互穿網(wǎng)絡(luò)型改性聚氨酯灌漿材料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

謝麗麗，鄭先軍

（北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京101309）

化學(xué)灌漿是指將一定的化學(xué)材料（無(wú)機(jī)或有機(jī)材料）配制成溶液，用化學(xué)灌漿泵等壓送設(shè)備將其灌入地層或縫隙內(nèi)，使其滲透、擴(kuò)散、膠凝或固化，以增加地層強(qiáng)度、降低地層滲透性、防止地層變形和進(jìn)行混凝土建筑物裂縫修補(bǔ)的一項(xiàng)加固基礎(chǔ)、防水堵漏和混凝土缺陷補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。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(yù)聚體，該預(yù)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(jié)性、防水性能好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。水玻璃是化學(xué)灌漿中應(yīng)用最早的一種材料。大量的實(shí)踐證明，水玻璃漿材在建筑物的防滲堵漏補(bǔ)強(qiáng)、地基加固、隧洞礦井止水固結(jié)等方面均得到廣泛的應(yīng)用，是一種較為理想的化學(xué)灌漿材料[3-4]。

地下礦山開(kāi)采、隧道施工與運(yùn)營(yíng)，常會(huì)面臨地面水和地下水通過(guò)裂隙、斷層、塌陷區(qū)等各種通道涌出的危害，造成礦井、隧道水災(zāi)，對(duì)隧道施工和運(yùn)營(yíng)、礦業(yè)生產(chǎn)等造成安全威脅，同時(shí)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。無(wú)機(jī)灌漿材料中的水玻璃具有可灌性好、價(jià)格低廉、貨源充足、無(wú)毒和凝固時(shí)間可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，但是其固結(jié)強(qiáng)度和耐久性較差。有機(jī)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(qiáng)的粘接力，從而形成具有較好的彈性和強(qiáng)度整體結(jié)構(gòu)，但是與無(wú)機(jī)漿料相比，易燃且其價(jià)格相對(duì)較高。

因此，本研究結(jié)合聚氨酯和水玻璃漿液各自的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)將水玻璃材料轉(zhuǎn)化為有機(jī)的硅氧鏈引入聚氨酯灌漿材料，在微觀結(jié)構(gòu)上形成一種互穿網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)[5-6]，既克服聚氨酯灌漿材料成本高、阻燃性差的缺點(diǎn)，又可以克服水玻璃漿材力學(xué)性能低的缺點(diǎn)。該新型材料應(yīng)用于墻體裂縫修補(bǔ)防水，取得了良好的效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原料

異氰酸酯，德國(guó)巴斯夫公司；聚醚多元醇，山東藍(lán)星東大化工有限責(zé)任公司；鄰苯二甲酸二異壬酯，美國(guó)?？松梨诠荆痪垡叶迹|寧奧克化學(xué)股份有限公司，水玻璃溶液和四甲基脲，均為市售產(chǎn)品。

1.2 基本配方組成（見(jiàn)表1、表2）

表1 復(fù)合改性聚氨酯補(bǔ)強(qiáng)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(jì)、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(jì)量的多異氰酸酯，升溫至80～85℃反應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)條件下放置48 h。

1.4 性能測(cè)試

抗壓強(qiáng)度按GB/T 2567—2008《樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》中5.2進(jìn)行測(cè)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(qiáng)度按GB/T 2567—2008進(jìn)行測(cè)試。按照GB/T 2794—2013《膠粘劑粘度的測(cè)定》測(cè)試漿液A、B組份混合后的初始黏度。粘結(jié)強(qiáng)度按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。氧指數(shù)按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 NCO含量對(duì)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(shè)定為15%時(shí)，通過(guò)異氰酸酯與聚醚多元醇的比例變化來(lái)調(diào)整NCO含量，考察NCO含量的變化對(duì)灌漿料固化物力學(xué)性能的影響。A、B組份按照體積比1∶1進(jìn)行配制，固化物性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 NCO含量對(duì)灌漿料固化物性能的影響

由表3可以看出，當(dāng)NCO含量增加時(shí)，固化物的抗壓強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)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(qiáng)度的硬鏈段的含量[7]，因此導(dǎo)致固化物的強(qiáng)度不斷提高。但是隨著B(niǎo)組份中異氰酸酯含量過(guò)度時(shí)，提供材料柔韌性能的聚醚多元醇的量急劇減小，固化物開(kāi)始呈現(xiàn)脆性，容易在外力作用下發(fā)生破壞，力學(xué)性能降低。當(dāng)NCO含量為24.3%時(shí)，固化物的拉伸強(qiáng)度為13.2 MPa，抗壓強(qiáng)度為45.0 MPa，較為適宜。

