聚氨酯化学灌浆材料的制备及性能研究

王　治胡浩然赵国武吴　强河南建筑材料研究设计院有限责任公司（45000）　河南省华瑞防水防腐有限公司（450000）



聚氨酯化学灌浆材料的制备及性能研究

王治1胡浩然1赵国武2吴强2
1河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）2河南省华瑞防水防腐有限公司（450000）

摘要:通过介绍聚氨酯化学灌浆材料的制备工艺、分类及测试，探讨了聚氨酯化学灌浆材料的性能指标，分析了测试结果，供同行参考。

关键词:聚氨酯；灌浆材料；制备工艺及分类；试验；性能测试

0引言

化学灌浆作为一门工程技术，目前在我国已经得到了非常迅速的发展，已成为基础防渗加固处理、水工建筑物防渗补强加固、地下建筑物防水处理的主要手段之一。

聚氨酯化学灌浆材料是由聚氨酯树脂与一些添加剂组成的化学灌浆，遇水以后能立即与水发生扩链、支化及交联反应，产生二氧化碳气体，造成体积膨胀并最终生成一种不溶于水的、有一定强度的凝胶固结体[1]。聚氨酯化学灌浆材料主要有水溶性和油溶性两大系列，其中水溶性聚氨酯灌浆材料因其亲水性好、包水量大、弹性大等优点被广泛应用。近年来，随着人们环保意识的提高，水溶性聚氨酯成为灌浆领域的重要材料[2]。

在我国,自20世纪70年代就开始了聚氨酯化学灌浆材料的研究[3]。聚氨酯化学灌浆材料主要用于有防水要求的化学灌浆工程中，操作简便、与水反应迅速、固化产物具有遇水膨胀功能，因此广泛用于裂缝的防渗止水处理，特别是对于涌水的处理效果特别明显。

1制备工艺及分类

聚氨酯化学灌浆材料的制备目前基本以预聚法为主，即将TDI、MDI等多异氰酸酯与含羟基组分进行反应，再加入催化剂、促进剂等物质，配制成单组分或多组分的化学灌浆材料。反应过程中的-NCO预聚物极易与水发生反应，利用这一特性，制得的聚氨酯化学灌浆材料可以与水迅速发生反应，从而达到堵水、止水的目的。当这些材料在使用过程中与水接触或双组分混合后，即可发生反应达到固化的目的。

聚氨酯化学灌浆材料主要有两大系列:水溶性（亲水型）聚氨酯和油溶性聚氨酯。这两类材料虽然都能用于防水、堵漏、加固，但两者也有差别。通常，水溶性聚氨酯灌浆材料亲水性好、包水量大、弹性大，适用于潮湿裂缝的灌浆堵漏、动水地层的堵涌水、潮湿土质表面层的防护等。油溶性聚氨酯灌浆材料的固结体强度大、抗渗性好、弹性小，比较适合混凝土静缝的防渗堵漏及地基加固、防水堵漏兼备的工程[4]。根据施工需要，也可把水溶性与油溶性聚氨酯灌浆材料按合适的比例混合后进行灌浆施工。

表1试验材料

2试验

2.1试验材料（见表1）

2.2试验仪器设备

所用合成仪器设备主要有三口烧瓶、电子天平、精密电动搅拌器、变频调速双层玻璃反应釜、SHZ-D（Ⅲ）循环水式多用真空泵、GSC高温恒温循环槽等。

2.3合成方法

以合成水溶性聚氨酯灌浆材料为例:先将聚醚放入反应釜中，在110～120℃温度下真空脱水1 h，脱水完毕后降温至50～60℃，加入增塑剂，然后边搅拌边缓慢加入TDI，缓慢升温至80～90℃，进行反应2.5～3 h，降温至50～60℃，加入溶剂及各类助剂，搅拌均匀后出料包装。

3性能测试

3.1密度

在标准试验条件下,按GB/T 8077-2000中的5.3条进行,用波美比重计插入溶液中测出该溶液的密度（只测定主剂的密度）。

3.2黏度

按GB/T 2794-1995中的5.1进行试验，在试验验证时采用NDJ-1型旋转黏度计。

3.3凝胶时间

在标准试验条件下,试样与5倍的水相混合，并迅速搅拌均匀（约10 s）后静止，得到白色乳浊液。之后用玻璃棒不断探测黏度的变化，当玻璃棒离开液面出现拉丝现象时，视该试样已凝胶化。测定试样与水从混合开始至用玻璃棒离开液面出现凝胶体拉丝的时间即为凝胶时间。

