朱才文

(中國水利水電第十工程局有限公司，成都 610037)

1 概 述

水利工程建設中常會遇到隧道圍巖或邊坡穩(wěn)定性較差的問題，嚴重危害了水利工程的質量和長期安全性[1-3]。利用無機復合注漿材料進行巖土體的加固，是保證工程安全性的重要手段[4-5]。因此，研究并開發(fā)出高效經(jīng)濟的注漿材料對水利工程加固具有重要意義。

目前，我國針對水利工程注漿材料的研發(fā)工作得到廣泛關注。部分學者深入研究了利用化學試劑改良注漿材料，研究發(fā)現(xiàn)通過調整化學試劑的摻量、配比等參數(shù)可以有效加強注漿材料的工程性能[6-7]。也有部分學者指出，可以通過加入不同成分的礦物摻合料或礦物廢渣，如粉煤灰、石膏粉、煤矸石粉等，可以增強注漿材料的力學性能和凝固性能[8-10]。然而，上述研究成果仍存在性能不佳或經(jīng)濟性不高等問題。

本文利用聚氨酯材料室內制備一種新型聚氨酯無機復合注漿材料，并對其展開了漿液流動性、漿液凝結時間和力學強度試驗，深入探討新型注漿材料的綜合性能。

2 試驗設計

2.1 試樣制備

室內制備新型聚氨酯無機復合注漿材料所需要的材料有：P.O 42.5、聚氨酯材料和自來水，水泥材料的主要參數(shù)見表1。

將3種材料進行磨細處理后，按照不同的配比進行制樣。其中，對照組基礎配比為水泥∶水∶聚氨酯材料=1 000∶450∶0。根據(jù)上述基礎配比為質量比，按照相應配比增加聚氨酯材料的質量摻量。

表1 P.O 42.5和SAC礦物成分 /%

2.2 試驗方案

為研究聚氨酯濃度和養(yǎng)護齡期對新型聚氨酯無機復合注漿材料注漿性能的影響，本次試驗共設計4組不同聚氨酯濃度和3組不同養(yǎng)護齡期條件下的試驗研究。其中，聚氨酯濃度分別為0%、2%、4%、6%，養(yǎng)護齡期則分別為3 d、7 d和28 d。試驗對不同條件下的材料開展了漿液流動性、漿液凝結時間、抗壓強度和抗折強度試驗，其中漿液流動性試驗和凝結時間試驗是針對不同聚氨酯濃度的新型聚氨酯無機復合注漿材料的漿液體展開，強度試驗則是針對不同聚氨酯濃度和養(yǎng)護齡期的成型試樣展開。力學試驗利用YAW-2000型萬能試驗機展開，試驗過程中加載速度為0.1 mm/min，直至試樣完全破壞。見圖1。

圖1 YAW-2000型萬能試驗機

3 試驗結果分析

3.1 漿液流動性能

圖2展示了不同聚氨酯摻量條件下，新型聚氨酯無機復合注漿材料漿液的擴散半徑隨聚氨酯摻量的變化曲線。由圖2可知，隨著聚氨酯濃度的增大，新型注漿材料的擴散半徑也隨著減小，這表明聚氨酯試劑降低了新型注漿材料的流動性。當注漿材料中聚氨酯試劑的摻量為0%時，注漿材料的擴散半徑最大，可以達到34.05 cm；而隨著聚氨酯濃度的增大，不同聚氨酯摻量條件下注漿材料漿液的擴散半徑分別降低至31.22、28.16 及23.25 cm，分別較對照組降低8.31%、17.30%和31.72%。分析認為，當在注漿材料中加入聚氨酯化學試劑后，其可以與水反應生成凝膠物質，導致材料的黏性越大，因此注漿材料的流動性也就變差。

進一步分析注漿材料漿液的擴散半徑和聚氨酯摻量之間的關系并進行函數(shù)擬合，擬合結果見圖2。由圖2可知，漿液的擴散半徑和聚氨酯摻量呈負線性函數(shù)關系，擴散半徑隨聚氨酯摻量的增大而線性減小。函數(shù)擬合效果良好，線性相關系數(shù)R2達到0.981 1。

