隧道加固用聚氨酯復合注漿材料制備及性能試驗分析

蔡順枝

摘要：研究新型注漿材料在隧道巖土體注漿加固中的注漿性能，室內利用聚氨酯漿材和水泥漿材，制備了聚氨酯/水泥基復合注漿材料，并對不同聚氨酯/水泥比和養護時間條件下的注漿結石體開展了水解試驗、力學試驗和細觀特征考察。結果表明，當養護時間較長時，隨著復合注漿材料中聚氨酯漿材含量的增加，注漿結石體的抗壓強度均呈現出逐漸減小的變化趨勢。在相同的聚氨酯/水泥比條件下，水解時間越長，則注漿結石體的抗壓強度越小。當注漿材料中不摻聚氨酯漿材時，經過24 h的水解試驗后，凝固后的水泥注漿材料結構明顯破壞；隨著聚氨酯：水泥比逐漸增加，水解后注漿結石體的水解破壞現象得到了顯著的改善，內部結構更加緊密。

關鍵詞：聚氨酯；水泥；復合注漿材料；抗壓強度；水解試驗

中圖分類號：TQ323.8；U414???????? 文獻標志碼：A????????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0114-04

Preparation and property analysis of polyurethane/cement based? grouting material in tunnel? grouting? reinforcement

CAI Shunzhi

（Guangzhou Zhongjiang Expressway Management Office of South Guangdong Communications，Jiangmen 529724，Guangdong China）

Abstract： To study the grouting performance of new grouting materials in grouting reinforcement of tunnel rock and soil mass，polyurethane/cement-based composite grouting materials areprepared by using polyurethane slurry and cement slurry in the laboratory. Then the hydrolysis test，mechanical test and microscopic characteristics observa- tionwerecarried out on the grouting stone body under the conditions of different polyurethane/cement ratio and cur- ing time. The results showed that：when the curing time was long，with the increase of polyurethane slurry content in the composite grouting material，the compressive strength of the grouting stone body showed a gradual decrease trend. Under the same polyurethane： cement ratio，the longer the hydrolysis timewas，the smaller the compressive strength of the grouting stone bodywouldbe. When the grouting material was not mixed with polyurethane slurry，the structure of the solidified cement grouting materialwas obviously damaged after 24 hours of hydrolysis test；With the gradual increase of polyurethane： cement ratio，the hydrolytic damage phenomenon of grouting stone body after hy- drolysis had been significantly improved，and the internal structurewas more compact.

Keywords： polyurethane；cement；composite grouting material；compressive strength；hydrolysis test

在巖土體注漿加固工程中，水泥注漿材料是最為常見的注漿材料。水泥注漿材料具有結石體強度高、價格便宜、注漿材料易獲得等優勢，因此被廣泛應用于巖土體加固工程中[1-4]。然而，水泥基注漿材料也存在一定的局限性，在特殊情況下不能適用。水泥漿液凝固時間長、強度發展緩慢、抗分散性差、不適于細微裂縫灌漿，因此，在地下隧道建設工程富水地質條件下巖土體注漿加固不能適用[5-7]。因此，通過改良水泥注漿材料提升其注漿性能具有廣闊的研發前景。

在巖土體加固工程中，化學注漿技術也是一種重要的技術手段[8-9]。其中，聚氨酯注漿材料工程性能優良，具有凝結速度快、能夠適用微裂縫注漿加固，因此應用最為廣泛。然而，聚氨酯注漿材料加固的結石體強度較低，仍存在一定的局限性，不能滿足工程建設需求[10-12]。

綜上所述，考慮利用聚氨酯注漿材料對水泥注漿材料進行改良，綜合二者的優良性能，具有較好的研發可能性。為研究新型注漿材料在隧道巖土體注漿加固中的注漿性能，室內利用聚氨酯漿材和水泥漿材，制備了聚氨酯/水泥基復合注漿材料，并對不同聚氨酯/水泥比和養護時間條件下的注漿結石體開展了水解試驗、力學試驗和細觀特征觀察。

1 試驗材料與方法

1.1 材料

本次試驗研究制備的聚氨酯/水泥注漿材料的主要原料，（1）主劑A：二苯甲烷二異氰酸酯（MDI）；（2）主劑B：環氧丙烷聚醚多元醇；（3）稀釋劑：丙酮；（4）催化劑：三乙醇胺；（5）緩凝劑：磷酸；（6）擴鏈劑：1，4丁二醇；（7）乳化劑：吐溫-80；（8）水泥：P ·O42.5普通硅酸鹽水泥。此外，研究所用砂土試樣為重塑砂土試樣，砂土試樣級配曲線如圖1所示。

