纤维素改性水溶性聚氨酯性能试验研究

2018-10-19黄坤刘肖凡陆海军李继祥

新型建筑材料 2018年8期

黄坤，刘肖凡，陆海军，李继祥

（武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430023）

0 引言

水溶性聚氨酯注浆材料（WPU）以其良好的性能被广泛应用在潮湿裂缝灌浆堵漏、动水地层堵涌水、潮湿土质表面层的防护等[1]。WPU浆液遇水乳化体积膨胀，形成不溶于水的弹性凝胶体，并与被粘结面充分吸附贴合，达到以水止水和弹性止水的双重作用[2]。但WPU弹性凝胶的吸附贴合效果随时间逐渐降低，同时其体积部分收缩会使得弹性止水效果降低。羟丙基甲基纤维素（HPMC）具有粘合、分散、乳化、成膜、吸附、胶凝等特点[3]，其表面活性高，对力学性能有良好的提升作用，同时具有抗收缩和抗龟裂性能。为改善WPU的粘结力学性能和收缩性能，在WPU中加入HPMC，研究不同温度、不同含量的HPMC对WPU的凝结时间和遇水膨胀率的影响以及HPMC含量对浆液的力学性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

WPU：大禹神工公司生产，棕红色黏稠液体，密度≥1.00 g/cm3，黏度≤1000mPa·s，胶凝时间≤150s，遇水膨胀率≥20%，包水性（10倍）≥100s，不挥发物含量≥75%，发泡率≥350%；HPMC：上海臣启化工科技有限公司生产，乳白色颗粒粉末，能够溶解在冷水中形成透明的黏稠状溶液，水分≤5.0%，灰分≤1.0%，pH 值为 5.0～7.5，细度＞80目，黏度 2×105mPa·s，胶凝温度50～90℃，炭化温度280～300℃；水：自来水。

1.2 测试方法

1.2.1 胶凝时间

电子秤称取20 g水溶性WPU于250 ml塑料杯中，再加入相应质量的HPMC粉末，用玻璃棒搅拌使之与WPU浆液混合均匀，将恒温水浴锅中的水加热到相应温度（20、40、60、80℃），从中取出相应温度的100 ml水加入到塑料杯中，并将塑料杯放入水浴锅中保温，记录加入水时的时间t1，并迅速搅拌约（10 s）后静置，之后用玻璃棒不断触探黏度的变化。当玻璃棒离开液面出现拉丝现象时，视该试样已凝胶化，记录时间t2，计算胶凝时间 t=t2-t1。

1.2.2 遇水膨胀率

用不锈钢制作尺寸如图1所示的带盖模具，内部涂刷不与试样反应的隔离剂，分别称取各配合比浆液140 g、水7 g，将二者混合后用玻璃棒快速搅拌均匀后倒入试模中，并将盖子盖紧，将试件放置在（23±2）℃的干燥处；72 h后打开试模两端的封盖取出固结体，制作成直径50 mm，高50 mm的试样，用排水法测其初始体积V0后放入烧杯中，在烧杯中加水直到淹没试件，然后将整个烧杯放入各温度的恒温水浴锅中保温168 h后取出试件，用滤纸将表面擦干，再次用排水法测其体积V，计算遇水膨胀率

图1 试验模具

1.2.3 粘结强度和拉伸剪切试验

天平秤取20 g的WPU和相应质量的HPMC于塑料杯中，用玻璃棒搅拌均匀。将每组模具的粘结面对齐并留出2.5 mm的缝隙，用胶带固定后放入水槽中将模具完全淹没，使得粘结面之间的缝隙充满水，将混合好的浆液通过注射器注入缝隙中直到缝隙中有浆液溢出后停止注浆。静置12 h待浆液凝固后放在拉力试验机上测试，分别计算粘结强度σ=F/d2，拉伸剪切强度τ=F/Lb，粘结强度试验和拉伸剪切强度试验分别如图2、图3所示。

图2 粘结强度试验

图3 拉伸剪切试验

1.3 配合比设计

胶凝时间和遇水膨胀率试验HPMC掺量分别为WPU的4%、8%、12%、16%、20%、24%、28%，其中每一个掺量对应有20、40、60、80℃ 4个不同的温度水平，构成 28组试验，加上纯浆液的4个空白对比组，共计32组试验。

为更细致地研究HPMC的掺量对注浆材料粘结强度和拉伸剪切强度的影响，将HPMC掺量增长梯度由4%减小为2%，加上空白组在内共计15组试验。即HPMC掺量分别为0、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%。

2 试验结果及分析

2.1 胶凝时间

图4为胶凝时间随HPMC掺量变化的关系，图5为胶凝时间随温度变化的关系，图6为胶凝时间平均变化梯度与温度的关系。

因管桩内壁侧摩阻力难以测定分析，简化量化分析中多将此负摩阻力计入对桩端阻力的削弱影响，现行的水运行业规范《码头结构设计规范》及建筑行业规范《建筑桩基技术规范》正是基于该简化逻辑，结合国内外研究成果并通过试桩资料统计分析，提出了开口钢管桩土塞效应系数用以计算单桩竖向极限承载力。

