聚氨酯高聚物隧道注漿材料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究*

馬 雪 王復(fù)明, 郭成超 張繼春

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610000； 2.中山大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510275；3.廣東省海洋土木工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510275； 4.廣東省地下空間開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究中心 廣州 510275)

相對(duì)于傳統(tǒng)的注漿材料，非水反應(yīng)雙組份聚氨酯高聚物具有質(zhì)量輕、早強(qiáng)、工期短、膨脹力大、防滲性能好、非開(kāi)挖、無(wú)毒無(wú)害、不會(huì)發(fā)生霉變或腐爛等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于各類工程建設(shè)和工程修復(fù)。王復(fù)明院士團(tuán)隊(duì)結(jié)合我國(guó)道路、土石壩、給排水管道等基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及病害特征，以非水反應(yīng)雙組份高聚物材料為基礎(chǔ)，研發(fā)出整套注漿系統(tǒng)及無(wú)損修復(fù)技術(shù)[1-2]。高聚物已在土石壩防滲、隧道堵水、道面修復(fù)、管道修復(fù)等[3-5]工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，但鮮有聚氨酯高聚物材料應(yīng)用在淺海隧道的研究。前人研究主要關(guān)注聚氨酯高聚物拉壓彎及其動(dòng)力性能，但較少關(guān)注高聚物抗剪強(qiáng)度。Beju等[6]用三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試發(fā)泡聚苯乙烯高聚物，發(fā)現(xiàn)隨試件密度的增加，黏聚力對(duì)抗剪強(qiáng)度起主要貢獻(xiàn)，內(nèi)摩擦角增加值很小。顏行等[7]對(duì)不同膨脹比的高聚物進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度研究，得出膨脹比越低，內(nèi)摩擦角和黏聚力越高。已有的高聚物材料力學(xué)參數(shù)研究成果可滿足大部分工程應(yīng)用的需求，但在鹽堿淺海環(huán)境中聚氨酯高聚物抗剪強(qiáng)度是否穩(wěn)定，鮮有對(duì)其運(yùn)用于淺海隧道時(shí)的參數(shù)研究，還需要完善部分聚氨酯高聚物參數(shù)。

非水反應(yīng)雙組份高聚物注漿材料應(yīng)用于巖土體環(huán)境，其力學(xué)性質(zhì)應(yīng)按照巖土力學(xué)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，才具有一定的可比性，且在淺海隧道環(huán)境中非水反應(yīng)雙組份聚氨酯高聚物材料屬于三軸受力狀態(tài)，高聚物內(nèi)部泡孔結(jié)構(gòu)間、高聚物與圍巖、結(jié)構(gòu)的接觸面上存在剪切作用，也存在海水水壓和海水溶解質(zhì)對(duì)高聚物的時(shí)間效應(yīng)作用。因此，本文主要采用巖土力學(xué)的測(cè)試方法，模擬淺海隧道環(huán)境，測(cè)試聚氨酯高聚物抗剪強(qiáng)度值的變化。為非水反應(yīng)雙組份高聚物在淺海隧道等工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供參數(shù)依據(jù)。

1 模擬條件和試件制備

為了模擬聚氨酯高聚物注漿材料應(yīng)用于淺海隧道工程時(shí)，其抗剪強(qiáng)度變化情況，本文模擬了海水環(huán)境及2種海水深度條件下的水壓環(huán)境。為了縮短試驗(yàn)周期，提高了海水溶液質(zhì)量濃度，進(jìn)行室內(nèi)加速試驗(yàn)。

1.1 試件的制備

非水反應(yīng)雙組份聚氨酯高聚物試件采用對(duì)開(kāi)模具制備，見(jiàn)圖1、圖2，模具內(nèi)徑50 mm、高150 mm。在注漿過(guò)程中，多元醇和異氰酸酯快速反應(yīng)并膨脹，膨脹體形狀多樣，考慮到本試驗(yàn)既能滿足三軸剪切試驗(yàn)要求，又能滿足膨脹體的多樣性，所以采用圓柱形和圓筒形試件，圓柱和圓筒形試件各42個(gè)。圓柱試件直徑尺寸均為(50±2.0) mm，試件的兩端切削平整，高為(100±2.0) mm；圓筒試件通過(guò)車床切削內(nèi)部直徑25 mm圓柱，形成環(huán)形壁厚為12.5 mm的圓筒試件。2種密度非常接近，密度略低的試件密度為220～223 kg/m3，密度略高的試件密度為227～228 kg/m3。高、低密度試件各42個(gè)。圓柱和圓筒試件模型見(jiàn)圖3。

