李翠玲，蔣冬陽，蔣學(xué)行

(河南省水利科學(xué)研究院 河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003)

混凝土裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)物和制品最常見的病害，裂縫不但會(huì)影響建筑物的剛性和整體性，還會(huì)加劇鋼筋的銹蝕，進(jìn)而對建筑物的安全運(yùn)行帶來威脅。產(chǎn)生混凝土裂縫的原因很多，混凝土裂縫難以完全避免，所以混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)就顯得更加重要。用于修補(bǔ)混凝土裂縫的方法很多，目前工程中常用的裂縫維護(hù)、加固的方法主要有物理修補(bǔ)法和化學(xué)灌漿法，物理修補(bǔ)法主要是進(jìn)行表面修補(bǔ)，施工簡單，但修補(bǔ)效果不甚理想。化學(xué)灌漿法能將漿液灌入縫隙或地層內(nèi)，使其與混凝土、巖石等充分接觸，能將混凝土結(jié)構(gòu)恢復(fù)到使用初期的整體狀況，延長建筑物的使用壽命，是目前混凝土裂縫修補(bǔ)最常用也最為有效的方法之一[1-4]。用于水工建筑物裂縫灌漿防滲加固的材料主要有環(huán)氧樹脂和聚氨酯兩大類。環(huán)氧樹脂類灌漿材料固化后抗壓強(qiáng)度高，但固化慢、脆性大、塑性變形小，主要用于混凝土裂縫補(bǔ)強(qiáng)加固；聚氨酯灌漿材料由于優(yōu)良的耐久性、機(jī)械強(qiáng)度以及優(yōu)異的抗?jié)B性能等特點(diǎn)適用于防水堵漏工程[5-14]。目前兩大類材料一般都需加入丙酮、甲苯等揮發(fā)性溶劑來降低黏度滿足施工要求，揮發(fā)性溶劑一般具有較強(qiáng)的毒性，還會(huì)造成環(huán)境污染，用量過大易引起固結(jié)體收縮，造成抗?jié)B能力下降，也會(huì)影響聚氨酯灌漿材料固化后的力學(xué)性能[15-20]。

由于目前聚氨酯灌漿材料存在的不足，研制了一種新型無溶劑聚氨酯類灌漿材料，具有較高的抗壓強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度、黏接性能良好、無揮發(fā)性溶劑、無毒無污染，克服了傳統(tǒng)材料的缺點(diǎn)，滿足水利工程裂縫防滲堵漏的需要，可以更好地為工程建設(shè)服務(wù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

聚醚多元醇：PPG1000，工業(yè)品，鄭州市友立化工產(chǎn)品貿(mào)易有限公司；1，4-丁二醇：化學(xué)純，上海申鶴化學(xué)品有限公司；多苯基多異氰酸酯(PAPI)：鄭州市友立化工產(chǎn)品貿(mào)易有限公司；有機(jī)胺固化劑：蘇州湘園新材料股份有限公司；增塑劑、溶劑油：市售。

1.2 儀器及設(shè)備

微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)：WDW-20型，濟(jì)南思達(dá)測試技術(shù)有限公司。

1.3 無溶劑聚氨酯灌漿材料制備

A組分的制備：依次稱取適量的聚醚多元醇、1,4-丁二醇、胺類固化劑、增塑劑、少量溶劑油，加入反應(yīng)釜內(nèi)，升溫至110～120 ℃，在快速攪拌下真空脫水1 h，冷卻至室溫，作為A組分。

B組分的制備：以PAPI作為B組分。

無溶劑聚氨酯灌漿材料的配制：將A組分和B組分按1∶1比例混合均勻即可。

1.4 分析與測試

抗壓縮、拉伸強(qiáng)度按照GB/T 2567—2008進(jìn)行測試；黏接強(qiáng)度按照J(rèn)C/T 1041—2007進(jìn)行測試。

