稀釋劑對露天礦用聚氨酯加固材料結構及性能的影響

李福平

（國能準能集團科學技術研究院，內蒙古鄂爾多斯 010300）

煤炭資源作為我國重要基礎能源和工業原材料，在國民經濟體系中占據重要戰略地位[1-4]。國家能源發展戰略行動計劃明確指出按照“安全、綠色、集約、高效”的原則，優先發展資源回收率高、生產能力大、安全性能好的露天煤礦[5-6]。然而，隨著我國露天煤礦產能與數量的不斷增加，相應的邊坡穩定性問題日益凸顯，直接影響露天煤礦安全生產與經濟效益。

高臺階邊坡崩塌、滑坡等穩定性問題，是露天礦開采過程中的常見問題，處理不當易造成作業人員與設備損傷[7]。高臺階邊坡加固問題已經成為露天礦開采領域一項技術難題，而以往的治理方式如錨桿、錨索等造價高、時效性差、經濟成本不理想。傳統灌注水泥砂漿的方式盡管能夠取得一定的加固效果，但由于水泥砂漿流動性差，擴散半徑小，固化時間長，注漿實施難度較大，尤其不適合緊急情況的快速加固。若能夠尋求一種有效提高破碎巖體整體強度（完整性），且擴散性能好、加固速度快、加固強度和水泥砂漿相當或超過水泥砂漿的化學加固材料，是有效抑制高臺階巖石垮落、保障未來露天煤礦安全平穩度過陷落帶區域、縮短采煤周期提高開采效率的新途徑[8-11]。

在化學注漿材料中，聚氨酯注漿材料具有粘度適中、固結體抗壓強度高、抗滲性能好等優點，并且聚氨酯注漿材料質量輕、導熱系數低、耐化學腐蝕，因此在環氧樹脂、脲醛樹脂、丙烯酰胺等眾多化學注漿材料中獨占鰲頭[12-13]。目前，聚氨酯注漿材料不但用于地下工程的滲漏縫處理，而且在井下煤礦工程中獲得了廣泛的使用[14-15]。然而聚氨酯注漿材料在露天礦高臺階裂縫加固卻幾乎沒有應用。

雖然聚氨酯材料已經逐漸普及于日常生活并廣泛應用于各個領域之中，但對于稀釋劑的添加及其導致的結構與性能方面的變化的研究還存在較少的經驗和系統的研究。對于聚氨酯加固材料，由于聚氨酯粘結劑粘度較高，一般需要加入稀釋劑，但國內外對于制備雙組份聚氨酯注漿材料稀釋劑加入所導致力學性能及結構變化的研究較少，仍留有一定的空白。本文通過加入不同含量的稀釋劑來研究不同含量稀釋劑對于雙組份聚氨酯注漿材料的結構及力學性能的影響，以期為稀釋劑對聚氨酯邊坡加固材料結構及力學性能影響規律提供一定參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

異氰酸酯，山東煙臺萬華聚氨酯股份有限公司，工業級；聚醚多元醇，河北亞東化工有限公司，工業級；催化劑，國藥集團化學試劑有限公司，化學純；阻燃劑，青島聯美化工有限公司，工業級；稀釋劑，青島聯美化工有限公司。

1.2 實驗方案

先分別稱取一定質量的聚醚多元醇，倒入燒杯，按照稀釋劑所占比例0%、2.5%、5%、7.5%和10%稱取稀釋劑，分別倒入燒杯中，加入相同質量的催化劑和阻燃劑，均勻攪拌至與溶劑完全混合，室溫靜置30min，作為白料。稱取一定質量異氰酸酯，作為黑料。將黑、白兩組分置于模具中，高速攪拌使其均勻混合，最后成型，觀察實驗現象，五天后進行性能測試。

1.3 性能測試

按照煤礦加固巖體用高分子材料行業標準AQ-1089-2011進行力學性能測試。測試包括壓縮強度、粘結強度、拉伸強度和剪切強度測試。測試在WDW-600C型液壓萬能試驗機上進行。

紅外測試：取固化后的樣品研磨成粉，與氯化鉀粉末混合壓片，采用島津IRAffinity-1S傅立葉變換紅外光譜儀進行檢測。

2 結果與討論

2.1 稀釋劑用量對力學性能的影響

稀釋劑用量與材料拉伸性能的數據匯總見表1，將表中壓縮強度、剪切強度和粘結強度數據繪制成曲線，如圖1(a)所示，選取3個粘結件的拉伸曲線繪制如圖1(b)所示。

表1 稀釋劑用量與力學性能匯總表Table 1 Summary of diluent dosage and mechanical properties

圖1 稀釋劑用量對力學性能的影響曲線Fig. 1 Effect curve of diluent dosage on mechanical properties

從圖1（a）可以看出，隨著稀釋劑用量的增多，壓縮強度、剪切強度和粘結強度均呈下降趨勢，其中壓縮強度下降趨勢最明顯。從圖1（b）可以看出，粘結試樣的拉伸曲線可以看到明顯的屈服平臺，說明粘結位置產生了塑性變形，表明注漿材料固化后的固結體材料為典型的塑性材料。

為了獲得稀釋劑的加入是否對聚氨酯結構本身產生影響，進行了紅外測試，結果如圖2所示。從圖2可以看出，5個樣品官能團出現特征峰的的波數基本無重大變化，異氰酸根基團的特征峰波數在2276cm-1處，氨基甲酸酯特征峰在1732cm-1處，-OH官能團在3300cm-1。隨著稀釋劑的增加，氨基甲酸酯峰強度有所下降，這是因為稀釋劑的加入代替了部分聚醚多元醇，造成反應物減少，因此生成的氨基甲酸酯的量相應減少，峰強度略有降低。

