聚氨酯高聚物材料的膨脹力試驗研究

潘艷輝

摘 要：通過室內(nèi)試驗，首先研制加工出測量聚氨酯高聚物材料膨脹力的試驗裝置，成功測得了該材料的膨脹力時間曲線和最大膨脹力密度關(guān)系曲線，并提出了膨脹力時間關(guān)系EF-T模型，為今后拓展該材料在工程中的應(yīng)用提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：聚氨酯；膨脹力；膨脹力時間曲線；膨脹力密度關(guān)系曲線；模型

1 前言

聚氨酯高聚物材料作為化學灌漿材料之一，不僅推動注漿技術(shù)的發(fā)展，也解決了很多用現(xiàn)有理論和傳統(tǒng)技術(shù)無法解決的工程問題。我國化學注漿技術(shù)的發(fā)展主要是伴隨著新中國成立后對三峽水利樞紐和長江流域規(guī)劃時，解決深厚覆蓋層防滲補強和壩體混凝土裂隙加固補強灌漿等課題發(fā)展起來的，先后在丹江口、葛洲壩等水利工程中取得了成功的應(yīng)用，同時研究出了多種注漿材料和注漿工藝。目前，注漿技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用范圍正逐步擴大，其工程性能也被越來越多的工程人員所接受。本文所選用的是一種雙組分聚氨酯注漿材料，在國外取得了75000多例成功的應(yīng)用，目前在國內(nèi)取得了近十個工程的成功應(yīng)用，盡管如此，注漿工程設(shè)計仍處于半理論、半經(jīng)驗狀態(tài)，展開對該材料基本性能的研究，對促進注漿技術(shù)的發(fā)展有著十分重要的意義。膨脹力是所選高聚物的一個顯著特點，該力的作用機理、力與時間、力與密度之間的關(guān)系，受技術(shù)專利方面的限制，在國外的文獻中也沒有詳細的記錄，而是以抬升效果對其進行間接控制。國內(nèi)先前也未展開這方面的研究工作，上述參數(shù)的獲得，對該技術(shù)應(yīng)用時，準確選擇施工工藝、確定注漿施工方案有著十分重要的作用。基于此，本文對高聚物材料的膨脹力時間關(guān)系及膨脹力密度進行了試驗研究。

2 試驗裝置及試驗過程

2.1 聚氨酯高聚物材料的特點

本試驗所選用的高聚物材料具有良好的工作性能：（1）反應(yīng)時間快，注漿后15分鐘之內(nèi)能達到其抗壓強度的90%，對基礎(chǔ)設(shè)施運營的影響較??；（2）物理力學性能優(yōu)良：抗壓強度高，該系列的最新一代的深層注漿材料的抗壓強度能達到10MPa；抗拉強度及彎曲強度也均隨密度的增加而顯著增大；（3）自身的穩(wěn)定性比較好，對周圍的土體和地下水體均無污染；（4）滲透系數(shù)很小，為10-8m/s，和粘土的滲透系數(shù)相當。（5）對原址處的土體的擾動很小，主要是由于材料的容重比較小，工程上長用的密度在150㎏/m?～300㎏/m?，不會引起周圍土體應(yīng)力的較為明顯的重新分布。（6）材料的最大膨脹力為一般樹脂的200倍，該力在加固下部基礎(chǔ)的同時，也能抬升上部結(jié)構(gòu)。

2.2 膨脹力試驗裝置的設(shè)計

結(jié)合本材料的工程應(yīng)用和現(xiàn)場觀察，需要解決的試驗裝置設(shè)計加工的最為關(guān)鍵的六個環(huán)節(jié)是高聚物材料的密封、隔熱、脫模、排氣、測試方法及試樣大小等。

在分析了直接測量和間接測量的利弊之后，選擇了用大量程的土壓力盒直接測量膨脹力的大小。圍繞土壓力盒這個主要測試元件，在解決了材料的前五個環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，考慮試驗結(jié)束后試樣的二次利用，參考美國水工混凝土抗壓規(guī)范確定試樣尺寸為直徑150mm，高300mm[3]。然后通過換算公式，可以得出類似于混凝土材料的抗壓強度，通過兩次試驗調(diào)整，成功的加工出了測量膨脹力的試驗裝置。試驗裝置由土壓力盒、法蘭盤、硅膠板、螺絲、塑料薄膜、檢測儀表、千斤頂?shù)冉M成。雖然該試驗裝置比較笨重，試驗過程勞動量相對較大，但是測量的效果還是比較明顯的。

