剂、3份催化剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速搅拌24分钟，得到A液备用；

[0090] B组分：取90份MDI‑PM200、22份流动改性剂、8份增韧剂、30份十二碳二元酸二辛酯依次加入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌20分钟，得到B液备用；

[0091] 现场应用过程中，使用双液注浆泵将A、B液按体积比1:1注入破碎岩体，进行加固。

[0092] 效果验证

[0093] 分别取实施例1‑3和对比例1‑10制得的低温加固用有机无机杂化注浆材料进行低温(0℃度以下)注浆加固试验(A、B液按体积比1:1混合)，试验方法及标准参照《岩石物理力学性质试验规程》。各实施例和对比例的性能指标如表1所示，其中压缩耐寒系数是指试样在冷冻规定时间后，除去压缩负荷后的恢复高度与原高度的比值。

[0094] 表1

[0095]

[0096]

[0097] 选择权利要求中所述的MDI‑PM400、MDI‑M200、MDI‑MR100或MDI‑MR200作为异氰酸酯类物质时，在权利要求范围内各组分选择其他份数时，以及在权利要求范围内硅酸钠溶液和硅酸钾溶液选择其他模数和波美度时，得到的低温加固用有机无机杂化注浆材料具有与以上实施例相同或相似的效果。

[0098] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。