稀释剂对露天矿用聚氨酯加固材料结构及性能的影响

李福平

（国能准能集团科学技术研究院，内蒙古鄂尔多斯 010300）

煤炭资源作为我国重要基础能源和工业原材料，在国民经济体系中占据重要战略地位[1-4]。国家能源发展战略行动计划明确指出按照“安全、绿色、集约、高效”的原则，优先发展资源回收率高、生产能力大、安全性能好的露天煤矿[5-6]。然而，随着我国露天煤矿产能与数量的不断增加，相应的边坡稳定性问题日益凸显，直接影响露天煤矿安全生产与经济效益。

高台阶边坡崩塌、滑坡等稳定性问题，是露天矿开采过程中的常见问题，处理不当易造成作业人员与设备损伤[7]。高台阶边坡加固问题已经成为露天矿开采领域一项技术难题，而以往的治理方式如锚杆、锚索等造价高、时效性差、经济成本不理想。传统灌注水泥砂浆的方式尽管能够取得一定的加固效果，但由于水泥砂浆流动性差，扩散半径小，固化时间长，注浆实施难度较大，尤其不适合紧急情况的快速加固。若能够寻求一种有效提高破碎岩体整体强度（完整性），且扩散性能好、加固速度快、加固强度和水泥砂浆相当或超过水泥砂浆的化学加固材料，是有效抑制高台阶岩石垮落、保障未来露天煤矿安全平稳度过陷落带区域、缩短采煤周期提高开采效率的新途径[8-11]。

在化学注浆材料中，聚氨酯注浆材料具有粘度适中、固结体抗压强度高、抗渗性能好等优点，并且聚氨酯注浆材料质量轻、导热系数低、耐化学腐蚀，因此在环氧树脂、脲醛树脂、丙烯酰胺等众多化学注浆材料中独占鳌头[12-13]。目前，聚氨酯注浆材料不但用于地下工程的渗漏缝处理，而且在井下煤矿工程中获得了广泛的使用[14-15]。然而聚氨酯注浆材料在露天矿高台阶裂缝加固却几乎没有应用。

虽然聚氨酯材料已经逐渐普及于日常生活并广泛应用于各个领域之中，但对于稀释剂的添加及其导致的结构与性能方面的变化的研究还存在较少的经验和系统的研究。对于聚氨酯加固材料，由于聚氨酯粘结剂粘度较高，一般需要加入稀释剂，但国内外对于制备双组份聚氨酯注浆材料稀释剂加入所导致力学性能及结构变化的研究较少，仍留有一定的空白。本文通过加入不同含量的稀释剂来研究不同含量稀释剂对于双组份聚氨酯注浆材料的结构及力学性能的影响，以期为稀释剂对聚氨酯边坡加固材料结构及力学性能影响规律提供一定参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

异氰酸酯，山东烟台万华聚氨酯股份有限公司，工业级；聚醚多元醇，河北亚东化工有限公司，工业级；催化剂，国药集团化学试剂有限公司，化学纯；阻燃剂，青岛联美化工有限公司，工业级；稀释剂，青岛联美化工有限公司。

1.2 实验方案

先分别称取一定质量的聚醚多元醇，倒入烧杯，按照稀释剂所占比例0%、2.5%、5%、7.5%和10%称取稀释剂，分别倒入烧杯中，加入相同质量的催化剂和阻燃剂，均匀搅拌至与溶剂完全混合，室温静置30min，作为白料。称取一定质量异氰酸酯，作为黑料。将黑、白两组分置于模具中，高速搅拌使其均匀混合，最后成型，观察实验现象，五天后进行性能测试。

1.3 性能测试

按照煤矿加固岩体用高分子材料行业标准AQ-1089-2011进行力学性能测试。测试包括压缩强度、粘结强度、拉伸强度和剪切强度测试。测试在WDW-600C型液压万能试验机上进行。

红外测试：取固化后的样品研磨成粉，与氯化钾粉末混合压片，采用岛津IRAffinity-1S傅立叶变换红外光谱仪进行检测。

2 结果与讨论

2.1 稀释剂用量对力学性能的影响

稀释剂用量与材料拉伸性能的数据汇总见表1，将表中压缩强度、剪切强度和粘结强度数据绘制成曲线，如图1(a)所示，选取3个粘结件的拉伸曲线绘制如图1(b)所示。

表1 稀释剂用量与力学性能汇总表Table 1 Summary of diluent dosage and mechanical properties

图1 稀释剂用量对力学性能的影响曲线Fig. 1 Effect curve of diluent dosage on mechanical properties

从图1（a）可以看出，随着稀释剂用量的增多，压缩强度、剪切强度和粘结强度均呈下降趋势，其中压缩强度下降趋势最明显。从图1（b）可以看出，粘结试样的拉伸曲线可以看到明显的屈服平台，说明粘结位置产生了塑性变形，表明注浆材料固化后的固结体材料为典型的塑性材料。

为了获得稀释剂的加入是否对聚氨酯结构本身产生影响，进行了红外测试，结果如图2所示。从图2可以看出，5个样品官能团出现特征峰的的波数基本无重大变化，异氰酸根基团的特征峰波数在2276cm-1处，氨基甲酸酯特征峰在1732cm-1处，-OH官能团在3300cm-1。随着稀释剂的增加，氨基甲酸酯峰强度有所下降，这是因为稀释剂的加入代替了部分聚醚多元醇，造成反应物减少，因此生成的氨基甲酸酯的量相应减少，峰强度略有降低。

