水溶性聚氨酯灌浆材料的应用详解

吴启民

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310030）

水溶性聚氨酯灌浆材料的应用详解

吴启民

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310030）

LW/HW水溶性聚氨酯灌浆材料是华东院科研所在20世纪70年代末[1]国内率先研制成功的高效堵水产品。随着数十年的深入开发及推广应用，产品品种不断丰富，在水电、矿山、地铁、城建等领域获得应用。裂缝堵水简单易学，许多零星裂缝堵水工程被个体户承包施工，由于缺乏专业知识及应用技术，堵水效果参差不齐，已经影响到了产品声誉。笔者结合多年来的工程使用经验及大量试验数据分析，对华东院HK-LW/HW水溶性聚氨酯材料的堵水特性进行研究，以期指导广大用户能够正确选择和使用这一类型产品。

聚氨酯灌浆；混凝土抬动；遇水膨胀；二次堵水；裂缝灌浆

0 前言

混凝土建筑物裂缝、结构缝渗漏水现象较为常见，特别是水工建筑物、地下室、地铁、地下管廊等漏水问题与日俱增，已经影响到人们对构筑物的使用体验，与我国现阶段追求“工匠精神”的工程品质要求不相符。这些问题主要由以下几个原因导致：基础不均匀沉降、结构设计不合理、混凝土养护不当、施工工艺不当等，表现为层间缝渗漏、剪切缝渗漏、斜向裂缝渗漏水。根据缝的成因及影响因素不同，设计灌浆工艺时，选择的材料及工艺参数也应不同，倘若采取千篇一律的处理方式，往往得不到好的治理效果。而错误的选择可能导致混凝土抬动、混凝土崩裂、混凝土起鼓、裂缝复渗[2]问题，这些问题的产生往往与不恰当的施工、工艺及材料选择有关，特别是灌浆前没有做好细致和正确的原因分析而盲目采取灌浆工艺措施，容易导致治标不治本。

1 水溶性聚氨酯灌浆材料特性

水溶性聚氨酯可用于裂缝堵水，且具有立竿见影的效果，其工艺简单，易学易用。很多人认为只要有相应的设备及材料，就能轻易开展堵漏施工作业，这导致了众多问题，主要是由于对材料固化特性及堵水特性一知半解。单组分水溶性聚氨酯灌浆材料在国内的应用已有近40年的历史，但有关其机理和应用研究的报道尚不多见[3]。

1.1 遇水固化特性

聚氨酯灌浆材料可遇水固化，反应中生成的CO2对浆液的渗透具有很强的促进作用。据测定，封闭条件下，固化反应产生的CO2压力可达0.5～1.0MPa，可灌入宽度8 μm的细微裂缝及渗透系数10-4cm/s以上的土壤中[4]。其反应机理为含二元及以上的端-NCO结构的长链分子，其长链部分以富含亲水性基团为主，在有机溶剂中形成悬浮状，遇水后形成交联网络结构，进而固化。

从遇水到固化需要经历乳化分散、凝胶固化过程，水既是稀释剂又是固化剂[5]。乳化阶段浆液与水体的比例不能超过包水率倍数（一般可达30倍[6]），如果过量水稀释了浆液，将无法进行到凝胶固化阶段，这就是经常有施工单位遇到裂缝渗漏堵不住的原因，除了渗径太短导致乳化时间不够外，更多的是因为注浆量远小于渗漏水量，被水流严重稀释而无法在缝内凝胶固化。为了验证不同水压中光滑通道型层流条件下水溶性聚氨酯灌浆材料的封堵效果，设计了管道模型试验（见图1），采集了流速、压力、管径、水温参数，并进行了模拟试验，模拟0.2MPa、0.4 MPa、0.6 MPa和0.8 MPa水压力，测得不同管径下的最短可封堵长度（由于数据庞大，文中不罗列）。同时，进行了可视模拟裂缝灌浆试验，设置缝宽2.0 mm，观察水源点与射浆管出口位置前后不同与封堵效果及固结体堆积形态的关系。试验结果表明，管道型压力层流根据管径（6 mm和8 mm）、水压不同，可封堵长度2～6 m，而裂缝模拟中由于水流速度很低，封堵扩散半径完全可控，并且需要间歇灌浆才能使灌浆压力提升，否则扩散半径会不断堆积增大，最后超出试验模型1.0 m的渗径。在实际裂缝灌浆中，裂缝表面是粗糙和起伏的，缝中的水流流态并不稳定，局部会形成漩涡流，延长部分浆液停留时间，利于浆液乳化分散，进而固化封堵裂缝，且混凝土处于湿饱和状态，能够加速缝中浆液的凝固。

