HPMC改性WPU灌漿材料性能試驗(yàn)研究

0 引言

水電是推動(dòng)全球能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要抓手和優(yōu)先領(lǐng)域，抽水蓄能是全球未來靈活調(diào)節(jié)電源和儲(chǔ)能設(shè)施的首選[1-3]。水工高壓隧洞作為引水發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，在超高水頭和不良地質(zhì)體共同作用下，工程施工中易發(fā)生突涌水等重大地質(zhì)災(zāi)害[4-9]。如何采取有效措施快速封堵涌水，成為影響水工隧洞建設(shè)的關(guān)鍵問題。研發(fā)動(dòng)水條件下抗分散能力強(qiáng)、性能較好的灌槳材料以封堵隧洞施工中遭遇的突涌水，能有效提高灌漿堵水效果。

目前，灌漿堵水材料一般包括水泥類灌漿材料和聚氨酯、丙烯酸鹽、水玻璃（硅溶膠）、環(huán)氧樹脂等化學(xué)灌漿材料。聚氨酯中的異氰酸酯基團(tuán)（-NCO）遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，凝膠快、包水量大、發(fā)泡率高，尤其適用于高壓大流量突涌水治理。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在油溶性聚氨酯研發(fā)與改性等方面開展了大量研究。針對(duì)聚氨酯密度對(duì)材料塑性和脆性的影響，高翔、Wei等[10-12]研究了密度處于 0.08～0.50g/cm³ 的聚氨酯抗壓強(qiáng)度與疲勞性能，在此基礎(chǔ)上，利用掃描電鏡分析材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響，結(jié)果表明高密度材料泡孔間空隙小于低密度材料，從微觀角度解釋了聚氨酯彈塑性演變機(jī)理。上述研究為基于聚氨酯幾何參數(shù)建立本構(gòu)方程擬合材料強(qiáng)度奠定了基礎(chǔ)[13-14]。科研工作者采用無機(jī)/有機(jī)雜化的方式對(duì)聚氨酯進(jìn)行改性，在高聚物鏈段中引入無機(jī)Si-O鍵，制備出低成本高強(qiáng)度的改性油溶性聚氨酯[15-17]。改性水溶性聚氨酯研究亦有相關(guān)報(bào)道，如師麗和賈小盼等[18-19]發(fā)現(xiàn)在水溶性聚氨酯預(yù)聚體制備過程中摻人一定含量的納米 SiO₂ 有助于提高水溶性聚氨酯的壓縮強(qiáng)度，卻對(duì)凝膠時(shí)間、包水性和發(fā)泡率等性能產(chǎn)生較大影響。在突涌水灌漿封堵中，水溶性聚氨酯（WPU）具有遇水凝膠速度快和包水性良好等優(yōu)勢(shì)，但漿液凝膠前遇動(dòng)水產(chǎn)生分散的問題十分突出。

為解決聚氨酯材料在水工高壓隧洞灌漿堵水處理中存在的抗分散性能低的問題，引入抗分散劑羥丙基甲基纖維素（HPMC）對(duì)聚氨酯灌漿材料體系進(jìn)行改性，在不影響材料關(guān)鍵性能的前提下，提高聚氨酯黏度，以增強(qiáng)水溶性聚氨酯遇水抗分散能力。為驗(yàn)證改性聚氨酯灌漿堵水效果，設(shè)計(jì)灌漿裝置，開展動(dòng)水灌漿模擬試驗(yàn)。

原材料與試驗(yàn)方法

1.1 主要原料

選用長江科學(xué)院自主研發(fā)生產(chǎn)的CW531水溶性聚氨酯灌漿材料進(jìn)行改性試驗(yàn)。抗分散劑選用常州市恒大化工有限公司生產(chǎn)的羥丙基甲基纖維素。

1.2 試驗(yàn)方法

黏度測(cè)定參照GB/T2794-2022《膠黏劑黏度的測(cè)定》進(jìn)行。凝膠時(shí)間、包水性、發(fā)泡率和遇水膨脹率試驗(yàn)參照J(rèn)C/T2041-2020《聚氨酯灌漿材料》進(jìn)行。

2 樣品制備

按照J(rèn)C/T2041-2020《聚氨酯灌漿材料》中的試驗(yàn)步驟，將HPMC摻入水溶性聚氨酯（WPU）。以WPU質(zhì)量作為參考，向其中摻人不同質(zhì)量百分比（Owt. % ，2wt. % ，4wt. % ，6wt. % ，8wt. % ，10 wt. % ，12 wt. % ，14 wt. % ，16wt. % ）的HPMC并攪拌均勻，如圖1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 初始黏度