2.3 試驗過程

材料的混合反應(yīng)迅速，體積不斷膨脹，在這個過程中，采用注漿槍數(shù)的不同來控制混合體的密度，借助多功能檢測儀器和秒表測量出膨脹力和時間之間的關(guān)系，試樣脫模后可對試樣稱重獲得最大膨脹力密度關(guān)系曲線。

每次試驗前首先測量土壓力盒的初始頻率和壓強，安裝試驗設(shè)備，注漿讀數(shù)，降溫后測量殘余壓力，脫模，再次測量土壓力盒的頻率，進行下一次試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

結(jié)合工程中常用組分比，試驗記錄了組分1：1情況下注漿開始后的5秒、10秒、15秒、20秒、25秒、30秒、35秒、40秒、45秒、50秒、55秒、60秒、3分、5分及10分鐘，對試驗過程中數(shù)據(jù)出現(xiàn)穩(wěn)定及下降的時刻也做好記錄，先后共記錄了22個試樣的膨脹力時間關(guān)系。試樣脫模后對經(jīng)白色試驗裝置成型的試樣稱重，計算得到每個試樣的密度，獲得了最大膨脹力密度之間的關(guān)系。

3.2 結(jié)果分析

通過對22個試樣膨脹力時間關(guān)系曲線的分析，發(fā)現(xiàn)35～45秒是膨脹力由快速增長到緩慢增長的一個轉(zhuǎn)折點。

通過對10分鐘內(nèi)膨脹力時間關(guān)系曲線的分析，可將其分為三個階段：第一階段膨脹力隨時間快速增長階段，第二階段力隨時間緩慢增長階段，第三階段力隨時間下降階段。

材料混合反應(yīng)的過程會逐步放出熱量，放出的熱量導致反應(yīng)的進一步加快，導致膨脹力的快速增加，達到一定的溫度平衡后，膨脹力的增加就緩慢下來，并隨著筒內(nèi)氣體的緩慢排除，膨脹力會不斷下降。

具體工程應(yīng)用中，材料接觸到的面積較大，散熱也比較容易，因此膨脹力下降階段在具體的工程應(yīng)用中對施工工藝的影響不是太大，可以不予考慮。第二階段膨脹力增長也比較緩慢，在實際工程中，材料反應(yīng)過程排擠空氣也十分容易，甚至可以排擠出地基中的地下水；材料在膨脹過程中，溫度增長相對溫和，為了計算和應(yīng)用上的方便，將這一階段簡化成一個水平穩(wěn)定階段。由此，可以建立起膨脹力時間曲線的模型，定名為EF-T模型。

材料混合反應(yīng)的過程不是一個十分均勻的過程，從脫模后試樣的顏色看來，試樣下端密度較大，上端密度較小，尤其對于中等密度試樣更為明顯，較大尺寸的試樣較好的減小了材料因為密度不均勻?qū)е屡蛎浟Τ霈F(xiàn)的離散現(xiàn)象。

4 結(jié)論與展望

通過對高聚物膨脹力特性的試驗研究，得到如下結(jié)論：

（1） 成功研制出了膨脹力試驗測量裝置，具有足夠的精度，可供同類材料膨脹力試驗時參考使用；

（2）得到了高聚物材料膨脹力隨時間變化的過程，并且將其簡化成EF-T模型，便于以后研究注漿工藝時的簡化計算；

（3）得到了膨脹力密度關(guān)系曲線，工程中常用的材料密度在所得曲線之內(nèi)；

對高聚物材料膨脹力力學性能的研究才剛剛起步，在今后的試驗過程中，應(yīng)該展開以下幾個方面的研究：

首先，借鑒巴萊特等人的研究方式，對膨脹力膨脹、擴散機理的研究，以加深對材料的理論研究；

其次，研究膨脹力作應(yīng)下土體的應(yīng)力應(yīng)變研究，可以更加深入的了解注漿效果和注漿工藝提出合理建議；

最后，積累工程數(shù)據(jù)，借助已經(jīng)獲得的EF-T模型，和膨脹力密度關(guān)系曲線構(gòu)建初步的巖土工程理論。

參考文獻

[1] 熊厚金，林天鍵，李寧.巖土工程化學[M].北京：科學出版社，2001.

[2] Technical notes and laboratory test results on the latest generation of the Uretek Geoplus expanding resin（R）.Carried out by Uretek Technical Staff in collaboration with Padua University IMAGE Department.

[3] Park R， Paulay T. Reinforced Concrete Structures. New York： John & Wiley， 1975

[4] 鄺鍵政，昝月穩(wěn)，王杰，杜嘉鴻.巖土注漿理論與工程實例 [M].北京：科學出版社，2001.