HPMC改性WPU灌漿材料性能試驗研究

0 引言

水電是推動全球能源綠色低碳轉型的重要抓手和優先領域，抽水蓄能是全球未來靈活調節電源和儲能設施的首選[1-3]。水工高壓隧洞作為引水發電系統的重要組成部分，在超高水頭和不良地質體共同作用下，工程施工中易發生突涌水等重大地質災害[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的關鍵問題。研發動水條件下抗分散能力強、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）、環氧樹脂等化學灌漿材料。聚氨酯中的異氰酸酯基團（-NCO）遇水發生化學反應，凝膠快、包水量大、發泡率高，尤其適用于高壓大流量突涌水治理。近年來，國內外學者在油溶性聚氨酯研發與改性等方面開展了大量研究。針對聚氨酯密度對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 的聚氨酯抗壓強度與疲勞性能，在此基礎上，利用掃描電鏡分析材料的微觀形貌和結構對其性能的影響，結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理。上述研究為基于聚氨酯幾何參數建立本構方程擬合材料強度奠定了基礎[13-14]。科研工作者采用無機/有機雜化的方式對聚氨酯進行改性，在高聚物鏈段中引入無機Si-O鍵，制備出低成本高強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報道，如師麗和賈小盼等[18-19]發現在水溶性聚氨酯預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度，卻對凝膠時間、包水性和發泡率等性能產生較大影響。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勢，但漿液凝膠前遇動水產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）對聚氨酯灌漿材料體系進行改性，在不影響材料關鍵性能的前提下，提高聚氨酯黏度，以增強水溶性聚氨酯遇水抗分散能力。為驗證改性聚氨酯灌漿堵水效果，設計灌漿裝置，開展動水灌漿模擬試驗。

原材料與試驗方法

1.1 主要原料

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

1.2 試驗方法

黏度測定參照GB/T2794-2022《膠黏劑黏度的測定》進行。凝膠時間、包水性、發泡率和遇水膨脹率試驗參照JC/T2041-2020《聚氨酯灌漿材料》進行。

2 樣品制備

按照JC/T2041-2020《聚氨酯灌漿材料》中的試驗步驟，將HPMC摻入水溶性聚氨酯（WPU）。以WPU質量作為參考，向其中摻人不同質量百分比（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 試驗結果分析

3.1 初始黏度

HPMC摻量與WPU灌漿材料初始黏度關系如圖

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HPMC摻量為10wt. % 時，初始黏度接近 1000mPa?s 。繼續添加HPMC，初始黏度已不符合JC/T2041-2020《聚氨酯灌漿材料》中的技術指標要求。

3.2 凝膠時間

HPMC摻量與WPU灌漿材料凝膠時間關系如圖3所示。由圖3可知，當HPMC摻量為 0～10 wt. % 時，凝膠時間基本穩定在60s左右，其中HPMC摻量為8wt. % 時，凝膠時間66s略高于對照組，并未出現大幅度上升或下降現象。繼續添加HPMC，凝膠時間逐漸延長，當HPMC摻量為16wt. % 時，凝膠時間接近110s，仍符合 JC/T2041-2020 《聚氨酯灌漿材料》中的技術指標要求。

3.3 包水性

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

3.4 發泡率

HPMC摻量與WPU灌漿材料發泡率關系如圖5所示。由圖5可知：當HPMC摻量為0＼～16wt. % 時，發泡率未出現規律性或階段性變化。當HPMC摻量分別為6wt. % 和14wt. % 時，發泡率分別達到最小值 457% 和最大值 703% ，相比于對照組，發泡率分別降低 18% 和提高 26% ，并未出現大幅度下降或上升現象。初步認為HPMC摻量對聚氨酯發泡率影響微小，上述試驗結果屬于隨機現象。

3.5 遇水膨脹率

HPMC摻量與WPU灌漿材料遇水膨脹率關系如圖6所示。由圖6可知，當HPMC摻量為0＼～4wt. % 時，遇水膨脹率在此階段出現性能上升現象。繼續添加HPMC，試驗結果未出現規律性變化。綜合分析發泡率和遇水膨脹率試驗結果，初步推斷如下：當HPMC摻量為0＼～4wt. % 時，HPMC帶來的引氣作用不明顯，材料內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部出現不同程度的氣泡[20]。同時，聚氨酯材料本身由泡孔組成，在試驗過程中，材料內部多種泡孔分布隨機變化，造成試驗結果規律不明顯。

4 動水灌漿試驗

4.1 灌漿裝置

在上述研究的基礎上，確定HPMC最佳摻量為10wt. % 。為進一步驗證HPMC改性WPU灌漿材料封堵涌水的效果，采用自主設計的動水灌漿裝置開展灌漿模擬試驗，通過觀察骨料間凝膠體狀態和測試灌漿前后裝置出水口流量變化，以初步評價改性聚氨酯灌漿堵水效果，試驗裝置如圖7所示。

4.2 灌漿效果對比

裝置出水口初始流量為 5L/min ，灌漿質量均限定為 1kg ，灌漿結束裝置內部凝膠體狀態如圖8所示。

由圖8可知：在當前試驗條件下，從漿液注人動水水槽至出水口流出液體基本為清水時，平均耗時3min左右，在流動水作用下，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，水槽內大部分未改性WPU灌漿材料被動水分散稀釋，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，并表現出優良的灌漿堵水效果。

5結論

本文研究了HPMC摻量對CW531水溶性聚氨酯灌漿材料性能的影響，確定了當前試驗條件下HPMC的最佳摻量。在此基礎上，設計動水灌漿裝置，采用改性前后的WPU開展動水灌漿模擬試驗，以驗證材料堵水效果，主要結論如下。

（1）隨著HPMC添加量的增加，聚氨酯初始黏度逐漸上升，當HPMC摻量達到10wt. % 時，改性聚氨酯初始黏度仍小于 1 000mPa?s ，符合現行標準要求；摻量超過 10wt.% 時，槳材初始黏度偏高，不宜開展后續灌漿試驗。

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

（3）隨著HPMC添加量的增加，改性聚氨酯發泡率和遇水膨脹率未出現規律性變化，分析可能是HPMC摻量變化導致不同的引氣程度，造成材料內部泡孔出現隨機性變化，使試驗結果規律不明顯。

（4）動水灌漿模擬試驗表明：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 ，材料表現出良好的灌漿堵水效果。將HPMC摻入水溶性聚氨酯，不僅未對聚氨酯關鍵性能產生明顯影響，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