圖2 聚氨注漿材料的傅里葉紅外光譜圖Fig. 2 Fourier infrared spectra of polyurethane grouting materials

2.2 稀釋劑用量對聚氨酯漿料裂縫擴散性能的影響

（1）裂縫漿料自由流動模擬實驗，見圖3和圖4。模擬裂縫寬度為2mm和4mm，傾斜角度分別為30°、50°和70°。倒入一定量漿料，讓漿料自由流動。

圖3 自由流動模擬外觀圖Fig.3 Free flow simulation appearance diagram

圖4 自由流動擴散研究照片Fig. 4 Photograph of free flow diffusion study

（2）稀釋劑用量對自由流動的影響

稀釋劑比例分別為0%、2.5%、5%、7.5%和10%（占總體質量比），裂縫為2mm和4mm流動速度數據曲線圖如圖5所示。隨著稀釋劑用量增加，流動距離也顯著增加。考慮到稀釋劑過多會影響材料的力學性能以及老化性能，長期使用效果變差，因此加入量控制在10%及以下。在25℃環境中，加入10%稀釋劑后漿料的自由流動性：2mm裂縫中，坡度為30°、50°和70°時擴散距離分別為105.1、182.3、330.6 cm；4mm裂縫中，坡度為30°、50°和70°時擴散距離分別為188.4、475.8、1415.2 cm。流動性顯著增加，但是同時稀釋劑加入量增加，固化時間也相應延長。

圖5 稀釋劑用量與自由流動距離的關系Fig. 5 Relationship between diluent content and free flow distance

稀釋劑用量對反應時間的影響規律如圖6所示。隨著稀釋劑用量的增加，反應時間呈現先縮短后延長的趨勢。這主要是因為稀釋劑的加入，降低了反應物粘度，使得反應物能夠充分接觸，但是過多的稀釋劑會造成主反應物反應的官能團減少，從而使得反應速率降低。

圖6 稀釋劑用量對反應時間的影響規律Fig. 6 The effect law of diluent dosage on the reaction time

2.3 注漿模擬擴散研究

（1）注漿模擬流程

壓力容器為內徑9.5cm、壁厚1cm、高20cm的鋼制圓筒，其頂端采用螺栓連接,并用橡皮圈密封，只開進料口。

將壓力容器中加滿不同規格的石頭顆粒，尺寸及計算的孔隙見表2。由于石頭顆粒形狀不規則，假設石頭顆粒為球形顆粒，以球形顆粒的縫隙模擬裂縫尺寸，具體算法見圖7。鑒于石頭顆粒松散程度不同，按照石灰石礦松散系數1.65~1.75，巖石松散系數1.65，土的松散系數為1.3。采用的為巖石顆粒，按照松散系數1.65進行計算修正。

圖7 以球形顆粒的縫隙模擬裂縫尺寸Fig.7 Simulation of the crack size with gaps of spherical particles

表2 石頭顆粒尺寸及孔隙數據Table 2 Stone particle size and pore data

注漿模擬過程如圖8所示。

圖8 注漿過程圖Fig .8 Grout procedure diagram

（2）注漿模擬數據分析

①在注漿壓力接近1的狀態下進行注漿模擬實驗，1kg/cm2=0.1MPa，數據見表3。

表3 1kg/cm2注漿模擬數據Table 3 Simulation grouting data of 1kg/cm2

②在注漿壓力接近10的狀態下進行注漿模擬實驗，10kg/cm2=1MPa，數據見表4。

表4 10kg/cm2注漿模擬數據Table 4 Simulated grouting data of 10kg/cm2

③在注漿壓力接近20的狀態下進行注漿模擬實驗，20kg/cm2=2MPa。在壓力過大時，1號、2號、3號試樣的沒有注滿，漿料就已經冒出，因此下部沒有漿料（如圖9所示），數據見表5。

表5 20kg/cm2注漿模擬數據Table 5 Simulation grouting data of 20kg/cm2

圖9 注漿速度過快未充分滲透的圖片Fig.9 Picture of excessive grouting speed and insufficient penetration

綜上，在縫隙為0.066、0.264、1.073、2.392 mm的條件下，壓力為10kg/cm2是壓力為1kg/cm2的滲透速度的9.39、11.5、12.2、15倍。

3 結論

高臺階邊坡加固問題已經成為露天礦開采領域一項技術難題，在眾多加固材料中聚氨酯注漿材料具有粘度適中、固結體抗壓強度高、抗滲性能好等優點，成為高臺階邊坡加固的優選材料。本文通過加入不同含量的稀釋劑來研究不同含量稀釋劑對于雙組份聚氨酯注漿材料的結構及力學性能的影響，結論如下。

（1）聚氨酯加固材料中稀釋劑的含量并非越多越好，過量的稀釋劑會導致雙組份粘結劑的綜合性能下降。黑料不變時，隨著稀釋劑含量的增加，試驗試件的拉伸強度、剪切強度、壓縮強度和粘結強度均呈下降趨勢。

（2）由于稀釋劑的加入代替了部分聚醚多元醇，造成了反應物的減少，因此生成的氨基甲酸酯的量也相應減少。

（3）在25℃環境中，加入10%稀釋劑后漿料的自由流動性：2mm裂縫中，坡度為30°、50°和70°時擴散距離分別為105.1cm、182.3cm和330.6cm；4mm裂縫中，坡度為30°、50°和70°時擴散距離分別為188.4cm、475.8cm和1415.2cm。隨著裂縫的增大，流動性顯著增加。同時隨著稀釋劑加入量的增加，固化時間也相應延長。