水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料的制備及性能研究

楊元龍 ，陳緒港 ，曾娟娟 ，張文超 ，于方 ，吳龍梅

（1.中科院廣州化灌工程有限公司，廣東 廣州 510650；2.廣東省化學(xué)灌漿工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東 廣州 510650）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，近年來(lái)各地城市軌道交通保持高速發(fā)展勢(shì)頭。但高鐵隧道、地鐵車站、地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形縫滲漏水、施工縫滲漏水、結(jié)構(gòu)混凝土滲水、混凝土開裂仍然是軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中常遇到的問(wèn)題，目前治理這種病害最常用的方法是灌漿法。當(dāng)前各類工程中用于灌漿的材料主要有3大類：固粒灌漿材料、化學(xué)灌漿材料和精細(xì)礦物灌漿材料。各類灌漿材料組成不同，性能各異，使用效果也是良莠不齊[1-2]。

固粒灌漿材料中代表性的水泥基類灌漿材料，使用最廣泛，但其存在滲透性能差，易出現(xiàn)沉降、泌水、與舊混凝土的相容性差等現(xiàn)象；化學(xué)灌漿材料主要包括聚氨酯、環(huán)氧樹脂、丙烯酸鹽等灌漿材料，能灌入比較細(xì)微的縫隙，還能根據(jù)需要調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，在很多工程中比如軌道交通建設(shè)領(lǐng)域用于防滲堵漏、裂縫處理，混凝土補(bǔ)強(qiáng)堵漏等，效果良好[3-4]。但是聚氨酯灌漿材料的耐久性差，溶劑型環(huán)氧樹脂的毒性較大，無(wú)溶劑環(huán)氧樹脂的脆性較大，水性環(huán)氧樹脂的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度較低等也影響了化學(xué)灌漿材料最終的使用效果，引發(fā)了后續(xù)的維護(hù)問(wèn)題[5]。

這些成分相對(duì)單一的灌漿材料在性能上存有缺陷，往往單獨(dú)使用不能很好地滿足實(shí)際工程建筑施工的需要。目前也有很多文獻(xiàn)報(bào)道，多組份的灌漿材料按照一定比例混合，制備出復(fù)合型灌漿材料，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，效果良好[6-9]。但大多是雙組份的復(fù)合型灌漿材料，三組份的還比較少見[10-13]。本文同樣采用這種協(xié)同作用的思路，通過(guò)以合成的水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物乳液聚合物乳液為主劑加入固化劑、促進(jìn)劑、超細(xì)水泥等制備了三組份復(fù)合灌漿材料，并研究了其相關(guān)性能。利用分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，通過(guò)水性聚氨酯改性環(huán)氧樹脂，形成水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改善了環(huán)氧樹脂的柔韌性和耐沖擊性，保持了環(huán)氧灌漿材料優(yōu)良的粘結(jié)性能，同時(shí)采用超細(xì)水泥作為灌漿材料的骨架，使得水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)水分散乳液在固化過(guò)程中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，填料分散均勻，固結(jié)體密實(shí)，極大提高了固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和耐久性，保持了化學(xué)灌漿材料滲透性強(qiáng)、粘結(jié)力大、變形性好、密封性強(qiáng)的特點(diǎn)。通過(guò)相關(guān)的性能研究，這種復(fù)合型灌漿材料展現(xiàn)出了良好的性能和應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與試驗(yàn)儀器

水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物乳液：自制；二乙烯三胺：分析純，天津大茂化學(xué)試劑廠；聚醚胺（T403）：分析純，天津福晨化學(xué)試劑廠；促進(jìn)劑DMP-30：工業(yè)品，深圳市佳迪達(dá)化工有限公司；超細(xì)水泥：比表面積在600～800 m2/kg，平均粒徑10 μm以下，細(xì)度均一，無(wú)結(jié)塊，三獅特種水泥廠。

1.2 材料制備

（1）B組份的制備：將二乙烯三胺、聚醚胺T403和促進(jìn)劑DMP-30按照一定比例混合攪拌均勻得到B組份。

（2）水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料的制備：按照一定的質(zhì)量配比將A組份（自制水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物乳液）、B組份和C組份（超細(xì)水泥）混合：首先將B組份緩慢倒入A組份中，邊倒入邊攪拌，并充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?；然后將C組份添加到上述均勻混合液中進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁棺詈蟮玫降臐{液均勻，如此得到水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料。

1.3 性能測(cè)試方法

（1）黏度：采用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，按GB/T 2794—1995《膠粘劑粘度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。

（2）抗壓強(qiáng)度：采用WDW3020微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 2569—1995《樹脂澆鑄體壓縮性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

（3）初凝時(shí)間：按照J(rèn)C/T 1041—2007《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 乳液用量對(duì)復(fù)合灌漿材料性能的影響

在保持B組份和C組份含量不變的條件下，改變A組份乳液的加入量，測(cè)試水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料的性能，結(jié)果見表1。