初凝時(shí)間的測試：從灌漿材料A、B組分開始混合時(shí)按下秒表計(jì)時(shí)，同時(shí)用玻璃棒攪拌漿液使之混合均勻。注意觀察，當(dāng)漿液失去流動(dòng)性時(shí)再次按下秒表，秒表讀數(shù)即為灌漿材料的初凝時(shí)間，每個(gè)試樣測試3次，取其平均值[21]。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)胺填加量對固化速率的影響

有機(jī)胺類是聚氨酯常用的固化劑，本文以有機(jī)胺作為固化劑研究了有機(jī)胺的用量對固化速率的影響。

從圖1可以看出，不加有機(jī)胺固化劑時(shí)，初凝時(shí)間長，固結(jié)體強(qiáng)度增長慢，達(dá)不到快速施工要求，隨著有機(jī)胺固化劑加量的增加，初凝時(shí)間變短，固化速度加快，有機(jī)胺加量從0～9.4%之間，初凝時(shí)間從2 700 s縮短至180 s，所以可以通過調(diào)節(jié)有機(jī)胺的用量來調(diào)節(jié)固化速度的快慢，從而滿足不同施工條件對固化時(shí)間的要求，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，有機(jī)胺加量不小于4.2%時(shí)，固化時(shí)間不大于12 min，可以根據(jù)施工需要，調(diào)節(jié)有機(jī)胺加量，加縮短固化時(shí)間。

有機(jī)胺加量/%

2.2 A、B組分不同配比對力學(xué)性能的影響

因?yàn)楣酀{條件的限制，當(dāng)進(jìn)行實(shí)際施工時(shí)，有可能不是嚴(yán)格地按照實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的最佳比例進(jìn)行灌漿操作(最佳比例為1∶1)，實(shí)際操作時(shí)會(huì)有一定的誤差，所以對A、B組分配比進(jìn)行小幅度的調(diào)整，進(jìn)行混合實(shí)驗(yàn)，測試168 h抗壓強(qiáng)度，研究配比條件的小幅度變化對灌漿材料力學(xué)性能的影響。

從表1可以看出，當(dāng)聚氨酯灌漿材料最佳配比為10∶10，分別按照10∶8和10∶12進(jìn)行配比測試灌漿材料性能，168 h抗壓強(qiáng)度都有不同程度的降低，這是因?yàn)楣袒瘎┯昧科蜁?huì)使得聚氨酯樹脂固化不充分，交聯(lián)度低，導(dǎo)致力學(xué)性能下降；過量則不利于分子量的增大，也會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的降低，但是在10∶8～10∶12范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度都不小于25.0 MPa，所以當(dāng)施工中材料A、B組分配比較最佳比例發(fā)生小幅度變化時(shí)材料抗壓強(qiáng)度會(huì)有降低，但是變化不大。

表1 A、B組分不同配比對抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 1,4-丁二醇及聚醚多元醇加量對材料力學(xué)性能的影響

2.3.1 1,4-丁二醇加量對材料抗壓強(qiáng)度的影響

小分子1,4-丁二醇的加入，可以使聚氨酯硬段密度增大，提高材料的力學(xué)性能[22]，改變1,4-丁二醇加量，測試其對聚氨酯灌漿材料抗壓強(qiáng)度的影響。

從圖2可以看出，隨著1,4-丁二醇用量的增加，聚氨酯灌漿材料的30%形變和60%形變抗壓強(qiáng)度都逐漸增加，但是反應(yīng)固化速度也加快，所以可以通過實(shí)驗(yàn)及實(shí)際施工需要確定1,4-丁二醇的合理的用量，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明適宜用量為5.9%～7.9%。

1,4-丁二醇加量/%

2.3.2 1,4-丁二醇和聚醚多元醇不同配比對材料拉伸強(qiáng)度的影響

小分子1,4-丁二醇的加入，提高聚氨酯材料的力學(xué)性能；大分子量的聚醚多元醇可以提高材料的柔性，減緩材料的固化速率，所以將二者進(jìn)行復(fù)配，測試無溶劑聚氨酯灌漿材料的拉伸強(qiáng)度。