图2 聚氨注浆材料的傅里叶红外光谱图Fig. 2 Fourier infrared spectra of polyurethane grouting materials

2.2 稀释剂用量对聚氨酯浆料裂缝扩散性能的影响

（1）裂缝浆料自由流动模拟实验，见图3和图4。模拟裂缝宽度为2mm和4mm，倾斜角度分别为30°、50°和70°。倒入一定量浆料，让浆料自由流动。

图3 自由流动模拟外观图Fig.3 Free flow simulation appearance diagram

图4 自由流动扩散研究照片Fig. 4 Photograph of free flow diffusion study

（2）稀释剂用量对自由流动的影响

稀释剂比例分别为0%、2.5%、5%、7.5%和10%（占总体质量比），裂缝为2mm和4mm流动速度数据曲线图如图5所示。随着稀释剂用量增加，流动距离也显著增加。考虑到稀释剂过多会影响材料的力学性能以及老化性能，长期使用效果变差，因此加入量控制在10%及以下。在25℃环境中，加入10%稀释剂后浆料的自由流动性：2mm裂缝中，坡度为30°、50°和70°时扩散距离分别为105.1、182.3、330.6 cm；4mm裂缝中，坡度为30°、50°和70°时扩散距离分别为188.4、475.8、1415.2 cm。流动性显著增加，但是同时稀释剂加入量增加，固化时间也相应延长。

图5 稀释剂用量与自由流动距离的关系Fig. 5 Relationship between diluent content and free flow distance

稀释剂用量对反应时间的影响规律如图6所示。随着稀释剂用量的增加，反应时间呈现先缩短后延长的趋势。这主要是因为稀释剂的加入，降低了反应物粘度，使得反应物能够充分接触，但是过多的稀释剂会造成主反应物反应的官能团减少，从而使得反应速率降低。

图6 稀释剂用量对反应时间的影响规律Fig. 6 The effect law of diluent dosage on the reaction time

2.3 注浆模拟扩散研究

（1）注浆模拟流程

压力容器为内径9.5cm、壁厚1cm、高20cm的钢制圆筒，其顶端采用螺栓连接,并用橡皮圈密封，只开进料口。

将压力容器中加满不同规格的石头颗粒，尺寸及计算的孔隙见表2。由于石头颗粒形状不规则，假设石头颗粒为球形颗粒，以球形颗粒的缝隙模拟裂缝尺寸，具体算法见图7。鉴于石头颗粒松散程度不同，按照石灰石矿松散系数1.65~1.75，岩石松散系数1.65，土的松散系数为1.3。采用的为岩石颗粒，按照松散系数1.65进行计算修正。

图7 以球形颗粒的缝隙模拟裂缝尺寸Fig.7 Simulation of the crack size with gaps of spherical particles

表2 石头颗粒尺寸及孔隙数据Table 2 Stone particle size and pore data

注浆模拟过程如图8所示。

图8 注浆过程图Fig .8 Grout procedure diagram

（2）注浆模拟数据分析

①在注浆压力接近1的状态下进行注浆模拟实验，1kg/cm2=0.1MPa，数据见表3。

表3 1kg/cm2注浆模拟数据Table 3 Simulation grouting data of 1kg/cm2

②在注浆压力接近10的状态下进行注浆模拟实验，10kg/cm2=1MPa，数据见表4。

表4 10kg/cm2注浆模拟数据Table 4 Simulated grouting data of 10kg/cm2

③在注浆压力接近20的状态下进行注浆模拟实验，20kg/cm2=2MPa。在压力过大时，1号、2号、3号试样的没有注满，浆料就已经冒出，因此下部没有浆料（如图9所示），数据见表5。

表5 20kg/cm2注浆模拟数据Table 5 Simulation grouting data of 20kg/cm2

图9 注浆速度过快未充分渗透的图片Fig.9 Picture of excessive grouting speed and insufficient penetration

综上，在缝隙为0.066、0.264、1.073、2.392 mm的条件下，压力为10kg/cm2是压力为1kg/cm2的渗透速度的9.39、11.5、12.2、15倍。

3 结论

高台阶边坡加固问题已经成为露天矿开采领域一项技术难题，在众多加固材料中聚氨酯注浆材料具有粘度适中、固结体抗压强度高、抗渗性能好等优点，成为高台阶边坡加固的优选材料。本文通过加入不同含量的稀释剂来研究不同含量稀释剂对于双组份聚氨酯注浆材料的结构及力学性能的影响，结论如下。

（1）聚氨酯加固材料中稀释剂的含量并非越多越好，过量的稀释剂会导致双组份粘结剂的综合性能下降。黑料不变时，随着稀释剂含量的增加，试验试件的拉伸强度、剪切强度、压缩强度和粘结强度均呈下降趋势。

（2）由于稀释剂的加入代替了部分聚醚多元醇，造成了反应物的减少，因此生成的氨基甲酸酯的量也相应减少。

（3）在25℃环境中，加入10%稀释剂后浆料的自由流动性：2mm裂缝中，坡度为30°、50°和70°时扩散距离分别为105.1cm、182.3cm和330.6cm；4mm裂缝中，坡度为30°、50°和70°时扩散距离分别为188.4cm、475.8cm和1415.2cm。随着裂缝的增大，流动性显著增加。同时随着稀释剂加入量的增加，固化时间也相应延长。