互穿网络型改性聚氨酯灌浆材料的开发及应用

谢丽丽，郑先军

（北京东方雨虹防水技术股份有限公司，北京101309）

化学灌浆是指将一定的化学材料（无机或有机材料）配制成溶液，用化学灌浆泵等压送设备将其灌入地层或缝隙内，使其渗透、扩散、胶凝或固化，以增加地层强度、降低地层渗透性、防止地层变形和进行混凝土建筑物裂缝修补的一项加固基础、防水堵漏和混凝土缺陷补强技术。聚氨酯灌浆材料是一种新型高分子材料[1-2]，它的主要成分是聚氨酯预聚体，该预聚体主要由多异氰酸酯和聚醚或聚酯多元醇制备得到，具有渗透性、粘结性、防水性能好等优点，已经得到广泛的应用。水玻璃是化学灌浆中应用最早的一种材料。大量的实践证明，水玻璃浆材在建筑物的防渗堵漏补强、地基加固、隧洞矿井止水固结等方面均得到广泛的应用，是一种较为理想的化学灌浆材料[3-4]。

地下矿山开采、隧道施工与运营，常会面临地面水和地下水通过裂隙、断层、塌陷区等各种通道涌出的危害，造成矿井、隧道水灾，对隧道施工和运营、矿业生产等造成安全威胁，同时带来巨大的经济损失。无机灌浆材料中的水玻璃具有可灌性好、价格低廉、货源充足、无毒和凝固时间可调节等优点，但是其固结强度和耐久性较差。有机灌浆材料中聚氨酯材料的活性大，与混凝土缝隙表面以及土壤、矿物颗粒有较强的粘接力，从而形成具有较好的弹性和强度整体结构，但是与无机浆料相比，易燃且其价格相对较高。

因此，本研究结合聚氨酯和水玻璃浆液各自的优点，通过将水玻璃材料转化为有机的硅氧链引入聚氨酯灌浆材料，在微观结构上形成一种互穿网络型结构[5-6]，既克服聚氨酯灌浆材料成本高、阻燃性差的缺点，又可以克服水玻璃浆材力学性能低的缺点。该新型材料应用于墙体裂缝修补防水，取得了良好的效果。

1 实 验

1.1 主要原料

异氰酸酯，德国巴斯夫公司；聚醚多元醇，山东蓝星东大化工有限责任公司；邻苯二甲酸二异壬酯，美国埃克森美孚公司；聚乙二醇，辽宁奥克化学股份有限公司，水玻璃溶液和四甲基脲，均为市售产品。

1.2 基本配方组成（见表1、表2）

表1 复合改性聚氨酯补强堵漏灌浆材料A组份配比

1.3 材料制备

A组份的制备：将一定量的水玻璃、聚乙二醇、四甲基脲等加入到四口烧瓶中，在常温下搅拌均匀后出料。

B组份的制备：将一定量的聚醚多元醇、邻苯二甲酸二异壬酯等加入到四口烧瓶中，装上温度计、搅拌器、真空脱水装置，加热至110～120℃，在真空度为-0.1 MPa条件下脱水2 h，解除真空，降温到70℃以下，加入计量的多异氰酸酯，升温至80～85℃反应3 h，降温后出料。

试样制备方法：A、B组份按体积比1∶1混合均匀，采用真空脱泡后，浇注于模具中，室温下固化24 h后脱模，在80℃下熟化4 h，取出后在标准条件下放置48 h。

1.4 性能测试

抗压强度按GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》中5.2进行测试，试件采用50 mm×50 mm×100 mm的方柱体或直径50 mm、高度100mm的圆柱体。拉伸强度按GB/T 2567—2008进行测试。按照GB/T 2794—2013《胶粘剂粘度的测定》测试浆液A、B组份混合后的初始黏度。粘结强度按照GB/T 7124—2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定》进行测试。氧指数按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 NCO含量对灌浆料固化物性能的影响

B组份中增塑剂邻苯二甲酸二异壬酯用量设定为15%时，通过异氰酸酯与聚醚多元醇的比例变化来调整NCO含量，考察NCO含量的变化对灌浆料固化物力学性能的影响。A、B组份按照体积比1∶1进行配制，固化物性能测试结果如表3所示。

表3 NCO含量对灌浆料固化物性能的影响

由表3可以看出，当NCO含量增加时，固化物的抗压强度和拉伸强度先提高后降低。这是由于随着NCO含量的增加，异氰酸酯的量不断加大，体系中含有较多能够提高聚氨酯材料强度的硬链段的含量[7]，因此导致固化物的强度不断提高。但是随着B组份中异氰酸酯含量过度时，提供材料柔韧性能的聚醚多元醇的量急剧减小，固化物开始呈现脆性，容易在外力作用下发生破坏，力学性能降低。当NCO含量为24.3%时，固化物的拉伸强度为13.2 MPa，抗压强度为45.0 MPa，较为适宜。

