隧道加固用聚氨酯复合注浆材料制备及性能试验分析

蔡顺枝

摘要：研究新型注浆材料在隧道岩土体注浆加固中的注浆性能，室内利用聚氨酯浆材和水泥浆材，制备了聚氨酯/水泥基复合注浆材料，并对不同聚氨酯/水泥比和养护时间条件下的注浆结石体开展了水解试验、力学试验和细观特征考察。结果表明，当养护时间较长时，随着复合注浆材料中聚氨酯浆材含量的增加，注浆结石体的抗压强度均呈现出逐渐减小的变化趋势。在相同的聚氨酯/水泥比条件下，水解时间越长，则注浆结石体的抗压强度越小。当注浆材料中不掺聚氨酯浆材时，经过24 h的水解试验后，凝固后的水泥注浆材料结构明显破坏；随着聚氨酯：水泥比逐渐增加，水解后注浆结石体的水解破坏现象得到了显著的改善，内部结构更加紧密。

关键词：聚氨酯；水泥；复合注浆材料；抗压强度；水解试验

中图分类号：TQ323.8；U414         文献标志码：A          文章编号：1001-5922（2023）03-0114-04

Preparation and property analysis of polyurethane/cement based  grouting material in tunnel  grouting  reinforcement

CAI Shunzhi

（Guangzhou Zhongjiang Expressway Management Office of South Guangdong Communications，Jiangmen 529724，Guangdong China）

Abstract： To study the grouting performance of new grouting materials in grouting reinforcement of tunnel rock and soil mass，polyurethane/cement-based composite grouting materials areprepared by using polyurethane slurry and cement slurry in the laboratory. Then the hydrolysis test，mechanical test and microscopic characteristics observa- tionwerecarried out on the grouting stone body under the conditions of different polyurethane/cement ratio and cur- ing time. The results showed that：when the curing time was long，with the increase of polyurethane slurry content in the composite grouting material，the compressive strength of the grouting stone body showed a gradual decrease trend. Under the same polyurethane： cement ratio，the longer the hydrolysis timewas，the smaller the compressive strength of the grouting stone bodywouldbe. When the grouting material was not mixed with polyurethane slurry，the structure of the solidified cement grouting materialwas obviously damaged after 24 hours of hydrolysis test；With the gradual increase of polyurethane： cement ratio，the hydrolytic damage phenomenon of grouting stone body after hy- drolysis had been significantly improved，and the internal structurewas more compact.

Keywords： polyurethane；cement；composite grouting material；compressive strength；hydrolysis test

在岩土体注浆加固工程中，水泥注浆材料是最为常见的注浆材料。水泥注浆材料具有结石体强度高、价格便宜、注浆材料易获得等优势，因此被广泛应用于岩土体加固工程中[1-4]。然而，水泥基注浆材料也存在一定的局限性，在特殊情况下不能适用。水泥浆液凝固时间长、强度发展缓慢、抗分散性差、不适于细微裂缝灌浆，因此，在地下隧道建设工程富水地质条件下岩土体注浆加固不能适用[5-7]。因此，通过改良水泥注浆材料提升其注浆性能具有广阔的研发前景。

在岩土体加固工程中，化学注浆技术也是一种重要的技术手段[8-9]。其中，聚氨酯注浆材料工程性能优良，具有凝结速度快、能够适用微裂缝注浆加固，因此应用最为广泛。然而，聚氨酯注浆材料加固的结石体强度较低，仍存在一定的局限性，不能满足工程建设需求[10-12]。

综上所述，考虑利用聚氨酯注浆材料对水泥注浆材料进行改良，综合二者的优良性能，具有较好的研发可能性。为研究新型注浆材料在隧道岩土体注浆加固中的注浆性能，室内利用聚氨酯浆材和水泥浆材，制备了聚氨酯/水泥基复合注浆材料，并对不同聚氨酯/水泥比和养护时间条件下的注浆结石体开展了水解试验、力学试验和细观特征觀察。

1 试验材料与方法

1.1 材料

本次试验研究制备的聚氨酯/水泥注浆材料的主要原料，（1）主剂A：二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）；（2）主剂B：环氧丙烷聚醚多元醇；（3）稀释剂：丙酮；（4）催化剂：三乙醇胺；（5）缓凝剂：磷酸；（6）扩链剂：1，4丁二醇；（7）乳化剂：吐温-80；（8）水泥：P ·O42.5普通硅酸盐水泥。此外，研究所用砂土试样为重塑砂土试样，砂土试样级配曲线如图1所示。