圖2 漿液擴散半徑隨聚氨酯摻量的變化曲線

3.2 漿液凝結時間

圖3展示了不同聚氨酯摻量條件下，新型聚氨酯無機復合注漿材料漿液的初凝時間和終凝時間隨聚氨酯摻量的變化曲線。由圖3可知，隨著聚氨酯濃度的增大，新型注漿材料的初凝時間和終凝時間隨之變短，這表明聚氨酯試劑加快了新型注漿材料的凝結速度。當注漿材料中聚氨酯試劑的摻量為0%時，注漿材料的凝結速度最慢，此時初凝時間和終凝時間分別為405和562 min；而隨著聚氨酯濃度的增大，不同聚氨酯摻量條件下注漿材料漿液的初凝時間分別縮短至305、230和210 min，而終凝時間則分別縮短至395、275和240 min。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著聚氨酯材料濃度的增大，注漿材料的初凝時間和終凝時間之間的差距逐漸變短。分析認為，當在注漿材料中加入聚氨酯化學試劑后，溶液中的活性分子大量增多，分子運動速度加快，因此材料的凝結速度變快、固化時間變短。

進一步分析注漿材料漿液的擴散半徑和聚氨酯摻量之間的關系并進行函數(shù)擬合，擬合結果見圖3。由圖3可知，漿液的凝結時間和聚氨酯摻量均呈負指數(shù)函數(shù)關系，凝結時間隨聚氨酯摻量的增大而線性減小，但降低速度越來越慢。函數(shù)擬合效果良好，初凝時間和終凝時間函數(shù)的線性相關系數(shù)R2分別可以達到0.958 2和0.967 0。此外，當聚氨酯摻量達到4%時，其初凝時間和終凝時間與6%摻量組較為接近，因此選取4%組較為合理。

圖3 漿液凝結時間隨聚氨酯摻量的變化曲線

3.3 試件力學性質

基于室內單軸壓縮和抗折強度試驗，得到不同養(yǎng)護齡期、不同聚氨酯濃度條件下，養(yǎng)護成型的新型聚氨酯無機復合注漿材料的抗壓強度和抗折強度試驗結果見表2、表3。由表2、表3可知，對于不同聚氨酯濃度的注漿材料試樣，其抗壓強度和抗折強度均隨著養(yǎng)護齡期增長而不斷增大。以聚氨酯濃度為2%組的試驗組為例，不同養(yǎng)護齡期下，其抗壓強度分別為16.15 、17.96 和19.15 MPa，其抗折強度分別為3.79 、4.12 和4.45 MPa。

進一步分析聚氨酯濃度對材料力學性質的影響，根據(jù)表2、表3可知，聚氨酯濃度對材料力學性質的影響要更為復雜。以養(yǎng)護3 d條件下的試樣為例，隨著聚氨酯濃度的增大，材料的抗壓強度分別為20.02、16.15、18.35和15.96 MPa，抗折強度分別為5.15、3.79、4.75和4.15 MPa。根據(jù)數(shù)據(jù)結果可知，新型聚氨酯無機復合注漿材料的抗壓強度和抗折強度隨聚氨酯濃度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且當其摻量為4%時，其強度與對照組較為接近且遠高于其余兩個試驗組。分析認為，制備新型注漿材料時，聚氨酯材料的聚合效應和水泥的水化反應是同步進行的。當聚氨酯材料濃度較低時，凝膠體產生量小且其力學性質比水化反應產物差，因此強度降低。而當聚氨酯材料濃度較為合適時，聚氨酯材料的聚合效應和水泥的水化反應較為均衡，產物強度增大；而當聚氨酯材料含量過大時，膠凝產物的含量大，材料的強度降低。

表2 不同新型注漿材料試樣的抗壓強度試驗結果

表3 不同新型注漿材料試樣的抗折強度試驗結果

綜上所述，當聚氨酯材料摻量為4%時，新型聚氨酯無機復合注漿材料的綜合性能最佳，此時其擴散半徑為28.16 cm，初凝時間為230 min，終凝時間為275 min，養(yǎng)護28 d試樣的抗壓強度和抗折強度則分別為24.78 和5.98 MPa。

4 結 論

1) 聚氨酯材料的濃度越高，則新型聚氨酯無機復合注漿材料的流動性越低、凝結速度越快；聚氨酯試劑對注漿材料力學性質的影響則較為復雜，抗壓強度和抗折強度呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的變化趨勢，但其強度整體均低于不摻聚氨酯試劑的對照組。

2) 當聚氨酯材料摻量為4%時，新型聚氨酯無機復合注漿材料的綜合性能最佳，此時其擴散半徑為28.16 cm，初凝時間為230 min，終凝時間為275 min，養(yǎng)護28 d試樣的抗壓強度和抗折強度則分別為24.78和5.98 MPa。

3) 本次研究僅考慮聚氨酯濃度對新型聚氨酯無機復合注漿材料性質的影響，而未考慮其它因素如溫度等環(huán)境條件的復合影響，下一步應當增加相關試驗研究內容。