聚氨酯高聚物材料的膨脹力試驗研究

潘艷輝

摘 要：通過室內試驗，首先研制加工出測量聚氨酯高聚物材料膨脹力的試驗裝置，成功測得了該材料的膨脹力時間曲線和最大膨脹力密度關系曲線，并提出了膨脹力時間關系EF-T模型，為今后拓展該材料在工程中的應用提供了科學依據。

關鍵詞：聚氨酯；膨脹力；膨脹力時間曲線；膨脹力密度關系曲線；模型

1 前言

聚氨酯高聚物材料作為化學灌漿材料之一，不僅推動注漿技術的發展，也解決了很多用現有理論和傳統技術無法解決的工程問題。我國化學注漿技術的發展主要是伴隨著新中國成立后對三峽水利樞紐和長江流域規劃時，解決深厚覆蓋層防滲補強和壩體混凝土裂隙加固補強灌漿等課題發展起來的，先后在丹江口、葛洲壩等水利工程中取得了成功的應用，同時研究出了多種注漿材料和注漿工藝。目前，注漿技術在土木工程中的應用范圍正逐步擴大，其工程性能也被越來越多的工程人員所接受。本文所選用的是一種雙組分聚氨酯注漿材料，在國外取得了75000多例成功的應用，目前在國內取得了近十個工程的成功應用，盡管如此，注漿工程設計仍處于半理論、半經驗狀態，展開對該材料基本性能的研究，對促進注漿技術的發展有著十分重要的意義。膨脹力是所選高聚物的一個顯著特點，該力的作用機理、力與時間、力與密度之間的關系，受技術專利方面的限制，在國外的文獻中也沒有詳細的記錄，而是以抬升效果對其進行間接控制。國內先前也未展開這方面的研究工作，上述參數的獲得，對該技術應用時，準確選擇施工工藝、確定注漿施工方案有著十分重要的作用。基于此，本文對高聚物材料的膨脹力時間關系及膨脹力密度進行了試驗研究。

2 試驗裝置及試驗過程

2.1 聚氨酯高聚物材料的特點

本試驗所選用的高聚物材料具有良好的工作性能：（1）反應時間快，注漿后15分鐘之內能達到其抗壓強度的90%，對基礎設施運營的影響較小；（2）物理力學性能優良：抗壓強度高，該系列的最新一代的深層注漿材料的抗壓強度能達到10MPa；抗拉強度及彎曲強度也均隨密度的增加而顯著增大；（3）自身的穩定性比較好，對周圍的土體和地下水體均無污染；（4）滲透系數很小，為10-8m/s，和粘土的滲透系數相當。（5）對原址處的土體的擾動很小，主要是由于材料的容重比較小，工程上長用的密度在150㎏/m?～300㎏/m?，不會引起周圍土體應力的較為明顯的重新分布。（6）材料的最大膨脹力為一般樹脂的200倍，該力在加固下部基礎的同時，也能抬升上部結構。

2.2 膨脹力試驗裝置的設計

結合本材料的工程應用和現場觀察，需要解決的試驗裝置設計加工的最為關鍵的六個環節是高聚物材料的密封、隔熱、脫模、排氣、測試方法及試樣大小等。

在分析了直接測量和間接測量的利弊之后，選擇了用大量程的土壓力盒直接測量膨脹力的大小。圍繞土壓力盒這個主要測試元件，在解決了材料的前五個環節的基礎上，考慮試驗結束后試樣的二次利用，參考美國水工混凝土抗壓規范確定試樣尺寸為直徑150mm，高300mm[3]。然后通過換算公式，可以得出類似于混凝土材料的抗壓強度，通過兩次試驗調整，成功的加工出了測量膨脹力的試驗裝置。試驗裝置由土壓力盒、法蘭盤、硅膠板、螺絲、塑料薄膜、檢測儀表、千斤頂等組成。雖然該試驗裝置比較笨重，試驗過程勞動量相對較大，但是測量的效果還是比較明顯的。

