水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆材料的制备及性能研究

杨元龙 ，陈绪港 ，曾娟娟 ，张文超 ，于方 ，吴龙梅

（1.中科院广州化灌工程有限公司，广东 广州 510650；2.广东省化学灌浆工程技术研究开发中心，广东 广州 510650）

随着经济社会的快速发展，近年来各地城市轨道交通保持高速发展势头。但高铁隧道、地铁车站、地铁区间隧道结构变形缝渗漏水、施工缝渗漏水、结构混凝土渗水、混凝土开裂仍然是轨道交通建设和运营中常遇到的问题，目前治理这种病害最常用的方法是灌浆法。当前各类工程中用于灌浆的材料主要有3大类：固粒灌浆材料、化学灌浆材料和精细矿物灌浆材料。各类灌浆材料组成不同，性能各异，使用效果也是良莠不齐[1-2]。

固粒灌浆材料中代表性的水泥基类灌浆材料，使用最广泛，但其存在渗透性能差，易出现沉降、泌水、与旧混凝土的相容性差等现象；化学灌浆材料主要包括聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸盐等灌浆材料，能灌入比较细微的缝隙，还能根据需要调节凝结时间，在很多工程中比如轨道交通建设领域用于防渗堵漏、裂缝处理，混凝土补强堵漏等，效果良好[3-4]。但是聚氨酯灌浆材料的耐久性差，溶剂型环氧树脂的毒性较大，无溶剂环氧树脂的脆性较大，水性环氧树脂的抗压强度和粘结强度较低等也影响了化学灌浆材料最终的使用效果，引发了后续的维护问题[5]。

这些成分相对单一的灌浆材料在性能上存有缺陷，往往单独使用不能很好地满足实际工程建筑施工的需要。目前也有很多文献报道，多组份的灌浆材料按照一定比例混合，制备出复合型灌浆材料，经过试验，效果良好[6-9]。但大多是双组份的复合型灌浆材料，三组份的还比较少见[10-13]。本文同样采用这种协同作用的思路，通过以合成的水性聚氨酯-环氧互穿网络聚合物乳液聚合物乳液为主剂加入固化剂、促进剂、超细水泥等制备了三组份复合灌浆材料，并研究了其相关性能。利用分子结构设计的思路，通过水性聚氨酯改性环氧树脂，形成水性聚氨酯-环氧互穿网络结构，改善了环氧树脂的柔韧性和耐冲击性，保持了环氧灌浆材料优良的粘结性能，同时采用超细水泥作为灌浆材料的骨架，使得水性聚氨酯-环氧互穿网络水分散乳液在固化过程中形成三维网络结构，填料分散均匀，固结体密实，极大提高了固结体的抗压强度和耐久性，保持了化学灌浆材料渗透性强、粘结力大、变形性好、密封性强的特点。通过相关的性能研究，这种复合型灌浆材料展现出了良好的性能和应用前景。

1 试验

1.1 原材料与试验仪器

水性聚氨酯-环氧互穿网络聚合物乳液：自制；二乙烯三胺：分析纯，天津大茂化学试剂厂；聚醚胺（T403）：分析纯，天津福晨化学试剂厂；促进剂DMP-30：工业品，深圳市佳迪达化工有限公司；超细水泥：比表面积在600～800 m2/kg，平均粒径10 μm以下，细度均一，无结块，三狮特种水泥厂。

1.2 材料制备

（1）B组份的制备：将二乙烯三胺、聚醚胺T403和促进剂DMP-30按照一定比例混合搅拌均匀得到B组份。

（2）水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆材料的制备：按照一定的质量配比将A组份（自制水性聚氨酯-环氧互穿网络聚合物乳液）、B组份和C组份（超细水泥）混合：首先将B组份缓慢倒入A组份中，边倒入边搅拌，并充分搅拌混合均匀；然后将C组份添加到上述均匀混合液中进行充分搅拌，使最后得到的浆液均匀，如此得到水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆材料。

1.3 性能测试方法

（1）黏度：采用NDJ-1旋转黏度计，按GB/T 2794—1995《胶粘剂粘度的测定》进行测试。

（2）抗压强度：采用WDW3020微控电子万能试验机，按GB/T 2569—1995《树脂浇铸体压缩性能试验方法》进行测试。

（3）初凝时间：按照JC/T 1041—2007《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》进行测试。

2 试验结果与讨论

2.1 乳液用量对复合灌浆材料性能的影响

在保持B组份和C组份含量不变的条件下，改变A组份乳液的加入量，测试水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆材料的性能，结果见表1。

