聚氨酯高聚物隧道注漿材料抗剪強度試驗研究*

馬 雪 王復(fù)明, 郭成超 張繼春

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610000； 2.中山大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510275；3.廣東省海洋土木工程重點實驗室 廣州 510275； 4.廣東省地下空間開發(fā)工程技術(shù)研究中心 廣州 510275)

相對于傳統(tǒng)的注漿材料，非水反應(yīng)雙組份聚氨酯高聚物具有質(zhì)量輕、早強、工期短、膨脹力大、防滲性能好、非開挖、無毒無害、不會發(fā)生霉變或腐爛等諸多優(yōu)點，已經(jīng)廣泛運用于各類工程建設(shè)和工程修復(fù)。王復(fù)明院士團隊結(jié)合我國道路、土石壩、給排水管道等基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)特點及病害特征，以非水反應(yīng)雙組份高聚物材料為基礎(chǔ)，研發(fā)出整套注漿系統(tǒng)及無損修復(fù)技術(shù)[1-2]。高聚物已在土石壩防滲、隧道堵水、道面修復(fù)、管道修復(fù)等[3-5]工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用，但鮮有聚氨酯高聚物材料應(yīng)用在淺海隧道的研究。前人研究主要關(guān)注聚氨酯高聚物拉壓彎及其動力性能，但較少關(guān)注高聚物抗剪強度。Beju等[6]用三軸壓縮試驗測試發(fā)泡聚苯乙烯高聚物，發(fā)現(xiàn)隨試件密度的增加，黏聚力對抗剪強度起主要貢獻，內(nèi)摩擦角增加值很小。顏行等[7]對不同膨脹比的高聚物進行了抗剪強度研究，得出膨脹比越低，內(nèi)摩擦角和黏聚力越高。已有的高聚物材料力學(xué)參數(shù)研究成果可滿足大部分工程應(yīng)用的需求，但在鹽堿淺海環(huán)境中聚氨酯高聚物抗剪強度是否穩(wěn)定，鮮有對其運用于淺海隧道時的參數(shù)研究，還需要完善部分聚氨酯高聚物參數(shù)。

非水反應(yīng)雙組份高聚物注漿材料應(yīng)用于巖土體環(huán)境，其力學(xué)性質(zhì)應(yīng)按照巖土力學(xué)的相關(guān)規(guī)定進行測試，才具有一定的可比性，且在淺海隧道環(huán)境中非水反應(yīng)雙組份聚氨酯高聚物材料屬于三軸受力狀態(tài)，高聚物內(nèi)部泡孔結(jié)構(gòu)間、高聚物與圍巖、結(jié)構(gòu)的接觸面上存在剪切作用，也存在海水水壓和海水溶解質(zhì)對高聚物的時間效應(yīng)作用。因此，本文主要采用巖土力學(xué)的測試方法，模擬淺海隧道環(huán)境，測試聚氨酯高聚物抗剪強度值的變化。為非水反應(yīng)雙組份高聚物在淺海隧道等工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供參數(shù)依據(jù)。

1 模擬條件和試件制備

為了模擬聚氨酯高聚物注漿材料應(yīng)用于淺海隧道工程時，其抗剪強度變化情況，本文模擬了海水環(huán)境及2種海水深度條件下的水壓環(huán)境。為了縮短試驗周期，提高了海水溶液質(zhì)量濃度，進行室內(nèi)加速試驗。

1.1 試件的制備

非水反應(yīng)雙組份聚氨酯高聚物試件采用對開模具制備，見圖1、圖2，模具內(nèi)徑50 mm、高150 mm。在注漿過程中，多元醇和異氰酸酯快速反應(yīng)并膨脹，膨脹體形狀多樣，考慮到本試驗既能滿足三軸剪切試驗要求，又能滿足膨脹體的多樣性，所以采用圓柱形和圓筒形試件，圓柱和圓筒形試件各42個。圓柱試件直徑尺寸均為(50±2.0) mm，試件的兩端切削平整，高為(100±2.0) mm；圓筒試件通過車床切削內(nèi)部直徑25 mm圓柱，形成環(huán)形壁厚為12.5 mm的圓筒試件。2種密度非常接近，密度略低的試件密度為220～223 kg/m3，密度略高的試件密度為227～228 kg/m3。高、低密度試件各42個。圓柱和圓筒試件模型見圖3。