2.2 增塑劑用量對(duì)灌漿料固化物性能的影響

B組份中設(shè)定NCO含量為24.3%，考察增塑劑鄰苯二甲酸二異壬酯用量對(duì)抗壓強(qiáng)度和黏度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 增塑劑用量對(duì)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(qiáng)度和黏度逐漸降低。這是因?yàn)楫?dāng)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(dǎo)致其與異氰酸酯反應(yīng)形成的對(duì)強(qiáng)度提高和體系黏度增大的異氰酸酯預(yù)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(guān)鍵，當(dāng)增塑劑在B組份中用量為15%時(shí)，固化物的抗壓強(qiáng)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(duì)灌漿料固化物性能的影響

A組份中通過(guò)加入不同量的催化劑四甲基脲，研究催化劑用量對(duì)灌漿料固化物固化時(shí)間的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 催化劑用量對(duì)灌漿料固化物固化時(shí)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(shí)間迅速縮短，當(dāng)催化劑在A組份中含量達(dá)到0.5%時(shí)，A、B組份混合反應(yīng)劇烈，甚至導(dǎo)致材料微發(fā)泡[8]。在一般工程施工條件下，固化時(shí)間控制在4 min，即催化劑用量為0.2%時(shí)較為適宜，若需要較長(zhǎng)施工時(shí)間，則可進(jìn)一步調(diào)整催化劑用量。

2.4 增溶劑用量對(duì)灌漿料固化物性能的影響

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

表5 增溶劑用量對(duì)灌漿料固化物性能的影響

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

圖2 A組份中聚乙二醇用量對(duì)水玻璃凝膠體的影響

2.5 綜合性能

經(jīng)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(duì)固化后的灌漿材料進(jìn)行了物理化學(xué)性能測(cè)試，復(fù)合改性聚氨酯補(bǔ)強(qiáng)堵漏灌漿材料的抗壓強(qiáng)度為47 MPa，拉伸強(qiáng)度為14 MPa，粘結(jié)強(qiáng)度為5.8 MPa，氧指數(shù)為32%。

2.6 工程應(yīng)用情況

該工程位于長(zhǎng)沙市，建筑功能為大型國(guó)際購(gòu)物中心。地下空間墻體存在結(jié)構(gòu)裂縫以及混凝土本體點(diǎn)漏、線漏等多種滲漏水現(xiàn)象。采用復(fù)合改性聚氨酯補(bǔ)強(qiáng)堵漏灌漿材料對(duì)裂縫及缺陷部位進(jìn)行修復(fù)。A、B組份采用雙液型高壓灌漿機(jī)按照體積比1∶1進(jìn)行施工。開(kāi)始第一孔注漿時(shí)進(jìn)行注漿壓力試調(diào)，根據(jù)裂縫和地下水情況確定穩(wěn)定注漿壓力；試調(diào)壓力時(shí)，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(jù)設(shè)定的注漿壓力，當(dāng)漿液在管內(nèi)循環(huán)時(shí)，相鄰孔出漿液時(shí)則該孔注漿成功，可轉(zhuǎn)移鄰近下一個(gè)注漿孔繼續(xù)注漿；待樹(shù)脂完全固化后，除去注漿嘴，并用環(huán)氧砂漿或快干水泥將基面封閉、抹平。維修部位至今無(wú)滲水、無(wú)濕漬現(xiàn)象，取得了良好的效果（見(jiàn)圖3）。

圖3 墻體裂縫修補(bǔ)施工

3 結(jié)論

重點(diǎn)研究了異氰酸酯、增塑劑、催化劑和增容劑的用量對(duì)固化后灌漿性能的影響，并研究了其綜合性能以及工程應(yīng)用情況。通過(guò)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(jié)構(gòu)致密，不發(fā)泡。通過(guò)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(yīng)的特性，有利于異氰酸酯和水玻璃組份混合均勻。在微觀結(jié)構(gòu)上形成了二氧化硅和聚氨酯的互穿網(wǎng)絡(luò)，大大提高了固化物的物理力學(xué)性能。墻體裂縫修補(bǔ)的工程應(yīng)用顯示該復(fù)合互穿網(wǎng)絡(luò)型復(fù)合改性聚氨酯灌漿材料具有良好的是施工和防水效果。