表1 乳液用量對(duì)水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿料性能的影響

由表1可知：

（1）隨A組份乳液用量的增加，聚灰比增大，水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料漿液的黏度總體趨勢(shì)在降低。當(dāng)乳液用量處于較低水平時(shí)，漿液整體的聚灰比較小，難以發(fā)揮乳液的特性，超細(xì)水泥顆粒間的排斥作用受到限制，復(fù)合灌漿材料的黏度由于水泥水化反應(yīng)以及聚合物的粘結(jié)成膜作用而變大；而隨著A組份乳液摻量的增加，聚灰比增加時(shí)，超細(xì)水泥漿體被乳液融合，乳液的潤(rùn)滑特性和表面活性物質(zhì)的相互作用，使得復(fù)合灌漿材料漿液的黏度降低，流動(dòng)性明顯增大。

（2）3 d時(shí)，當(dāng)A組份乳液用量為4.0～7.0（與B組份的質(zhì)量比，下同），聚灰比在4.0～6.4之間，水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料的抗壓強(qiáng)度隨A組份乳液用量增加而有所提高，當(dāng)A組份乳液用量為7.0，聚灰比為6.4時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；而后隨著A組份乳液用量繼續(xù)增加，抗壓強(qiáng)度有所降低。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，到28d時(shí)，隨著A組份乳液用量的增大，聚灰比的增大，復(fù)合灌漿材料的抗壓強(qiáng)度提高，當(dāng)A組份乳液用量為7.0，聚灰比為6.4時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，隨后又有所降低。水性聚氨酯-環(huán)氧互穿乳液在復(fù)合系統(tǒng)中的潤(rùn)滑效應(yīng)、表面活性以及減水效應(yīng)，使得復(fù)合灌漿材料的抗壓強(qiáng)度升高。隨著超細(xì)水泥水化反應(yīng)吸收水分，A組份水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)水分散乳液和B組份固化體系通過(guò)固化反應(yīng)，漸漸形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膜。這種膜粘附于超細(xì)水泥水化產(chǎn)物、骨料表面，進(jìn)一步形成三維連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使復(fù)合灌漿材料的抗壓強(qiáng)度得到提高。如果A組份乳液摻量太大，抗壓強(qiáng)度反而降低，這可能由于乳液在復(fù)合系統(tǒng)中固化成膜后，由于摻量過(guò)大形成富集效應(yīng)，同時(shí)體系內(nèi)彈性模量的差異，使得復(fù)合灌漿材料的抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 超細(xì)水泥用量對(duì)復(fù)合灌漿材料性能的影響

在保持A組份和B組份用量不變的情況下，改變C組份超細(xì)水泥的用量，測(cè)試水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料的性能，結(jié)果見表2。

表2 超細(xì)水泥用量對(duì)水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿料性能的影響

由表2可知：

（1）隨著C組份超細(xì)水泥摻量的增加，水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料漿液的黏度總體趨勢(shì)在增加，由于隨著超細(xì)水泥摻量的增加，乳液在整個(gè)體系中的相對(duì)含量在減少，乳液自身特性被限制，超細(xì)水泥顆粒間的排斥作用減弱，使得復(fù)合灌漿材料的黏度增大。

（2）隨著C組份超細(xì)水泥用量的增加，在3 d和28 d齡期時(shí)，水性聚氨酯-環(huán)氧互穿超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。在A組份乳液和B組份固化體系用量一定的情況下，隨著C組份超細(xì)水泥用量的增加，水泥水化反應(yīng)吸收更多的水分，更加有利于A組份乳液和B組份固化體系在固化過(guò)程中形成三維連續(xù)的網(wǎng)狀聚合物膜。超細(xì)水泥用量的增加更加增強(qiáng)了體系的骨架支撐作用，這種膜粘附于超細(xì)水泥水化產(chǎn)物、骨料表面，形成三維連續(xù)的致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了體系的抗壓強(qiáng)度，使得復(fù)合灌漿材料的抗壓強(qiáng)度提高。但是隨著C組份超細(xì)水泥用量的增加，復(fù)合灌漿材料漿液的黏度也在增加，流動(dòng)性變差，可灌性變差。綜合來(lái)看，當(dāng)A組份（聚合物乳液）、B組份（固化體系）和C組份（超細(xì)水泥）的質(zhì)量比為7.0∶1.0∶1.25時(shí)，所制備的水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料，綜合性能最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究制備了三組份的水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)超細(xì)水泥復(fù)合灌漿材料，通過(guò)發(fā)揮三組份的協(xié)同效應(yīng)，采用超細(xì)水泥作為灌漿材料的骨架，使得水性聚氨酯-環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)水分散乳液在固化過(guò)程中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)各組份的相對(duì)含量，測(cè)試復(fù)合灌漿材料的相關(guān)物理性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A組份（聚合物乳液）、B組份（固化體系）和C組份（超細(xì)水泥）的質(zhì)量比為7.0∶1.0∶1.25時(shí)所制備的復(fù)合灌漿材料綜合性能最佳，黏度 156.8 mPa·s，初凝時(shí)間 60 min，3 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為30.8、51.6 MPa，漿體可灌性好，具有良好的應(yīng)用前景。