HPMC摻量與WPU灌漿材料初始黏度關(guān)系如圖

2所示。由圖2可知，隨著HPMC添加量增加，漿液黏度逐漸上升。當(dāng)HPMC摻量為10wt. % 時(shí)，初始黏度接近 1000mPa?s 。繼續(xù)添加HPMC，初始黏度已不符合JC/T2041-2020《聚氨酯灌漿材料》中的技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2 凝膠時(shí)間

HPMC摻量與WPU灌漿材料凝膠時(shí)間關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)HPMC摻量為 0～10 wt. % 時(shí)，凝膠時(shí)間基本穩(wěn)定在60s左右，其中HPMC摻量為8wt. % 時(shí)，凝膠時(shí)間66s略高于對(duì)照組，并未出現(xiàn)大幅度上升或下降現(xiàn)象。繼續(xù)添加HPMC，凝膠時(shí)間逐漸延長，當(dāng)HPMC摻量為16wt. % 時(shí)，凝膠時(shí)間接近110s，仍符合 JC/T2041-2020 《聚氨酯灌漿材料》中的技術(shù)指標(biāo)要求。

3.3 包水性

HPMC摻量與WPU灌漿材料包水性（10倍水）關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：當(dāng)HPMC摻量為0＼～10wt. % 時(shí)，完全固化凝膠時(shí)間基本穩(wěn)定在 70s 左右，即漿液初凝 10s 左右發(fā)生終凝。繼續(xù)添加HPMC，凝膠時(shí)間逐漸延長，當(dāng)HPMC摻量為16wt. % 時(shí)，完全固化凝膠時(shí)間接近 140s ，即漿液初凝 30s 左右發(fā)生終凝，仍表現(xiàn)出優(yōu)良的包水性。

3.4 發(fā)泡率

HPMC摻量與WPU灌漿材料發(fā)泡率關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)HPMC摻量為0＼～16wt. % 時(shí)，發(fā)泡率未出現(xiàn)規(guī)律性或階段性變化。當(dāng)HPMC摻量分別為6wt. % 和14wt. % 時(shí)，發(fā)泡率分別達(dá)到最小值 457% 和最大值 703% ，相比于對(duì)照組，發(fā)泡率分別降低 18% 和提高 26% ，并未出現(xiàn)大幅度下降或上升現(xiàn)象。初步認(rèn)為HPMC摻量對(duì)聚氨酯發(fā)泡率影響微小，上述試驗(yàn)結(jié)果屬于隨機(jī)現(xiàn)象。

3.5 遇水膨脹率

HPMC摻量與WPU灌漿材料遇水膨脹率關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)HPMC摻量為0＼～4wt. % 時(shí)，遇水膨脹率在此階段出現(xiàn)性能上升現(xiàn)象。繼續(xù)添加HPMC，試驗(yàn)結(jié)果未出現(xiàn)規(guī)律性變化。綜合分析發(fā)泡率和遇水膨脹率試驗(yàn)結(jié)果，初步推斷如下：當(dāng)HPMC摻量為0＼～4wt. % 時(shí)，HPMC帶來的引氣作用不明顯，材料內(nèi)部泡孔受影響程度較小;隨著HPMC摻量的逐漸增多，其良好的引氣作用致使材料內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的氣泡[20]。同時(shí)，聚氨酯材料本身由泡孔組成，在試驗(yàn)過程中，材料內(nèi)部多種泡孔分布隨機(jī)變化，造成試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律不明顯。

4 動(dòng)水灌漿試驗(yàn)

4.1 灌漿裝置

在上述研究的基礎(chǔ)上，確定HPMC最佳摻量為10wt. % 。為進(jìn)一步驗(yàn)證HPMC改性WPU灌漿材料封堵涌水的效果，采用自主設(shè)計(jì)的動(dòng)水灌漿裝置開展灌漿模擬試驗(yàn)，通過觀察骨料間凝膠體狀態(tài)和測(cè)試灌漿前后裝置出水口流量變化，以初步評(píng)價(jià)改性聚氨酯灌漿堵水效果，試驗(yàn)裝置如圖7所示。