图1 水溶性聚氨酯射流封堵模型Fig.1 Model of sealing of jet flow by water soluble polyure⁃thane grouting material

1.2 干缩再膨胀特性

聚氨酯预聚大分子中长链部分的醚键、羟基和嵌段聚醚等极性基团，易通过氢键作用与水分子形成水胶体，使体积发生膨胀，而氢键结合能较弱，在表面饱和蒸汽压较低的情况下，水分子能够轻易地逃离束缚，此时固结体发生体积收缩。而LW水溶性聚氨酯灌浆材料（简称LW）与HW水溶性聚氨酯灌浆材料（简称HW）具有互补性，通过调节比例，能够获得具有不同的遇水膨胀率及力学特性、满足工程需要的固结体。实验研究表明，在缝变形量相对稳定的情况下，包水量及LW/HW互掺比例是影响灌浆效果的主要因素[7]。包水量过大，后期干燥收缩也就越大，因此灌浆不仅仅是灌满缝腔，而且需要灌到有效的纯浆体出浆为止。纯浆体能否持久有效堵水，还要结合浆液掺和比是否满足缝变形特点进行分析，只有弄清楚这些关系，灌浆才能取得好的效果。

由表1可发现，纯LW水溶性聚氨酯固结体具有良好的遇水膨胀性，同时在干燥环境下的收缩也很明显，收缩量与可挥发溶剂含量、强度及材料厚度这些影响挥发速率的因素有关，而自然条件下有机溶剂的挥发是不可逆的，只要遇水后的膨胀率大于干收缩率，在缝未进一步发生张开变形的情况下，堵水是有效的，反之就会有渗漏。而LW与HW掺和比例达到5∶5时，薄层试件易开裂，且遇水膨胀率小于干缩率，在裂缝被聚氨酯材料胀开后，再次发生收缩时，也有可能产生复渗问题。同样在用纯LW水溶性聚氨酯灌浆材料堵水过程中，如果认为水已经止住就可以停止灌浆，而没有考虑浆液纯度，发生干缩后也有可能再次成为复渗的通道。

表1 水溶性聚氨酯灌浆材料膨胀与收缩特性Table 1 Properties of expansion and shrinkage of water soluble polyurethane grouting material

试验测试数据表明（见表2），HW对LW的补强作用明显，特别是在抗压强度、拉伸强度上获得了明显提升。而当比例达到或小于5∶5后，薄片试件难以成型，易出现裂缝，经进一步研究确认，主要是由于材料抗压强度大于拉伸强度，随着溶剂的挥发，固结体体积发生收缩，收缩应力超过材料抗拉强度时，材料就会发生开裂。只有减少有机溶剂添加量，改善材料干缩率，才能测得有效数据。这些试验结果说明HW能对LW的各项性能进行改良，以满足不同工程的需要，但也不是任意比例都能起到好的作用。

表2 水溶性聚氨酯不同配合比力学特性Table 2 Mechanical properties of water soluble polyurethane of different mix proportion

