一种盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料、制备及应用方法与流程

本发明属于盾构隧道管片接缝材料技术领域，更具体地，涉及一种盾构隧道管片接缝嵌缝树脂组合材料、制备及应用方法。

背景技术：

自从上世纪90年代我国上海、广州等地开始有规模地应用现代盾构机以来，目前盾构隧道工法已经在我国城市轨道交通、市政、公路、铁路、水利、电力等各个地下空间开发利用领域中得到了广泛应用，尤其是城市轨道交通区间隧道中，盾构法已经成为了主要的施工方法。近年来我国交通事业的蓬勃发展和隧道修建技术的快速进步，为盾构工法的发展和应用提供了广阔的空间。1971年建成的上海打浦路黄浦江隧道是我国首例水下盾构隧道，2011年开通运营的广深港客运专线狮子洋隧道是我国首例水下高速铁路盾构隧道，目前直径13.1m的佛莞城际铁路狮子洋隧道正在修建中。由于盾构法隧道的诸多优势，可以预见，盾构法隧道将成为今后我国隧道修建的主要工法，盾构隧道会越开越多。

根据我国在盾构隧道的应用经验，目前对于盾构隧道防水体系的认识是：以管片自防水为基础，接缝防水为重点，并对特殊部位进行防水处理(如螺栓孔)，形成完整的防水体系，相应的防水、嵌缝材料也已经从之前主要靠国外引进和仿制，发展到能部分自主研发并满足使用的需要，也为大直径和超大直径的水下与城市盾构隧道的防水提供了有力的保障。但是在地铁盾构隧道的防水应用中，目前也仍然存在一些问题有待解决：管片的拼装错台形成的张开量过大导致防水失效、弹性密封垫的耐老化能力有待检验和提高、嵌缝材料的整体脱落问题对行车安全造成影响、螺栓手孔处的封堵效果有限等。另外，由于水下隧道往往埋深和水压比地铁隧道大(目前国内水下盾构隧道最高的设计衬砌水压约为0.9mpa)，因此对防水材料的性能指标要求更高；高铁盾构隧道由于对运营和维修的要求较高，往往需要采取比地铁盾构隧道更为严格的防水要求；高铁盾构隧道结构及接缝还需要承受运营阶段列车振动荷载、隧道内的空气动力学效应带来的瞬变压力作用，接缝防水材料的工作环境(疲劳老化条件)更为恶劣。因此，需要重视和解决以上所存在的问题，能够更好地解决高铁盾构隧道的防水问题。

由于盾构隧道施作完毕后接缝处的弹性密封垫不可更换，接缝处的嵌缝材料就成了一个非常重要的后备防水、疏排防线；而手孔封堵则对防止螺栓的锈蚀、保证衬砌结构受力体系具有非常重要的作用，因此本发明的提出具有重要的实际意义。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料、制备及应用方法，制备一种对水泥构件或者金属材料具有良好粘结强度、耐水压、耐化学腐蚀、具有较高延伸率的胶粘材料，作为盾构管片接缝嵌缝的密封填充材料。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料，其制备原料包括环氧树脂和胺类固化剂，还包括稀释剂、颜填料、增强材料及助剂；其中，

所述环氧树脂包括芳香族环氧树脂、脂环族环氧树脂、脂肪链环氧树脂或改性环氧树脂中的一种或几种，所述改性环氧树脂由环氧树脂中引入活性或非活性的增韧改性材料进行改性后制得；所述环氧树脂的改性方式包括橡胶弹性体改性、以化学接枝的方法引入长碳链聚醚多元醇或聚酯多元醇，或采用物理改性的方法直接添加长碳链醚、酯类非活性增韧剂；

所述胺类固化剂包括脂环族胺、脂肪族胺、芳香族胺或改性胺类固化剂中的一种或几种，所述改性胺类固化剂由胺类固化剂与环氧化物加成、与不饱和双键的迈克尔加成、与饱和或不饱和一元或多元羧酸酰胺化学反应或者与酚醛化合物的曼尼基加成后制得。

进一步地，所述橡胶弹性体包括端羧基液态丁腈橡胶或端羟基液态丁腈橡胶；所述非活性增韧改性材料包括苯二甲酸酯、聚醚多元醇或聚酯多元醇。

进一步地，所述芳香族环氧树脂包括低分子量双酚a(f)环氧树脂、酚醛环氧树脂等；所述脂环族环氧树脂为分子结构中含饱和(五)六元环状的脂环族缩水甘油醚型环氧树脂、饱和(五)六元环状的脂环族缩水甘油酯型环氧树脂；所述脂肪族环氧树脂包括脂肪族二或多缩水甘油醚(酯)如季戊四醇、三羟甲基丙烷缩水甘油醚、聚醚多元醇二缩水甘油醚等。

