网状纤维砂及其制备方法

技术领域

本发明属于封堵技术领域，具体涉及一种网状纤维砂及其制备方法。

背景技术

隧道建设过程中突涌水灾害频发的关键问题在于岩溶区隧道突水塌方灾害发生机理极为复杂，对灾害控制技术水平要求极高。虽然国内外相关学者针对不同的工程问题，研发了不同的注浆材料，提出了不同的治理方法。然而岩溶富水区具有水源补充性强、地质构造复杂、水力联通强且呈现压力状态、流量大、流速快等特点，使得现有的注浆材料与治理技术体系缺乏针对性，难以实现上述灾害的有效封堵与加固治理，导致隧道工程建设与工程运营一直处于高风险状态。

目前现有技术使用的封堵砂存在溶胀比较小等问题，不能满足高难度的封堵技术要求，因此，开发一种溶胀比极高，胶凝时间极短的砂，以满足应用需求，极大降低风险，成为了新的研究趋势。

发明内容

本发明提供一种网状纤维砂及其制备方法，以解决现有技术使用的封堵存在溶胀比较小等问题。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种网状纤维砂，包括内芯和外壳，所述的外壳，以重量份为单位，包括以下原料：水泥80-156份、砂子45-100份、纤维5-8份、膨润土10-24份、抑水剂3-6份、氟化钾15-32份、乙烯-四氟乙烯共聚物10-30份、碳酸氢钠52-70份、偶联剂1.4-3份、2-甲基丙烯酸乙酯6-10份、N，N-二乙基苯胺2-4份。

技术原理：氟化钾能促进乙烯-四氟乙烯共聚物和碳酸氢钠在网状纤维砂应用在封堵技术领域中的发泡效果，在网状纤维砂中引入极多的气泡，这些细小封闭、独立的气泡在网状纤维砂中能够稳定存在并均匀排布，从而提高网状纤维砂的溶胀比。碳酸氢钠具有速凝的功能，可以缩短网状纤维砂固化的时间，使网状纤维砂在短时间内凝结，提高网状纤维砂的溶胀比，缩短胶凝时间。乙烯-四氟乙烯共聚物、氟化钾、碳酸氢钠在网状纤维砂中可形成乱向分布的网状结构，加速固相反应，提高网状纤维砂的溶胀比，缩短胶凝时间。此外，在偶联剂kh-560和N，N-二乙基苯胺的偶联和促进作用下，2-甲基丙烯酸乙酯有效的把膨胀后的乙烯-四氟乙烯共聚物交联粘结起来，促进乙烯-四氟乙烯共聚物与氟化钾、碳酸氢钠形成具有弹性的固结体，更加促进吸水，提高网状纤维砂的溶胀比，缩短胶凝时间，本发明的网状纤维砂可满足应用需求，极大降低风险。

优选地，所述内芯为建筑废加气混凝土。

优选地，所述外壳的厚度为0.07-0.15mm。

优选地，所述的外壳，以重量份为单位，包括以下原料：水泥125份、砂子76份、纤维7份、膨润土18份、抑水剂5份、氟化钾25份、乙烯-四氟乙烯共聚物22份、碳酸氢钠65份、偶联剂2.1份、2-甲基丙烯酸乙酯8份、N，N-二乙基苯胺3份。

优选地，所述的砂子为河砂。

优选地，所述河砂粒径为5-40μm。

优选地，所述纤维为玄武岩纤维。

优选地，所述抑水剂为线性甲基含氢聚硅氧烷。

优选地，所述偶联剂为偶联剂kh-560。

本发明还提供一种网状纤维砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将建筑废弃加气混凝土经破碎至粒径≤5.2mm的颗粒，制得建筑废加气混凝土；

(2)将水泥、砂子、纤维、膨润土、抑水剂、氟化钾、乙烯-四氟乙烯共聚物、碳酸氢钠、偶联剂、2-甲基丙烯酸乙酯、N，N-二乙基苯胺在微波功率为100-160W，温度为50-60℃，转速为200-300r/min下搅拌9-12min后，制成外壳材料；

(3)将步骤(1)制得的建筑废加气混凝土预吸水至含水量为13％-20％，放入成球盘，在成球盘内连续滚动，喷洒重量份为40-70份苯丙乳液使颗粒表面润湿后，在成球区均匀撒入步骤(2)制得的外壳材料，成型为球形颗粒；

(4)将步骤(3)制得的球形颗粒在温度为42-53℃下静停1.2-1.6h后，在温度为95-108℃，压力为6-10MPa的条件下压蒸养护12-16h，接着降温至室温，制得网状纤维砂。

本发明具有以下有益效果：

本发明在网状纤维砂中添加氟化钾、乙烯-四氟乙烯共聚物、碳酸氢钠、偶联剂kh-560、2-甲基丙烯酸乙酯、N，N-二乙基苯胺，六者之间相互协同配合，协同提高了溶胀比，溶胀比达到84.6g/g以上，另外胶凝时间也极短，在37.8s以下；本发明的网状纤维砂可快速胶凝，形成白色乳浊液，缩短胶凝时间，应用效果好，极大降低封堵风险，可大力推广应用。

