СОСТАВ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ
SOIL REINFORCEMENT COMPOSITION

Изобретение относится к составам, используемым в качестве связующих для укрепления грунтов, и может быть использовано в строительстве и горном деле.
Известны различные связующие, используемые для укрепления грунтов, на базе карбамидоформальдегидных смол (SU 790718, C08G 12/12, 1994; RU 2270840, C08G 12/12, 2006), акриловых олигомеров и полимеров (JP 62-22882, C08F 290/00, 1987; RU 2348792, E21B 33/38, C09K 8/508, 2009), полиуретановых композиций (JP 2001-152155, C08G 18/10, 2001).
Наиболее близким к предложенному является известный двухкомпонентный состав для укрепления грунтов нагнетанием, включающий изоцианатный и гидроксильный компоненты, который в качестве изоцианатного компонента содержит форполимер метилендифенилдиизоцианата, содержащий 18-24% NCO-групп, преимущественно полученный взаимодействием метилендифенилдиизоцианата с линейными двухатомными спиртами (гликолями), а в качестве гидроксильного компонента - многоатомные спирты, преимущественно содержащие не менее 3 гидроксильных групп в молекуле, причем один из компонентов содержит пеногаситель, состоящий из неионных ПАВ и неомыляемых веществ (RU 2346958, C08G 18/10, C08G 18/28, C08G 18/48, C09J 175/06, 2009). В качестве достоинств состава указаны: низкая температура реакции (менее 130°C), короткое время полимеризации, ограниченное вспенивание (не более чем 5-кратное увеличение объема).
Недостатками известного состава являются высокая вязкость используемого изоцианатного компонента, даже в присутствии разжижителей (около 800 мПа·с), а также склонность гидроксильного компонента к расслаиванию, обусловленная тем, что он включает как высокомолекулярные (М≈3000), так и низкомолекулярные (М=280-450) полиэфирполиолы, обладающие ограниченной взаимной растворимостью. При использовании состава эти обстоятельства затрудняют его равномерное распределение в грунте, что снижает эффективность использования.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности укрепления грунтов с использованием для этой цели полимерных композиций.
Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является получение состава с низкой вязкостью и отсутствием склонности к расслаиванию при сохранении низкой температуры реакции и ограниченного вспенивания.
Для достижения указанного результата предложен двухкомпонентный состав для укрепления грунтов нагнетанием, включающий изоцианатный и гидроксильный компоненты в равных объемах, отличающийся тем, что в качестве изоцианатного компонента он содержит полифениленполиметиленполиизоцианат с содержанием 30-31% NCO-групп, а в качестве гидроксильного компонента - однородную смесь алкоксилированного алкантриола с молекулярной массой 370-500, этиленгликоля, катализатора уретанообразования, выбранного из группы, включающей диметилэтаноламин и метилдиэтаноламин, ацетата калия и разбавителя, выбранного из группы, включающей хлорпарафин ХП-470 и его смесь с дибутилфталатом, при следующем соотношении ингредиентов в составе гидроксильного компонента (мас.ч.):
алкоксилированный алкантриол молекулярной массы 370-500
100
Этиленгликоль
1,6-3,6
катализатор уретанообразования
1,9-4,7
ацетат калия
0,8-1,8
Разбавитель
40-110
Неожиданно было обнаружено, что состав для укрепления грунтов, отвечающий всем необходимым требованиям к составам такого назначения и обладающий полезными свойствами, создающими его преимущества перед известными составами, может быть получен на базе легко доступного сырья.
Изоцианатный компонент предложенного состава, выпускаемый в больших промышленных масштабах полифениленполиметиленполиизоцианат с содержанием 30-31% NCO-групп, известный также под общеупотребительным названием «полимерный МДИ», обладает гораздо более низкой вязкостью (150-250 мПа·с), чем изоцианатный компонент известного состава.
Гидроксильный компонент состава состоит из пяти ингредиентов. Первым из этих ингредиентов является алкоксилированный алкантриол молекулярной массы 370-500, которым может быть, например, этоксилированный или пропоксилированный глицерин. Вторым ингредиентом является этиленгликоль. Катализатор уретанообразования, который всегда вводят в состав гидроксильных компонентов, применяемых для получения полиуретановых пен, выбран из числа обычно применяемых для этой цели катализаторов - диметилэтаноламин (ДМЭА) или метилдиэтаноламин (МДЭА). Одновременно в качестве дополнительного катализатора, обеспечивающего специфические свойства компонента, в его состав введен ацетат калия. Наконец, состав содержит инертный по отношению к реакционной системе разбавитель, в качестве которого использован промышленный хлорпарафин ХП-470 с добавлением дибутилфталата или без него.
