預應力混凝土管道接口用密封膠制備與性能分析

摘要：為確保密封膠能有效防止水滲透，并在復雜工作條件下保持長期接口穩(wěn)定性。以聚醚多元醇和環(huán)氧樹脂為基質，使用多步法合成制備了一種聚氨酯密封膠。并對密封膠力學性能和粘接性能進行了全面評估。結果表明，基于相同填料，隨著碳酸鈣含量的增加，密封膠的防水性能指標呈下降趨勢；在一定范圍內增加填料的用量可以提高膠體的柔韌性和延展性；膠體的粘合強度隨著碳酸鈣含量的增加而相應增加。當納米碳酸鈣填料的摻量為5%時，可達到最佳防水效果；當填料為10%的納米碳酸鈣時，聚氨酯密封膠的斷裂伸長率較高，為3.45 MPa，可以保證最佳力學性能；當在預聚體中添加10%的重質碳酸鈣填料時，能夠保證聚氨酯密封膠的最優(yōu)粘接性能。

關鍵詞：預應力混凝土；管道接口；密封膠；混凝土試塊；性能測試

中圖分類號：TQ436+.6文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0052-04

Preparation and performance analysis of sealant for prestressed concrete pipe interface

ZHOU Qian，CAO Menghui，WU Xin

（Xinjiang Herun Hydraulic New Technology Co.，Ltd.，Urumqi 830009，China）

Abstract：In order to ensure that the sealant effectively prevents water penetration and maintains long-term connec-tion stability under difficult operating conditions.A polyurethane sealant was synthesized using polyether polyol and epoxy resin as matrix by multi-step synthesis.The mechanical properties and adhesive properties of the sealant were comprehensively evaluated.The results showed that with the increase of calcium carbonate content，the water-proof performance index of the sealant decreased with the increase of calcium carbonate content.Increasing the amount of filler within a certain range could improve the flexibility and ductility of the colloid.The adhesive strength of the colloid increased with the increase in calcium carbonate content.When the content of nano calcium carbonate filler was 5%，the best waterproof effect could be achieved.When the filler was 10%nano-calcium car-bonate，the elongation at break of the polyurethane sealant was high，which was 3.45 MPa，which could ensure the best mechanical properties.When a 10%heavy calcium carbonate filler was added to the prepolymer，the optimal adhesive properties of the polyurethane sealant were guaranteed.

Key words：prestressed concrete；pipe interfaces；sealants；concrete test blocks；performance testing

預應力混凝土管道接口作為連接管道各段的關鍵部位，其密封效果直接影響整個管道系統的安全性、耐久性和維護成本[1]。傳統上，預應力混凝土管道的接口密封通常使用橡膠圈和水泥漿等傳統密封材料。這些材料在實際應用中暴露出一系列問題，例如橡膠圈容易老化，水泥漿容易開裂，導致密封效果不穩(wěn)定，難以適應復雜多變的工作環(huán)境[2]。針對上述問題，研究旨在制備一種新型的預應力混凝土管道接口密封膠。以期通過科學的配方設計和先進的制備工藝提高粘合強度、耐水滲透性和力學性能等關鍵性能指標。

1實驗材料及方法

1.1主要材料及儀器

主要原料：聚醚多元醇（MDI-50），工業(yè)級；擴鏈劑（1，4-丁二醇）BDO）），工業(yè)級；催化劑（辛酸亞錫）T-9）），環(huán)保級；填料（碳酸鈣），工業(yè)級；溶劑（丙酮），專用級；增塑劑（鄰苯二甲酸二辛酯，DOP）），工業(yè)級；顏料/色漿（酞菁藍），環(huán)保級；抗氧化劑（抗氧化劑1010），工業(yè)級；紫外線吸收劑（UV-531），工業(yè)級；粘附促進劑（硅烷偶聯劑KH-550），專用級；防霉劑/防腐劑（異噻唑啉酮類，Kathon LX），工業(yè)級；環(huán)氧樹脂（E-51），工業(yè)級。

儀器設備：DFG-50L不銹鋼電加熱攪拌反應釜；2XZ-4B旋片式真空泵；K型熱電偶配套智能溫控儀；JDC-50高速分散機；SFR-LZJ系列精密計量泵；ZT-10L真空脫泡攪拌罐；KJI-GJZ系列聚氨酯澆注機；ASE101電熱恒溫鼓風干燥箱；NDJ-8S旋轉黏度計；DGF-WDW系列電子萬能材料試驗機；LX-A硬度計。

