互穿網絡型改性聚氨酯灌漿材料的開發及應用

謝麗麗，鄭先軍

（北京東方雨虹防水技術股份有限公司，北京101309）

化學灌漿是指將一定的化學材料（無機或有機材料）配制成溶液，用化學灌漿泵等壓送設備將其灌入地層或縫隙內，使其滲透、擴散、膠凝或固化，以增加地層強度、降低地層滲透性、防止地層變形和進行混凝土建筑物裂縫修補的一項加固基礎、防水堵漏和混凝土缺陷補強技術。聚氨酯灌漿材料是一種新型高分子材料[1-2]，它的主要成分是聚氨酯預聚體，該預聚體主要由多異氰酸酯和聚醚或聚酯多元醇制備得到，具有滲透性、粘結性、防水性能好等優點，已經得到廣泛的應用。水玻璃是化學灌漿中應用最早的一種材料。大量的實踐證明，水玻璃漿材在建筑物的防滲堵漏補強、地基加固、隧洞礦井止水固結等方面均得到廣泛的應用，是一種較為理想的化學灌漿材料[3-4]。

地下礦山開采、隧道施工與運營，常會面臨地面水和地下水通過裂隙、斷層、塌陷區等各種通道涌出的危害，造成礦井、隧道水災，對隧道施工和運營、礦業生產等造成安全威脅，同時帶來巨大的經濟損失。無機灌漿材料中的水玻璃具有可灌性好、價格低廉、貨源充足、無毒和凝固時間可調節等優點，但是其固結強度和耐久性較差。有機灌漿材料中聚氨酯材料的活性大，與混凝土縫隙表面以及土壤、礦物顆粒有較強的粘接力，從而形成具有較好的彈性和強度整體結構，但是與無機漿料相比，易燃且其價格相對較高。

因此，本研究結合聚氨酯和水玻璃漿液各自的優點，通過將水玻璃材料轉化為有機的硅氧鏈引入聚氨酯灌漿材料，在微觀結構上形成一種互穿網絡型結構[5-6]，既克服聚氨酯灌漿材料成本高、阻燃性差的缺點，又可以克服水玻璃漿材力學性能低的缺點。該新型材料應用于墻體裂縫修補防水，取得了良好的效果。

1 實 驗

1.1 主要原料

異氰酸酯，德國巴斯夫公司；聚醚多元醇，山東藍星東大化工有限責任公司；鄰苯二甲酸二異壬酯，美國埃克森美孚公司；聚乙二醇，遼寧奧克化學股份有限公司，水玻璃溶液和四甲基脲，均為市售產品。

1.2 基本配方組成（見表1、表2）

表1 復合改性聚氨酯補強堵漏灌漿材料A組份配比

1.3 材料制備

A組份的制備：將一定量的水玻璃、聚乙二醇、四甲基脲等加入到四口燒瓶中，在常溫下攪拌均勻后出料。

B組份的制備：將一定量的聚醚多元醇、鄰苯二甲酸二異壬酯等加入到四口燒瓶中，裝上溫度計、攪拌器、真空脫水裝置，加熱至110～120℃，在真空度為-0.1 MPa條件下脫水2 h，解除真空，降溫到70℃以下，加入計量的多異氰酸酯，升溫至80～85℃反應3 h，降溫后出料。

試樣制備方法：A、B組份按體積比1∶1混合均勻，采用真空脫泡后，澆注于模具中，室溫下固化24 h后脫模，在80℃下熟化4 h，取出后在標準條件下放置48 h。

1.4 性能測試

抗壓強度按GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》中5.2進行測試，試件采用50 mm×50 mm×100 mm的方柱體或直徑50 mm、高度100mm的圓柱體。拉伸強度按GB/T 2567—2008進行測試。按照GB/T 2794—2013《膠粘劑粘度的測定》測試漿液A、B組份混合后的初始黏度。粘結強度按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定》進行測試。氧指數按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》進行測試。

2 結果與討論

2.1 NCO含量對灌漿料固化物性能的影響

B組份中增塑劑鄰苯二甲酸二異壬酯用量設定為15%時，通過異氰酸酯與聚醚多元醇的比例變化來調整NCO含量，考察NCO含量的變化對灌漿料固化物力學性能的影響。A、B組份按照體積比1∶1進行配制，固化物性能測試結果如表3所示。

表3 NCO含量對灌漿料固化物性能的影響

由表3可以看出，當NCO含量增加時，固化物的抗壓強度和拉伸強度先提高后降低。這是由于隨著NCO含量的增加，異氰酸酯的量不斷加大，體系中含有較多能夠提高聚氨酯材料強度的硬鏈段的含量[7]，因此導致固化物的強度不斷提高。但是隨著B組份中異氰酸酯含量過度時，提供材料柔韌性能的聚醚多元醇的量急劇減小，固化物開始呈現脆性，容易在外力作用下發生破壞，力學性能降低。當NCO含量為24.3%時，固化物的拉伸強度為13.2 MPa，抗壓強度為45.0 MPa，較為適宜。

