新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料工程性能分析

朱才文

(中國水利水電第十工程局有限公司，成都 610037)

1 概 述

水利工程建設(shè)中常會遇到隧道圍巖或邊坡穩(wěn)定性較差的問題，嚴重危害了水利工程的質(zhì)量和長期安全性[1-3]。利用無機復(fù)合注漿材料進行巖土體的加固，是保證工程安全性的重要手段[4-5]。因此，研究并開發(fā)出高效經(jīng)濟的注漿材料對水利工程加固具有重要意義。

目前，我國針對水利工程注漿材料的研發(fā)工作得到廣泛關(guān)注。部分學(xué)者深入研究了利用化學(xué)試劑改良注漿材料，研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整化學(xué)試劑的摻量、配比等參數(shù)可以有效加強注漿材料的工程性能[6-7]。也有部分學(xué)者指出，可以通過加入不同成分的礦物摻合料或礦物廢渣，如粉煤灰、石膏粉、煤矸石粉等，可以增強注漿材料的力學(xué)性能和凝固性能[8-10]。然而，上述研究成果仍存在性能不佳或經(jīng)濟性不高等問題。

本文利用聚氨酯材料室內(nèi)制備一種新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料，并對其展開了漿液流動性、漿液凝結(jié)時間和力學(xué)強度試驗，深入探討新型注漿材料的綜合性能。

2 試驗設(shè)計

2.1 試樣制備

室內(nèi)制備新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料所需要的材料有：P.O 42.5、聚氨酯材料和自來水，水泥材料的主要參數(shù)見表1。

將3種材料進行磨細處理后，按照不同的配比進行制樣。其中，對照組基礎(chǔ)配比為水泥∶水∶聚氨酯材料=1 000∶450∶0。根據(jù)上述基礎(chǔ)配比為質(zhì)量比，按照相應(yīng)配比增加聚氨酯材料的質(zhì)量摻量。

表1 P.O 42.5和SAC礦物成分 /%

2.2 試驗方案

為研究聚氨酯濃度和養(yǎng)護齡期對新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料注漿性能的影響，本次試驗共設(shè)計4組不同聚氨酯濃度和3組不同養(yǎng)護齡期條件下的試驗研究。其中，聚氨酯濃度分別為0%、2%、4%、6%，養(yǎng)護齡期則分別為3 d、7 d和28 d。試驗對不同條件下的材料開展了漿液流動性、漿液凝結(jié)時間、抗壓強度和抗折強度試驗，其中漿液流動性試驗和凝結(jié)時間試驗是針對不同聚氨酯濃度的新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料的漿液體展開，強度試驗則是針對不同聚氨酯濃度和養(yǎng)護齡期的成型試樣展開。力學(xué)試驗利用YAW-2000型萬能試驗機展開，試驗過程中加載速度為0.1 mm/min，直至試樣完全破壞。見圖1。

圖1 YAW-2000型萬能試驗機

3 試驗結(jié)果分析

3.1 漿液流動性能

圖2展示了不同聚氨酯摻量條件下，新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料漿液的擴散半徑隨聚氨酯摻量的變化曲線。由圖2可知，隨著聚氨酯濃度的增大，新型注漿材料的擴散半徑也隨著減小，這表明聚氨酯試劑降低了新型注漿材料的流動性。當(dāng)注漿材料中聚氨酯試劑的摻量為0%時，注漿材料的擴散半徑最大，可以達到34.05 cm；而隨著聚氨酯濃度的增大，不同聚氨酯摻量條件下注漿材料漿液的擴散半徑分別降低至31.22、28.16 及23.25 cm，分別較對照組降低8.31%、17.30%和31.72%。分析認為，當(dāng)在注漿材料中加入聚氨酯化學(xué)試劑后，其可以與水反應(yīng)生成凝膠物質(zhì)，導(dǎo)致材料的黏性越大，因此注漿材料的流動性也就變差。

進一步分析注漿材料漿液的擴散半徑和聚氨酯摻量之間的關(guān)系并進行函數(shù)擬合，擬合結(jié)果見圖2。由圖2可知，漿液的擴散半徑和聚氨酯摻量呈負線性函數(shù)關(guān)系，擴散半徑隨聚氨酯摻量的增大而線性減小。函數(shù)擬合效果良好，線性相關(guān)系數(shù)R2達到0.981 1。

