聚氨酯高聚物材料的膨胀力试验研究

潘艳辉

摘 要：通过室内试验，首先研制加工出测量聚氨酯高聚物材料膨胀力的试验装置，成功测得了该材料的膨胀力时间曲线和最大膨胀力密度关系曲线，并提出了膨胀力时间关系EF-T模型，为今后拓展该材料在工程中的应用提供了科学依据。

关键词：聚氨酯；膨胀力；膨胀力时间曲线；膨脹力密度关系曲线；模型

1 前言

聚氨酯高聚物材料作为化学灌浆材料之一，不仅推动注浆技术的发展，也解决了很多用现有理论和传统技术无法解决的工程问题。我国化学注浆技术的发展主要是伴随着新中国成立后对三峡水利枢纽和长江流域规划时，解决深厚覆盖层防渗补强和坝体混凝土裂隙加固补强灌浆等课题发展起来的，先后在丹江口、葛洲坝等水利工程中取得了成功的应用，同时研究出了多种注浆材料和注浆工艺。目前，注浆技术在土木工程中的应用范围正逐步扩大，其工程性能也被越来越多的工程人员所接受。本文所选用的是一种双组分聚氨酯注浆材料，在国外取得了75000多例成功的应用，目前在国内取得了近十个工程的成功应用，尽管如此，注浆工程设计仍处于半理论、半经验状态，展开对该材料基本性能的研究，对促进注浆技术的发展有着十分重要的意义。膨胀力是所选高聚物的一个显著特点，该力的作用机理、力与时间、力与密度之间的关系，受技术专利方面的限制，在国外的文献中也没有详细的记录，而是以抬升效果对其进行间接控制。国内先前也未展开这方面的研究工作，上述参数的获得，对该技术应用时，准确选择施工工艺、确定注浆施工方案有着十分重要的作用。基于此，本文对高聚物材料的膨胀力时间关系及膨胀力密度进行了试验研究。

2 试验装置及试验过程

2.1 聚氨酯高聚物材料的特点

本试验所选用的高聚物材料具有良好的工作性能：（1）反应时间快，注浆后15分钟之内能达到其抗压强度的90%，对基础设施运营的影响较小；（2）物理力学性能优良：抗压强度高，该系列的最新一代的深层注浆材料的抗压强度能达到10MPa；抗拉强度及弯曲强度也均随密度的增加而显著增大；（3）自身的稳定性比较好，对周围的土体和地下水体均无污染；（4）渗透系数很小，为10-8m/s，和粘土的渗透系数相当。（5）对原址处的土体的扰动很小，主要是由于材料的容重比较小，工程上长用的密度在150㎏/m?～300㎏/m?，不会引起周围土体应力的较为明显的重新分布。（6）材料的最大膨胀力为一般树脂的200倍，该力在加固下部基础的同时，也能抬升上部结构。

2.2 膨胀力试验装置的设计

结合本材料的工程应用和现场观察，需要解决的试验装置设计加工的最为关键的六个环节是高聚物材料的密封、隔热、脱模、排气、测试方法及试样大小等。

在分析了直接测量和间接测量的利弊之后，选择了用大量程的土压力盒直接测量膨胀力的大小。围绕土压力盒这个主要测试元件，在解决了材料的前五个环节的基础上，考虑试验结束后试样的二次利用，参考美国水工混凝土抗压规范确定试样尺寸为直径150mm，高300mm[3]。然后通过换算公式，可以得出类似于混凝土材料的抗压强度，通过两次试验调整，成功的加工出了测量膨胀力的试验装置。试验装置由土压力盒、法兰盘、硅胶板、螺丝、塑料薄膜、检测仪表、千斤顶等组成。虽然该试验装置比较笨重，试验过程劳动量相对较大，但是测量的效果还是比较明显的。

2.3 试验过程

材料的混合反应迅速，体积不断膨胀，在这个过程中，采用注浆枪数的不同来控制混合体的密度，借助多功能检测仪器和秒表测量出膨胀力和时间之间的关系，试样脱模后可对试样称重获得最大膨胀力密度关系曲线。

每次试验前首先测量土压力盒的初始频率和压强，安装试验设备，注浆读数，降温后测量残余压力，脱模，再次测量土压力盒的频率，进行下一次试验。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

结合工程中常用组分比，试验记录了组分1：1情况下注浆开始后的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分钟，对试验过程中数据出现稳定及下降的时刻也做好记录，先后共记录了22个试样的膨胀力时间关系。试样脱模后对经白色试验装置成型的试样称重，计算得到每个试样的密度，获得了最大膨胀力密度之间的关系。

3.2 结果分析

通过对22个试样膨胀力时间关系曲线的分析，发现35～45秒是膨胀力由快速增长到缓慢增长的一个转折点。

通过对10分钟内膨胀力时间关系曲线的分析，可将其分为三个阶段：第一阶段膨胀力随时间快速增长阶段，第二阶段力随时间缓慢增长阶段，第三阶段力随时间下降阶段。

材料混合反应的过程会逐步放出热量，放出的热量导致反应的进一步加快，导致膨胀力的快速增加，达到一定的温度平衡后，膨胀力的增加就缓慢下来，并随着筒内气体的缓慢排除，膨胀力会不断下降。

具体工程应用中，材料接触到的面积较大，散热也比较容易，因此膨胀力下降阶段在具体的工程应用中对施工工艺的影响不是太大，可以不予考虑。第二阶段膨胀力增长也比较缓慢，在实际工程中，材料反应过程排挤空气也十分容易，甚至可以排挤出地基中的地下水；材料在膨胀过程中，温度增长相对温和，为了计算和应用上的方便，将这一阶段简化成一个水平稳定阶段。由此，可以建立起膨胀力时间曲线的模型，定名为EF-T模型。

材料混合反应的过程不是一个十分均匀的过程，从脱模后试样的颜色看来，试样下端密度较大，上端密度较小，尤其对于中等密度试样更为明显，较大尺寸的试样较好的减小了材料因为密度不均匀导致膨胀力出现的离散现象。

4 结论与展望

通过对高聚物膨胀力特性的试验研究，得到如下结论：

（1） 成功研制出了膨胀力试验测量装置，具有足够的精度，可供同类材料膨胀力试验时参考使用；

（2）得到了高聚物材料膨胀力随时间变化的过程，并且将其简化成EF-T模型，便于以后研究注浆工艺时的简化计算；

（3）得到了膨胀力密度关系曲线，工程中常用的材料密度在所得曲线之内；

对高聚物材料膨胀力力学性能的研究才刚刚起步，在今后的试验过程中，应该展开以下几个方面的研究：

首先，借鉴巴莱特等人的研究方式，对膨胀力膨胀、扩散机理的研究，以加深对材料的理论研究；

其次，研究膨脹力作应下土体的应力应变研究，可以更加深入的了解注浆效果和注浆工艺提出合理建议；

最后，积累工程数据，借助已经获得的EF-T模型，和膨胀力密度关系曲线构建初步的岩土工程理论。

参考文献

[1] 熊厚金，林天键，李宁.岩土工程化学[M].北京：科学出版社，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] 邝键政，昝月稳，王杰，杜嘉鸿.岩土注浆理论与工程实例 [M].北京：科学出版社，2001.