無溶劑聚氨酯灌漿材料的制備及性能*

李翠玲，蔣冬陽，蔣學行

(河南省水利科學研究院 河南省水利工程安全技術重點實驗室，河南 鄭州 450003)

混凝土裂縫是混凝土結構物和制品最常見的病害，裂縫不但會影響建筑物的剛性和整體性，還會加劇鋼筋的銹蝕，進而對建筑物的安全運行帶來威脅。產生混凝土裂縫的原因很多，混凝土裂縫難以完全避免，所以混凝土裂縫修補技術就顯得更加重要。用于修補混凝土裂縫的方法很多，目前工程中常用的裂縫維護、加固的方法主要有物理修補法和化學灌漿法，物理修補法主要是進行表面修補，施工簡單，但修補效果不甚理想。化學灌漿法能將漿液灌入縫隙或地層內，使其與混凝土、巖石等充分接觸，能將混凝土結構恢復到使用初期的整體狀況，延長建筑物的使用壽命，是目前混凝土裂縫修補最常用也最為有效的方法之一[1-4]。用于水工建筑物裂縫灌漿防滲加固的材料主要有環氧樹脂和聚氨酯兩大類。環氧樹脂類灌漿材料固化后抗壓強度高，但固化慢、脆性大、塑性變形小，主要用于混凝土裂縫補強加固；聚氨酯灌漿材料由于優良的耐久性、機械強度以及優異的抗滲性能等特點適用于防水堵漏工程[5-14]。目前兩大類材料一般都需加入丙酮、甲苯等揮發性溶劑來降低黏度滿足施工要求，揮發性溶劑一般具有較強的毒性，還會造成環境污染，用量過大易引起固結體收縮，造成抗滲能力下降，也會影響聚氨酯灌漿材料固化后的力學性能[15-20]。

由于目前聚氨酯灌漿材料存在的不足，研制了一種新型無溶劑聚氨酯類灌漿材料，具有較高的抗壓強度及拉伸強度、黏接性能良好、無揮發性溶劑、無毒無污染，克服了傳統材料的缺點，滿足水利工程裂縫防滲堵漏的需要，可以更好地為工程建設服務。

1 實驗部分

1.1 原料

聚醚多元醇：PPG1000，工業品，鄭州市友立化工產品貿易有限公司；1，4-丁二醇：化學純，上海申鶴化學品有限公司；多苯基多異氰酸酯(PAPI)：鄭州市友立化工產品貿易有限公司；有機胺固化劑：蘇州湘園新材料股份有限公司；增塑劑、溶劑油：市售。

1.2 儀器及設備

微機控制電子萬能試驗機：WDW-20型，濟南思達測試技術有限公司。

1.3 無溶劑聚氨酯灌漿材料制備

A組分的制備：依次稱取適量的聚醚多元醇、1,4-丁二醇、胺類固化劑、增塑劑、少量溶劑油，加入反應釜內，升溫至110～120 ℃，在快速攪拌下真空脫水1 h，冷卻至室溫，作為A組分。

B組分的制備：以PAPI作為B組分。

無溶劑聚氨酯灌漿材料的配制：將A組分和B組分按1∶1比例混合均勻即可。

1.4 分析與測試

抗壓縮、拉伸強度按照GB/T 2567—2008進行測試；黏接強度按照JC/T 1041—2007進行測試。

初凝時間的測試：從灌漿材料A、B組分開始混合時按下秒表計時，同時用玻璃棒攪拌漿液使之混合均勻。注意觀察，當漿液失去流動性時再次按下秒表，秒表讀數即為灌漿材料的初凝時間，每個試樣測試3次，取其平均值[21]。

2 結果與討論

2.1 有機胺填加量對固化速率的影響

有機胺類是聚氨酯常用的固化劑，本文以有機胺作為固化劑研究了有機胺的用量對固化速率的影響。

從圖1可以看出，不加有機胺固化劑時，初凝時間長，固結體強度增長慢，達不到快速施工要求，隨著有機胺固化劑加量的增加，初凝時間變短，固化速度加快，有機胺加量從0～9.4%之間，初凝時間從2 700 s縮短至180 s，所以可以通過調節有機胺的用量來調節固化速度的快慢，從而滿足不同施工條件對固化時間的要求，根據試驗結果分析，有機胺加量不小于4.2%時，固化時間不大于12 min，可以根據施工需要，調節有機胺加量，加縮短固化時間。

有機胺加量/%

2.2 A、B組分不同配比對力學性能的影響

因為灌漿條件的限制，當進行實際施工時，有可能不是嚴格地按照實驗室實驗的最佳比例進行灌漿操作(最佳比例為1∶1)，實際操作時會有一定的誤差，所以對A、B組分配比進行小幅度的調整，進行混合實驗，測試168 h抗壓強度，研究配比條件的小幅度變化對灌漿材料力學性能的影響。