4.2 灌漿效果對(duì)比

裝置出水口初始流量為 5L/min ，灌漿質(zhì)量均限定為 1kg ，灌漿結(jié)束裝置內(nèi)部凝膠體狀態(tài)如圖8所示。

由圖8可知：在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，從漿液注人動(dòng)水水槽至出水口流出液體基本為清水時(shí)，平均耗時(shí)3min左右，在流動(dòng)水作用下，10wt. % HPMC改性WPU凝膠體可以有效賦存于骨料間隙，出水口流量從 5L/min 逐漸減小為 1L/min 。此時(shí)，水槽內(nèi)大部分未改性WPU灌漿材料被動(dòng)水分散稀釋，僅有少量凝膠體留存于底部，出水口流量仍為 5L/min 。上述結(jié)果表明：相比于未改性WPU，纖維素改性WPU灌槳材料抗分散能力增強(qiáng)，并表現(xiàn)出優(yōu)良的灌漿堵水效果。

5結(jié)論

本文研究了HPMC摻量對(duì)CW531水溶性聚氨酯灌漿材料性能的影響，確定了當(dāng)前試驗(yàn)條件下HPMC的最佳摻量。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)動(dòng)水灌漿裝置，采用改性前后的WPU開展動(dòng)水灌漿模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證材料堵水效果，主要結(jié)論如下。

（1）隨著HPMC添加量的增加，聚氨酯初始黏度逐漸上升，當(dāng)HPMC摻量達(dá)到10wt. % 時(shí)，改性聚氨酯初始黏度仍小于 1 000mPa?s ，符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求；摻量超過 10wt.% 時(shí)，槳材初始黏度偏高，不宜開展后續(xù)灌漿試驗(yàn)。

（2）隨著HPMC添加量的增加，聚氨酯凝膠時(shí)間和包水性發(fā)生階段性變化。當(dāng)HPMC摻量低于10 wt. % 時(shí)，凝膠時(shí)間基本穩(wěn)定在 60s 左右，且初凝后10s左右發(fā)生終凝；超過 10wt.% 時(shí)，漿材發(fā)生緩凝現(xiàn)象，具有優(yōu)良的包水性。

（3）隨著HPMC添加量的增加，改性聚氨酯發(fā)泡率和遇水膨脹率未出現(xiàn)規(guī)律性變化，分析可能是HPMC摻量變化導(dǎo)致不同的引氣程度，造成材料內(nèi)部泡孔出現(xiàn)隨機(jī)性變化，使試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律不明顯。

（4）動(dòng)水灌漿模擬試驗(yàn)表明：相比于未改性WPU，10wt. % HPMC改性WPU抗分散性能提高，凝膠體有效賦存于骨料間隙，自灌漿開始 3min 左右，裝置出水口流量由 5L/min 降低為 1L/min ，材料表現(xiàn)出良好的灌漿堵水效果。將HPMC摻入水溶性聚氨酯，不僅未對(duì)聚氨酯關(guān)鍵性能產(chǎn)生明顯影響，還提高了聚氨酯抗分散能力，有望在灌槳堵水工程取得較好的應(yīng)用效果。

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（編輯：李慧）

Experimental study on WPU grouting materials properties modified by HPMC

WANGLeiyu1，SHAO Xiaomei12，CHENLiang1，WEI Tao3 （1.WuhanChangjiangKechuangienceandTechnologyDevelopmentLimitedCompanyWuhan43o，China；2.StateKeybtoryofMaterialsProcessngandDieamp;Mould Technology，Huazhong UniversityofScienceand Technolgy，Wuhan43074，Cha；3. MaterialandStructureDepartment，Changjiang River ScientificResearch Institute，Wuhan 43oo1o，China）

Abstract： In order to solve the problem that water-soluble polyurethane （WPU） was easily dispersed under the flowing water during the water plugging process，and to improve water-dispersion resistanceofthe material under flowing water， polyurethane was modified by hydroxy propylmethyl cellulose （HPMC），and the effects of HPMC content on the propertiesof WPU wasinvestigated.To verify the water plugging efect of WPU modifiedbyHPMC，the grouting device was designed andcomparative studyon water plugging efect of WPU before and after modification wascarriedout.The results showed tatthe viscosityof WPUincreased withtheincreaseof HPMCcontent.When thecontentof HPMC wasbetween 0wt. % and 10 wt. % ，the initial gel time of the materials was about 6O seconds，and the final coagulation occured about 10 seconds later. However，when the content of HPMC exceeded 10 wt. % ，slow coagulation phenomenon occurred. The effct of HPMC content on foaming rateand water expansion rate of WPU was minimal.Based onthe above experiment results，the optimal dosage of HPMC was determined to be 1O wt. % .The results demonstrated that the modified polyurethaneexisted in the aggegate gap effctivelyand thewater flow of the outlet of the device graduallyreduced from 5 L/min to 1 L/min three minutes later.The water plugging efect was better than that of pure WPU.

Key words： grouting for water blocking； HPMC；water -soluble polyurethane;grouting with dynamic water； waterdispersion resistance