遇水膨胀力的研究对工程实践有很大的意义，也是避免混凝土结构被过度灌注水溶性聚氨酯而导致负作用的关键，是目前研究的盲点。大多数施工单位都忽略了这个重要因素，特别是在工艺设计及材料选择时，如果没有引起足够重视，结果往往会使混凝土发生二次破坏，通常表现为混凝土抬动。为了研究膨胀压力的大小，通过直径15 cm的圆饼形试验装置，以双层棉纱作为吸水通道，将2 mm厚的浆液固结体夹在圆形试件中间，并浸没在水中，在万能试验机上连续测得吸水膨胀压力与时间的关系。结果表明，随着时间的增长，膨胀应力最终高达40 MPa，随着缝张开变形量的增加，膨胀力逐渐被消除。通过这个试验可以发现，混凝土结构承载力大小、裂缝宽度及灌浆材料配合比的选择对于经灌浆治理后的建筑物稳定性至关重要。

1.3 二次堵水特性

如前文所述，LW不仅能够立即堵水，在灌注量达到技术要求的情况下，即便裂缝发生二次张开，固结体仍然具有再次膨胀堵水的效果。实现二次堵水的前提是缝张开度在固结体遇水膨胀率范围以内，且最初固结体纯度较高。这就要求在治理裂缝渗漏水时，首先必须了解清楚混凝土裂缝产生的原因、裂缝稳定性及后期发展的可能性，根据这些数据制定相应的灌浆工艺计划，决定是否需要进行二次补灌、确定浆液配合比等施工参数设置。

1.4 堵水与加固并重

早期同步开发成功的HW并未在市面上大力推广使用，仅仅作为LW的补充出现，另外一直以来都是自用为主。经过几十年的应用，工程加固的需求越来越多，下文介绍这种材料优良的加固特性。目前业内已形成“水溶性聚氨酯只能用于堵水，而结构裂缝加固需要采用环氧灌浆材料或水泥灌浆材料等高强度材料进行修补”的固有思维，只有少数设计单位清楚HW的正确用法。

HW具有对潮湿混凝土粘结力强、粘度较低、遇水固化缓慢、固结体强度高等特点，能够很好地用于大体积混凝土层间缝加固、稳定性较好的溢流面裂缝防渗加固、环境温度相对稳定的地铁和地下室非活性缝防渗加固。HW能够与LW以任何比例混合使用，获得不同强度和不同膨胀率的固结体，但裂缝宽度过大时，应尽量先选择超细水泥灌浆，再用化学浆液灌浆。

2 正确的选择和使用

2.1 配合比选择

在引入HW水溶性聚氨酯灌浆材料后，原有的水溶性聚氨酯灌浆材料的适用范围立即被拓宽，从弹性体止水到刚性加固都能够满足。根据裂缝所在混凝土建筑物的受力情况、强度、厚度、缝宽及稳定性方面分析，能够设计出合理的材料配合比，做到止水的同时，兼顾一定的加固作用。

2.2 灌浆压力与设备

目前裂缝灌浆中存在着一个较为严重的问题，即无论混凝土薄厚，是否有加固需求，绝大多数都采用高压注浆机进行脉冲式的超高压力灌浆，这等同于对已经受损的混凝土进行二次伤害，水可能止住了，但往往伴随着更大的结构破坏（见图2）。

图2 某地铁项目高压力灌浆导致混凝土崩裂Fig.2 Concrete cracks caused by high pressure grouting

就超高压力，笔者做过一系列试验测试及现场观察研究。目前较为常用的注浆针头内置弹簧钢珠逆止结构，需要初始压力5.0 MPa（液压稳步升压操作）以上才能打开通道，而柱塞结构的高压注浆机，在裂缝灌浆过程中，压力一般都达到10 MPa以上，有时甚至超过15 MPa，灌浆通道完全被堵情况下可达50 MPa，而C40混凝土抗拉强度仅有2.0 MPa多一点，能轻易将混凝土灌爆。即便工人经验丰富，能够控制灌浆节奏，不至于使裂缝表露出来，但混凝土内伤实难避免。