进一步地，所述脂环族胺包括异佛尔酮二胺、环己二胺及其改性物；所述脂肪族胺包括二乙烯三胺、三乙烯四胺、多乙烯多胺及其改性物；所述芳香族胺包括间苯二胺、间苯二甲胺及其改性物。

进一步地，所述环氧树脂或改性环氧树脂环氧当量100～500g/mol，25℃下粘度为100～100000mpa.s；所述胺类固化剂或改性胺类固化剂活泼氢当量30-150g/mol，25℃下粘度为50～100000mpa.s。

进一步地，所述稀释剂包括活性稀释剂和非活性稀释剂，所述非活性稀释剂包括溶剂如甲苯、二甲苯、丙酮、丁酮或二甲基甲酰胺，所述活性稀释剂包括单环氧活性稀释剂或双环氧活性稀释剂。

进一步地，所述颜填料包括填料和颜料，其中所述填料加入量为所述环氧树脂质量计的10～200％，颜料加入量为所述环氧树脂质量计的0.5～5％。

进一步地，所述增强材料包括短切玻璃纤维、聚酰胺或聚酯纤维，加入量为所述环氧树脂质量计的10～200％。

进一步地，所述助剂包括流平剂、消泡剂，抗氧剂、紫外线吸收剂或偶联剂；且添加量分别为所述环氧树脂质量计的0.1～2％、0.1～2％、0.1～5％、0～5％、0～5％。

按照本发明的另一个方面，提供一种盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料的制备方法，包括如下步骤：

将所述环氧树脂或改性环氧树脂以及稀释剂、颜填料、增强材料和助剂在室温或者加热状态下充分分散混合，至混合好的物料黏度为2000～80000mpa.s，包装后作为a组分；其中所述改性环氧树脂采用单一或多种环氧树脂中加入环氧树脂重量5-50％的增韧改性材料，在催化剂作用下，在100～150℃，压力-0.1～1mpa反应1～6小时得到；

所述胺类固化剂或改性胺类固化剂作为b组分；其中所述改性胺类固化剂改性方法包括与环氧化物加成、与不饱和双键的迈克尔加成、与饱和或不饱和一元或多元羧酸酰胺化学反应以及与酚醛化合物的曼尼基加成产物；

将所述a组分出现的少量沉淀物充分搅起，按照设定计量加入所述b组分，混合均匀，且应避免混入水。

按照本发明的又一方面，提供一种盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料的应用方法，包括如下步骤：

s1清除盾构管片连接缝之间杂物，并擦干水分，侧面粘贴脱模纸带；

s2根据实际情况采用灌注或刮涂方式进行树脂材料填充，并保证填充饱满；

所述树脂材料的制备原料包括环氧树脂和胺类固化剂，还包括稀释剂、颜填料、增强材料及助剂；其中，所述环氧树脂包括芳香族环氧树脂、脂环族环氧树脂、脂肪链环氧树脂，或改性环氧树脂中的一种或几种，所述改性树脂由环氧树脂中引入活性或非活性的增韧改性材料进行改性后制得；所述胺类固化剂包括脂环族胺、脂肪族胺、芳香族胺或改性胺类固化剂中的一种或几种；

s3施工6～8小时后拆掉保护膜，脱模后被树脂脏污处可用丙酮擦除，固化部分用刀具刮掉，并清扫干净。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明的盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料，包括环氧树脂、胺类固化剂、稀释剂、颜填料、增强材料及其他助剂，通过环氧树脂和胺类固化剂的接枝反应以及材料的复配，能够提高树脂材料的耐久性，尤其选择引入活性或非活性的增韧改性材料制得的改性环氧树脂和改性后的胺类固化剂，结构材料之间的比例调配，能够进一步增加材料的韧性，制备出对水泥构件或者金属材料具有良好粘结强度、耐水压、耐化学腐蚀、具有较高延伸率的胶粘材料，作为盾构管片接缝嵌缝的密封填充材料。改善了传统管片接缝嵌缝橡胶树脂材料存在的脆性大、抗水压能力差、易老化等缺点，可适应运营阶段列车振动荷载、隧道内的空气动力学效应带来的瞬变压力作用环境，提高了成型盾构隧道的防水能力。

