复合聚氨酯注浆材料性能试验分析

赵建阳

(煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013)

矿井在地面勘探钻孔作业时，经常遇到钻进至地层某一层位时，孔内返水、返渣量增大的情况，这主要是因为向地层深部钻进期间，揭露带压含水层，或是揭露导水性较强的断裂构造，水和泥沙涌入裂隙，造成返水、返渣量增大。在此情况下，通常采用正压注浆方法将注浆材料灌入裂隙当中，实现出水点的堵漏。为降低材料成本，加快施工进度，注浆材料多采用水泥砂浆搅拌而成，依靠水泥粘结作用和大颗粒的沙砾进行混合充填，对较大裂隙治理效果明显，但细小裂隙仍然无法堵漏，会成为主要导水通道[1-2]。基于此，选用经水玻璃和纳米二氧化硅改良混合的复合聚氨酯材料作为主要堵漏止水剂，可以取得良好的治理效果。

1 试验材料及设备

聚氨酯材料具有较强的粘结性，可附着在任意材质的物体表面。即使在有水参与的环境中，是依然能够产生反应膨胀。其与水反应生成二氧化碳气体，经反应完全冷却凝固后，在固体表面形成诸多孔状结构，硬化层可阻断水流作用，起到良好封闭隔水效果。使用聚氨酯封孔注浆时，在用量与泵压足够的条件下，依靠自身良好的液态流动性，以及反应产生的气体作用，在裂隙有限的空间内，气体压力不断上升，产生正向压力，将多余液体浆挤入细小裂隙中，达到完全充填的效果[3]。本文将水玻璃、纳米二氧化硅材料作为聚氨酯材料力学性能的改良剂，制备复合注浆材料用于矿井水害治理。

1.1 实验原料

为在实验室条件下进一步研究复合注浆材料的性能，利用试验确定更合理的科学配比，选用聚醚多元醇(330)、水玻璃(波美度为50～51)、纳米二氧化硅(粒径为 15 nm)等材料作为主要原料，搭配异氰酸酯(MDI-50)、二月桂酸二丁基锡催化剂、S-4308B型消泡剂等为添加辅料进行配比试验。

1.2 实验设备

实验室设备配置有DNS200万能试验机、JJ-1型电动搅拌机、电子天平、溶液胶头滴管、温度计、玻璃杯、烧杯、塑料模具等。实验室设备如图1所示。

(a)DNS200万能试验机 (b)JJ-1型电动搅拌机图1 实验室设备

2 实验方案制定

2.1 正交试验

复合注浆材料主要分为聚氨酯材料、纳米二氧化硅、催化剂、水玻璃等四部分，对聚氨酯性能产生影响的因素在于后三者的配比，对应影响因子标记为A、B、C。对样品压缩强度、凝结时长和反应最高温度等参数影响进行分别配对试验。正交点影响因素排列如表1所示。

表1 正交点影响因素排列表

2.2 试验样品

在实验室条件下，将已选取的聚氨酯原料与催化剂、消泡剂和辅助原料等按照表1中的配比分别进行混合，在室温下低速匀速搅拌，30 min 后静置存放，作为调制复合注浆材料的基料(A料)；然后将异氰酸酯(MDI-50)与聚醚多元醇以1∶1等比混合搅拌，混合浆液作为B料。将得到的两种混合浆液分别倒入容器规格为长 70 mm×宽 70 mm×高 70 mm 的标准模具中，为便于取平均值，每种浆液制作3个相同模具样品。在发生化学反应过程中，详细测量并记录反应过程中释放的最高温度，以及从制成混合液成品到初凝阶段的时长，反应完全成为固态样品后从模具中取出，开始压缩体积达到50%条件下的强度试验，压缩速率设定在 10 mm/min，取结果均值。

3 结果分析

3.1 试验数据极差分析

根据表1中制定的试验方案，将16个正交点与3个影响因子质量分数进行不同排列组合，分别观察对样品压缩强度、凝结时长和反应最高温度等参数的结果。影响因素正交试验结果如表2所示，极差计算分析结果如表3所示。