具体实施方式

为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。

在实施例中，所述的网状纤维砂：内芯为建筑废加气混凝土，在内芯外包裹一层厚度为0.07-0.15mm的外壳，所述的外壳，以重量份为单位，包括以下原料：水泥80-156份、砂子45-100份、纤维5-8份、膨润土10-24份、抑水剂3-6份、氟化钾15-32份、乙烯-四氟乙烯共聚物10-30份、碳酸氢钠52-70份、偶联剂1.4-3份、2-甲基丙烯酸乙酯6-10份、N，N-二乙基苯胺2-4份；所述的砂子为河砂，粒径为5-40μm；所述纤维为玄武岩纤维；所述抑水剂为线性甲基含氢聚硅氧烷；所述偶联剂为偶联剂kh-560；

所述的网状纤维砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将建筑废弃加气混凝土经破碎至粒径≤5.2mm的颗粒，制得建筑废加气混凝土；

(2)将水泥、砂子、纤维、膨润土、抑水剂、氟化钾、乙烯-四氟乙烯共聚物、碳酸氢钠、偶联剂、2-甲基丙烯酸乙酯、N，N-二乙基苯胺在微波功率为100-160W，温度为50-60℃，转速为200-300r/min下搅拌9-12min后，制成外壳材料；

(3)将步骤(1)制得的建筑废加气混凝土预吸水至含水量为13％-20％，放入成球盘，在成球盘内连续滚动，喷洒重量份为40-70份苯丙乳液使颗粒表面润湿后，在成球区均匀撒入步骤(2)制得的外壳材料，成型为球形颗粒；

(4)将步骤(3)制得的球形颗粒在温度为42-53℃下静停1.2-1.6h后，在温度为95-108℃，压力为6-10MPa的条件下压蒸养护12-16h，接着降温至室温，制得网状纤维砂。

下面通过更具体的实施例加以说明。

实施例1

一种网状纤维砂：内芯为建筑废加气混凝土，在内芯外包裹一层厚度为0.12mm的外壳，所述的外壳，以重量份为单位，包括以下原料：水泥125份、砂子76份、纤维7份、膨润土18份、抑水剂5份、氟化钾25份、乙烯-四氟乙烯共聚物22份、碳酸氢钠65份、偶联剂2.1份、2-甲基丙烯酸乙酯8份、N，N-二乙基苯胺3份；所述的砂子为河砂，粒径为8-32μm；所述纤维为玄武岩纤维；所述抑水剂为线性甲基含氢聚硅氧烷；所述偶联剂为偶联剂kh-560；

所述的网状纤维砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将建筑废弃加气混凝土经破碎至粒径≤4.8mm的颗粒，制得建筑废加气混凝土；

(2)将水泥、砂子、纤维、膨润土、抑水剂、氟化钾、乙烯-四氟乙烯共聚物、碳酸氢钠、偶联剂、2-甲基丙烯酸乙酯、N，N-二乙基苯胺在微波功率为150W，温度为56℃，转速为300r/min下搅拌10min后，制成外壳材料；

(3)将步骤(1)制得的建筑废加气混凝土预吸水至含水量为18％，放入成球盘，在成球盘内连续滚动，喷洒重量份为60份苯丙乳液使颗粒表面润湿后，在成球区均匀撒入步骤(2)制得的外壳材料，成型为球形颗粒；

(4)将步骤(3)制得的球形颗粒在温度为50℃下静停1.5h后，在温度为102℃，压力为9MPa的条件下压蒸养护14h，接着降温至室温，制得网状纤维砂。

实施例2

一种网状纤维砂：内芯为建筑废加气混凝土，在内芯外包裹一层厚度为0.09mm的外壳，所述的外壳，以重量份为单位，包括以下原料：水泥85份、砂子50份、纤维6份、膨润土10份、抑水剂3份、氟化钾16份、乙烯-四氟乙烯共聚物12份、碳酸氢钠55份、偶联剂1.6份、2-甲基丙烯酸乙酯7份、N，N-二乙基苯胺2份；所述的砂子为河砂，粒径为8-36μm；所述纤维为玄武岩纤维；所述抑水剂为线性甲基含氢聚硅氧烷；所述偶联剂为偶联剂kh-560；

所述的网状纤维砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将建筑废弃加气混凝土经破碎至粒径≤5mm的颗粒，制得建筑废加气混凝土；

(2)将水泥、砂子、纤维、膨润土、抑水剂、氟化钾、乙烯-四氟乙烯共聚物、碳酸氢钠、偶联剂、2-甲基丙烯酸乙酯、N，N-二乙基苯胺在微波功率为130W，温度为52℃，转速为200r/min下搅拌11min后，制成外壳材料；

(3)将步骤(1)制得的建筑废加气混凝土预吸水至含水量为15％，放入成球盘，在成球盘内连续滚动，喷洒重量份为42份苯丙乳液使颗粒表面润湿后，在成球区均匀撒入步骤(2)制得的外壳材料，成型为球形颗粒；