本发明的盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料的制备方法，首先优化了环氧树脂和胺类固化剂的改性方法，制备出能够增加韧性的改性材料，其次将环氧树脂或改性环氧树脂、无机或有机填料及其他助剂在室温或加温状态下投入到混合设备作为a组分，再将胺类或改性胺类固化剂作为b组分单独进行包装，通过控制混合的温度、压力、分散转速等达到较好的分散效果，并达到物料合适的粘稠度，实现材料的优良力学性能和耐久性。

本发明的盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料的应用方法，包括施工前的准备、树脂填充以及后处理的步骤，施工过程中清理接缝并严格控制水分，并粘贴脱模纸带，填充树脂保证填充饱满后进行脱模，应用操作方法简便，能够保证接缝嵌缝的粘结性。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料，用于盾构隧道管片接缝嵌缝的密封填充，其制备原料包括环氧树脂和胺类固化剂，还包括稀释剂、颜填料、增强材料及其他助剂。

环氧树脂包括芳香族环氧树脂、脂环族环氧树脂、脂肪族环氧树脂等。其中，芳香族环氧树脂如低分子量双酚a(f)环氧树脂、酚醛环氧树脂等；脂环族环氧树脂即分子结构中含饱和(五)六元环状的脂环族缩水甘油醚型环氧树脂，如氢化双酚a(f)环氧树脂、环己二醇及环己二醇取代物缩水甘油醚、环己二甲醇及环己二甲醇取代物缩水甘油醚，饱和(五)六元环状的脂环族缩水甘油酯型环氧树脂，如六氢苯二甲酸及其取代物缩水甘油脂等；脂肪族环氧树脂包括脂肪族二或多缩水甘油醚(酯)如季戊四醇、三羟甲基丙烷缩水甘油醚、聚醚多元醇二缩水甘油醚等；环氧树脂中优选为饱和六元环的缩水甘油醚，其固化产物具有优良耐紫外线辐照与耐化学性能。

本发明为了改善环氧树脂韧性引入活性或非活性的增韧材料进行改性，增韧改性材料包括橡胶弹性体改性，如端羧基液态丁腈橡胶、端羟基液态丁腈橡胶，还包括以化学接枝的方法引入长碳链聚醚多元醇或聚酯多元醇，或采用物理改性的方法直接添加长碳链醚、酯类非活性增韧剂如苯二甲酸酯、聚醚多元醇或聚酯多元醇。

本发明的填充树脂可以是单一品种的环氧树脂或改性环氧树脂，也可以是几种不同环氧树脂的复配物，以多种环氧树脂配合性能更加全面，环氧树脂与改性环氧树脂室温为液态环氧树脂，环氧当量100～500g/mol，优选为200～300g/mol，25℃下粘度100～100000mpa.s，以25℃粘度1000～10000mpa.s作为优选。

胺类固化剂包括脂环族胺如异佛尔酮二胺(ipda)、环己二胺及其改性物；脂肪族胺如二乙烯三胺、三乙烯四胺、多乙烯多胺及其改性物，芳香族胺如间苯二胺、间苯二甲胺及其改性物。胺类固化剂的改性方式包括与环氧化物加成、与不饱和双键的迈克尔加成、与饱和或不饱和一元或多元羧酸酰胺化学反应以及与酚醛化合物的曼尼基加成产物。胺类固化剂优选为以脂环族或脂肪族胺及其改性物，其固化物具有较好的耐候性。改性胺类固化剂活泼氢当量30-150g/mol，以50～100g/mol更好，25℃下粘度50～100000mpa.s，优选为300～5000mpa.s。

稀释剂包括活性稀释剂和非活性稀释剂；其中非活性稀释剂包括溶剂如甲苯、二甲苯、丙酮、丁酮、二甲基甲酰胺等一种或多种；活性稀释剂包括单环氧活性稀释剂和双环氧活性稀释剂，且单环氧活性稀释剂包括丁基缩水甘油醚、辛基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、苄基缩水甘油醚、c12-14醇缩水甘油醚等等；双环氧活性稀释剂包括乙二醇二缩水甘油醚、二乙二醇二缩水甘油醚、1.4丁二醇二缩水甘油醚、1.6己二醇二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚等。

颜填料包括颜料和填料两种，其中常用的填料为硅微粉、滑石粉、碳酸钙、高岭土、氧化铝、氢氧化铝、白炭黑等一种或多种，颜料包括炭黑、铁黑、钛白粉等一种或多种。填料加入量为环氧树脂的重量计10～200％，进一步优选为50～100％，颜料加入量为环氧树脂重量计的0.5～5％，进一步优选为1～3％。