表2 影响因素正交试验结果

表3 极差计算分析结果

结合表2和表3中的试验数据分析：水平指标均值中在压缩强度、凝结时长和反应最高温度等三个方面的表现均是A>B>C，即反应效果为纳米二氧化硅优于催化剂，催化剂优于水玻璃。但试验注浆材料是为提高成品的压缩强度，因此，单一指标最好的方案为A2、B2和C3。结合表1中影响因素质量分数数据，确定混合浆液中纳米二氧化硅质量分数2%、催化剂质量分数0.16%和水玻璃质量分数12%的配比方案。

3.2 不同材料影响机理分析

针对上述试验中不同配比得到试验结果不同，分别对纳米二氧化硅、催化剂和水玻璃等材料对样品力学性质、反应产生温度及初凝时间等影响原理简要分析。

1)纳米二氧化硅。初凝时长与纳米二氧化硅添加剂量成反比关系，添加量越高，初凝时长反而降低；反应最高温度与压缩强度呈现折线升高后降低现象，当纳米二氧化硅质量分数达2%时，最大压缩强度达 14.705 MPa；但若继续加大添加量，随着密度升高，与异氰酸酯和水玻璃等辅料呈现不均匀混合，接触面积减小，反而抑制化学反应的进行，导致压缩强度出现拐点后开始降低。

2)催化剂。催化剂可增强反应烈度，释放更多热量，以缩短反应时间。当催化剂质量分数达到0.16%时，压缩强度达到 10.877 MPa，但若继续添加，则加快反应强度，促使凝胶未达到理想压缩强度时便提前凝固，从而降低凝聚后的聚氨酯固态抗压强度，且在此过程中多余释放的热量未能参与到凝结反应中，导致热量不断积聚，存在封闭空间爆炸和燃烧的风险。

3)水玻璃。通过添加水玻璃可缩短初凝反应时间，同时增强混合浆液的黏稠度和比重，抑制过多二氧化碳气体的产生，减少凝固后表面的孔洞结构。当添加质量分数达到12%时，抗压强度达到 10.317 MPa，但若继续添加，则促进热量释放和二氧化碳的生成，当气泡发生破裂后，聚氨酯固体内部抗压强度下降，且由于加速凝固，导致液体未能充分进入裂隙便开始凝固，降低堵漏止水的实际效果。

4 应用效果分析

按照纳米二氧化硅质量分数2%、催化剂质量分数0.16%和水玻璃质量分数12%的最佳配比方案制取混合浆液，倒入直径为 50 mm，深度为 70 mm 的标准模具中，常温下正常养护 15 d，然后倒出样品1，同样条件下使用水泥砂浆制取养护后得到样品2。对两种样品渗水率进行测定，以 1000 mL 水量为标准，计算渗漏所需时长和流量，测定结果如表4所示，制取样品如图2所示。

表4 注浆前后样品渗水率测定

(a)注浆前试件 (b)注浆后试件 图2 注浆前后制取样品模块

经过采用复合材料注浆后，试验模块2的渗水时间明显延长，渗流量小于使用纯水泥砂浆材料，并将堵水率提升到54.8%～68.44%，对导水裂隙具有显著堵漏效果。

5 结论

1)通过3因素4水平正交试验16组试验方案的制定，针对试验样品抗压强度进行分析，得到复合注浆材料中纳米二氧化硅质量分数2%、催化剂质量分数0.16%和水玻璃质量分数12%的最佳配比方案。

2)经过不同材料添加量对浆液反应温度、压缩强度和初凝时间等的影响机理分析，验证最佳配比方案的合理性，指出添加剂使用过量情况下，对化学反应起到的抑制效果及危险程度。对优化配比后的复合注浆材料和纯水泥砂浆分别制作样品模块进行渗水和时间观测，得到注浆改造后模块将堵水率提高54.8%～68.44%，能有效实现导水裂隙的封堵。