由圖1可知，試樣屬于粉細砂，平均粒徑0.171 mm，不均勻系數1.77，曲率系數0.99，密度2.71 g/cm3。

1.2 注漿材料制備

參照大量現有研究成果，最終確定聚氨酯注漿材料的制備方法：將等量50 mL的二苯基甲烷二異氰酸酯（主劑A）和環氧丙烷聚醚（主劑B）均勻混合，加入一定量（1 mL）的三乙醇胺（催化劑）和1，4-丁二醇（擴鏈劑）等輔助劑后，將混合液液溶于一定量的丙酮（溶劑）溶液中，控制反應溫度在40～50℃ ， 制得聚氨酯預聚體，再將預聚體與其他附加劑混合配得漿液。

最后，再將聚氨酯預聚體和水泥以不同比例混合，得到新型聚氨酯/水泥復合注漿材料。

1.3 試驗方案

為研究注漿材料的工程性能，將制備得到的新型注漿材料注入砂土試樣中，并開展室內綜合試驗研究。首先，取水泥漿10 mL，并將不同體積2.5、5、7.5和10 mL的聚氨酯漿材分別加入水泥，則聚氨酯/水泥比分別為1∶4、1∶2、3∶4和1∶1；取等體積、不同水泥含量的混合漿材分別注入砂土試樣（標準試樣φ× H=40 mm×80 mm）中；此外，同時，設置空白對照組，僅向砂土試樣中注入與上述試驗組等體積的水泥注漿材料。此外，為研究養護時間對聚氨酯/水泥復合注漿材料性能的影響，同時設置了3個不同養護時間4、8和12 h下的注漿結石體力學性質試驗。試樣組編號及試驗設置具體如表1所示。

此外，由于地下隧道開挖常涉及到地下水問題，因此為研究水環境對注漿材料性能的影響，本次試驗設計了不同水解時間0、8、16和24 h下的注漿結石體無側限抗壓強度試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 混合比例影響

基于室內試驗，得出不同聚氨酯/水泥比條件下注漿結石體的無側限抗壓強度試驗結果如下圖2所示。

由圖2可知，養護時間和聚氨酯漿材摻量對于注漿結石體抗壓強度的影響較為復雜。當養護時間足夠長時，向水泥注漿材料中摻入一定量的聚氨酯漿材后，聚氨酯/水泥復合注漿材料對砂土體的加固效果要劣于水泥注漿材料。以對照試驗組（0∶1）和A組（1∶4）為例，當養護時間達到12 h后，2組注漿結石體的試樣的抗壓強度分別為6.52、5.44 MPa，A組抗壓強度較對照組降低11.66%。當養護齡期較長時，隨著復合注漿材料中聚氨酯漿材含量的增加，注漿結石體的抗壓強度均呈現出逐漸減小的變化趨勢，但減小速率越來越慢。以對照組為比較對象，當養護時間為12 h，聚氨酯/水泥比值分別為1∶4、1∶2、3∶4和1∶1時，其抗壓強度降低率分別達到16.56%、20.55%、24.54%和26.07%。分析認為，對于復合注漿材料加固結石體而言，隨著注漿材料中水泥漿體含量的增加，參與水化反應和與異氰酸酯交聯反應的水分比例增大，水化產物增加，固結體交聯密度提高，力學性能也隨之改善。此外，聚氨酯漿材凝固結石體的強度也明顯低于水泥結石體強度，因此，復合注漿材料中聚氨酯漿材的摻量越大，則注漿材料加固結石體的抗壓強度越低，但強度的降低幅度不大。

2.2 養護齡期影響

根據現有研究成果可知，盡管在巖土體加固中水泥注漿材料中具有價格便宜、凝固體強度高等優點，但其漿液凝固時間長、強度發展緩慢、抗分散性差、不適于細微裂縫灌漿等缺點，不能較好的適用到地下富水環境隧道的注漿加固工作中。而聚氨酯注漿材料凝結速度快、能夠適用微裂縫，因此，利用聚氨酯材料對水泥注漿材料進行改良，具有重要意義。進一步分析養護時間對復合注漿材料加固性能的影響，不同養護時間下結石體抗壓強度如圖3所示。

