环保型水活性聚氨酯灌浆堵漏材料的制备与性能研究

刘玉亭1，2，孙德文1，2，尹 浩1，2，李 波1，2

(1.江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏南京，210000;2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京，210000)

作者简介: 刘玉亭(1989—)，男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事防水堵漏材料研发。

【摘 要】 分别制备了两种环保型亲、疏水性聚氨酯灌浆材料，并对其固化前后的凝胶(凝固)时间、发泡率、包水性、尺寸稳定性等综合性能进行了分析与研究。通过模拟动水条件下单裂隙灌浆，验证了两种灌浆材料的实际灌浆堵水性能，结果表明，所合成的两种水活性聚氨酯灌浆料皆具有较好的堵水效率。

【关键词】 聚氨酯灌浆材料; 亲水性; 疏水性; 环保; 堵水

单组分水活性聚氨酯灌浆材料一般分为疏水性与亲水性两大类［1］，具有遇水能够迅速反应、固化产物性能可调、体积膨胀倍率大(疏水性)或包水能力强(亲水性)等特点，目前已广泛应用于帷幕防渗、动水堵水等领域。单组分亲水性与疏水性聚氨酯灌浆料都具有遇水反应膨胀和快速止水的特点，但两种浆材的适用范围、长期堵水性能及耐久性不尽相同。亲水型聚氨酯灌浆材料适宜于长期浸水环境下的堵水，而疏水型产品在堵水的同时还具有一定的加固作用［2］。

本文通过原料选择与工艺设计合成制备了两种不同亲疏水型单组分水活性聚氨酯灌浆材料，并对其性能进行了分析与评价; 同时为真实体现所合成的两种灌浆材料在裂隙动水条件下的堵水与加固能力，进行了动水条件下的灌浆模拟试验设计。

1 实验合成

1．1 实验原料及试剂

液化二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI－50)，工业级，BAYER; 甲苯二异氰酸酯(TDI)，工业级，BAYER; 多苯基多甲基多异氰酸酯(PAPI)，工业级，BAYER; 高亲水性聚醚多元醇(羟值20.35mg/g)，工业级，金陵化工二厂; 水溶性硅油，工业级，莱阳顺明化工有限公司; 双吗啉基二乙基醚，分析纯，天津中信凯泰化工有限公司; 碳酸丙二醇酯，分析纯，上海至鑫化工有限公司。

1．2 环保型单组分亲水性聚氨酯灌浆材料的制备

在装有搅拌装置的三口烧瓶中，加入亲水聚醚多元醇，120℃真空脱水2h后，冷却至50～60℃，在氮气气氛下，加入一定量的二异氰酸酯，反应0.5h后，升温至60～70℃，继续反应4h; 将上述预聚体冷却至室温，向所制预聚体浆液中加入碳酸丙二醇酯搅拌10～30min后，得单组分亲水性聚氨酯灌浆料浆液［3］。

取一定质量的上述合成浆液与水按一定的质量比混合搅拌均匀，并测试相关性能，粘度、凝胶时间、包水性、遇水膨胀率等性能均按JC/T2041—2010测定。

1．3 环保型单组分疏水性聚氨酯灌浆材料的制备

将一定质量不同聚醚多元醇的混合物投入三口烧瓶中，110～120℃真空脱水1.5～2h;降温至60℃，在氮气气氛下加入多异氰酸酯，反应0.5h后，升温至70℃继续反应3h; 加入一定量的碳酸丙二醇酯、泡沫稳定剂、催化剂等助剂，搅拌混合均匀，得单组分疏水性聚氨酯灌浆料浆液［4］。

取适量上述单组分疏水性聚氨酯灌浆材料浆液，加入5%的水，搅拌均匀，室温下反应、发泡、固化，考察其综合性能，固化时间、发泡率等性能均按JC/T2041—2010测定; 线性尺寸稳定性按JG/T316—2011测定。

2 浆材研究

2．1 环保型单组分亲水性聚氨酯灌浆材料的性能分析

以高亲水性聚醚多元醇分别与TDI、MDI以及TDI/MDI复合二异氰酸酯制备出三种不同体系的亲水性聚氨酯灌浆料，其遇水后凝胶反应的变化规律如图1所示，当水浆比从1 1逐渐增大至10 1时，三种体系的亲水性浆料凝胶时间均会随之逐渐延长。其中TDI体系浆料遇水反应速率最快，凝胶后其凝胶体的强度也相对较高，综合性能最好，但是由于游离TDI对人体的危害性较大，不利于环保与施工安全。

为此，我们使用了毒性较低的MDI替代TDI制备出环保型亲水性聚氨酯灌浆料，结果表明，MDI基浆料其遇水反应凝胶时间较之TDI基浆料要延长很多，当W/G(水浆比) =1 1时， TDI基浆料的凝胶时间为8s，而MDI基浆料为22s; 当W/G=10 1时，TDI基浆料的凝胶时间为60s，而MDI基浆料则高至120s。同时，我们发现以MDI为基浆料凝胶后凝胶体的强度也明显不足。

