聚氨酯－水泥复合灌浆材料的制备及试验研究

时间：2022-02-14 理论教育版权反馈

【摘要】：灌浆材料是灌浆工程的基础。聚氨酯灌浆材料是20世纪80年代初期发展起来，并被广泛应用的一种高效能的化学灌浆材料。聚氨酯灌浆材料具有固化时间快，凝固体强度较高，并产生二氧化碳，可实现二次渗透。因此，本研究综合了两种材料各自的优势，通过化学改性制备聚氨酯－水泥复合灌浆材料，旨在克服聚氨酯成本高、施工工艺复杂的缺点，又可克服水泥作为灌浆材料在力学性能和施工操作性上的不足。

陈礼仪，刘建成，叶长文，王胜

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都理工大学，四川成都，610059)

基金项目: 国家自然科学基金面上项目(41272331)。

作者简介: 陈礼仪(1957—)，男，四川成都人，教授，博士生导师，主要从事探矿工程材料和工艺研究与开发工作。

【摘要】以普通硅酸盐水泥、聚氨酯和适当的外加剂，制备了具有流动性好，可灌性强，凝结时间可调，强度高，可膨胀的复合灌浆材料。试验表明，浆液初终凝时间可根据现场条件由催化剂灵活调整。材料制备方法简单，复合浆材的理化性能与原料配比关系密切相关。复合材料可实现单液灌注，且浆材中水泥掺量大，最高可达80%，可降低其经济成本，具有很好的推广应用价值。

【关键词】聚氨酯; 水泥; 灌浆; 材料

1 前言

作为现代岩土工程施工中的重要分支，灌浆越来越受到人们的重视，并被广泛应用于土木工程、煤矿、石油开采等工程领域。灌浆材料是灌浆工程的基础。灌浆材料中，应用最多的是水泥浆材，因为它具有来源广，价格便宜，凝固体强度高等优点。但是，水泥浆液凝固时间长，强度发展缓慢，颗粒较大，不适于细微裂缝灌浆，且抗分散性差，不能被应用于动水灌浆［1－3］。

从20世纪70年代开始，国内外研究人员开始寻求新的灌浆材料，对化学灌浆材料进行了大量的研究工作。聚氨酯灌浆材料是20世纪80年代初期发展起来，并被广泛应用的一种高效能的化学灌浆材料。由于其遇水后能立即和水发生反应，产生二氧化碳气体，造成体积膨胀并最终形成一种不溶于水的凝胶体，因而广泛应用于各类工程灌浆中。聚氨酯灌浆材料具有固化时间快，凝固体强度较高，并产生二氧化碳，可实现二次渗透。但在工程应用中也有其缺点，主要为价格昂贵，工程造价是水泥灌浆的几十倍，一般需要双液灌注，不利于灌浆操作。因此，本研究综合了两种材料各自的优势，通过化学改性制备聚氨酯－水泥复合灌浆材料，旨在克服聚氨酯成本高、施工工艺复杂的缺点，又可克服水泥作为灌浆材料在力学性能和施工操作性上的不足。

2 实验部分

2．1 实验原料

水泥，42.5普通硅酸盐水泥，西南水泥有限公司; 异氰酸酯，工业级，烟台万华聚氨酯股份有限公司; 聚醚多元醇为二官能团聚醚多元醇，工业级，嘉兴市盈和化工有限公司; 泡沫稳定剂，化学纯，扬州晨化新材料股份有限公司; 聚氨酯催化剂A－33，上海雨田化工有限公司; 稀释剂，溶剂油，工业级，成都市福思瑞化工有限公司; 水，试验用水符合GB/T 6682—2008要求的三级水。

2．2 试验设备

天平，BL－X型电子天平，最小读数0.01g，上海洪纪仪器设备有限公司; 粘度计， ZNN－D6B型电动六速粘度计，上海华岩仪器设备有限公司; 搅拌机，NJ－160型水泥净浆搅拌机，上海魅宇仪器设备有限公司; 压力机，JES－300型压力试验机，上虞市道墟镇求精机械厂; 密度计，YMS0.01－7.0型数显液体密度计，北京路业通达实验仪器设备有限公司;维卡仪，ISO标准法维卡仪，上海雷韵试验仪器制造有限公司; 养护箱，JB－T17671－40A型水泥砼标准养护箱，河北鼎盛路达实验仪器设备厂。