圖1 模具對(duì)開(kāi)

圖3 圓柱和圓筒試件樣(單位：mm)

1.2 海水環(huán)境模擬

為了模擬高聚物注漿材料在海相環(huán)境下力學(xué)性能衰變規(guī)律，本試驗(yàn)根據(jù)美國(guó)ASTMD 1141-98(2013)《海洋水代替物標(biāo)準(zhǔn)》[8]，進(jìn)行了海水溶液配置，采用了人工海水中質(zhì)量濃度較高的3種溶質(zhì)NaCl、MgCl2、Na2SO4進(jìn)行海水溶液配置。本試驗(yàn)采用5倍主要離子濃度的海水溶液進(jìn)行室內(nèi)模擬加速試驗(yàn)。人工模擬5倍海水溶液組成見(jiàn)表1，溶液密度為1 140 kg/m3。

表1 5倍離子濃度的海水溶液化學(xué)成分 g/L

1.3 水壓條件模擬

不同的海水深度對(duì)注漿材料的力學(xué)性能影響不同。因此，本試驗(yàn)?zāi)M了2種水壓環(huán)境對(duì)材料抗剪強(qiáng)度的影響。文中，1 m和7 m的水壓分別稱為常水壓和高水壓。

水壓1 m的條件下，水頭高度為1 m。由于試件密度過(guò)小，密度在220～228 kg/m3之間，因此在試驗(yàn)過(guò)程中，需將試件綁上混凝土塊墜入桶中，并加入配置好的5倍質(zhì)量濃度海水溶液，水頭高度為1 m。

為了模擬7 m水壓的海水環(huán)境，將試件壓入桶中，使5倍海水溶質(zhì)濃度的溶液沒(méi)過(guò)試件。在抽真空過(guò)程中，桶內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，壓強(qiáng)為-0.08 MPa，即水壓0.08 MPa。根據(jù)液體壓強(qiáng)計(jì)算公式，計(jì)算得到深度為7 m，即用最大理論密度儀可模擬7 m水頭高度。為確保試件能持續(xù)獲得7 m水頭高度，每天進(jìn)行抽真空操作，每次持續(xù)15 min。

2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)高聚物注漿材料分別在不同的恒定周圍壓力下，施加軸向壓力，進(jìn)行剪切直至破壞，通過(guò)三軸試驗(yàn)測(cè)定高聚物注漿材料的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，計(jì)算不同水壓環(huán)境下不同浸水齡期試件的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即黏聚力c，內(nèi)摩擦角φ。

2.1 儀器設(shè)備

試驗(yàn)采用常規(guī)三軸試驗(yàn)儀進(jìn)行試件的抗剪強(qiáng)度測(cè)試。三軸試驗(yàn)儀主要由壓力室、軸向加壓系統(tǒng)、圍壓施加系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)等組成。

2.2 試驗(yàn)步驟

根據(jù)JTG E40-2007 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[9]對(duì)非水反應(yīng)雙組分聚氨酯高聚物進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)圍壓設(shè)置為3級(jí)，分別為100，200，300 kPa，以軸向應(yīng)變率1 mm/min施加荷載，當(dāng)軸向壓力出現(xiàn)峰值后，停止試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

參考JTG E20-2011 《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[10]中瀝青混合料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)(三軸壓縮法)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ可由規(guī)程中公式計(jì)算。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 圓柱試件試驗(yàn)結(jié)果

在100,200,300 kPa 3種圍壓情況下，可分別得出剪切破壞時(shí)的最大主應(yīng)力σ，再繪制出一組極限應(yīng)力圓，并做出不同圍壓情況下的極限狀態(tài)的莫爾應(yīng)力圓的公切線，即為高聚物的莫爾-庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。由于篇幅所限，并未列出每個(gè)包絡(luò)線圖像得到的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

圖4、圖5為常水壓和高水壓試件強(qiáng)度參數(shù)變化。

圖4 常水壓圓柱形試件抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化圖

圖5 高水壓圓柱形試件抗剪強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果變化圖

由圖4、圖5可知，在常水壓環(huán)境條件下，密度為227～228 kg/m3的高密度圓柱試件，未浸泡時(shí)的內(nèi)摩擦角為23.9°，黏聚力為203.6 kPa；浸泡30 d后，內(nèi)摩擦角增大到25.5°，黏聚力減小為101.4 kPa。密度為220～223 kg/m3的低密度圓柱試件，未浸泡時(shí)的內(nèi)摩擦角為23.6°，黏聚力為183.4 kPa；浸泡30 d后，其內(nèi)摩擦角增大到25.3°，黏聚力減小為101.3 kPa。