從表2可以看出，隨著1,4-丁二醇含量的增加，聚醚多元醇含量減少，聚氨酯灌漿材料拉伸強(qiáng)度增加。這主要是因?yàn)樵诰郯滨ズ铣蛇^程中，如果軟段分子量較低，形成的氨基甲酸酯基增多，因此軟段分子鏈中的—H與氨基甲酸酯基形成更多的氫鍵，鏈段之間互相交聯(lián)程度增強(qiáng)，從而提高了材料的拉伸強(qiáng)度。但是1,4-丁二醇加量過大時(shí)，固化速率過快，施工難度大，所以1,4-丁二醇含量在5.9%～7.9%，聚醚多元醇含量在25.8%～31.6%時(shí)材料綜合性能最佳。

表2 1,4-丁二醇與聚醚多元醇不同配比對拉伸強(qiáng)度的影響

2.4 不同的反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度對材料抗壓強(qiáng)度的影響

一般情況下，常溫固化的聚氨酯材料的力學(xué)性能早期會(huì)隨著固化時(shí)間延長而增加，一般7 d左右力學(xué)性能趨于穩(wěn)定[23]。溫度升高，反應(yīng)速率加快，所以力學(xué)性能增長也較快，下面研究了不同反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)長對抗壓強(qiáng)度的影響，為不同溫度條件下施工提供參考。

從圖3、圖4可以看出，固化時(shí)間在2 h時(shí)抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐漸增加，24 h、168 h的抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)相同的規(guī)律。20 ℃時(shí)，隨著固化時(shí)間的延長，聚氨酯灌漿材料的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，40 ℃和60 ℃時(shí)亦然，但是固化時(shí)間達(dá)到168 h時(shí)，不同固化溫度時(shí)的抗壓強(qiáng)度數(shù)值相差不大，力學(xué)性能基本穩(wěn)定。所以反應(yīng)溫度的高低對聚氨酯灌漿材料前期的力學(xué)性能影響比較明顯，溫度越高，反應(yīng)速度越快，固化時(shí)間縮短，抗壓強(qiáng)度增長迅速，168 h之后材料力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，溫度變化對后期抗壓強(qiáng)度影響不明顯，不同的固化溫度條件下最終的力學(xué)性能強(qiáng)度基本一致。因此在不同的季節(jié)施工時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致灌漿材料固化速率的變化，但是不影響產(chǎn)品的最終性能。

固化時(shí)間/h

固化時(shí)間/h

2.5 無溶劑聚氨酯灌漿材料的黏接強(qiáng)度

黏接強(qiáng)度也是考察聚氨酯灌漿材料質(zhì)量好壞的一項(xiàng)很重要的力學(xué)性能指標(biāo)，所以根據(jù)前期抗壓強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，選擇最佳配比的配方對所合成的無溶劑聚氨酯灌漿材料進(jìn)行了干濕面黏接強(qiáng)度的對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 干濕面黏接強(qiáng)度對比

從表3可以看出，兩組實(shí)驗(yàn)干面黏接強(qiáng)度要明顯大于潮濕面黏接強(qiáng)度，但是二者均不小于2.0 MPa，確保了裂縫處理防滲堵漏的質(zhì)量。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)有機(jī)胺用量不小于4.2%時(shí)，固化時(shí)間不大于12 min，可以根據(jù)施工需要，調(diào)節(jié)有機(jī)胺加量，從而加快固化速度。

(2)當(dāng)無溶劑聚氨酯灌漿材料A、B組分配比較最佳比例發(fā)生小幅度變化時(shí)，對灌漿材料抗壓強(qiáng)度影響不大。

(3)1,4-丁二醇用量在6%～8%之間，聚醚多元醇用量為25.8%～31.6%時(shí)，制得的無溶劑聚氨酯灌漿材料60%形變抗壓強(qiáng)度不小于35.2 MPa，拉伸強(qiáng)度不小于31.46 MPa，黏接強(qiáng)度不小于2.0 MPa，固化時(shí)間適中，滿足了水工混凝土裂縫灌漿補(bǔ)強(qiáng)的需要。

(4)在不同的季節(jié)施工，由于環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致灌漿材料固化速度的變化，但是不影響產(chǎn)品的最終性能。