由图1可知，试样属于粉细砂，平均粒径0.171 mm，不均匀系数1.77，曲率系数0.99，密度2.71 g/cm3。

1.2 注浆材料制备

参照大量现有研究成果，最终确定聚氨酯注浆材料的制备方法：将等量50 mL的二苯基甲烷二异氰酸酯（主剂A）和环氧丙烷聚醚（主剂B）均匀混合，加入一定量（1 mL）的三乙醇胺（催化剂）和1，4-丁二醇（扩链剂）等辅助剂后，将混合液液溶于一定量的丙酮（溶剂）溶液中，控制反应温度在40～50℃ ， 制得聚氨酯预聚体，再将预聚体与其他附加剂混合配得浆液。

最后，再将聚氨酯预聚体和水泥以不同比例混合，得到新型聚氨酯/水泥复合注浆材料。

1.3 试验方案

为研究注浆材料的工程性能，将制备得到的新型注浆材料注入砂土试样中，并开展室内综合试验研究。首先，取水泥浆10 mL，并将不同体积2.5、5、7.5和10 mL的聚氨酯浆材分别加入水泥，则聚氨酯/水泥比分别为1∶4、1∶2、3∶4和1∶1；取等体积、不同水泥含量的混合浆材分别注入砂土试样（标准试样φ× H=40 mm×80 mm）中；此外，同时，设置空白对照组，仅向砂土试样中注入与上述试验组等体积的水泥注浆材料。此外，为研究养护时间对聚氨酯/水泥复合注浆材料性能的影响，同时设置了3个不同养护时间4、8和12 h下的注浆结石体力学性质试验。试样组编号及试验设置具体如表1所示。

此外，由于地下隧道开挖常涉及到地下水问题，因此为研究水环境对注浆材料性能的影响，本次试验设计了不同水解时间0、8、16和24 h下的注漿结石体无侧限抗压强度试验。

2 试验结果与分析

2.1 混合比例影响

基于室内试验，得出不同聚氨酯/水泥比条件下注浆结石体的无侧限抗压强度试验结果如下图2所示。

由图2可知，养护时间和聚氨酯浆材掺量对于注浆结石体抗压强度的影响较为复杂。当养护时间足够长时，向水泥注浆材料中掺入一定量的聚氨酯浆材后，聚氨酯/水泥复合注浆材料对砂土体的加固效果要劣于水泥注浆材料。以对照试验组（0∶1）和A组（1∶4）为例，当养护时间达到12 h后，2组注浆结石体的试样的抗压强度分别为6.52、5.44 MPa，A组抗压强度较对照组降低11.66%。当养护龄期较长时，随着复合注浆材料中聚氨酯浆材含量的增加，注浆结石体的抗压强度均呈现出逐渐减小的变化趋势，但减小速率越来越慢。以对照组为比较对象，当养护时间为12 h，聚氨酯/水泥比值分别为1∶4、1∶2、3∶4和1∶1时，其抗压强度降低率分别达到16.56%、20.55%、24.54%和26.07%。分析认为，对于复合注浆材料加固结石体而言，随着注浆材料中水泥浆体含量的增加，参与水化反应和与异氰酸酯交联反应的水分比例增大，水化产物增加，固结体交联密度提高，力学性能也随之改善。此外，聚氨酯浆材凝固结石体的强度也明显低于水泥结石体强度，因此，复合注浆材料中聚氨酯浆材的掺量越大，则注浆材料加固结石体的抗压强度越低，但强度的降低幅度不大。

2.2 养护龄期影响

根据现有研究成果可知，尽管在岩土体加固中水泥注浆材料中具有价格便宜、凝固体强度高等优点，但其浆液凝固时间长、强度发展缓慢、抗分散性差、不适于细微裂缝灌浆等缺点，不能较好的适用到地下富水环境隧道的注浆加固工作中。而聚氨酯注浆材料凝结速度快、能够适用微裂缝，因此，利用聚氨酯材料对水泥注浆材料进行改良，具有重要意义。进一步分析养护时间对复合注浆材料加固性能的影响，不同养护时间下结石体抗压强度如图3所示。