Сочетание указанных ингредиентов позволяет создать гидроксильный компонент, который совершенно не склонен к расслаиванию, легко распределяется в укрепляемом грунте и достаточно эффективно реагирует с выбранным изоцианатным компонентом, создавая быстро затвердевающий полиуретановый полимер достаточной прочности. При этом температура, развивающаяся при реакции компонентов, остается достаточно низкой - далекой, например, от температуры воспламенения угля (300-325°C), что обеспечивает безопасность применения состава при укреплении грунта в угольных разработках.
Сущность изобретения иллюстрируется приведенными ниже примерами. Примеры 1-10 иллюстрируют получение и свойства гидроксильного компонента, примеры 11-20 - получение и свойства полиуретанового полимера.
Примеры 1-8. В колбу при комнатной температуре помещают алкоксилированный алкантриол молекулярной массы 370-500, этиленгликоль и разбавитель. Ингредиенты перемешивают механической мешалкой до полной гомогенизации. Затем добавляют катализатор уретанообразования и ацетат калия. Раствор перемешивают в течение 30 мин, определяют плотность, вязкость и гидроксильное число, а затем используют в качестве гидроксильного компонента состава для укрепления грунта. Данные о составе и свойствах полученного гидроксильного компонента приведены в таблице 1.
Примеры 9-16. Данные о процессе взаимодействия компонентов предложенного состава и свойствах получаемого полиуретанового полимера определяют в модельных экспериментах. В пластмассовый стакан помещают равные объемы полифениленполиметиленполиизоцианата (содержание NCO-групп 30-31%) и гидроксильного компонента, полученного в одном из примеров 1-8. Компоненты перемешивают быстроходной механической мешалкой и отмечают время схватывания (по образованию твердой корки на поверхности массы). После полного затвердевания полученный блок распиливают и определяют твердость по Шору (шкала D) и кажущуюся плотность, на основании которой рассчитывают фактор вспенивания. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.
Таблица 1
Получение гидроксильного компонента
Пример
Загрузка
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Гидроксильное число, мг KOH/г
Вязкость при 25°C, мПа·с
Алкоксилированный алкантриол
Этиленгликоль, мас.ч.
Катализатор уретанообразования
Ацетат калия, мас.ч.
ХП-470, мас.ч.
ДБФ, мас.ч.
тип
мас.ч.
тип
мас.ч.
1
Лапрол 373
100
3,6
ДМЭА
4,2
1,8
100
0
1,12
260
440
2
Лапрол 373
100
3,2
ДМЭА
3,8
1,6
78,9
0
1,12
285
440
3
Лапрол 373
100
2,9
ДМЭА
3,4
1,4
67,8
31,3
1,10
255
240
4
Лапрол 373
100
2,9
ДМЭА
3,4
1,4
78,4
20.7
1,11
255
310
5
Лапрол 373
100
2,0
ДМЭА
4.7
1,0
78,3
20,9
1,11
250
310
6
Лапрол 373
100
1,6
ДМЭА
1,9
0,8
76,3
31,4
1,10
235
310
7
Лапрол 373
100
3,6
МДЭА
4.2
1,8
78,3
20,9
1,11
245
310
8
Лапрол 503Б
100
2,6
ДМЭА
3,1
1,3
44,2
0
1,11
340
250
Обозначения:
Лапрол 503Б - полиоксипропилентриол М=500
Лапрол 373 - полиоксипропилентриол М=370
ДМЭА - диметилэтаноламин
МДЭА - метилдиэтаноламин
ДБФ - дибутилфталат
Таблица 2
Получение полиуретанового полимера
Пример
Гидроксиль-ный компонент по примеру
NCO:OH, г-экв/г-экв
Время схватывания, с
Температура реакции,°C
Кажущаяся плотность пены, г/см<sup>3</sup>
Фактор вспенивания
Твердость по Шору, шкала D
9
1
1,76
31
126
0,48
2,4
70
10
2
1,60
30
129
0,52
2,2
72
11
3
1,80
32
130
0,61
1,9
76
12
4
1,80
34
130
0,61
1,9
77
13
5
1,82
35
130
0,62
1,9
76
14
6
1,96
50
130
0,67
1,7
78
15
7
2,1
40
130
0,60
2,0
76
16
8
2,1
35
129
0,60
2,0
75