2.2 增塑剂用量对灌浆料固化物性能的影响

B组份中设定NCO含量为24.3%，考察增塑剂邻苯二甲酸二异壬酯用量对抗压强度和黏度的影响，结果见图1。

图1 增塑剂用量对灌浆料固化物性能影响

由图1可以看出，随增塑剂用量的增加，固化物的抗压强度和黏度逐渐降低。这是因为当NCO含量保持在24.3%不变的条件下，随着增塑剂用量的增加，B组份中聚醚多元醇用量逐渐减少，导致其与异氰酸酯反应形成的对强度提高和体系黏度增大的异氰酸酯预聚体的量也在减少。材料具有适宜的黏度是满足灌浆施工要求的关键，当增塑剂在B组份中用量为15%时，固化物的抗压强度为45.0 MPa，B组份的浆液黏度为110 mPa·s，满足灌浆施工需求。

2.3 催化剂用量对灌浆料固化物性能的影响

A组份中通过加入不同量的催化剂四甲基脲，研究催化剂用量对灌浆料固化物固化时间的影响，结果见表4。

表4 催化剂用量对灌浆料固化物固化时间的影响

由表4可以看出，随着催化剂用量的增加，浆液的固化时间迅速缩短，当催化剂在A组份中含量达到0.5%时，A、B组份混合反应剧烈，甚至导致材料微发泡[8]。在一般工程施工条件下，固化时间控制在4 min，即催化剂用量为0.2%时较为适宜，若需要较长施工时间，则可进一步调整催化剂用量。

2.4 增溶剂用量对灌浆料固化物性能的影响

对A组份中增溶剂聚乙二醇（PEG400）用量对抗压强度和拉伸强度的影响如表5所示。

表5 增溶剂用量对灌浆料固化物性能的影响

由表5可以看出，当聚乙二醇用量从0逐渐增加至3%时，材料的抗压强度和拉伸强度逐渐提高。但是当聚乙二醇用量继续增加至5%时，聚乙二醇已不能完全溶于水玻璃中，出现溶液分层现象，并导致A、B组份反应时因难以混合均匀，造成力学性能降低。当聚乙二醇用量增加至7%时，甚至导致水玻璃中出现凝胶体，溶液出现浑浊（如图2所示）。这可能是由于过量聚乙二醇的加入破坏了水玻璃溶液的饱和形态，造成水玻璃析出所致。可见，A组份中增溶剂聚乙二醇（PEG400）的用量为3%时较为适宜。

图2 A组份中聚乙二醇用量对水玻璃凝胶体的影响

2.5 综合性能

经以上研究，确定A组份最佳组成为：水玻璃96.8%，聚乙二醇3.0%，四甲基脲0.2%；B组份最佳组成为：多异氰酸酯81%，聚醚多元醇4%，邻苯二甲酸二异壬酯15%。对固化后的灌浆材料进行了物理化学性能测试，复合改性聚氨酯补强堵漏灌浆材料的抗压强度为47 MPa，拉伸强度为14 MPa，粘结强度为5.8 MPa，氧指数为32%。

2.6 工程应用情况

该工程位于长沙市，建筑功能为大型国际购物中心。地下空间墙体存在结构裂缝以及混凝土本体点漏、线漏等多种渗漏水现象。采用复合改性聚氨酯补强堵漏灌浆材料对裂缝及缺陷部位进行修复。A、B组份采用双液型高压灌浆机按照体积比1∶1进行施工。开始第一孔注浆时进行注浆压力试调，根据裂缝和地下水情况确定稳定注浆压力；试调压力时，压力从2.0MPa起压，逐渐上升，一般控制在15 MPa为理想压力。根据设定的注浆压力，当浆液在管内循环时，相邻孔出浆液时则该孔注浆成功，可转移邻近下一个注浆孔继续注浆；待树脂完全固化后，除去注浆嘴，并用环氧砂浆或快干水泥将基面封闭、抹平。维修部位至今无渗水、无湿渍现象，取得了良好的效果（见图3）。

图3 墙体裂缝修补施工

3 结论

重点研究了异氰酸酯、增塑剂、催化剂和增容剂的用量对固化后灌浆性能的影响，并研究了其综合性能以及工程应用情况。通过选用四甲基脲催化体系，在水玻璃组份中能够完全溶解，不分层，并且制备的固化物结构致密，不发泡。通过在水玻璃组份中引入聚乙二醇作为增溶剂，因其既可以溶于水玻璃，又可以与异氰酸酯相溶并反应的特性，有利于异氰酸酯和水玻璃组份混合均匀。在微观结构上形成了二氧化硅和聚氨酯的互穿网络，大大提高了固化物的物理力学性能。墙体裂缝修补的工程应用显示该复合互穿网络型复合改性聚氨酯灌浆材料具有良好的是施工和防水效果。