圖1 模具對開

圖3 圓柱和圓筒試件樣(單位：mm)

1.2 海水環(huán)境模擬

為了模擬高聚物注漿材料在海相環(huán)境下力學(xué)性能衰變規(guī)律，本試驗根據(jù)美國ASTMD 1141-98(2013)《海洋水代替物標準》[8]，進行了海水溶液配置，采用了人工海水中質(zhì)量濃度較高的3種溶質(zhì)NaCl、MgCl2、Na2SO4進行海水溶液配置。本試驗采用5倍主要離子濃度的海水溶液進行室內(nèi)模擬加速試驗。人工模擬5倍海水溶液組成見表1，溶液密度為1 140 kg/m3。

表1 5倍離子濃度的海水溶液化學(xué)成分 g/L

1.3 水壓條件模擬

不同的海水深度對注漿材料的力學(xué)性能影響不同。因此，本試驗?zāi)M了2種水壓環(huán)境對材料抗剪強度的影響。文中，1 m和7 m的水壓分別稱為常水壓和高水壓。

水壓1 m的條件下，水頭高度為1 m。由于試件密度過小，密度在220～228 kg/m3之間，因此在試驗過程中，需將試件綁上混凝土塊墜入桶中，并加入配置好的5倍質(zhì)量濃度海水溶液，水頭高度為1 m。

為了模擬7 m水壓的海水環(huán)境，將試件壓入桶中，使5倍海水溶質(zhì)濃度的溶液沒過試件。在抽真空過程中，桶內(nèi)產(chǎn)生負壓，壓強為-0.08 MPa，即水壓0.08 MPa。根據(jù)液體壓強計算公式，計算得到深度為7 m，即用最大理論密度儀可模擬7 m水頭高度。為確保試件能持續(xù)獲得7 m水頭高度，每天進行抽真空操作，每次持續(xù)15 min。

2 抗剪強度試驗

對高聚物注漿材料分別在不同的恒定周圍壓力下，施加軸向壓力，進行剪切直至破壞，通過三軸試驗測定高聚物注漿材料的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，計算不同水壓環(huán)境下不同浸水齡期試件的抗剪強度參數(shù)，即黏聚力c，內(nèi)摩擦角φ。

2.1 儀器設(shè)備

試驗采用常規(guī)三軸試驗儀進行試件的抗剪強度測試。三軸試驗儀主要由壓力室、軸向加壓系統(tǒng)、圍壓施加系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)等組成。

2.2 試驗步驟

根據(jù)JTG E40-2007 《公路土工試驗規(guī)程》[9]對非水反應(yīng)雙組分聚氨酯高聚物進行不固結(jié)不排水三軸試驗。三軸試驗圍壓設(shè)置為3級，分別為100，200，300 kPa，以軸向應(yīng)變率1 mm/min施加荷載，當軸向壓力出現(xiàn)峰值后，停止試驗。

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理

參考JTG E20-2011 《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[10]中瀝青混合料抗剪強度試驗(三軸壓縮法)，抗剪強度參數(shù)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ可由規(guī)程中公式計算。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 圓柱試件試驗結(jié)果

在100,200,300 kPa 3種圍壓情況下，可分別得出剪切破壞時的最大主應(yīng)力σ，再繪制出一組極限應(yīng)力圓，并做出不同圍壓情況下的極限狀態(tài)的莫爾應(yīng)力圓的公切線，即為高聚物的莫爾-庫侖抗剪強度包絡(luò)線。由于篇幅所限，并未列出每個包絡(luò)線圖像得到的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

圖4、圖5為常水壓和高水壓試件強度參數(shù)變化。

圖4 常水壓圓柱形試件抗剪強度參數(shù)變化圖

圖5 高水壓圓柱形試件抗剪強度參數(shù)結(jié)果變化圖

由圖4、圖5可知，在常水壓環(huán)境條件下，密度為227～228 kg/m3的高密度圓柱試件，未浸泡時的內(nèi)摩擦角為23.9°，黏聚力為203.6 kPa；浸泡30 d后，內(nèi)摩擦角增大到25.5°，黏聚力減小為101.4 kPa。密度為220～223 kg/m3的低密度圓柱試件，未浸泡時的內(nèi)摩擦角為23.6°，黏聚力為183.4 kPa；浸泡30 d后，其內(nèi)摩擦角增大到25.3°，黏聚力減小為101.3 kPa。