图4 胶凝时间随HPMC掺量变化的关系

图4 显示温度在20～60℃时，胶凝时间随HPMC掺量的增大基本呈逐渐延长趋势，即HPMC的加入对浆液起缓凝作用；温度达到80℃时，胶凝时间随HPMC含量的增大呈现逐渐缩短趋势，此时HPMC对浆液起促凝效果。

图5 胶凝时间随温度变化的关系

图6 胶凝时间平均变化梯度与温度变化梯度的关系

图5 显示不同HPMC掺量的WPU胶凝时间随温度的升高基本呈逐渐缩短趋势，且各曲线排布较为集中。

由图6可以看出，胶凝时间平均变化梯度随温度变化梯度呈减小趋势，且温度由20℃升至40℃时，胶凝时间平均变化梯度最大。

WPU遇水后的胶凝反应分为2个阶段[4]，式（1）为异氰酸酯与水反应，生成的氨基甲酸由于不稳定，迅速分解为胺和二氧化碳，反应生成的胺进一步与过量的异氰酸酯发生胶凝反应生成脲，如式（2）所示：

HPMC溶液在60℃时能发生胶凝反应，形成凝胶结构[5]，温度低于60℃时HPMC未达到胶凝温度，浆液凝结主要以WPU遇水凝结成胶为主；HPMC以其良好的引气作用使WPU中分散大量的细小气泡，这些气泡将浆液分割成无数细小区域，浆液与水的接触面积减小使式（1）的反应变缓，单位时间内生成的RNH2减少，导致式（2）的反应受到限制，即降低了胶凝反应的速率。胶凝反应同时发生在浆液的表面和内部，表面的浆液最早与水接触发生反应，使浆液的表面逐渐形成1层胶凝体薄膜，外部水分进入浆液内部的通道逐渐封闭，使得内部没有足够的水分参与反应，即限制了式（1）反应的发生。当温度达到60℃以上时，HPMC与WPU均发生胶凝反应并相互制约对方的相对移动，宏观表现为胶凝状态，此时HPMC表现出促凝作用。

温度的升高能够加快化学反应的速率，使得胶凝时间变短，随着温度逐渐接近80℃，化学反应的速率逐渐达到最大，温度对胶凝时间的影响逐渐降低。

2.2 遇水膨胀率

图7为遇水膨胀率随HPMC掺量变化的关系，图8为遇水膨胀率随温度变化的关系，图9为遇水膨胀率平均变化梯度与温度的关系。

图7 遇水膨胀率随HPMC掺量变化的关系

图8 遇水膨胀率随温度变化的关系

图9 遇水膨胀率平均变化梯度与温度变化梯度的关系

聚氨酯的膨胀可以分为几个部分，首先HPMC与WPU混合时，WPU分子向HPMC中渗透发生溶胀[2，6-7]而使得浆液体积膨胀；HPMC固体粉末具有一定的引气效果，使得浆液中分布大量的气泡占据一定体积而使得体积增大；浆液与水反应产生CO2聚集在一起被浆液包裹而形成膜泡结构，并随反应进行持续膨胀变大；HPMC良好的成膜效果增强了气泡壁的致密性和变形能力，使得反应产生的CO2难以穿过气泡壁逸出，推动胶凝体持续膨胀。温度小于60℃的浆液中HPMC不凝结成胶，仍保持良好的成膜和变形能力，有助于胶凝反应体积膨胀；温度达到60℃时，HPMC因达到成胶温度开始凝结成胶，变形性能大幅度减弱，部分CO2气体冲破膜泡逸出，而使胶凝体中部分膜泡结构塌陷，遇水膨胀率增长变缓。

浆液与水反应形成弹性体后，外部自由水通过扩散、毛细、吸附等物理作用继续进入基体内部，与亲水性基团形成极强的亲和力，使得基体内外形成渗透差而不断吸收水分，材料分子链由缠绕形态变为舒展形态，致使基体发生膨胀形变。基体的遇水膨胀率在自身抗变形力和渗透差平衡时达到最大。

2.3 粘结强度与剪切强度试验

图10为粘结强度随HPMC掺量变化的关系，图11为剪切强度随HPMC掺量变化的关系。

图10 粘结强度随HPMC掺量变化的关系

图11 剪切强度随HPMC掺量变化的关系

由图10可以看出，粘结强度随着HPMC掺量的增大而整体呈现出增大趋势，其中HPMC掺量在6%～8%时，粘结强度有较大提升。

由图11可以看出，剪切强度随着HPMC掺量的增大而整体呈现出增大趋势，其中HPMC掺量在8%～10%时，剪切强度有较大提升。

WPU遇水后会分散乳化凝结成为弹性胶体是典型的软硬多嵌段共聚物，硬段相起到交联作用；HPMC能吸收和保持大量水分却不溶解于水，2种分子结构通过极性基团之间的氢键交联相互穿插形成三维互穿网络聚合物（IPN）[8-9]，能够大幅度提升浆液的内聚力和力学性能。WPU凝胶中存在大量如脲键、醚键等极性基团，与裂隙面具有很强的粘结作用，进一步增强了粘结作用。

图12为粘结强度试验拉力与拉伸变形的关系，图13为剪切试验剪切力与剪切变形的关系。