图1 亲水性聚氨酯灌浆材料遇水凝胶反应性变化规律

通过工艺设计与方案改进，最终以TDI/MDI复合二异氰酸酯体系制备出高性能环保型亲水性聚氨酯灌浆料，如图2所示，经过改进后的亲水性聚氨酯灌浆料基本保留了TDI基亲水性浆料的遇水反应性，同时不含游离TDI。

图2 亲水性聚氨酯灌浆料反应后凝胶拉丝现象

(a)W/G=5 1; (b)W/G=10 1

2．2 环保型单组分疏水性聚氨酯灌浆材料的性能分析

如图3所示，随着催化剂DMDEE用量的增加，单组分疏水性聚氨酯灌浆材料遇水反应时的乳白时间、上升时间和不粘时间均逐渐降低，发泡倍率则逐渐增大。如图4所示，随着浆液中NCO含量的增大，发泡后浆材固结体的线性尺寸变化率逐渐降低，这主要是由于随着NCO含量的增大，浆材固化后在发泡体表面产生的聚脲层也会越厚，泡沫体中与外界的气流交换速度也相对减缓，因此抑制了泡沫体的收缩。

图3 催化剂用量对疏水性聚氨酯灌浆料固化时间与发泡倍率的影响

图4 异氰酸根含量对泡体稳定性的影响

如图5、图6所示，当催化剂用量一定时，单组分疏水性聚氨酯灌浆材料的固化时间随着水浆比的增加逐渐延长，当水浆比为1 20时，固化时间只需145s左右，而当水浆比增大至3 5时，固化时间则延长至410s以上; 而浆料的发泡倍率则呈现不同的变化趋势，在水浆比低于1 5时，发泡倍率随着水含量的增加逐渐增大，当水浆比高于1 5时，发泡倍率随着水含量的增加逐渐降低，甚至无法正常发泡。

图5 水浆比对疏水性聚氨酯灌浆料固化时间的影响

图6 水浆比对疏水性聚氨酯灌浆料发泡倍率的影响

3 单裂隙动水灌浆模拟实验设计

为真实模拟实际情况下所制备的两种灌浆料的堵动水能力，我们需要进行动水条件下的灌浆模拟试验。模拟系统包括动水水源系统、动水裂隙通道和进料系统三部分［5］。其中，动水水源系统由室内自来水阀和输水管道组成; 动水裂隙通道由裂隙混凝土(以长80cm、宽40cm、厚5cm的三层混凝土板组成，中间层砸裂若干裂隙)、进水管和注浆管组成; 进料系统包括注浆泵和注浆管道等。

如图7所示，将三层混凝土板依次叠放好后，将混凝土板周围所有缝隙全部封死，室外养护3d后，在上盖板依次钻进水孔、注浆孔和出水孔，孔深及至第三层板表面，并在进水孔和注浆孔内插入注浆管，将进水口处的注浆管连接输水管道并连通室内自来水阀，打开室内水源，水流经输水管道流进混凝土裂隙中去，从出水口处不断涌出，将注浆泵连接注浆管，启动注浆泵开始注浆，待渗漏水情况有明显好转时或原漏水点淋出的液体中浆液浓度较高时，选择停止注浆或继续灌注一段时间后停止灌浆。实验结果显示，实验合成的两种水活性聚氨酯灌浆材料均能较好地堵住水流，具有较好的实际使用效果。

图7 灌浆模拟实验施工图

4 结语

(1)本文中所研究的两种单组分水活性聚氨酯灌浆材料具有环保无污染、遇水反应迅速等特点，综合性能优良，适用范围广。

(2)经模拟注浆试验分析，所制得的两种聚氨酯灌浆材料皆具有较高的堵水效率，注浆效果显著。

参考文献

［1］Naudts A. Irreversible Changesinthe Grouting Industry Causedby Polyurethane Grouting: Anoverviewof30 year so fpolyure thaneg routing［J］. Geotechnical Special Publication，2003，2: 1266－1280.

［2］张勇.对聚氨酯灌浆材料的再认识［J］.中国建筑防水，2011，(16): 01－06.

［3］秦道川.高固含量环境友好型聚氨酯灌浆材料的研究［J］.中国建筑防水，2011，(13): 14－16.

［4］申宝兵，张云，黎松. 水溶性聚醚的研制及在PU灌浆材料中的应用［J］. 聚氨酯工业，2006，21(5):39－41.

［5］湛铠瑜，隋旺华. 动水条件下单裂隙注浆模型试验系统设计［J］. 实验室研究与探索，2011，30(10):19－23.