新型柔性丙烯酸鹽灌漿材料的工藝性能研究

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）

在水利水電、礦井、地質(zhì)勘探、隧道和城市地下工程中，經(jīng)常用注漿法進行防水堵漏[1]。但目前很多工程中普遍存在小裂縫注漿難的問題。以大壩為例，大壩在建成后因存在滲漏問題還要做防滲處理，目前這樣的滲漏問題在國內(nèi)大壩中普遍存在。由于常用的普通水泥漿液只能封堵大裂隙，故微小裂隙注漿這一難題至今尚未得到徹底解決[2]。

丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材料的研究和應(yīng)用始于20世紀40年代[3]，當時由于丙烯酸不能大量生產(chǎn)，材料來源困難，因而未能得到廣泛應(yīng)用。1974年日本應(yīng)用丙烯酰胺化學(xué)灌漿材料引起環(huán)境污染后，丙烯酸鹽灌漿材料的研究和應(yīng)用重新受到重視[4]。1980年美國開始用丙烯酸鹽（AC-400）來代替丙烯酰胺漿材。我國于20世紀80年代中后期研發(fā)出丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材料，并在長江三峽等工程中得到了應(yīng)用。2005年之后，有比利時迪尼夫等國外公司在地鐵等部門推廣應(yīng)用丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材料。

早期丙烯酸鹽灌漿材料常使用的交聯(lián)劑為甲撐雙丙烯酰胺[5]，該化合物有一定毒性，目前使用的丙烯酸鹽多采用無毒的固化劑，對環(huán)境友好、黏度低、滲透能力強。但是目前國內(nèi)市場上使用的丙烯酸鹽灌漿材料大多延伸率較低，不能很好的適應(yīng)裂縫或接縫的形變。針對以上問題，本研究開發(fā)了一種新型高性能、能適應(yīng)裂縫或接縫較大形變的柔性丙烯酸鹽灌漿材料，該材料的主要特點是在固化劑的合成中引入了長鏈柔性單元，在漿液固化成型后，凝膠體具有較好的斷裂伸長率，達到可適應(yīng)建筑裂縫較大形變的目的，從固化條件、基材粘合、增強、環(huán)境穩(wěn)定性等幾個方面開展了工藝性能研究。

1 實 驗

1.1 原材料

丙烯酸鹽灌漿材料：北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司；鐵氰化鉀：無錫晶科化工有限公司；苯丙乳液608、丁苯乳液7623：巴斯夫；純丙乳液1791、丙二醇：陶氏。

1.2 材料制備

該樣品分為A、B兩組分。A組分由丙烯酸鹽、交聯(lián)劑、增粘劑等組成，B組分為引發(fā)劑。兩組分按體積比1∶1配制，攪拌均勻凝膠后進行各項性能測試。

1.3 測試方法

丙烯酸灌漿材料基礎(chǔ)性能按照JC/T 2037—2010《丙烯酸鹽灌漿材料》I型產(chǎn)品進行測試。粘接強度按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》進行測試。

樣品在干濕循環(huán)環(huán)境下的質(zhì)量變化情況采用如下方法：（1）將凝膠體稱重，放入開口杯中，記錄凝膠體質(zhì)量在常溫條件下降低情況，直到質(zhì)量達到最低值為止；（2）將質(zhì)量降到最低值的凝膠體浸入自來水中，記錄凝膠體質(zhì)量增加情況，直到質(zhì)量增加到最大值為止。

2 結(jié)果與討論

制備的丙烯酸鹽灌漿材料基本性能如表1所示。其基本性能均優(yōu)于JC/T 2037—2010中I型產(chǎn)品的指標要求。由于該樣品的固化劑的分子結(jié)構(gòu)中引入了柔性長鏈，因此固化后的樣品具有較高的斷裂伸長率，能有效適應(yīng)裂縫或接縫的形變。

表1 丙烯酸灌漿材料的基本性能

防水灌漿材料的應(yīng)用工藝性能將直接影響到最終產(chǎn)品的防水效果，因此，本文從樣品固化、基材粘合、增強助劑、環(huán)境穩(wěn)定性等幾個方面研究應(yīng)用工藝對性能的影響。