增强材料包括短切玻璃纤维或聚酰胺、聚酯纤维，其作用除降低成本外还起到降低收缩与增强作用。加入量为环氧树脂重量计的10～200％，优选为30～80％。

助剂包括流平剂、消泡剂，抗氧剂、紫外线吸收剂、偶联剂等。流平剂选用通用的丙烯酸酯或有机硅流平剂，加入量为环氧树脂重量计的0.1～2％，优选为0.2～0.5％；消泡剂选用硅烷类消泡剂，加入量为环氧树脂重量计的0.1～2％，优选为0.2～0.5％；抗氧剂选用酚类或磷酸酯类抗氧剂，加入量为环氧树脂重量计的0.1～5％，优选为1～2％；紫外线吸收剂选用二苯甲酮类衍生物如uv531等，加入量为环氧树脂重量计的0～5％，优选为0.5～1.5％；偶联剂选用端胺基或端环氧基硅烷或钛酸酯偶联剂，加入量为环氧树脂重量计的0～5％，优选为1～2％。

本发明的盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料，其制备方法为：

(1)将环氧树脂或改性环氧树脂、无机或有机填料及其他助剂在室温或加温状态下投入到混合设备，经充分搅拌分散混合，混合好的物料为粘度2000～80000mpa.s的粘稠液体，用铁桶或塑料桶进行包装作为a组分；

(2)胺类或改性胺类固化剂作为b组分可单独进行包装，也可加入上述颜填料分散均匀后再过滤包装；

(3)树脂的计量搅拌与混合：将a组分开盖后用手持电动搅拌机将可能出现的少量沉淀物充分搅起，然后按设定的计量比加入b组分，混合搅拌2～3分钟使之混合均匀。

步骤(1)中，改性环氧树脂的制备方法可采用单一或多种环氧树脂中加入环氧树脂重量5-50％上述改性物，在催化剂作用下，在100～150℃，压力-0.1～1mpa反应1～6小时，制备得到上述改性环氧树脂。所用的催化剂包括叔胺类催化剂或咪唑类或季胺盐类催化剂，常用的有苄基二甲胺、三乙醇胺、2-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑或季胺盐如四甲基氯化铵、三苯基膦、卤代三苯基膦、苄基三乙基氯化铵等。催化剂用量为环氧树脂重量计的0.1～3％。

另外，步骤(1)中，混合温度50～150℃，优选为50～100℃，压力0～0.1mpa，分散转速30～3000转/分，混合时间在0.5～10小时，可采用的混合设备有搪瓷或不锈钢反应混合釜，三辊研磨机、高速分散剂机等，优选为高速分散机，也可在反应搅拌釜或高速分散机先进行搅拌混合，然后在三辊研磨机进行分散则效果更好。

步骤(3)中，如气温高放热较快时，应倒出部分分装另一容器，并在容器外表用水冷却。在搅拌施工作业中，应避免混入水(将影响固化物性能)，在所用容器、机具内均要排除水分后方可作业。

本发明的盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料，其应用方法为：

s1施工前的准备：清除盾构管片连接缝之间的垃圾、砂、泥浆、油污等杂物，如果有少量水则用干布擦干水分。有条件的话在要填充的连接缝旁边设置防树脂泄漏的材料；在侧面粘贴脱模纸带，使树脂固化后不至于粘结在水泥上；

s2树脂的计量搅拌与混合：将a组分和b组分在现场进行混合，混合方式与盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料制备方法中的步骤(3)一致；

s3树脂填充：填充时根据实际情况采用灌注(水平面或者以下)或者刮涂(水平面以上包括侧面和顶面等)进行施工，采用多次施工的方法保证填充饱满；

s4后处理：施工6～8小时后可拆掉保护膜；脱模后被树脂脏污处可用丙酮擦除，固化部分用刀具刮掉，并清扫干净。

为更好对本发明的盾构隧道管片接缝嵌缝树脂材料、制备及应用方法进行阐述，提供以下具体实施例：

实施例1：

在采用高速分散机搅拌的拉缸中投入双酚a环氧树脂e-51(双酚a型环氧树脂，环氧当量190，粘度11800mpa.s25℃)150g，脂环族缩水甘油醚型环氧树脂jew-0110质量150g，柔韧性环氧树脂jef-0211质量50g，1.4丁二醇二缩水甘油醚30g，活性硅微粉400目200g，600目活性硅微粉50g，短玻纤50g，消泡剂a-530质量0.5g，偶联剂kh-5603g，流平剂1g，紫外光吸收剂uv-5310.5g，在转速1500～1800转/分，25-40℃搅拌分散3小时，转入三口烧瓶真空脱泡搅拌1小时出料包装作为a组分。

