水溶性聚氨酯灌漿材料的應(yīng)用詳解

吳啟民

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，310030）

水溶性聚氨酯灌漿材料的應(yīng)用詳解

吳啟民

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，310030）

LW/HW水溶性聚氨酯灌漿材料是華東院科研所在20世紀(jì)70年代末[1]國內(nèi)率先研制成功的高效堵水產(chǎn)品。隨著數(shù)十年的深入開發(fā)及推廣應(yīng)用，產(chǎn)品品種不斷豐富，在水電、礦山、地鐵、城建等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。裂縫堵水簡單易學(xué)，許多零星裂縫堵水工程被個(gè)體戶承包施工，由于缺乏專業(yè)知識及應(yīng)用技術(shù)，堵水效果參差不齊，已經(jīng)影響到了產(chǎn)品聲譽(yù)。筆者結(jié)合多年來的工程使用經(jīng)驗(yàn)及大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對華東院HK-LW/HW水溶性聚氨酯材料的堵水特性進(jìn)行研究，以期指導(dǎo)廣大用戶能夠正確選擇和使用這一類型產(chǎn)品。

聚氨酯灌漿；混凝土抬動；遇水膨脹；二次堵水；裂縫灌漿

0 前言

混凝土建筑物裂縫、結(jié)構(gòu)縫滲漏水現(xiàn)象較為常見，特別是水工建筑物、地下室、地鐵、地下管廊等漏水問題與日俱增，已經(jīng)影響到人們對構(gòu)筑物的使用體驗(yàn)，與我國現(xiàn)階段追求“工匠精神”的工程品質(zhì)要求不相符。這些問題主要由以下幾個(gè)原因?qū)е拢夯A(chǔ)不均勻沉降、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、混凝土養(yǎng)護(hù)不當(dāng)、施工工藝不當(dāng)?shù)?，表現(xiàn)為層間縫滲漏、剪切縫滲漏、斜向裂縫滲漏水。根據(jù)縫的成因及影響因素不同，設(shè)計(jì)灌漿工藝時(shí)，選擇的材料及工藝參數(shù)也應(yīng)不同，倘若采取千篇一律的處理方式，往往得不到好的治理效果。而錯誤的選擇可能導(dǎo)致混凝土抬動、混凝土崩裂、混凝土起鼓、裂縫復(fù)滲[2]問題，這些問題的產(chǎn)生往往與不恰當(dāng)?shù)氖┕?、工藝及材料選擇有關(guān)，特別是灌漿前沒有做好細(xì)致和正確的原因分析而盲目采取灌漿工藝措施，容易導(dǎo)致治標(biāo)不治本。

1 水溶性聚氨酯灌漿材料特性

水溶性聚氨酯可用于裂縫堵水，且具有立竿見影的效果，其工藝簡單，易學(xué)易用。很多人認(rèn)為只要有相應(yīng)的設(shè)備及材料，就能輕易開展堵漏施工作業(yè)，這導(dǎo)致了眾多問題，主要是由于對材料固化特性及堵水特性一知半解。單組分水溶性聚氨酯灌漿材料在國內(nèi)的應(yīng)用已有近40年的歷史，但有關(guān)其機(jī)理和應(yīng)用研究的報(bào)道尚不多見[3]。

1.1 遇水固化特性

聚氨酯灌漿材料可遇水固化，反應(yīng)中生成的CO2對漿液的滲透具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。據(jù)測定，封閉條件下，固化反應(yīng)產(chǎn)生的CO2壓力可達(dá)0.5～1.0MPa，可灌入寬度8 μm的細(xì)微裂縫及滲透系數(shù)10-4cm/s以上的土壤中[4]。其反應(yīng)機(jī)理為含二元及以上的端-NCO結(jié)構(gòu)的長鏈分子，其長鏈部分以富含親水性基團(tuán)為主，在有機(jī)溶劑中形成懸浮狀，遇水后形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而固化。

從遇水到固化需要經(jīng)歷乳化分散、凝膠固化過程，水既是稀釋劑又是固化劑[5]。乳化階段漿液與水體的比例不能超過包水率倍數(shù)（一般可達(dá)30倍[6]），如果過量水稀釋了漿液，將無法進(jìn)行到凝膠固化階段，這就是經(jīng)常有施工單位遇到裂縫滲漏堵不住的原因，除了滲徑太短導(dǎo)致乳化時(shí)間不夠外，更多的是因?yàn)樽{量遠(yuǎn)小于滲漏水量，被水流嚴(yán)重稀釋而無法在縫內(nèi)凝膠固化。為了驗(yàn)證不同水壓中光滑通道型層流條件下水溶性聚氨酯灌漿材料的封堵效果，設(shè)計(jì)了管道模型試驗(yàn)（見圖1），采集了流速、壓力、管徑、水溫參數(shù)，并進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，模擬0.2MPa、0.4 MPa、0.6 MPa和0.8 MPa水壓力，測得不同管徑下的最短可封堵長度（由于數(shù)據(jù)龐大，文中不羅列）。同時(shí)，進(jìn)行了可視模擬裂縫灌漿試驗(yàn)，設(shè)置縫寬2.0 mm，觀察水源點(diǎn)與射漿管出口位置前后不同與封堵效果及固結(jié)體堆積形態(tài)的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，管道型壓力層流根據(jù)管徑（6 mm和8 mm）、水壓不同，可封堵長度2～6 m，而裂縫模擬中由于水流速度很低，封堵擴(kuò)散半徑完全可控，并且需要間歇灌漿才能使灌漿壓力提升，否則擴(kuò)散半徑會不斷堆積增大，最后超出試驗(yàn)?zāi)Ｐ?.0 m的滲徑。在實(shí)際裂縫灌漿中，裂縫表面是粗糙和起伏的，縫中的水流流態(tài)并不穩(wěn)定，局部會形成漩渦流，延長部分漿液停留時(shí)間，利于漿液乳化分散，進(jìn)而固化封堵裂縫，且混凝土處于濕飽和狀態(tài)，能夠加速縫中漿液的凝固。