表1 乳液用量对水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆料性能的影响

由表1可知：

（1）随A组份乳液用量的增加，聚灰比增大，水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆材料浆液的黏度总体趋势在降低。当乳液用量处于较低水平时，浆液整体的聚灰比较小，难以发挥乳液的特性，超细水泥颗粒间的排斥作用受到限制，复合灌浆材料的黏度由于水泥水化反应以及聚合物的粘结成膜作用而变大；而随着A组份乳液掺量的增加，聚灰比增加时，超细水泥浆体被乳液融合，乳液的润滑特性和表面活性物质的相互作用，使得复合灌浆材料浆液的黏度降低，流动性明显增大。

（2）3 d时，当A组份乳液用量为4.0～7.0（与B组份的质量比，下同），聚灰比在4.0～6.4之间，水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆材料的抗压强度随A组份乳液用量增加而有所提高，当A组份乳液用量为7.0，聚灰比为6.4时，抗压强度达到最大值；而后随着A组份乳液用量继续增加，抗压强度有所降低。随着养护时间的继续延长，到28d时，随着A组份乳液用量的增大，聚灰比的增大，复合灌浆材料的抗压强度提高，当A组份乳液用量为7.0，聚灰比为6.4时，抗压强度达到最大，随后又有所降低。水性聚氨酯-环氧互穿乳液在复合系统中的润滑效应、表面活性以及减水效应，使得复合灌浆材料的抗压强度升高。随着超细水泥水化反应吸收水分，A组份水性聚氨酯-环氧互穿网络水分散乳液和B组份固化体系通过固化反应，渐渐形成了网状结构膜。这种膜粘附于超细水泥水化产物、骨料表面，进一步形成三维连续的网状结构。这种致密的网状结构使复合灌浆材料的抗压强度得到提高。如果A组份乳液掺量太大，抗压强度反而降低，这可能由于乳液在复合系统中固化成膜后，由于掺量过大形成富集效应，同时体系内弹性模量的差异，使得复合灌浆材料的抗压强度降低。

2.2 超细水泥用量对复合灌浆材料性能的影响

在保持A组份和B组份用量不变的情况下，改变C组份超细水泥的用量，测试水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆材料的性能，结果见表2。

表2 超细水泥用量对水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆料性能的影响

由表2可知：

（1）随着C组份超细水泥掺量的增加，水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆材料浆液的黏度总体趋势在增加，由于随着超细水泥掺量的增加，乳液在整个体系中的相对含量在减少，乳液自身特性被限制，超细水泥颗粒间的排斥作用减弱，使得复合灌浆材料的黏度增大。

（2）随着C组份超细水泥用量的增加，在3 d和28 d龄期时，水性聚氨酯-环氧互穿超细水泥复合灌浆材料的抗压强度逐渐提高。在A组份乳液和B组份固化体系用量一定的情况下，随着C组份超细水泥用量的增加，水泥水化反应吸收更多的水分，更加有利于A组份乳液和B组份固化体系在固化过程中形成三维连续的网状聚合物膜。超细水泥用量的增加更加增强了体系的骨架支撑作用，这种膜粘附于超细水泥水化产物、骨料表面，形成三维连续的致密网状结构，从而提高了体系的抗压强度，使得复合灌浆材料的抗压强度提高。但是随着C组份超细水泥用量的增加，复合灌浆材料浆液的黏度也在增加，流动性变差，可灌性变差。综合来看，当A组份（聚合物乳液）、B组份（固化体系）和C组份（超细水泥）的质量比为7.0∶1.0∶1.25时，所制备的水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆材料，综合性能最佳。

3 结语

本研究制备了三组份的水性聚氨酯-环氧互穿网络超细水泥复合灌浆材料，通过发挥三组份的协同效应，采用超细水泥作为灌浆材料的骨架，使得水性聚氨酯-环氧互穿网络水分散乳液在固化过程中形成三维网络结构，调节各组份的相对含量，测试复合灌浆材料的相关物理性能。试验发现，当A组份（聚合物乳液）、B组份（固化体系）和C组份（超细水泥）的质量比为7.0∶1.0∶1.25时所制备的复合灌浆材料综合性能最佳，黏度 156.8 mPa·s，初凝时间 60 min，3 d、28 d 抗压强度分别为30.8、51.6 MPa，浆体可灌性好，具有良好的应用前景。