3.4遇水膨胀率

在标准试验条件下，在水溶性聚氨酯灌浆材料中掺入5%水后，制成（φ50×50）mm固结体，然后将固结体浸入水中，在规定时间内，用排水法（量筒）测量固结体浸水前后体积的变化值，计算固结体浸水以后体积增长的倍数。

3.5包水性

在标准试验条件下,测定试样与10倍质量的水从开始混合至容器中倒不出水时的时间。

3.6发泡率

在标准试验条件下，一定比例下的聚氨酯灌浆材料与水（催化剂），反应后形成的泡沫状固结体相对于原浆液的体积增长率。采用带刻度的容器，用补水的方法，直接测定体积的变化。

4结果

密度指标是反映聚氨酯灌浆材料的有效物质含量。密度低则聚氨酯灌浆材料的固含量低，将影响发泡率。反映快速堵漏效果的指标是凝胶时间、凝固时间、发泡率、包水量。凝胶时间短，发泡率越大，包水量越大，产品性能越好，快速堵漏的效果越明显。反映产品性能的指标是凝胶时间、凝固时间、遇水膨胀率、包水性、发泡率、抗压强度等。反应灌浆材料渗透性（可灌性）的指标是黏度，黏度越低，越容易渗透，可灌性越好。遇水膨胀率指标反映纯浆固结体遇水膨胀的能力。纯浆固结体在灌浆结束以后仍能遇水膨胀堵塞渗水通道，发挥二次止水堵漏的作用，该指标越大越好。

表2性能测试

图1体系密度与相对分子量的关系

图2黏度与相对分子量的关系

图3凝胶时间与相对分子量的关系

图4包水性与相对分子量的关系

图5发泡率与相对分子量的关系

4.1相对分子量对产品性能的影响

实验证明,通过调整混合体系中聚醚的配比，随着体系的相对分子量增加，体系的密度、黏度指标增加，而凝胶时间、遇水膨胀率、包水性、发泡率指标下降。

4.2溶剂的添加量对于产品性能的影响

在生产实际中采取丙酮与二甲苯的混合液作为体系溶剂，来调节体系的黏度以便提高施工性能。体系中改变溶剂的添加量不仅对黏度有影响，同时影响到发泡体系的凝胶时间、包水性、发泡率指标，使得产品的性能下降。应根据产品的不同使用要求合理调节溶剂的添加量。通常在5%～25%间来调整溶剂的添加量可获得比较满意的效果。

4.3助剂的用量对产品性能的影响

采用邻苯二甲酸二丁酯（DBP）做增塑剂，可以提高浆料固结体的韧性和弹性模量，加入量大会降低体系的-NCO含量，使得发泡率下降。以水溶性无水硅油（Tegostab B8228）做为泡沫稳定剂，保持浆料固结体的稳定性，降低塌泡的可能性。三乙胺做催化剂，柠檬酸做缓凝剂，均可以调节凝胶时间。

5结论

1）通过调整混合体系中聚醚配比，使体系的相对分子量增加，进而使体系的密度、黏度指标增加，凝胶时间、遇水膨胀率、包水性、发泡率指标下降，大大提高水性聚氨酯灌浆材料的施工性能。

2）通过合理调节溶剂的增加量，来调节混合体系的黏度,进而改变体系的凝胶时间、包水性、发泡率指标，以便于提高施工性能。试验证明，加入20% ~25%的混合溶剂,能达到很好的效果。

3）试验证明，在发泡体系中加入不同的助剂，会对材料性能产生不同的影响。加入少量增塑剂可以提高发泡体系的韧性和弹性，但加入量过大会使发泡率下降。加入适量的稳定剂可降低塌泡的可能性。加入合适的缓凝剂可以调节凝胶时间，大大提高施工性能。

参考文献:

[1]朱吕民.聚氨酯合成材料[M].南京:江苏科学技术出版社, 2004:700- 702.

[2]王正平,赵钢. - NCO基在聚氨酯预聚体合成过程中的影响[J].应用科技,2002,29(2):37- 38.

[3]赵晖，何凤，刘益军，黄国泓.水溶性聚氨酯化学灌浆材料的研制[J].化工新型材料,2005,33(8)：61- 63.

[4]耿同谋,宫继昌,刘孔凡.影响水溶性聚氨酯凝胶性能的因