聚氨酯高聚物隧道注浆材料抗剪强度试验研究*

马 雪 王复明, 郭成超 张继春

(1.西南交通大学土木工程学院 成都 610000； 2.中山大学土木工程学院 广州 510275；3.广东省海洋土木工程重点实验室 广州 510275； 4.广东省地下空间开发工程技术研究中心 广州 510275)

相对于传统的注浆材料，非水反应双组份聚氨酯高聚物具有质量轻、早强、工期短、膨胀力大、防渗性能好、非开挖、无毒无害、不会发生霉变或腐烂等诸多优点，已经广泛运用于各类工程建设和工程修复。王复明院士团队结合我国道路、土石坝、给排水管道等基础设施的结构特点及病害特征，以非水反应双组份高聚物材料为基础，研发出整套注浆系统及无损修复技术[1-2]。高聚物已在土石坝防渗、隧道堵水、道面修复、管道修复等[3-5]工程实践中得到了广泛的应用，但鲜有聚氨酯高聚物材料应用在浅海隧道的研究。前人研究主要关注聚氨酯高聚物拉压弯及其动力性能，但较少关注高聚物抗剪强度。Beju等[6]用三轴压缩试验测试发泡聚苯乙烯高聚物，发现随试件密度的增加，黏聚力对抗剪强度起主要贡献，内摩擦角增加值很小。颜行等[7]对不同膨胀比的高聚物进行了抗剪强度研究，得出膨胀比越低，内摩擦角和黏聚力越高。已有的高聚物材料力学参数研究成果可满足大部分工程应用的需求，但在盐碱浅海环境中聚氨酯高聚物抗剪强度是否稳定，鲜有对其运用于浅海隧道时的参数研究，还需要完善部分聚氨酯高聚物参数。

非水反应双组份高聚物注浆材料应用于岩土体环境，其力学性质应按照岩土力学的相关规定进行测试，才具有一定的可比性，且在浅海隧道环境中非水反应双组份聚氨酯高聚物材料属于三轴受力状态，高聚物内部泡孔结构间、高聚物与围岩、结构的接触面上存在剪切作用，也存在海水水压和海水溶解质对高聚物的时间效应作用。因此，本文主要采用岩土力学的测试方法，模拟浅海隧道环境，测试聚氨酯高聚物抗剪强度值的变化。为非水反应双组份高聚物在浅海隧道等工程建设中的推广应用提供参数依据。

1 模拟条件和试件制备

为了模拟聚氨酯高聚物注浆材料应用于浅海隧道工程时，其抗剪强度变化情况，本文模拟了海水环境及2种海水深度条件下的水压环境。为了缩短试验周期，提高了海水溶液质量浓度，进行室内加速试验。

1.1 试件的制备

非水反应双组份聚氨酯高聚物试件采用对开模具制备，见图1、图2，模具内径50 mm、高150 mm。在注浆过程中，多元醇和异氰酸酯快速反应并膨胀，膨胀体形状多样，考虑到本试验既能满足三轴剪切试验要求，又能满足膨胀体的多样性，所以采用圆柱形和圆筒形试件，圆柱和圆筒形试件各42个。圆柱试件直径尺寸均为(50±2.0) mm，试件的两端切削平整，高为(100±2.0) mm；圆筒试件通过车床切削内部直径25 mm圆柱，形成环形壁厚为12.5 mm的圆筒试件。2种密度非常接近，密度略低的试件密度为220～223 kg/m3，密度略高的试件密度为227～228 kg/m3。高、低密度试件各42个。圆柱和圆筒试件模型见图3。

图1 模具对开

图3 圆柱和圆筒试件样(单位：mm)

1.2 海水环境模拟

为了模拟高聚物注浆材料在海相环境下力学性能衰变规律，本试验根据美国ASTMD 1141-98(2013)《海洋水代替物标准》[8]，进行了海水溶液配置，采用了人工海水中质量浓度较高的3种溶质NaCl、MgCl2、Na2SO4进行海水溶液配置。本试验采用5倍主要离子浓度的海水溶液进行室内模拟加速试验。人工模拟5倍海水溶液组成见表1，溶液密度为1 140 kg/m3。

表1 5倍离子浓度的海水溶液化学成分 g/L

1.3 水压条件模拟

不同的海水深度对注浆材料的力学性能影响不同。因此，本试验模拟了2种水压环境对材料抗剪强度的影响。文中，1 m和7 m的水压分别称为常水压和高水压。

水压1 m的条件下，水头高度为1 m。由于试件密度过小，密度在220～228 kg/m3之间，因此在试验过程中，需将试件绑上混凝土块坠入桶中，并加入配置好的5倍质量浓度海水溶液，水头高度为1 m。

为了模拟7 m水压的海水环境，将试件压入桶中，使5倍海水溶质浓度的溶液没过试件。在抽真空过程中，桶内产生负压，压强为-0.08 MPa，即水压0.08 MPa。根据液体压强计算公式，计算得到深度为7 m，即用最大理论密度仪可模拟7 m水头高度。为确保试件能持续获得7 m水头高度，每天进行抽真空操作，每次持续15 min。

2 抗剪强度试验

对高聚物注浆材料分别在不同的恒定周围压力下，施加轴向压力，进行剪切直至破坏，通过三轴试验测定高聚物注浆材料的黏聚力c和内摩擦角φ，计算不同水压环境下不同浸水龄期试件的抗剪强度参数，即黏聚力c，内摩擦角φ。