在1升三口烧瓶中加入异氟二酮二胺(ipda)150g，三乙烯四胺(teta)150g，搅拌升温至60-80℃，滴加jew-0110125g，c12-14醇缩水甘油醚(age)45g，2～3小时滴完，滴完维持反应3～5小时，加入抗氧剂101010g，-0.1mpa脱泡出料作为b组分。

取上述a组分200g，b组分50g在室温混合搅拌3～5分钟，浇注标准模具做测试样条，a\b组分混合25℃下粘度为2000-5000mpa.s，可使用期25℃为2小时，凝胶时间为8小时，初固化时间为24小时。在25℃室温固化7天后主要性能测试指标如表1。

表1测试结果对比

实施例2

在1升三口烧瓶中加入甲苯300g，分子量1200～1500的聚氧化丙烯与氧化乙烯共聚物100g，sbf55g，搅拌升温30～50℃，在2～3小时内加入脂环族环氧树脂jew-0122100g，反应3小时，加水50～100g，水洗出除sbf5，再加jew-0122200g搅拌升温在130～150℃-0.1mpa脱除甲苯，降温过滤出料，测试环氧值0.35粘度15600mpa.s25℃。

在高速分散机搅拌桶投入上述改性环氧树脂200g，加入1，4丁二醇缩水甘油醚30g，400目活性硅微粉200g，硅酸盐水泥40g，短切玻璃纤维20g，流平剂1g，570消泡剂1g，偶联剂kh5603g，在转速1500～1800转/分，25～40℃搅拌分散2小时，转入三口烧瓶真空脱泡搅拌0.5小时出料包装作为a组分。

在1升三口烧瓶中加入氢化mda225g，三乙烯四胺146g，搅拌升温至50～70℃，滴加e-51环氧树脂52g，异辛基缩水甘油醚320g，维持反应5小时，加入苯甲醇50g稀释，-0.1mpa脱泡出料作为b组分。

取上述a组分200g、b组分42g在室温混合搅拌3～5分钟，浇注标准模具做测试样条，a\b组分混合粘度为4000～6000mpa.s25℃，可使用期25℃为1小时，凝胶时间为6小时，初固化时间为18小时。在25℃室温固化7天后主要性能测试指标如表2。

表2测试结果对比

实施例3：

在1升三口烧瓶中加入脂环族环氧树脂jew-0121300g，端羧基丁腈橡胶(平均分子量2000)10g，端羧基丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯共聚物(平均分子量1500)20g，130～150℃反应5小时，降温过滤出料，测试环氧值0.38粘度38000mpa.s25℃。

在高速分散机搅拌桶投入上述改性环氧树脂200g，加入1，6已二醇二缩水甘油醚50g，400目活性硅微粉180g，600目碳酸钙90g，流平剂1g，消泡剂5701g，偶联剂kh-5603g在转速800-1000转/分，25～40℃搅拌分散2小时，转入三口烧瓶真空脱泡搅拌0.5小时出料包装作为a组分。

在1升三口烧瓶中加入氢化mda150g，异氟二酮二胺90g，搅拌升温至60～70℃，滴加柔韧性环氧树脂jef-0210质量350g，维持反应5小时，加入苯甲醇120g稀释，-0.1mpa脱泡出料作为b组分。

取上述a组分200g，b组分50g在室温混合搅拌3～5分钟，浇注标准模具做测试样条，a\b组分混合粘度为2000～5000mpa.s25℃，可使用期25℃为3小时，凝胶时间为12小时，初固化时间为48小时。在25℃室温固化7天后主要性能测试指标如表3。

表3测试结果对比

实施例4：

在高速分散机搅拌桶投入环氧树脂e-51(长春化工生产双酚a型环氧树脂，环氧当量190，粘度11800mpa.s25℃)300g，加入丁基缩水甘油醚(bge环氧当量163，粘度3mpa.s25℃)50g，600目活性硅微粉300g，800目重质碳酸钙60g，流平剂1g，570消泡剂1g，kh-560偶联剂3g在转速1000-1200转/分，25-40℃搅拌分散3小时，出料包装作为a组分，环氧值0.26，粘度11500mpa.s。

上述a组分100份，加入b组分593固化剂(活泼氢当量60g/mol，粘度280mpa.s)15份，在室温混合搅拌3～5分钟，浇注标准模具做测试样条，a\b组分混合粘度为1000～3000mpa.s25℃，可使用期25℃为0.5小时，凝胶时间为4小时，初固化时间为12小时。在25℃室温固化7天后主要性能测试指标如表4。

表4测试结果对比

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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。

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