封堵轻质砂及其制备方法

技术领域

本发明属于封堵技术领域，具体涉及一种封堵轻质砂及其制备方法。

背景技术

随着社会的快速发展，交通工程发展迅猛，基础设施建设的步伐持续加快，铁路、隧道、公路、矿山等项目日益增多。特别是随着21世纪海上丝绸之路的大力实施，我国东部沿海地区对城际、省际交通建设提出了巨大需求。截至2018年底，我国建成的公路、铁路隧道数量超过3万座，总里程超3.5万km。此外，我国在建隧道线路5289km，规划隧道线路超过2.8万km。然而我国地形地貌复杂多变，建设中经常穿越岩溶区，由于裂隙、管道、溶洞等不良地质构造极为发育，水力联系通畅，致灾性强常，地下工程建设过程中常遭遇突涌水引发的灾难。施工期突涌水、岩层失稳坍塌等灾害对隧道安全构成了重大威胁，造成严重的经济损失、工程停滞、环境破坏，甚至人员伤亡，严重威胁社会稳定与经济发展。

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。

中国发明专利“一种免烧轻质砂及其制备方法(授权公告号CN102219415B)”公开了一种免烧轻质砂及其制备方法，是将加气混凝土边角料或废弃加气混凝土破碎成颗粒，将水泥、磨细含硅材料及蓄水材料搅拌均匀配制成表面包壳粉体材料。在加气混凝土颗粒表面喷洒表面改性剂溶液后与上述粉体包壳成球，静置1小时后进行二次包壳成球，将成型好的球形颗粒静停2-10h后，于80-190℃和1-15atm条件下压蒸养护8-12h，所得粒径不大于5mm、堆积密度不大于1200kg/m

发明内容

本发明提供一种封堵轻质砂及其制备方法，以解决现有技术所得轻质砂用在封堵领域中存在溶胀比小、不能快速胶凝的问题。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种封堵轻质砂：内芯为建筑废物，在内芯外包裹一层外壳材料，所述的外壳材料，以重量份为单位，包括以下原料：水泥10-20份、含硅砂6-13份、硅藻土1-3份、氟化钠4-6份、聚苯乙烯丁二烯共聚物2-5份、碳酸氢钾7-10份、过氧化月桂酰0.2-0.4份、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)0.3-0.5份。

进一步地，所述建筑废物为建筑废弃加气混凝土经破碎制得。

进一步地，所述外壳材料的厚度为0.04-0.12mm。

进一步地，所述的外壳材料，以重量份为单位，包括以下原料：水泥16份、含硅砂10份、硅藻土2份、氟化钠5份、聚苯乙烯丁二烯共聚物4份、碳酸氢钾8份、过氧化月桂酰0.3份、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)0.4份。

进一步地，所述的含硅砂为江砂、河砂、海砂中的一种多种。

进一步地，所述的含硅砂的粒径为3-35μm。

本发明还提供一种封堵轻质砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将建筑废弃加气混凝土经破碎成颗粒，制得建筑废物；

(2)将水泥、含硅砂、硅藻土、氟化钠、聚苯乙烯丁二烯共聚物、碳酸氢钾、过氧化月桂酰、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)在转速为100-200r/min下搅拌5-8min后，制成外壳粉体材料；

(3)将步骤(1)制得的建筑废物预吸水，放入成球盘，在成球盘内连续滚动，喷洒重量份为7-11份丙烯酸乳液使颗粒表面润湿后，在成球区均匀撒入步骤(2)制得的外壳粉体材料，成型为球形颗粒；

(4)将步骤(3)制得的球形颗粒在温度为40-50℃下静停1-1.5h后压蒸养护，接着降温至室温，制得封堵轻质砂。

进一步地，步骤(1)中所述颗粒的粒径≤6mm。

进一步地，步骤(3)中将步骤(1)制得的建筑废物预吸水至含水量为14％-18％。

进一步地，步骤(4)中压蒸养护的条件：在温度为90-110℃，压力为5-10MPa的条件下压蒸养护10-15h。

本发明具有以下有益效果：

(1)氟化钠、聚苯乙烯丁二烯共聚物、碳酸氢钾、过氧化月桂酰、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)在制备封堵轻质砂中起到了协同作用，协同提高了溶胀比，这是因为：氟化钠能促进聚苯乙烯丁二烯共聚物和碳酸氢钾在轻质砂应用在封堵技术领域中的发泡效果，在封堵轻质砂中引入极多的气泡，这些细小封闭、独立的气泡在封堵轻质砂中能够稳定存在并均匀排布，从而提高封堵轻质砂的溶胀比。碳酸氢钾具有速凝的功能，可以缩短封堵砂固化的时间，使封堵轻质砂在短时间内凝结，提高封堵轻质砂的溶胀比，缩短胶凝时间。聚苯乙烯丁二烯共聚物、氟化钠、碳酸氢钾在封堵轻质砂中可形成乱向分布的网状结构，加速固相反应，提高封堵轻质砂的溶胀比，缩短胶凝时间。此外，在过氧化月桂酰的作用下，三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)有效的把膨胀后的聚苯乙烯丁二烯共聚物粘结起来，促进聚苯乙烯丁二烯共聚物与氟化钠、碳酸氢钾形成具有弹性的固结体，更加促进吸水，提高封堵轻质砂的溶胀比。