正确的裂缝灌浆方式，可以采用很多技术措施，例如针对渗水裂缝，特别是宽度小于0.2 mm的渗水裂缝，应考虑提高浆液的可灌性，尽量延缓材料固化时间，同时扩大扩散半径，采用低压慢灌的原则进行处理。利用丙酮高渗透性及优异浸润性的特点，作为开路赶水材料，视裂缝深度及易达到的扩散半径决定丙酮用量，而后灌入水溶性聚氨酯，在缝内丙酮既是赶水隔离剂，又是稀释剂，使浆液能够穿透至更细的裂隙中，逐渐升高压力至设定值，随着灌浆时间的持续，缝内浆液可以扩散至理想的深度。根据混凝土强度及结构不同，薄层（厚度小于20 cm）混凝土灌浆压力一般不宜超过0.4 MPa，中厚度（20～50 cm）混凝土灌浆压力一般不宜超过0.8 MPa，厚层（大于50 cm）混凝土根据结构不同，经设计验算安全情况下，一般裂缝灌浆压力不宜超过1.5 MPa，拱形衬砌混凝土，接触灌浆压力可以适当放宽。仅凭经验设定灌浆压力是不恰当的，应综合分析裂缝成因及建筑物所处的环境，在确保结构安全前提下，进行科学合理的工艺设计。

3 结语

（1）在正确的分析、材料选择及工艺设计前提下，利用HW对LW的良好性能调节性，水溶性聚氨酯可用于防渗止水，也可以用于结构加固。

（2）有机溶剂开路是扩大灌浆渗透半径及灌注微细裂缝的有效手段，应逐渐放弃采用高压快速处理裂缝渗漏水的做法，提倡低压慢灌，重塑化学灌浆的可靠性。

（3）单孔吃浆量过大或裂缝宽度过宽时，应慎重选择灌浆材料配合比及总量控制，预防发生非预期的二次破坏，因此对于重要建筑物，灌前进行裂缝连通性检查很有必要。

（4）应加强对裂缝随温度及荷载变化的观察记录，对裂缝做出正确的定性、定量判断，便于制定合理的材料配合比方案。

（5）化学材料存在多样性，不同配合比表现出来的性能特点也不同，应继续加大材料特性研究，最终形成数据表单，以便设计单位能够灵活掌握材料特点，设计出更科学合理的裂缝治理方案。

[1]秦道川.水溶性聚氨酯灌浆材料发展探讨[J].中国建筑防水,2014(21):17-22.

[2]张继霞,张捷.聚氨酯灌浆材料地铁防渗处理应用中存在问题探讨[J].中国建筑防水,2016(24):36-39.

[3]张勇.对聚氨酯灌浆材料的再认识[J].中国建筑防水,2011(16):1-6.

[4]A Naudts.Irreversible Changes in the Grouting Industry Caused by Polyurethane Grouting:An Overview of 30 Years of Polyurethane Grouting[C].American Society of Civil En⁃gineers,2003.

[5]包银鸿.水溶性聚氨酯化学灌浆材料的研制与应用[J].水利水电技术,1985(10):14-22.

[6]张捷,张继霞,吴启民.聚氨酯灌浆材料宣传与使用中的几点误区[C].全国化学灌浆学术交流会论文集,2010.

[7]刘益军,赵晖,黄国泓,等.聚氨酯灌浆材料评述[C].中国聚氨酯工业协会年会,2004:40-42.

2017-03-19

吴启民（1978-），男，浙江苍南人，高级工程师，主要从事防水、堵漏及加固材料开发工作。

作者邮箱：sendwu@163.com

Application of water soluble polyurethane grouting material

WU Qi-min

PowerChina Hua⁃dong Engineering Co.,Ltd.

LW/HW water soluble polyurethane grouting material is developed by scientific research in⁃stitute of PowerChina Huadong Engineering Cooperation Limited at the end of the 1970s,which is the first domestic water plugging product.With the advance and application for decades,more and more products are developed and used in hydropower,mining,subway,urban construction and other projects.This paper,combined with test data and long-term engineering experience,introduces the HK-LW/HW water soluble polyurethane water plugging materials,to guide users in their choice and application of the products.

polyurethane grouting;concrete lifting;water expansion;second water plugging;crack grouting

TV698.2

A

1671-1092（2017）05-0068-04