高水壓條件下，浸泡10 d高密度圓柱試件的內(nèi)摩擦角為24°，黏聚力為146.2 kPa；浸泡30 d后，內(nèi)摩擦角增大到24.6°，黏聚力減小為96.2 kPa。浸泡10 d的低密度圓柱試件的內(nèi)摩擦角為24°，黏聚力為142.3 kPa；浸泡30 d后，其內(nèi)摩擦角增大到24.3°，黏聚力減小為80.4 kPa。圖4、圖5中部分節(jié)點出現(xiàn)拐點，可能是由于誤差所致，但內(nèi)摩擦角增加、黏聚力下降的趨勢不變。

3.2 圓筒試件試驗結(jié)果

同圓柱試件試驗方法相同，圓筒試件黏聚力c，內(nèi)摩擦角φ試驗結(jié)果見圖6和圖7。由圖6可見，在常水壓環(huán)境條件下，未浸泡的高密度圓筒試件的內(nèi)摩擦角為29°，黏聚力為114.1 kPa；浸泡30 d后，內(nèi)摩擦角增大到29.4°，黏聚力減小為82.6 kPa。未浸泡的低密度圓柱試件的內(nèi)摩擦角為28.5°，黏聚力為110 kPa；浸泡30 d后，其內(nèi)摩擦角增大到29.2°，黏聚力減小為65.2 kPa。

圖6 常水壓圓筒形試件抗剪強度參數(shù)結(jié)果變化圖

圖7 高水壓圓筒形試件抗剪強度參數(shù)結(jié)果變化圖

由圖7可見，高水壓條件下，密度為227～228 kg/m3的高密度圓筒試件，浸泡的10 d的內(nèi)摩擦角為29.4°，黏聚力為108 kPa；浸泡30 d后，內(nèi)摩擦角增大到29.4°，黏聚力減小為84.3 kPa；密度為220～223 kg/m3的低密度圓筒試件，浸泡10 d的內(nèi)摩擦角為29.1°，黏聚力為92.1 kPa；浸泡30 d后，其內(nèi)摩擦角增大到29.2°，黏聚力減小為59.1 kPa。

4 結(jié)語

1) 海水浸泡時間對非水反應(yīng)雙組份聚氨酯高聚物黏聚力的影響較大。在試驗的2種水壓下，隨浸泡時間增加，2種密度試件的黏聚力都出現(xiàn)衰減，內(nèi)摩擦角都略微增加。浸泡30 d，黏聚力平均減少約43.4%，內(nèi)摩擦角增加約1%。

2) 在水壓不同的情況下，同密度的圓柱和圓筒試件，黏聚力和內(nèi)摩擦角相差不大，但高水壓條件下，黏聚力的變化值約大于常水壓條件下黏聚力的變化值5%～10%，說明高水壓比常水壓對聚氨酯高聚物的黏聚力影響稍大。

3) 聚氨酯高聚物在淺海隧道中的應(yīng)用，除了考慮抗剪強度，還需考慮抗壓、抗疲勞、蠕變等其他力學(xué)特性,況且作為一種多孔型材料，其抗壓強度和彈性模量，對工程注漿更有指導(dǎo)意義。根據(jù)前人研究，非水反應(yīng)聚氨酯高聚物耐化學(xué)腐蝕穩(wěn)定性良好，而且在淺海應(yīng)用時，其阻尼比和動態(tài)彈性模量穩(wěn)定，其值并未隨著浸泡時間的增加出現(xiàn)衰減[11]，具有長期服役于淺海工程的可行性。該高聚物可以根據(jù)不同的環(huán)境和強度需求進行設(shè)計，靈活應(yīng)用于淺海隧道工程。

4) 由于試件大小、試驗過程等與真實環(huán)境有一定差異，非水反應(yīng)雙組份聚氨酯高聚長期服役與淺海隧道工程的抗剪強度指標有待進一步研究。按其結(jié)果可知，抗剪強度指標隨海水浸泡時間增加而變化，容易質(zhì)疑其在海水中的應(yīng)用，但綜合考慮前人研究成果及其應(yīng)用，其具有優(yōu)良的防滲堵漏特性，及抗拉壓、抗腐蝕特點，故認為此材料適合在淺海隧道工程中應(yīng)用。