CW520丙烯酸盐灌浆材料交联剂合成及其浆液性能研究.pdf

第29卷第2期
长江科学院院报
2012年2月
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
Feb.2012
文章编号:1001-5485(2012)02-0055-05
CW520丙烯酸盐灌浆材料交联剂合成
及其浆液性能研究
张健,魏涛“·,韩炜“,汪在芹°
(长江科学院a.材料与结构研究所;b.国家大坝安全工程技术研究中心;
c.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,武汉430010)
摘要:介绍了一种环保交联剂的合成方法,该交联剂无毒且可溶于水,可取代原丙烯酸盐化学灌浆材料常用交联剂
甲撑双丙烯酰胺,解决甲撑双丙烯跣胺不易溶解和污染环境等问题。并以此种交联剂为原料进行CW520丙烯酸
盐化学灌浆材料配方试验研究,确定了其配方。对这种浆液和凝胶体的性能测试表明:CW520丙烯酸盐化学灌浆
材料具有粘度低、流动性好、可灌入细微裂缝、凝胶时间可控、渗透系数低、固砂体抗压强度较高等特点,具有很好
的推广利用价值
关键词:丙烯酸盐;交联剂;合成;化学灌浆;浆液性能
中图分类号:TV44文献标志码:A
者在前人工作的基础上,研制出一种可溶于水的无
研究背景
毒液态低聚物交联剂,取代原丙烯酸盐化学灌浆材
料常用的具有毒性交联剂甲撑双丙烯酰胺,制得
丙烯酸盐在浆中的应用研究始于20世纪40Cw520丙烯酸盐化学灌浆材料。该灌浆材料具有
年代,美国海军和马萨诸塞工科大学将其试用于军粘度低、流动性好、可灌人细裂缝、凝胶时间可控、
事地基加固并取得成功。1963年日本有丙烯酸盐渗透系数低、固沙体抗压强度较高等特点。除此之
用于土壤加固和隧道防渗的报道。但由于当时丙烯
外,CW520丙烯酸盐化学灌浆材料的浆液及凝胶毒
酸产能较低,在较长的时间内,丙烯酸盐化学灌浆材
料的研究进展缓慢,应用也较少,在永久工程防渗灌
性较现有采用甲撑双丙烯酰胺作为交联剂的丙烯酸
浆领域丙烯酰胺灌浆材料仍占主导地位。1974年
盐化学灌浆材料低,此种灌浆材料更符合环保要求,
同时,由于所合成交联剂可与丙烯酸盐单体溶液混
日本应用丙烯酰胺灌浆材料造成水质污染,为此,许
多国家限制了丙烯酰胺灌浆材料的应用,丙烯酸盐
溶,生产工艺得到了改进。
灌浆材料受到广泛关注口-2。
国外主要的丙烯酸盐灌浆材料有日本于20世2交联剂合成
纪60年代开发的阿隆A,美国研制的AC-400,以及
比利时 De Neef公司的 Gelacryl系列产品。国内同
现有丙烯酸盐灌浆材料多选用甲撑双丙烯酰胺
类产品有长江科学院研制的丙烯酸盐灌浆材料、北
做交联剂,甲撑双丙烯酰胺是种难溶于水的固体,因
京朗巍时代科技有限公司的AC系列丙烯酸盐灌浆分子结构中含有丙烯酰胺取代基而具有一定的毒性。
材料、广州化学研究所研制的XT丙烯酸盐化学灌
本文选用一种多羟基化合物与丙烯酸进行酯化
浆材料及水利水电科学院研制的AC-MS丙烯酸盐反应制得新型环保交联剂,其分子结构可表示为
灌浆材料等。这些材料广泛应用于防渗灌浆,并取
得很好的效果。
该分子结构中不含丙烯酰胺取代基,是一种无
随着社会的进步和科技的发展,人们对环保的毒低聚物;主链R中含有亲水基团,使交联剂分子
要求越来越高,化工产品是否有毒,在使用过程中是能够溶解在水中,可与丙烯酸盐溶液混溶;末端含有
否会对环境造成污染,已成为化工研究的重点。笔2个(或以上)乙烯基,可以发生自由基聚合反应,形
收稿日期:2011-02-14