高水壓條件下，浸泡10 d高密度圓柱試件的內(nèi)摩擦角為24°，黏聚力為146.2 kPa；浸泡30 d后，內(nèi)摩擦角增大到24.6°，黏聚力減小為96.2 kPa。浸泡10 d的低密度圓柱試件的內(nèi)摩擦角為24°，黏聚力為142.3 kPa；浸泡30 d后，其內(nèi)摩擦角增大到24.3°，黏聚力減小為80.4 kPa。圖4、圖5中部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)拐點(diǎn)，可能是由于誤差所致，但內(nèi)摩擦角增加、黏聚力下降的趨勢(shì)不變。

3.2 圓筒試件試驗(yàn)結(jié)果

同圓柱試件試驗(yàn)方法相同，圓筒試件黏聚力c，內(nèi)摩擦角φ試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。由圖6可見(jiàn)，在常水壓環(huán)境條件下，未浸泡的高密度圓筒試件的內(nèi)摩擦角為29°，黏聚力為114.1 kPa；浸泡30 d后，內(nèi)摩擦角增大到29.4°，黏聚力減小為82.6 kPa。未浸泡的低密度圓柱試件的內(nèi)摩擦角為28.5°，黏聚力為110 kPa；浸泡30 d后，其內(nèi)摩擦角增大到29.2°，黏聚力減小為65.2 kPa。

圖6 常水壓圓筒形試件抗剪強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果變化圖

圖7 高水壓圓筒形試件抗剪強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果變化圖

由圖7可見(jiàn)，高水壓條件下，密度為227～228 kg/m3的高密度圓筒試件，浸泡的10 d的內(nèi)摩擦角為29.4°，黏聚力為108 kPa；浸泡30 d后，內(nèi)摩擦角增大到29.4°，黏聚力減小為84.3 kPa；密度為220～223 kg/m3的低密度圓筒試件，浸泡10 d的內(nèi)摩擦角為29.1°，黏聚力為92.1 kPa；浸泡30 d后，其內(nèi)摩擦角增大到29.2°，黏聚力減小為59.1 kPa。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 海水浸泡時(shí)間對(duì)非水反應(yīng)雙組份聚氨酯高聚物黏聚力的影響較大。在試驗(yàn)的2種水壓下，隨浸泡時(shí)間增加，2種密度試件的黏聚力都出現(xiàn)衰減，內(nèi)摩擦角都略微增加。浸泡30 d，黏聚力平均減少約43.4%，內(nèi)摩擦角增加約1%。

2) 在水壓不同的情況下，同密度的圓柱和圓筒試件，黏聚力和內(nèi)摩擦角相差不大，但高水壓條件下，黏聚力的變化值約大于常水壓條件下黏聚力的變化值5%～10%，說(shuō)明高水壓比常水壓對(duì)聚氨酯高聚物的黏聚力影響稍大。

3) 聚氨酯高聚物在淺海隧道中的應(yīng)用，除了考慮抗剪強(qiáng)度，還需考慮抗壓、抗疲勞、蠕變等其他力學(xué)特性,況且作為一種多孔型材料，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量，對(duì)工程注漿更有指導(dǎo)意義。根據(jù)前人研究，非水反應(yīng)聚氨酯高聚物耐化學(xué)腐蝕穩(wěn)定性良好，而且在淺海應(yīng)用時(shí)，其阻尼比和動(dòng)態(tài)彈性模量穩(wěn)定，其值并未隨著浸泡時(shí)間的增加出現(xiàn)衰減[11]，具有長(zhǎng)期服役于淺海工程的可行性。該高聚物可以根據(jù)不同的環(huán)境和強(qiáng)度需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，靈活應(yīng)用于淺海隧道工程。

4) 由于試件大小、試驗(yàn)過(guò)程等與真實(shí)環(huán)境有一定差異，非水反應(yīng)雙組份聚氨酯高聚長(zhǎng)期服役與淺海隧道工程的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有待進(jìn)一步研究。按其結(jié)果可知，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨海水浸泡時(shí)間增加而變化，容易質(zhì)疑其在海水中的應(yīng)用，但綜合考慮前人研究成果及其應(yīng)用，其具有優(yōu)良的防滲堵漏特性，及抗拉壓、抗腐蝕特點(diǎn)，故認(rèn)為此材料適合在淺海隧道工程中應(yīng)用。