(4)将步骤(3)制得的球形颗粒在温度为47℃下静停1.5h后，在温度为98℃，压力为7MPa的条件下压蒸养护15h，接着降温至室温，制得网状纤维砂。

实施例3

一种网状纤维砂：内芯为建筑废加气混凝土，在内芯外包裹一层厚度为0.14mm的外壳，所述的外壳，以重量份为单位，包括以下原料：水泥150份、砂子96份、纤维7份、膨润土20份、抑水剂5份、氟化钾26份、乙烯-四氟乙烯共聚物28份、碳酸氢钠65份、偶联剂2.7份、2-甲基丙烯酸乙酯10份、N，N-二乙基苯胺4份；所述的砂子为河砂，粒径为10-29μm；所述纤维为玄武岩纤维；所述抑水剂为线性甲基含氢聚硅氧烷；所述偶联剂为偶联剂kh-560；

所述的网状纤维砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将建筑废弃加气混凝土经破碎至粒径≤3.8mm的颗粒，制得建筑废加气混凝土；

(2)将水泥、砂子、纤维、膨润土、抑水剂、氟化钾、乙烯-四氟乙烯共聚物、碳酸氢钠、偶联剂、2-甲基丙烯酸乙酯、N，N-二乙基苯胺在微波功率为155W，温度为58℃，转速为200r/min下搅拌10min后，制成外壳材料；

(3)将步骤(1)制得的建筑废加气混凝土预吸水至含水量为15％，放入成球盘，在成球盘内连续滚动，喷洒重量份为64份苯丙乳液使颗粒表面润湿后，在成球区均匀撒入步骤(2)制得的外壳材料，成型为球形颗粒；

(4)将步骤(3)制得的球形颗粒在温度为52℃下静停1.3h后，在温度为106℃，压力为9MPa的条件下压蒸养护15h，接着降温至室温，制得网状纤维砂。

对比例1

与实施例1的制备网状纤维砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少氟化钾、乙烯-四氟乙烯共聚物、碳酸氢钠、偶联剂kh-560、2-甲基丙烯酸乙酯、N，N-二乙基苯胺。

对比例2

与实施例1的制备网状纤维砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少氟化钾。

对比例3

与实施例1的制备网状纤维砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少乙烯-四氟乙烯共聚物。

对比例4

与实施例1的制备网状纤维砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少碳酸氢钠。

对比例5

与实施例1的制备网状纤维砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少偶联剂kh-560。

对比例6

与实施例1的制备网状纤维砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少2-甲基丙烯酸乙酯。

对比例7

与实施例1的制备网状纤维砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少N，N-二乙基苯胺。

按照实施例1-3和对比例1-7所述的制备工艺制备网状纤维砂，检测各组网状纤维砂的堆积密度、溶胀比、胶凝时间，结果见下表所示：

其中，网状纤维砂溶胀比Sw测试方法为：取网状纤维砂1g装入400目纱网中，浸入水溶液中，待材料充分吸水膨胀后，用滤纸滤干表面的残余水分，并记录其吸水质量变化情况。溶胀比Sw(单位：(g/g))由下式计算：

其中M

其中网状纤维砂与十倍水反应，胶凝时间测试方法为：准确称取10g网状纤维砂于烧杯中，加入100ml水，记录加入水时的时间t

由上表可知：(1)由实施例1-3的数据可见，网状纤维砂的溶胀比极高，达到84.6g/g以上，胶凝时间极短，在37.8s以下；本发明的网状纤维砂可快速胶凝，形成白色乳浊液，缩短胶凝时间，应用效果好。

(2)由实施例1和对比例1-7的数据可见，氟化钾、乙烯-四氟乙烯共聚物、碳酸氢钠、偶联剂kh-560、2-甲基丙烯酸乙酯、N，N-二乙基苯胺在制备网状纤维砂中起到了协同作用，协同提高了溶胀比，这是因为：氟化钾能促进乙烯-四氟乙烯共聚物和碳酸氢钠在网状纤维砂应用在封堵技术领域中的发泡效果，在网状纤维砂中引入极多的气泡，这些细小封闭、独立的气泡在网状纤维砂中能够稳定存在并均匀排布，从而提高网状纤维砂的溶胀比。碳酸氢钠具有速凝的功能，可以缩短网状纤维砂固化的时间，使网状纤维砂在短时间内凝结，提高网状纤维砂的溶胀比，缩短胶凝时间。乙烯-四氟乙烯共聚物、氟化钾、碳酸氢钠在网状纤维砂中可形成乱向分布的网状结构，加速固相反应，提高网状纤维砂的溶胀比，缩短胶凝时间。此外，在偶联剂kh-560和N，N-二乙基苯胺的偶联和促进作用下，2-甲基丙烯酸乙酯有效的把膨胀后的乙烯-四氟乙烯共聚物交联粘结起来，促进乙烯-四氟乙烯共聚物与氟化钾、碳酸氢钠形成具有弹性的固结体，更加促进吸水，提高网状纤维砂的溶胀比。本发明在网状纤维砂中添加氟化钾、乙烯-四氟乙烯共聚物、碳酸氢钠、偶联剂kh-560、2-甲基丙烯酸乙酯、N，N-二乙基苯胺，六者之间相互协同配合，协同提高了溶胀比。

以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。