基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费(YWF907)
作者简介:张健(1982-),男,甘肃武威人,硕士,主要从事高分子材料的开发和研究,(电话)15994208453(电子信箱) zhangjian0113@
163.com。
长江科学院院报
2012年
成空间网状结构的聚合物。以该交联剂为原料制得基,引发单体和交联剂进行自由基聚合形成具有空
的凝胶结构中的交联键稳定,凝胶体性能好。
间网状结构的聚合物;缓凝剂可捕捉初级自由基,延
2.1合成过程
长自由基与单体结合的时间,使聚合反应的诱导期
在装有回流冷凝管、分水器、搅拌器、温度计的变长,以此控制凝胶时间。通过调整缓凝剂用量
三口烧瓶中依次加入阻聚剂、多羟基低聚物后搅拌可控制浆液凝胶时间在几分钟到几十分钟之间。
并加热,待阻聚剂完全溶解后再加入丙烯酸、催化3.2丙烯酸盐单体选择
剂、甲苯,在30min内升温到回流,保持反应1~4h,
可用于灌浆的丙烯酸盐单体有很多,如丙烯酸
反应分出水量达到理论出水量90%以上停止反应,钙、丙烯酸镁、丙烯酸锌、丙烯酸钾、丙烯酸钠等
冷却到室温,用弱碱溶液中和到中性,再用蒸馏水洗世纪80年代,长江科学院在总结了多种丙烯酸盐溶
涤2-3次。分离后减压蒸馏除去溶剂和少量的水液亲水性及其凝胶性状的基础上,综合考虑了不同
分即得到所需的交联剂?。
金属离子引力场对水的吸附作用、生物毒性效应以
2.2产物红外分析
及丙烯酸盐浆液和凝胶的力学性能,选用吸水性较
用 BRUKER TENSOR27红外光谱仪对制得的强的丙烯酸镁作为主要的聚合单体,同时考虑到过
产品进行红外分析,得到谱图如图1。
量镁盐会导致中毒,添加了丙烯酸钙作为拮抗剂,得
到一种毒性很低且凝胶性能良好的丙烯酸钙、丙烯
70-3620
酸镁复合单体溶液。本文试验均选用该复合单
体溶液作为灌浆液主剂。
1640
810
0,014浆液及凝胶性能研究
4000350030002500200015001000500
波数/cmr
本文通过试验确定了CW520丙烯酸盐化学灌
图1交联剂的红外光谱图
浆材料的基本配方,并对浆液及凝胶性能进行测试。
Fig 1 Infrared spectrum of the cross-linker
各性能测试分别依据以下标准进行,浆液密度按
图1中2960cm-'处为脂肪族CH吸收峰;GB/T4472-1984中密度计法测定;浆液粘度按GB/T
1730cm'处为酯羰基C=0的伸缩振动峰;164010247-2008中旋转粘度计法测定;pH值按SL352-
cm'处为C=C的伸缩振动峰;1410cm-1,12902006中水质分析pH值测定方法测定;渗透系数按
cm'处为C-H的面内弯曲变形振动峰;GB/T50123-199渗透试验方法进行;遇水膨胀率
1180cm,1070cm'处为酯类化合物C-0-C的伸按GB/T18173.3-2002附录A的规定测定;固砂体
缩振动峰;810cm-1,982cm'处为CH的面外弯曲抗压强度取o40mmx100mm试件1d的抗压强度
变形振动峰。由以上分析可知,该合成产物分子结值,抗挤出破坏比降以凝胶在0.3mm×50mm的
构中含基和端烯基。
玻璃毛细管中固化1d后被挤出的最小水压力代入
谱图中360m'处的醇OH基特征吸收峰变公式:(P-09)x10计算。
得很弱,可知反应物中的醇-OH基绝大部分参与酯
化反应。
4.1灌浆液的配方组成
通过大量的试验确定出各组成的最佳配比
获得较好的凝胶性能,制得CW520丙烯酸盐化学灌
3灌浆材