2.1 固化性能

2.1.1 溫度對灌漿材料固化性能的影響

灌漿材料的固化時間直接影響施工的操作時間以及后期產(chǎn)品的性能。溫度對灌漿材料凝膠時間的影響見表2。

表2 溫度對灌漿材料凝膠時間的影響

由表2可以看出，溫度對凝膠時間的影響很大，溫度越高，凝膠時間越快。工程中可根據(jù)現(xiàn)場情況，適當增加或減少固化劑、促進劑、引發(fā)劑的用量來調(diào)整固化速度，以滿足施工需要[6]。

2.1.2 緩凝劑用量對凝膠時間的影響

在一定范圍內(nèi)，可以通過調(diào)整丙烯酸灌漿材料組成中促進劑和引發(fā)劑的用量來調(diào)節(jié)灌漿材料的凝膠時間，但是對于某些要求凝膠時間較長的工程，則可以通過添加緩凝劑的方法調(diào)節(jié)凝膠時間。丙烯酸鹽灌漿材料可通過加入適量的緩凝劑，實現(xiàn)固化速度從幾分鐘到幾十分鐘均可調(diào)節(jié)，通常使用的緩凝劑為鐵氰化鉀[7]。

表3為23℃條件下，緩凝劑鐵氰化鉀（10%水溶液）用量對凝膠時間的影響。

表3 緩凝劑用量對凝膠時間的影響

由表3可以看出，緩凝劑用量越多，凝膠時間越長，因此可以根據(jù)工程實際需要來確定添加緩凝劑的用量。

2.2 粘結(jié)性能

灌漿材料若與基材具有良好的粘結(jié)力，可大大提升材料的防水堵漏效果。為研究柔性丙烯酸鹽與混凝土基材的粘結(jié)性能，本實驗采用“8”字模砂漿塊進行丙烯酸鹽灌漿材料的干燥與潮濕粘結(jié)性能測試。測試結(jié)果表明，干燥環(huán)境下灌漿材料與水泥基材料的粘結(jié)強度達到138 kPa，潮濕環(huán)境粘結(jié)強度略有下降，為108.4 kPa，但也有較高的粘結(jié)強度。此外從圖1灌漿材料與水泥基材料的粘結(jié)情況可以看出，灌漿材料對水泥基材具有較強的即粘能力，很容易粘附在其表面。

圖1 丙烯酸鹽灌漿材料與水泥基材料的粘結(jié)性能

2.3 抗變形性能

丙烯酸鹽灌漿材料雙組分中含有較多的水分，若在干燥環(huán)境下長期使用，體積將會出現(xiàn)較大的收縮；而在長期有水環(huán)境使用，則會發(fā)生體積膨脹，如圖2所示。在一些工程的干濕循環(huán)部位，若采用丙烯酸鹽灌漿材料進行施工，為確保防滲堵漏質(zhì)量，降低滲漏風(fēng)險，需要加入增強劑來提高丙烯酸鹽凝膠體的抗變形性能。

圖2 丙烯酸鹽灌漿材料凝膠體在不同干濕條件下的狀態(tài)

通過實驗發(fā)現(xiàn)，選用乳液作為增強劑，可以降低凝膠體在干燥和泡水條件下的體積變化率。這是因為加入乳液后，不僅體系的固含量增加，而且乳液固化后對凝膠體結(jié)構(gòu)進行了補強，最終降低了凝膠體的體積變化率。表4為加入25份不同乳液對灌漿材料凝膠體在干燥條件下體積收縮率和泡水條件下體積膨脹率的影響。

表4 不同乳液對灌漿材料凝膠體體積變化的影響

由表4可以看出：（1）凝膠體干燥條件下的體積收縮率為50%，加入乳液后，體積收縮率有明顯降低；凝膠體泡水條件下體積膨脹率為276%，加入乳液后，體積膨脹率也降低。（2）丁苯乳液對凝膠體干燥、泡水體積變化效果最佳。因此可以在一些特殊工程，如干濕交替頻繁的工程，若選用丙烯酸鹽灌漿材料進行施工，可使用丁苯乳液增強灌漿材料的抗變形性能，可以最大程度的降低復(fù)漏的風(fēng)險[8]。