2.2 增塑劑用量對灌漿料固化物性能的影響

B組份中設定NCO含量為24.3%，考察增塑劑鄰苯二甲酸二異壬酯用量對抗壓強度和黏度的影響，結果見圖1。

圖1 增塑劑用量對灌漿料固化物性能影響

由圖1可以看出，隨增塑劑用量的增加，固化物的抗壓強度和黏度逐漸降低。這是因為當NCO含量保持在24.3%不變的條件下，隨著增塑劑用量的增加，B組份中聚醚多元醇用量逐漸減少，導致其與異氰酸酯反應形成的對強度提高和體系黏度增大的異氰酸酯預聚體的量也在減少。材料具有適宜的黏度是滿足灌漿施工要求的關鍵，當增塑劑在B組份中用量為15%時，固化物的抗壓強度為45.0 MPa，B組份的漿液黏度為110 mPa·s，滿足灌漿施工需求。

2.3 催化劑用量對灌漿料固化物性能的影響

A組份中通過加入不同量的催化劑四甲基脲，研究催化劑用量對灌漿料固化物固化時間的影響，結果見表4。

表4 催化劑用量對灌漿料固化物固化時間的影響

由表4可以看出，隨著催化劑用量的增加，漿液的固化時間迅速縮短，當催化劑在A組份中含量達到0.5%時，A、B組份混合反應劇烈，甚至導致材料微發泡[8]。在一般工程施工條件下，固化時間控制在4 min，即催化劑用量為0.2%時較為適宜，若需要較長施工時間，則可進一步調整催化劑用量。

2.4 增溶劑用量對灌漿料固化物性能的影響

對A組份中增溶劑聚乙二醇（PEG400）用量對抗壓強度和拉伸強度的影響如表5所示。

表5 增溶劑用量對灌漿料固化物性能的影響

由表5可以看出，當聚乙二醇用量從0逐漸增加至3%時，材料的抗壓強度和拉伸強度逐漸提高。但是當聚乙二醇用量繼續增加至5%時，聚乙二醇已不能完全溶于水玻璃中，出現溶液分層現象，并導致A、B組份反應時因難以混合均勻，造成力學性能降低。當聚乙二醇用量增加至7%時，甚至導致水玻璃中出現凝膠體，溶液出現渾濁（如圖2所示）。這可能是由于過量聚乙二醇的加入破壞了水玻璃溶液的飽和形態，造成水玻璃析出所致。可見，A組份中增溶劑聚乙二醇（PEG400）的用量為3%時較為適宜。

圖2 A組份中聚乙二醇用量對水玻璃凝膠體的影響

2.5 綜合性能

經以上研究，確定A組份最佳組成為：水玻璃96.8%，聚乙二醇3.0%，四甲基脲0.2%；B組份最佳組成為：多異氰酸酯81%，聚醚多元醇4%，鄰苯二甲酸二異壬酯15%。對固化后的灌漿材料進行了物理化學性能測試，復合改性聚氨酯補強堵漏灌漿材料的抗壓強度為47 MPa，拉伸強度為14 MPa，粘結強度為5.8 MPa，氧指數為32%。

2.6 工程應用情況

該工程位于長沙市，建筑功能為大型國際購物中心。地下空間墻體存在結構裂縫以及混凝土本體點漏、線漏等多種滲漏水現象。采用復合改性聚氨酯補強堵漏灌漿材料對裂縫及缺陷部位進行修復。A、B組份采用雙液型高壓灌漿機按照體積比1∶1進行施工。開始第一孔注漿時進行注漿壓力試調，根據裂縫和地下水情況確定穩定注漿壓力；試調壓力時，壓力從2.0MPa起壓，逐漸上升，一般控制在15 MPa為理想壓力。根據設定的注漿壓力，當漿液在管內循環時，相鄰孔出漿液時則該孔注漿成功，可轉移鄰近下一個注漿孔繼續注漿；待樹脂完全固化后，除去注漿嘴，并用環氧砂漿或快干水泥將基面封閉、抹平。維修部位至今無滲水、無濕漬現象，取得了良好的效果（見圖3）。

圖3 墻體裂縫修補施工

3 結論

重點研究了異氰酸酯、增塑劑、催化劑和增容劑的用量對固化后灌漿性能的影響，并研究了其綜合性能以及工程應用情況。通過選用四甲基脲催化體系，在水玻璃組份中能夠完全溶解，不分層，并且制備的固化物結構致密，不發泡。通過在水玻璃組份中引入聚乙二醇作為增溶劑，因其既可以溶于水玻璃，又可以與異氰酸酯相溶并反應的特性，有利于異氰酸酯和水玻璃組份混合均勻。在微觀結構上形成了二氧化硅和聚氨酯的互穿網絡，大大提高了固化物的物理力學性能。墻體裂縫修補的工程應用顯示該復合互穿網絡型復合改性聚氨酯灌漿材料具有良好的是施工和防水效果。