從圖3可知，盡管對于不同聚氨酯/水泥比條件下，各組結石體的強度均隨著養護時間的增大而增大，但不同條件下其變化趨勢具有很大的差異。對于水泥注漿材料（0∶1），當養護時間僅為4 h時，結石體抗壓強度要低于試驗組，其抗壓強度僅達到0.52 MPa。由此可見，復合注漿材料結合了聚氨酯漿材膠凝時間短、滲透性強的優點和水泥漿強度高的優點，在富水低質或搶修條件下，水泥/聚氨酯復合注漿材料的應用前景廣闊。

2.3? 固砂體水解試驗

表2展示了不同聚氨酯/水泥比和水解時間條件下注漿結石體的無側限抗壓強度試驗結果。

由表2可知，在相同的聚氨酯/水泥比條件下，水解時間越長，則注漿結石體的抗壓強度越小。以聚氨酯/水泥比為1∶4的試驗組為例，不同浸水時間下，注漿結石體的抗壓強度分別為5.44、4.84、3.57和2.63 MPa。分析認為，這是由于水分會導致注漿結石體內部結構變得松散，凝膠體被軟化，因此浸水時間越長，注漿結石體的抗壓強度變小。

進一步分析聚氨酯/水泥比對注漿結石體抗壓強度的影響，由表2所示可知，在聚氨酯/水泥比和浸水時間的雙重影響下，注漿結石體的強度變化規律不明顯。因此，引入參數強度衰減率（馬）深入分析聚氨酯/水泥比對注漿結石體抗壓強度的影響。其中，參數強度衰減率表示浸水后試樣相對于未浸水試樣的強度降低幅度百分比。由此可見，隨著聚氨酯/水泥比的增大，注漿結石體的最終強度衰減率逐漸減小，分別為51.65%、43.59%、28.48%和35.93%。分析認為，這是由于聚氨酯材料自身固有的強度優勢及其在防水堵漏工程中良好的耐水性能，因此即使是在水解時間達24 h后，其抗壓強度仍然較高。由此可見，聚氨酯/水泥注漿材料的防水性佳，能夠適用于用于隧道開挖富水地層的注漿加固工程。

2.4 細觀特征對比

室內利用光學顯微鏡對水解破壞后的注漿結石體進行細觀特征觀察，深入研究聚氨酯摻量對結石加固體力學性質的影響，結果如圖4所示。

由圖4可知，當注漿材料中不摻聚氨酯時，經過24 h的水解試驗后，試樣的截面出現明顯的破壞現象，凝固后的水泥注漿材料結構明顯破壞；而隨著聚氨酯：水泥比逐漸增加，水解后注漿結石體的水解破壞現象得到了顯著的改善，結石體顆粒間的空隙填充也更加充足，內部結構也更加緊密。細觀特征觀察也解釋了注漿結石體的最終強度衰減率隨著聚氨酯/水泥比的增大逐漸減小的現象。顯然，聚氨酯材料的摻入提高了復合注漿材料的耐水性。

3 結語

（1）當養護時間較長時，隨著復合注漿材料中聚氨酯漿材含量的增加，注漿結石體的抗壓強度均呈現出逐漸減小的變化趨勢，但減小速率越來越慢。以對照組為參照對象，當養護時間為12 h，聚氨酯/水泥比值分別為1∶4、1∶2、3∶4和1∶1時，其抗壓強度降低率分別達到16.56%、20.55%、24.54%和26.07%；

（2）復合注漿材料結合了聚氨酯漿材膠凝時間短，不同聚氨酯/水泥比條件下，各組結石體的強度均隨著養護時間的增大而增大，但對于水泥注漿材料，當養護時間僅為4 h時，結石體抗壓強度要低于試驗組，其抗壓強度僅達到0.52 MPa；

（3）在相同的聚氨酯/水泥比條件下，水解時間越長，則注漿結石體的抗壓強度越小。以聚氨酯/水泥比為1∶4的試驗組為例，不同浸水時間下，注漿結石體的抗壓強度分別為5.44、4.84、3.57和及2.63 MPa。隨著聚氨酯/水泥比的增大，注漿結石體的最終強度衰減率逐漸減小，分別為51.65%、43.59%、28.48%和35.93%；

（4）當注漿材料中不摻聚氨酯時，經過24 h的水解試驗后，試樣的截面出現明顯的破壞現象，凝固后的水泥注漿材料結構明顯破壞；而隨著聚氨酯：水泥比逐漸增加，水解后注漿結石體的水解破壞現象得到了顯著的改善，結石體顆粒間的空隙填充也更加充足，內部結構也更加緊密。

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