2.2.1 试验条件

性能测试温度: 实验室自然温度，实验时温度为20℃。

试件养护条件: 将成型的试件在标准养护箱中养护，温度为(20±1)℃，相对湿度为95%。

2.2.2 浆液配制

试验中先将水泥、稀释剂和水按5 1 1的比例在搅拌机中搅拌均匀，获得A组分，再将异氰酸酯、聚醚多元醇、稳定剂按20 30 1的比例搅拌均匀，获得B组分。最后将A组分和B组分按4 1的比例混合均匀，可获得聚氨酯－水泥灌浆初料，并根据现场灌浆条件(灌浆压力，灌浆孔深度，灌浆速度等)在灌浆前加入适量催化剂，混合均匀，即得聚氨酯－水泥灌浆材料。

2.2.3 试验方案

浆液凝结初终凝时间由维卡仪测定。将搅拌均匀的复合灌浆材料浇筑入40mm×40mm ×160mm的试模中，然后试件连模一起放入养护箱，在湿气中养护24h，然后脱模在水中养护至强度试验。到试验龄期从水中取出，先进行抗折强度试验，再进行抗压强度试验。

3 结果与讨论

3．1 灌浆材料的物理性质

混合均匀后得到的灌浆材料物理性能见表1。浆液呈灰黑色，无刺激性气味，浆液粘度小，流动性好，可灌性强，浆液灌入裂缝后，与被灌物粘结性好，且浆液凝固过程中能够发泡，体积增长率可达95%，依托该膨胀力，浆液可进一步进入更深层的裂缝中。浆液初期流动性好，粘度低至276m Pa·s，利于泵送至裂隙。且浆液无毒无挥发性成分，可用于煤矿井巷或地下隧洞中的灌浆加固堵水施工中。

表1 灌浆材料的基本性能

3．2 浆液固结时间

浆液凝固时间随催化剂的加入量而变化，其关系见表2。

表2 聚氨酯－水泥浆液凝固时间随催化剂加入量的变化情况

由表2可见，浆液凝结时间可根据催化剂的加入量来灵活调整，可实现浆液初凝时间控制在0.5～7min，浆液终凝时间控制在1.5～10min之间。随着催化剂加入量的增加，浆液凝固时间显著降低，其1d强度随催化剂增加呈现出降低的趋势，但降低不明显。在现场施工中，可根据现场的各种条件(灌浆孔距、灌浆压力、钻孔深度等)灵活调整催化剂的用量来调整浆液的凝固时间。在实验中还发现，浆液凝固存在一个诱导期，在诱导期内，浆液粘度变化缓慢，诱导期结束后，浆液粘度迅速增大，并伴随着发热现象，体积逐渐膨胀。在体积膨胀过程中，浆液在裂隙内产生一定的膨胀压力，促使浆液进一步向裂隙深处延伸，起到良好的加固堵水效果。

3．3 浆液固化后的强度

浆液固化后的强度见表3。试块抗压强度试验和试验后材料照片分别见图1，图2。

表3 浆液固化后强度

普通42.5水泥浆基本性能见表4［4］。

表4 纯水泥浆的基本性能

图1 试件抗压试验

图2 试件断面形状

由表3可知，聚氨酯－水泥浆液固化后的强度较高，且其强度在0.5d内，即可完全固结，达到其终期强度，随时间变化，其强度值不变。对比表3和表4可知，水泥的强度是随时间逐渐增大的。制备的新型灌浆材料可以在0.5d内，实现纯水泥浆以水灰比为1 1固结体28d的抗压强度。

4 结语

通过试验制备了一种新型聚氨酯－水泥灌浆材料，该材料制备方法简单，可实现单液灌注，现场操作方便，并具有如下特点:

(1)制备的新型灌浆材料凝结时间可调，并通过催化剂的调整，研究了浆液的凝固特性;(2)考察了灌浆材料的力学性能，比较了普通常用水泥浆液力学性能，测试了新材料的后期强度发展情况。认为材料早期强度高，后期强度发展缓慢;

(3)制备的灌浆材料具有膨胀性，可达95%，利于实现浆液在固结过程中向深部裂隙中延伸;