從表1可以看出，當聚氨酯灌漿材料最佳配比為10∶10，分別按照10∶8和10∶12進行配比測試灌漿材料性能，168 h抗壓強度都有不同程度的降低，這是因為固化劑用量偏低會使得聚氨酯樹脂固化不充分，交聯度低，導致力學性能下降；過量則不利于分子量的增大，也會導致抗壓強度的降低，但是在10∶8～10∶12范圍內抗壓強度都不小于25.0 MPa，所以當施工中材料A、B組分配比較最佳比例發生小幅度變化時材料抗壓強度會有降低，但是變化不大。

表1 A、B組分不同配比對抗壓強度的影響

2.3 1,4-丁二醇及聚醚多元醇加量對材料力學性能的影響

2.3.1 1,4-丁二醇加量對材料抗壓強度的影響

小分子1,4-丁二醇的加入，可以使聚氨酯硬段密度增大，提高材料的力學性能[22]，改變1,4-丁二醇加量，測試其對聚氨酯灌漿材料抗壓強度的影響。

從圖2可以看出，隨著1,4-丁二醇用量的增加，聚氨酯灌漿材料的30%形變和60%形變抗壓強度都逐漸增加，但是反應固化速度也加快，所以可以通過實驗及實際施工需要確定1,4-丁二醇的合理的用量，本實驗結果表明適宜用量為5.9%～7.9%。

1,4-丁二醇加量/%

2.3.2 1,4-丁二醇和聚醚多元醇不同配比對材料拉伸強度的影響

小分子1,4-丁二醇的加入，提高聚氨酯材料的力學性能；大分子量的聚醚多元醇可以提高材料的柔性，減緩材料的固化速率，所以將二者進行復配，測試無溶劑聚氨酯灌漿材料的拉伸強度。

從表2可以看出，隨著1,4-丁二醇含量的增加，聚醚多元醇含量減少，聚氨酯灌漿材料拉伸強度增加。這主要是因為在聚氨酯合成過程中，如果軟段分子量較低，形成的氨基甲酸酯基增多，因此軟段分子鏈中的—H與氨基甲酸酯基形成更多的氫鍵，鏈段之間互相交聯程度增強，從而提高了材料的拉伸強度。但是1,4-丁二醇加量過大時，固化速率過快，施工難度大，所以1,4-丁二醇含量在5.9%～7.9%，聚醚多元醇含量在25.8%～31.6%時材料綜合性能最佳。

表2 1,4-丁二醇與聚醚多元醇不同配比對拉伸強度的影響

2.4 不同的反應時間及反應溫度對材料抗壓強度的影響

一般情況下，常溫固化的聚氨酯材料的力學性能早期會隨著固化時間延長而增加，一般7 d左右力學性能趨于穩定[23]。溫度升高，反應速率加快，所以力學性能增長也較快，下面研究了不同反應溫度及反應時長對抗壓強度的影響，為不同溫度條件下施工提供參考。

從圖3、圖4可以看出，固化時間在2 h時抗壓強度隨著溫度的升高而逐漸增加，24 h、168 h的抗壓強度也呈現相同的規律。20 ℃時，隨著固化時間的延長，聚氨酯灌漿材料的抗壓強度逐漸增加，40 ℃和60 ℃時亦然，但是固化時間達到168 h時，不同固化溫度時的抗壓強度數值相差不大，力學性能基本穩定。所以反應溫度的高低對聚氨酯灌漿材料前期的力學性能影響比較明顯，溫度越高，反應速度越快，固化時間縮短，抗壓強度增長迅速，168 h之后材料力學性能趨于穩定，溫度變化對后期抗壓強度影響不明顯，不同的固化溫度條件下最終的力學性能強度基本一致。因此在不同的季節施工時，由于環境溫度的變化會導致灌漿材料固化速率的變化，但是不影響產品的最終性能。

固化時間/h

固化時間/h

2.5 無溶劑聚氨酯灌漿材料的黏接強度

黏接強度也是考察聚氨酯灌漿材料質量好壞的一項很重要的力學性能指標，所以根據前期抗壓強度及拉伸強度試驗結果，選擇最佳配比的配方對所合成的無溶劑聚氨酯灌漿材料進行了干濕面黏接強度的對比實驗，結果如表3所示。

表3 干濕面黏接強度對比

從表3可以看出，兩組實驗干面黏接強度要明顯大于潮濕面黏接強度，但是二者均不小于2.0 MPa，確保了裂縫處理防滲堵漏的質量。

3 結 論

(1)當有機胺用量不小于4.2%時，固化時間不大于12 min，可以根據施工需要，調節有機胺加量，從而加快固化速度。

(2)當無溶劑聚氨酯灌漿材料A、B組分配比較最佳比例發生小幅度變化時，對灌漿材料抗壓強度影響不大。

(3)1,4-丁二醇用量在6%～8%之間，聚醚多元醇用量為25.8%～31.6%時，制得的無溶劑聚氨酯灌漿材料60%形變抗壓強度不小于35.2 MPa，拉伸強度不小于31.46 MPa，黏接強度不小于2.0 MPa，固化時間適中，滿足了水工混凝土裂縫灌漿補強的需要。

(4)在不同的季節施工，由于環境溫度的變化會導致灌漿材料固化速度的變化，但是不影響產品的最終性能。