圖2 漿液擴散半徑隨聚氨酯摻量的變化曲線

3.2 漿液凝結(jié)時間

圖3展示了不同聚氨酯摻量條件下，新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料漿液的初凝時間和終凝時間隨聚氨酯摻量的變化曲線。由圖3可知，隨著聚氨酯濃度的增大，新型注漿材料的初凝時間和終凝時間隨之變短，這表明聚氨酯試劑加快了新型注漿材料的凝結(jié)速度。當(dāng)注漿材料中聚氨酯試劑的摻量為0%時，注漿材料的凝結(jié)速度最慢，此時初凝時間和終凝時間分別為405和562 min；而隨著聚氨酯濃度的增大，不同聚氨酯摻量條件下注漿材料漿液的初凝時間分別縮短至305、230和210 min，而終凝時間則分別縮短至395、275和240 min。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著聚氨酯材料濃度的增大，注漿材料的初凝時間和終凝時間之間的差距逐漸變短。分析認為，當(dāng)在注漿材料中加入聚氨酯化學(xué)試劑后，溶液中的活性分子大量增多，分子運動速度加快，因此材料的凝結(jié)速度變快、固化時間變短。

進一步分析注漿材料漿液的擴散半徑和聚氨酯摻量之間的關(guān)系并進行函數(shù)擬合，擬合結(jié)果見圖3。由圖3可知，漿液的凝結(jié)時間和聚氨酯摻量均呈負指數(shù)函數(shù)關(guān)系，凝結(jié)時間隨聚氨酯摻量的增大而線性減小，但降低速度越來越慢。函數(shù)擬合效果良好，初凝時間和終凝時間函數(shù)的線性相關(guān)系數(shù)R2分別可以達到0.958 2和0.967 0。此外，當(dāng)聚氨酯摻量達到4%時，其初凝時間和終凝時間與6%摻量組較為接近，因此選取4%組較為合理。

圖3 漿液凝結(jié)時間隨聚氨酯摻量的變化曲線

3.3 試件力學(xué)性質(zhì)

基于室內(nèi)單軸壓縮和抗折強度試驗，得到不同養(yǎng)護齡期、不同聚氨酯濃度條件下，養(yǎng)護成型的新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料的抗壓強度和抗折強度試驗結(jié)果見表2、表3。由表2、表3可知，對于不同聚氨酯濃度的注漿材料試樣，其抗壓強度和抗折強度均隨著養(yǎng)護齡期增長而不斷增大。以聚氨酯濃度為2%組的試驗組為例，不同養(yǎng)護齡期下，其抗壓強度分別為16.15 、17.96 和19.15 MPa，其抗折強度分別為3.79 、4.12 和4.45 MPa。

進一步分析聚氨酯濃度對材料力學(xué)性質(zhì)的影響，根據(jù)表2、表3可知，聚氨酯濃度對材料力學(xué)性質(zhì)的影響要更為復(fù)雜。以養(yǎng)護3 d條件下的試樣為例，隨著聚氨酯濃度的增大，材料的抗壓強度分別為20.02、16.15、18.35和15.96 MPa，抗折強度分別為5.15、3.79、4.75和4.15 MPa。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料的抗壓強度和抗折強度隨聚氨酯濃度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且當(dāng)其摻量為4%時，其強度與對照組較為接近且遠高于其余兩個試驗組。分析認為，制備新型注漿材料時，聚氨酯材料的聚合效應(yīng)和水泥的水化反應(yīng)是同步進行的。當(dāng)聚氨酯材料濃度較低時，凝膠體產(chǎn)生量小且其力學(xué)性質(zhì)比水化反應(yīng)產(chǎn)物差，因此強度降低。而當(dāng)聚氨酯材料濃度較為合適時，聚氨酯材料的聚合效應(yīng)和水泥的水化反應(yīng)較為均衡，產(chǎn)物強度增大；而當(dāng)聚氨酯材料含量過大時，膠凝產(chǎn)物的含量大，材料的強度降低。

表2 不同新型注漿材料試樣的抗壓強度試驗結(jié)果

表3 不同新型注漿材料試樣的抗折強度試驗結(jié)果

綜上所述，當(dāng)聚氨酯材料摻量為4%時，新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料的綜合性能最佳，此時其擴散半徑為28.16 cm，初凝時間為230 min，終凝時間為275 min，養(yǎng)護28 d試樣的抗壓強度和抗折強度則分別為24.78 和5.98 MPa。

4 結(jié) 論

1) 聚氨酯材料的濃度越高，則新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料的流動性越低、凝結(jié)速度越快；聚氨酯試劑對注漿材料力學(xué)性質(zhì)的影響則較為復(fù)雜，抗壓強度和抗折強度呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的變化趨勢，但其強度整體均低于不摻聚氨酯試劑的對照組。

2) 當(dāng)聚氨酯材料摻量為4%時，新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料的綜合性能最佳，此時其擴散半徑為28.16 cm，初凝時間為230 min，終凝時間為275 min，養(yǎng)護28 d試樣的抗壓強度和抗折強度則分別為24.78和5.98 MPa。

3) 本次研究僅考慮聚氨酯濃度對新型聚氨酯無機復(fù)合注漿材料性質(zhì)的影響，而未考慮其它因素如溫度等環(huán)境條件的復(fù)合影響，下一步應(yīng)當(dāng)增加相關(guān)試驗研究內(nèi)容。