1.2預應力混凝土管道試塊制備

選擇邊長為120 mm的標準立方體模具，并控制其相鄰面的不垂直度在±0.2°以內。在模具的內表面均勻地涂上一層薄薄的礦物油作為脫模劑，厚度控制在0.2 mm左右，以確保脫模順利，不影響試塊的質量[5]；根據設計要求的配合比，將P·O 42.5水泥、細骨料和其他添加劑加入攪拌機中攪拌。在攪拌過程中，使用澆筑機澆筑混凝土；澆筑完成后，立即進行試塊成型。將混凝土分為2層，均勻地裝入模具中，每層厚度約為60 mm。使用長300 mm，直徑112 mm的特制鋼制搗棒對初凝混凝土進行插搗，以避免試塊內部不平整；成型后，用抹刀將試模表面抹平并壓光，確保試塊表面平整無缺陷。隨后，為防止內部水分蒸發(fā)影響水泥水化過程，應立即用黑色塑料布緊緊覆蓋試塊進行養(yǎng)護；標準養(yǎng)護30 d后，取出試塊進行抗壓強度測試，使其滿足設計要求。

2預應力混凝土管道接口用密封膠的制備

2.1預聚體的制備

使用計量泵精確稱取50 g聚醚多元醇，并將其加入2XZ-4B旋片真空泵中進行真空脫水處理。將真空度設置為-0.089 MPa，以有效去除水分和雜質，并將1，4-丁二醇和辛酸亞錫以4∶1的比例均勻混合；將處理后的聚醚多元醇和均勻混合的1，4-丁二醇和辛酸亞錫加入反應釜中，將攪拌速度設置為850 r/min，高速攪拌8 min，以確保反應過程中溫度穩(wěn)定和揮發(fā)性化合物的有效回收[3]；然后將5 mL丙酮緩慢滴入反應釜中，將攪拌速度調節(jié)至45 r/min，使反應均勻進行；滴加完成后，繼續(xù)攪拌，使用溫度控制器加熱至90℃，反應5 h，以確保反應物完全混合并均勻加熱；隨后，向反應物中加入5 g碳酸鈣，以確保預聚物達到所需的聚合度和性能；關閉溫度控制器，繼續(xù)攪拌以冷卻混合物。反應物冷卻至室溫后，關閉攪拌器，將預聚物轉移到干凈的容器中[4]。此時，加入10 mL鄰苯二甲酸二辛酯，調節(jié)混合物的黏度，過濾去除雜質和未反應物質，得到純預聚物。其基本物化指標參數如表1所示。

將制成的預聚體作為密封膠合成的主要反應物，對其加入適當的固化劑生成聚氨酯密封膠。

2.2固化劑制備

選擇E-51環(huán)氧樹脂作為主要固化劑，利用干燥箱在70°C下干燥4 h，去除水分和揮發(fā)性雜質；將抗氧化劑、紫外線吸收劑和增粘劑研磨成細粉，用150目篩篩分；將干燥的環(huán)氧樹脂E-51與預處理添加劑按比例混合，用高速分散機以360 r/min攪拌25 min，確保所有添加劑均勻分散在樹脂中[5]；使用黏度計在25°C下測量混合物的黏度，目標黏度控制在4 000～6 000 mPa·s。將混合物倒入模具中，放入設定溫度為75°C的固化爐中2 h[6]。使用硬度計測量固化樣品的硬度，目標硬度值設置為70～95 HD；將固化后的固化劑密封包裝，防止氧化和污染，將包裝好的固化劑儲存在陰涼、干燥、黑暗的環(huán)境中，溫度控制在20～25°C，濕度低于60%。

2.3密封膠合成

在混合釜中，將預聚物∶固化劑=10∶1的比例混合，將攪拌速度控制在120 r/min左右，攪拌約20 min；將色漿和防腐劑緩慢加入均勻混合的預聚物固化劑體系中，繼續(xù)攪拌15 min，確保色漿和防腐劑均勻分散，從而合成密封膠樣品；將混合好的密封膠倒入真空脫泡中，將真空度設置為-0.3 MPa，消泡約10 min[7]。

在密封膠合成時，分別將含有不同摻量的納米碳酸鈣和重質碳酸鈣制成的預聚體與固化劑進行聚合[8]，根據組分不同，將制備所得的密封膠分別命名為S1、S2、S3和S4，在標準條件下固化后測試其性能。密封膠的樣品配比設計如表2所示。