2.4 環(huán)境穩(wěn)定性

2.4.1 干濕循環(huán)對性能的影響

灌漿材料在實際工程應(yīng)用時會存在干燥-潮濕-干燥等循環(huán)周期，對材料性能提出了很高的要求。為考察丙烯酸鹽凝膠體在實際應(yīng)用過程中是否出現(xiàn)破壞，進行了干濕循環(huán)性能測試。結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 干濕循環(huán)對灌漿材料質(zhì)量變化的影響

圖4 凝膠體干濕循環(huán)后的柔韌性

由圖3可見，灌漿材料凝膠體經(jīng)過干燥脫水后體積變小，用水浸泡吸水后體積變大，但經(jīng)過4個循環(huán)后，凝膠體的質(zhì)量變化較小。

由圖4可見，凝膠體經(jīng)過4次干濕循環(huán)后，仍然具有相當好的柔韌性，在一定程度上可適應(yīng)環(huán)境的干濕交替循環(huán)變化及建筑裂縫的較大形變。

2.4.2 防凍劑對灌漿材料低溫儲存性能的影響

丙二醇是涂料行業(yè)廣泛使用的一種防凍劑[9]。本項目將A組分液料及摻0.5%丙二醇的A組分液料放置于-30℃冰箱中，48 h后觀察液料情況（見圖5）。然后將2種液料從冰箱取出，常溫下放置24 h后，加引發(fā)劑進行反應(yīng)，觀察凝膠情況（見圖6）。

圖5 灌漿材料液料的低溫儲存情況

圖6 灌漿液料低溫儲存后的反應(yīng)凝膠體

由圖5、圖6可以看出，未摻丙二醇的A組分從-30℃解凍后加入引發(fā)劑進行反應(yīng)，固化不完全，膠體上面有一層液體，而摻0.5%丙二醇的A組分能夠正常反應(yīng)并固化。說明加入一定量的丙二醇作為防凍劑，可以保證漿液在較低溫度下仍可正常存放與使用。

2.4.3 灌漿材料凝膠體的凍融穩(wěn)定性

將丙烯酸鹽灌漿材料的凝膠體放入水盆，置于-20℃冰箱中2 d，然后取出放置在室溫下24 h，循環(huán)4次，觀測凝膠體狀態(tài)（見圖7）。

圖7 灌漿材料凝膠體的凍融穩(wěn)定性

由圖7可見，經(jīng)過4次凍融循環(huán)，凝膠體仍然具有良好的彈性，不會受到凍融破壞，表明其可在低溫環(huán)境中正常使用。

2.4.4 對金屬材料的銹蝕性能

為考察丙烯酸鹽灌漿材料對金屬材料銹蝕的影響，采用試驗方法如下：（1）將1根鋼釘放置于杯內(nèi)；（2）注入足夠量配制好的灌漿漿液，使其完全覆蓋住鋼釘，并保證鋼釘與空氣完全隔絕；漿液凝膠后能完全包裹住鋼釘；（3）同時將另1根鋼釘放入盛有自來水的杯中做對比，見圖8。

由圖8可以看出，鋼釘在丙烯酸鹽灌漿材料凝膠體中3個月未出現(xiàn)銹蝕，而將鋼釘放置于自來水中，3 d就產(chǎn)生明顯的銹蝕。這表明柔性丙烯酸鹽材料中不存在腐蝕金屬材料的成分，材料可用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)建筑物的防滲堵漏。

3 結(jié) 論

（1）灌漿材料的凝膠時間受環(huán)境溫度的影響較大。對于不同的工程應(yīng)用需求，可以通過調(diào)節(jié)促進劑、引發(fā)劑以及緩凝劑的用量控制凝膠時間，以適應(yīng)固化后性能的需求。

（2）灌漿材料在干燥狀態(tài)和潮濕狀態(tài)下均能和混凝土地基實現(xiàn)較好的粘接，其中干燥狀態(tài)下的粘接性能更優(yōu)。在應(yīng)用中，摻加丁苯膠乳可顯著降低灌漿材料的體積膨脹率，提高抗變形能力。

（3）灌漿材料在干濕循環(huán)下仍具有較好的柔韌性。在-30℃低溫下，通過在漿料中加入丙二醇，仍可正常反應(yīng)并固化。經(jīng)過4次凍融測試后，灌漿材料仍具有很好的彈性，表明其可在低溫環(huán)境中可正常使用。經(jīng)丙烯酸鹽漿液包裹后的金屬表現(xiàn)出了良好的耐腐蝕性能。