(2)本发明所述建筑废物为建筑废弃加气混凝土经破碎制得，可取代天然粘土和页岩原料，并省去了煅烧所需的热耗，在满足砂低容重等条件下，实现了废物再利用，变废为宝，节省资源，保护生态环境，大大降低封堵砂的生产成本，环境友好性能优越，具有较好的生态效益。

(3)本发明的轻质砂可应用于岩溶区的突涌水治理，“遇水膨胀”有效的解决封堵材料在涌水条件下难以留存的技术难题。

(4)本发明制备的封堵轻质砂实现了多组分材料充分复合，达到了各组分超叠加效应的目的，达到了有效封堵富水岩溶区涌水等类似问题的效果，而且本发明的封堵轻质砂具有操作便捷、更加安全的技术优势。

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，所述的封堵轻质砂：内芯为建筑废物，所述建筑废物为建筑废弃加气混凝土经破碎制得，在内芯外包裹一层0.04-0.12mm厚的外壳材料，所述的外壳材料，以重量份为单位，包括以下原料：水泥10-20份、含硅砂6-13份、硅藻土1-3份、氟化钠4-6份、聚苯乙烯丁二烯共聚物2-5份、碳酸氢钾7-10份、过氧化月桂酰0.2-0.4份、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)0.3-0.5份；所述的含硅砂为江砂、河砂、海砂中的一种多种，含硅砂的粒径为3-35μm；

所述的封堵轻质砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将建筑废弃加气混凝土经破碎至粒径≤6mm的颗粒，制得建筑废物；

(2)将水泥、含硅砂、硅藻土、氟化钠、聚苯乙烯丁二烯共聚物、碳酸氢钾、过氧化月桂酰、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)在转速为100-200r/min下搅拌5-8min后，制成外壳粉体材料；

(3)将步骤(1)制得的建筑废物预吸水至含水量为14％-18％，放入成球盘，在成球盘内连续滚动，喷洒重量份为7-11份丙烯酸乳液使颗粒表面润湿后，在成球区均匀撒入步骤(2)制得的外壳粉体材料，成型为球形颗粒；

(4)将步骤(3)制得的球形颗粒在温度为40-50℃下静停1-1.5h后，在温度为90-110℃，压力为5-10MPa的条件下压蒸养护10-15h，接着降温至室温，制得封堵轻质砂。

下面通过更具体的实施例加以说明。

实施例1

一种封堵轻质砂：内芯为建筑废物，所述建筑废物为建筑废弃加气混凝土经破碎制得，在内芯外包裹一层0.05mm厚的外壳材料，所述的外壳材料，以重量份为单位，包括以下原料：水泥12份、含硅砂7份、硅藻土1份、氟化钠4份、聚苯乙烯丁二烯共聚物3份、碳酸氢钾7份、过氧化月桂酰0.2份、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)0.3份；所述的含硅砂为河砂，含硅砂的粒径为7-28μm；

所述的封堵轻质砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将建筑废弃加气混凝土经破碎至粒径≤5.3mm的颗粒，制得建筑废物；

(2)将水泥、含硅砂、硅藻土、氟化钠、聚苯乙烯丁二烯共聚物、碳酸氢钾、过氧化月桂酰、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)在转速为100r/min下搅拌8min后，制成外壳粉体材料；

(3)将步骤(1)制得的建筑废物预吸水至含水量为14.3％，放入成球盘，在成球盘内连续滚动，喷洒重量份为8份丙烯酸乳液使颗粒表面润湿后，在成球区均匀撒入步骤(2)制得的外壳粉体材料，成型为球形颗粒；

(4)将步骤(3)制得的球形颗粒在温度为42℃下静停1.4h后，在温度为92℃，压力为6MPa的条件下压蒸养护15h，接着降温至室温，制得封堵轻质砂。

实施例2

一种封堵轻质砂：内芯为建筑废物，所述建筑废物为建筑废弃加气混凝土经破碎制得，在内芯外包裹一层0.08mm厚的外壳材料，所述的外壳材料，以重量份为单位，包括以下原料：水泥16份、含硅砂10份、硅藻土2份、氟化钠5份、聚苯乙烯丁二烯共聚物4份、碳酸氢钾8份、过氧化月桂酰0.3份、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)0.4份；所述的含硅砂为江砂，含硅砂的粒径为4-32μm；

所述的封堵轻质砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将建筑废弃加气混凝土经破碎至粒径≤5.8mm的颗粒，制得建筑废物；

(2)将水泥、含硅砂、硅藻土、氟化钠、聚苯乙烯丁二烯共聚物、碳酸氢钾、过氧化月桂酰、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)在转速为200r/min下搅拌5min后，制成外壳粉体材料；