从图3可知，尽管对于不同聚氨酯/水泥比条件下，各组结石体的强度均随着养护时间的增大而增大，但不同条件下其变化趋势具有很大的差异。对于水泥注浆材料（0∶1），当养护时间仅为4 h时，结石体抗压强度要低于试验组，其抗压强度仅达到0.52 MPa。由此可见，复合注浆材料结合了聚氨酯浆材胶凝时间短、渗透性强的优点和水泥浆强度高的优点，在富水低质或抢修条件下，水泥/聚氨酯复合注浆材料的应用前景广阔。

2.3  固砂体水解试验

表2展示了不同聚氨酯/水泥比和水解时间条件下注浆结石体的无侧限抗压强度试验结果。

由表2可知，在相同的聚氨酯/水泥比条件下，水解时间越长，则注浆结石体的抗压强度越小。以聚氨酯/水泥比为1∶4的试验组为例，不同浸水时间下，注浆结石体的抗压强度分别为5.44、4.84、3.57和2.63 MPa。分析认为，这是由于水分会导致注浆结石体内部结构变得松散，凝胶体被软化，因此浸水时间越长，注浆结石体的抗压强度变小。

进一步分析聚氨酯/水泥比对注浆结石体抗压强度的影响，由表2所示可知，在聚氨酯/水泥比和浸水时间的双重影响下，注浆结石体的强度变化规律不明显。因此，引入参数强度衰减率（马）深入分析聚氨酯/水泥比对注浆结石体抗压强度的影响。其中，参数强度衰减率表示浸水后试样相对于未浸水试样的强度降低幅度百分比。由此可见，随着聚氨酯/水泥比的增大，注浆结石体的最终强度衰减率逐渐减小，分别为51.65%、43.59%、28.48%和35.93%。分析认为，这是由于聚氨酯材料自身固有的强度优势及其在防水堵漏工程中良好的耐水性能，因此即使是在水解时间达24 h后，其抗压强度仍然较高。由此可见，聚氨酯/水泥注浆材料的防水性佳，能够适用于用于隧道开挖富水地层的注浆加固工程。

2.4 细观特征对比

室内利用光学显微镜对水解破坏后的注浆结石体进行细观特征观察，深入研究聚氨酯掺量对结石加固体力学性质的影响，结果如图4所示。

由图4可知，当注浆材料中不掺聚氨酯时，经过24 h的水解试验后，试样的截面出现明显的破坏现象，凝固后的水泥注浆材料结构明显破坏；而随着聚氨酯：水泥比逐渐增加，水解后注浆结石体的水解破坏现象得到了显著的改善，结石体颗粒间的空隙填充也更加充足，内部结构也更加紧密。细观特征观察也解释了注浆结石体的最终强度衰减率随着聚氨酯/水泥比的增大逐渐减小的现象。显然，聚氨酯材料的掺入提高了复合注浆材料的耐水性。

3 结语

（1）当养护时间较长时，随著复合注浆材料中聚氨酯浆材含量的增加，注浆结石体的抗压强度均呈现出逐渐减小的变化趋势，但减小速率越来越慢。以对照组为参照对象，当养护时间为12 h，聚氨酯/水泥比值分别为1∶4、1∶2、3∶4和1∶1时，其抗压强度降低率分别达到16.56%、20.55%、24.54%和26.07%；

（2）复合注浆材料结合了聚氨酯浆材胶凝时间短，不同聚氨酯/水泥比条件下，各组结石体的强度均随着养护时间的增大而增大，但对于水泥注浆材料，当养护时间仅为4 h时，结石体抗压强度要低于试验组，其抗压强度仅达到0.52 MPa；

（3）在相同的聚氨酯/水泥比条件下，水解时间越长，则注浆结石体的抗压强度越小。以聚氨酯/水泥比为1∶4的试验组为例，不同浸水时间下，注浆结石体的抗压强度分别为5.44、4.84、3.57和及2.63 MPa。随着聚氨酯/水泥比的增大，注浆结石体的最终强度衰减率逐渐减小，分别为51.65%、43.59%、28.48%和35.93%；

（4）当注浆材料中不掺聚氨酯时，经过24 h的水解试验后，试样的截面出现明显的破坏现象，凝固后的水泥注浆材料结构明显破坏；而随着聚氨酯：水泥比逐渐增加，水解后注浆结石体的水解破坏现象得到了显著的改善，结石体颗粒间的空隙填充也更加充足，内部结构也更加紧密。

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