2.3 試驗過程

材料的混合反應迅速，體積不斷膨脹，在這個過程中，采用注漿槍數的不同來控制混合體的密度，借助多功能檢測儀器和秒表測量出膨脹力和時間之間的關系，試樣脫模后可對試樣稱重獲得最大膨脹力密度關系曲線。

每次試驗前首先測量土壓力盒的初始頻率和壓強，安裝試驗設備，注漿讀數，降溫后測量殘余壓力，脫模，再次測量土壓力盒的頻率，進行下一次試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

結合工程中常用組分比，試驗記錄了組分1：1情況下注漿開始后的5秒、10秒、15秒、20秒、25秒、30秒、35秒、40秒、45秒、50秒、55秒、60秒、3分、5分及10分鐘，對試驗過程中數據出現穩定及下降的時刻也做好記錄，先后共記錄了22個試樣的膨脹力時間關系。試樣脫模后對經白色試驗裝置成型的試樣稱重，計算得到每個試樣的密度，獲得了最大膨脹力密度之間的關系。

3.2 結果分析

通過對22個試樣膨脹力時間關系曲線的分析，發現35～45秒是膨脹力由快速增長到緩慢增長的一個轉折點。

通過對10分鐘內膨脹力時間關系曲線的分析，可將其分為三個階段：第一階段膨脹力隨時間快速增長階段，第二階段力隨時間緩慢增長階段，第三階段力隨時間下降階段。

材料混合反應的過程會逐步放出熱量，放出的熱量導致反應的進一步加快，導致膨脹力的快速增加，達到一定的溫度平衡后，膨脹力的增加就緩慢下來，并隨著筒內氣體的緩慢排除，膨脹力會不斷下降。

具體工程應用中，材料接觸到的面積較大，散熱也比較容易，因此膨脹力下降階段在具體的工程應用中對施工工藝的影響不是太大，可以不予考慮。第二階段膨脹力增長也比較緩慢，在實際工程中，材料反應過程排擠空氣也十分容易，甚至可以排擠出地基中的地下水；材料在膨脹過程中，溫度增長相對溫和，為了計算和應用上的方便，將這一階段簡化成一個水平穩定階段。由此，可以建立起膨脹力時間曲線的模型，定名為EF-T模型。

材料混合反應的過程不是一個十分均勻的過程，從脫模后試樣的顏色看來，試樣下端密度較大，上端密度較小，尤其對于中等密度試樣更為明顯，較大尺寸的試樣較好的減小了材料因為密度不均勻導致膨脹力出現的離散現象。

4 結論與展望

通過對高聚物膨脹力特性的試驗研究，得到如下結論：

（1） 成功研制出了膨脹力試驗測量裝置，具有足夠的精度，可供同類材料膨脹力試驗時參考使用；

（2）得到了高聚物材料膨脹力隨時間變化的過程，并且將其簡化成EF-T模型，便于以后研究注漿工藝時的簡化計算；

（3）得到了膨脹力密度關系曲線，工程中常用的材料密度在所得曲線之內；

對高聚物材料膨脹力力學性能的研究才剛剛起步，在今后的試驗過程中，應該展開以下幾個方面的研究：

首先，借鑒巴萊特等人的研究方式，對膨脹力膨脹、擴散機理的研究，以加深對材料的理論研究；

其次，研究膨脹力作應下土體的應力應變研究，可以更加深入的了解注漿效果和注漿工藝提出合理建議；

最后，積累工程數據，借助已經獲得的EF-T模型，和膨脹力密度關系曲線構建初步的巖土工程理論。

參考文獻

[1] 熊厚金，林天鍵，李寧.巖土工程化學[M].北京：科學出版社，2001.

[2] Technical notes and laboratory test results on the latest generation of the Uretek Geoplus expanding resin（R）.Carried out by Uretek Technical Staff in collaboration with Padua University IMAGE Department.

[3] Park R， Paulay T. Reinforced Concrete Structures. New York： John & Wiley， 1975

[4] 鄺鍵政，昝月穩，王杰，杜嘉鴻.巖土注漿理論與工程實例 [M].北京：科學出版社，2001.