(3)将步骤(1)制得的建筑废物预吸水至含水量为16.2％，放入成球盘，在成球盘内连续滚动，喷洒重量份为10份丙烯酸乳液使颗粒表面润湿后，在成球区均匀撒入步骤(2)制得的外壳粉体材料，成型为球形颗粒；

(4)将步骤(3)制得的球形颗粒在温度为46℃下静停1.2h后，在温度为102℃，压力为8MPa的条件下压蒸养护12h，接着降温至室温，制得封堵轻质砂。

实施例3

一种封堵轻质砂：内芯为建筑废物，所述建筑废物为建筑废弃加气混凝土经破碎制得，在内芯外包裹一层0.11mm厚的外壳材料，所述的外壳材料，以重量份为单位，包括以下原料：水泥19份、含硅砂12份、硅藻土3份、氟化钠6份、聚苯乙烯丁二烯共聚物5份、碳酸氢钾10份、过氧化月桂酰0.4份、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)0.5份；所述的含硅砂为海砂，含硅砂的粒径为12-35μm；

所述的封堵轻质砂的制备方法，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，制得建筑废物；

(2)将水泥、含硅砂、硅藻土、氟化钠、聚苯乙烯丁二烯共聚物、碳酸氢钾、过氧化月桂酰、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)在转速为200r/min下搅拌6min后，制成外壳粉体材料；

(3)将步骤(1)制得的建筑废物预吸水至含水量为17％，放入成球盘，在成球盘内连续滚动，喷洒重量份为11份丙烯酸乳液使颗粒表面润湿后，在成球区均匀撒入步骤(2)制得的外壳粉体材料，成型为球形颗粒；

(4)将步骤(3)制得的球形颗粒在温度为48℃下静停1.1h后，在温度为108℃，压力为9MPa的条件下压蒸养护11h，接着降温至室温，制得封堵轻质砂。

对比例1

与实施例2的制备封堵轻质砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少氟化钠、聚苯乙烯丁二烯共聚物、碳酸氢钾、过氧化月桂酰、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)。

对比例2

与实施例2的制备封堵轻质砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少氟化钠。

对比例3

与实施例2的制备封堵轻质砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少聚苯乙烯丁二烯共聚物。

对比例4

与实施例2的制备封堵轻质砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少碳酸氢钾。

对比例5

与实施例2的制备封堵轻质砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少过氧化月桂酰。

对比例6

与实施例2的制备封堵轻质砂工艺基本相同，唯有不同的是原料中缺少三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)。

对比例7

采用中国发明专利“一种免烧轻质砂及其制备方法(授权公告号CN102219415B)”实施例1中的两个例子的工艺制备封堵轻质砂。

按照实施例1-3和对比例1-7所述的制备工艺制备封堵轻质砂，检测各组封堵轻质砂的堆积密度、溶胀比、胶凝时间，结果见下表所示：

其中，封堵轻质砂溶胀比Sw测试方法为：取封堵轻质砂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

其中封堵轻质砂与十倍水反应，胶凝时间测试方法为：准确称取10g封堵轻质砂于烧杯中，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和对比例7的数据可见，封堵砂与现有技术制得的封堵砂堆积密度相当；但是溶胀比显著高于现有技术制得的封堵砂溶胀比；此外本发明的封堵砂可快速胶凝，形成白色乳浊液，缩短胶凝时间，而现有技术的封堵砂胶凝速度极慢，且仅是出现少部分凝聚，说明了在封堵效果上相对较差。

(2)由实施例2和对比例1-6的数据可见，氟化钠、聚苯乙烯丁二烯共聚物、碳酸氢钾、过氧化月桂酰、三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)在制备封堵轻质砂中起到了协同作用，协同提高了溶胀比，这是因为：氟化钠能促进聚苯乙烯丁二烯共聚物和碳酸氢钾在轻质砂应用在封堵技术领域中的发泡效果，在封堵轻质砂中引入极多的气泡，这些细小封闭、独立的气泡在封堵轻质砂中能够稳定存在并均匀排布，从而提高封堵轻质砂的溶胀比。碳酸氢钾具有速凝的功能，可以缩短封堵砂固化的时间，使封堵轻质砂在短时间内凝结，提高封堵轻质砂的溶胀比，缩短胶凝时间。聚苯乙烯丁二烯共聚物、氟化钠、碳酸氢钾在封堵轻质砂中可形成乱向分布的网状结构，加速固相反应，提高封堵轻质砂的溶胀比，缩短胶凝时间。此外，在过氧化月桂酰的引发作用下，三羟甲基丙烷三(3-吖丙啶基丙酸酯)有效的把膨胀后的聚苯乙烯丁二烯共聚物交联粘结起来，促进聚苯乙烯丁二烯共聚物与氟化钠、碳酸氢钾形成具有弹性的固结体，更加促进吸水，提高封堵轻质砂的溶胀比。

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。