根據表2中的配比，制備聚氨酯密封膠試樣。

3聚氨酯密封膠性能分析

測試前，首先需要將密封膠與混凝土管道試塊進行粘合。使用切割機按照設計要求切割預應力混凝土管道接口處的施工縫[9]，控制縫寬為7 mm，縫深度為1.5 cm；將不同配比的聚氨酯密封膠利用注膠槍完全填充施工縫至預設深度；注膠完畢后，在室溫條件下固化24 h，并進行短期養(yǎng)護。由此得到混凝土試塊和聚氨酯密封膠的粘合樣品。

3.1密封性能測試與分析

使用不透水儀對試樣進行加壓測試，設定水壓為0.3 MPa，加壓時間為30 min，記錄實驗期間的水壓值和壓縮應力保持率。防水指數越高，表明密封膠的防水性能和密封性越好。其測試結果如圖1所示。

由圖1可知，當碳酸鈣填料的用量固定在5%時，納米碳酸鈣膠體的防水性能指標明顯高于重質碳酸鈣膠體。這是由于納米碳酸鈣的粒徑遠小于重質碳酸鈣，這使得納米顆粒可以更均勻地分散在密封劑基質中，形成更致密的填料網絡[10]，有助于減少水滲透的途徑；同時，納米碳酸鈣具有較大的比表面積，可以提供更多的界面相互作用區(qū)域，增強填料與基體間的結合力，提高密封膠的整體強度和耐水性。

在同一種填料的情況下，隨著碳酸鈣含量的增加，密封膠的防水性能指標呈下降趨勢，即碳酸鈣含量越低，防水效果越好。這是因為隨著填料含量的增加，顆粒之間的距離縮短，更容易發(fā)生結塊[11]。這不僅降低了其在基質中的分散均勻性，還能形成滲透通道，從而削弱防水性能。

綜上所述，在實際應用中，應選用5%的納米碳酸鈣作為填料，以達到最佳防水效果。

3.2斷裂伸長率測試與分析

設置試驗機的拉伸速度為45 mm/min；啟動試驗機，開始拉伸試樣，在拉伸過程中，試驗機會自動記錄力值-位移曲線；當試樣斷裂或達到預定的拉伸位移時，試驗機將自動停止并記錄最終數據[12]。斷裂伸長率的測試結果如圖2所示。

由圖2可知，當選擇相同的填料并逐漸增加其用量時，密封膠的斷裂伸長率也會增加，這表明在一定范圍內增加填料的用量可以提高膠體的柔韌性和延展性。由于隨著碳酸鈣含量的增加，填料顆粒充當物理交聯點，不僅增強了膠體內的相互作用力，還限制了膠體分子鏈的滑動，從而在受到外部張力時能夠更有效地分散和承受應力，提高了斷裂伸長率[13]。

當填料添加量相同時，納米碳酸鈣膠體的斷裂伸長率遠高于重質碳酸鈣膠體。這表明納米級碳酸鈣顆粒在增強膠體柔韌度方面表現出優(yōu)異的性能。從而顯著提高了膠體的力學性能[14]。

因此，當填料為10%的納米碳酸鈣時，聚氨酯密封膠的斷裂伸長率較高，可以保證最佳力學性能。

3.3粘接性能測試與分析

實驗通過拉力試驗機測定密封膠粘合強度來分析膠體的粘接性能，實驗結果如表3所示。

由表3可知，在保持填料類型不變的情況下，膠體的粘合強度也隨著碳酸鈣含量的增加而相應增加。同時，碳酸鈣顆粒表面與膠體基質之間形成更多的物理或化學結合點。隨著劑量的增加，這些結合點的數量也會增加，從而增強填料與膠體基質的相互作用力[15]。在高劑量下，碳酸鈣顆粒可以更好地分散和承受外力，有效防止應力集中，提高膠體的整體抗損傷能力。

4結語

研究制備了一種用于預應力混凝土管道接口密封問題的高性能密封膠，并系統分析了其各項性能指標。這一成果不僅豐富了密封材料的研究體系，也為預應力混凝土管道工程的安全運行提供了堅實的保障。該研究的意義在于促進密封材料技術的進步，具有深遠的社會效益和經濟效益。

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（責任編輯：蘇幔，平海）