2.1 仪器设备

试验采用常规三轴试验仪进行试件的抗剪强度测试。三轴试验仪主要由压力室、轴向加压系统、围压施加系统、数据采集和控制系统等组成。

2.2 试验步骤

根据JTG E40-2007 《公路土工试验规程》[9]对非水反应双组分聚氨酯高聚物进行不固结不排水三轴试验。三轴试验围压设置为3级，分别为100，200，300 kPa，以轴向应变率1 mm/min施加荷载，当轴向压力出现峰值后，停止试验。

2.3 试验数据处理

参考JTG E20-2011 《公路沥青及沥青混合料试验规程》[10]中沥青混合料抗剪强度试验(三轴压缩法)，抗剪强度参数黏聚力c、内摩擦角φ可由规程中公式计算。

3 试验结果与讨论

3.1 圆柱试件试验结果

在100,200,300 kPa 3种围压情况下，可分别得出剪切破坏时的最大主应力σ，再绘制出一组极限应力圆，并做出不同围压情况下的极限状态的莫尔应力圆的公切线，即为高聚物的莫尔-库仑抗剪强度包络线。由于篇幅所限，并未列出每个包络线图像得到的黏聚力c和内摩擦角φ。

图4、图5为常水压和高水压试件强度参数变化。

图4 常水压圆柱形试件抗剪强度参数变化图

图5 高水压圆柱形试件抗剪强度参数结果变化图

由图4、图5可知，在常水压环境条件下，密度为227～228 kg/m3的高密度圆柱试件，未浸泡时的内摩擦角为23.9°，黏聚力为203.6 kPa；浸泡30 d后，内摩擦角增大到25.5°，黏聚力减小为101.4 kPa。密度为220～223 kg/m3的低密度圆柱试件，未浸泡时的内摩擦角为23.6°，黏聚力为183.4 kPa；浸泡30 d后，其内摩擦角增大到25.3°，黏聚力减小为101.3 kPa。

高水压条件下，浸泡10 d高密度圆柱试件的内摩擦角为24°，黏聚力为146.2 kPa；浸泡30 d后，内摩擦角增大到24.6°，黏聚力减小为96.2 kPa。浸泡10 d的低密度圆柱试件的内摩擦角为24°，黏聚力为142.3 kPa；浸泡30 d后，其内摩擦角增大到24.3°，黏聚力减小为80.4 kPa。图4、图5中部分节点出现拐点，可能是由于误差所致，但内摩擦角增加、黏聚力下降的趋势不变。

3.2 圆筒试件试验结果

同圆柱试件试验方法相同，圆筒试件黏聚力c，内摩擦角φ试验结果见图6和图7。由图6可见，在常水压环境条件下，未浸泡的高密度圆筒试件的内摩擦角为29°，黏聚力为114.1 kPa；浸泡30 d后，内摩擦角增大到29.4°，黏聚力减小为82.6 kPa。未浸泡的低密度圆柱试件的内摩擦角为28.5°，黏聚力为110 kPa；浸泡30 d后，其内摩擦角增大到29.2°，黏聚力减小为65.2 kPa。

图6 常水压圆筒形试件抗剪强度参数结果变化图

图7 高水压圆筒形试件抗剪强度参数结果变化图

由图7可见，高水压条件下，密度为227～228 kg/m3的高密度圆筒试件，浸泡的10 d的内摩擦角为29.4°，黏聚力为108 kPa；浸泡30 d后，内摩擦角增大到29.4°，黏聚力减小为84.3 kPa；密度为220～223 kg/m3的低密度圆筒试件，浸泡10 d的内摩擦角为29.1°，黏聚力为92.1 kPa；浸泡30 d后，其内摩擦角增大到29.2°，黏聚力减小为59.1 kPa。

4 结语

1) 海水浸泡时间对非水反应双组份聚氨酯高聚物黏聚力的影响较大。在试验的2种水压下，随浸泡时间增加，2种密度试件的黏聚力都出现衰减，内摩擦角都略微增加。浸泡30 d，黏聚力平均减少约43.4%，内摩擦角增加约1%。

2) 在水压不同的情况下，同密度的圆柱和圆筒试件，黏聚力和内摩擦角相差不大，但高水压条件下，黏聚力的变化值约大于常水压条件下黏聚力的变化值5%～10%，说明高水压比常水压对聚氨酯高聚物的黏聚力影响稍大。

3) 聚氨酯高聚物在浅海隧道中的应用，除了考虑抗剪强度，还需考虑抗压、抗疲劳、蠕变等其他力学特性,况且作为一种多孔型材料，其抗压强度和弹性模量，对工程注浆更有指导意义。根据前人研究，非水反应聚氨酯高聚物耐化学腐蚀稳定性良好，而且在浅海应用时，其阻尼比和动态弹性模量稳定，其值并未随着浸泡时间的增加出现衰减[11]，具有长期服役于浅海工程的可行性。该高聚物可以根据不同的环境和强度需求进行设计，灵活应用于浅海隧道工程。

4) 由于试件大小、试验过程等与真实环境有一定差异，非水反应双组份聚氨酯高聚长期服役与浅海隧道工程的抗剪强度指标有待进一步研究。按其结果可知，抗剪强度指标随海水浸泡时间增加而变化，容易质疑其在海水中的应用，但综合考虑前人研究成果及其应用，其具有优良的防渗堵漏特性，及抗拉压、抗腐蚀特点，故认为此材料适合在浅海隧道工程中应用。