圖1 水溶性聚氨酯射流封堵模型Fig.1 Model of sealing of jet flow by water soluble polyure?thane grouting material

1.2 干縮再膨脹特性

聚氨酯預(yù)聚大分子中長鏈部分的醚鍵、羥基和嵌段聚醚等極性基團(tuán)，易通過氫鍵作用與水分子形成水膠體，使體積發(fā)生膨脹，而氫鍵結(jié)合能較弱，在表面飽和蒸汽壓較低的情況下，水分子能夠輕易地逃離束縛，此時(shí)固結(jié)體發(fā)生體積收縮。而LW水溶性聚氨酯灌漿材料（簡稱LW）與HW水溶性聚氨酯灌漿材料（簡稱HW）具有互補(bǔ)性，通過調(diào)節(jié)比例，能夠獲得具有不同的遇水膨脹率及力學(xué)特性、滿足工程需要的固結(jié)體。實(shí)驗(yàn)研究表明，在縫變形量相對穩(wěn)定的情況下，包水量及LW/HW互摻比例是影響灌漿效果的主要因素[7]。包水量過大，后期干燥收縮也就越大，因此灌漿不僅僅是灌滿縫腔，而且需要灌到有效的純漿體出漿為止。純漿體能否持久有效堵水，還要結(jié)合漿液摻和比是否滿足縫變形特點(diǎn)進(jìn)行分析，只有弄清楚這些關(guān)系，灌漿才能取得好的效果。

由表1可發(fā)現(xiàn)，純LW水溶性聚氨酯固結(jié)體具有良好的遇水膨脹性，同時(shí)在干燥環(huán)境下的收縮也很明顯，收縮量與可揮發(fā)溶劑含量、強(qiáng)度及材料厚度這些影響揮發(fā)速率的因素有關(guān)，而自然條件下有機(jī)溶劑的揮發(fā)是不可逆的，只要遇水后的膨脹率大于干收縮率，在縫未進(jìn)一步發(fā)生張開變形的情況下，堵水是有效的，反之就會有滲漏。而LW與HW摻和比例達(dá)到5∶5時(shí)，薄層試件易開裂，且遇水膨脹率小于干縮率，在裂縫被聚氨酯材料脹開后，再次發(fā)生收縮時(shí)，也有可能產(chǎn)生復(fù)滲問題。同樣在用純LW水溶性聚氨酯灌漿材料堵水過程中，如果認(rèn)為水已經(jīng)止住就可以停止灌漿，而沒有考慮漿液純度，發(fā)生干縮后也有可能再次成為復(fù)滲的通道。

表1 水溶性聚氨酯灌漿材料膨脹與收縮特性Table 1 Properties of expansion and shrinkage of water soluble polyurethane grouting material

試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)表明（見表2），HW對LW的補(bǔ)強(qiáng)作用明顯，特別是在抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度上獲得了明顯提升。而當(dāng)比例達(dá)到或小于5∶5后，薄片試件難以成型，易出現(xiàn)裂縫，經(jīng)進(jìn)一步研究確認(rèn)，主要是由于材料抗壓強(qiáng)度大于拉伸強(qiáng)度，隨著溶劑的揮發(fā)，固結(jié)體體積發(fā)生收縮，收縮應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料就會發(fā)生開裂。只有減少有機(jī)溶劑添加量，改善材料干縮率，才能測得有效數(shù)據(jù)。這些試驗(yàn)結(jié)果說明HW能對LW的各項(xiàng)性能進(jìn)行改良，以滿足不同工程的需要，但也不是任意比例都能起到好的作用。

表2 水溶性聚氨酯不同配合比力學(xué)特性Table 2 Mechanical properties of water soluble polyurethane of different mix proportion

遇水膨脹力的研究對工程實(shí)踐有很大的意義，也是避免混凝土結(jié)構(gòu)被過度灌注水溶性聚氨酯而導(dǎo)致負(fù)作用的關(guān)鍵，是目前研究的盲點(diǎn)。大多數(shù)施工單位都忽略了這個(gè)重要因素，特別是在工藝設(shè)計(jì)及材料選擇時(shí)，如果沒有引起足夠重視，結(jié)果往往會使混凝土發(fā)生二次破壞，通常表現(xiàn)為混凝土抬動。為了研究膨脹壓力的大小，通過直徑15 cm的圓餅形試驗(yàn)裝置，以雙層棉紗作為吸水通道，將2 mm厚的漿液固結(jié)體夾在圓形試件中間，并浸沒在水中，在萬能試驗(yàn)機(jī)上連續(xù)測得吸水膨脹壓力與時(shí)間的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著時(shí)間的增長，膨脹應(yīng)力最終高達(dá)40 MPa，隨著縫張開變形量的增加，膨脹力逐漸被消除。通過這個(gè)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)承載力大小、裂縫寬度及灌漿材料配合比的選擇對于經(jīng)灌漿治理后的建筑物穩(wěn)定性至關(guān)重要。

1.3 二次堵水特性

如前文所述，LW不僅能夠立即堵水，在灌注量達(dá)到技術(shù)要求的情況下，即便裂縫發(fā)生二次張開，固結(jié)體仍然具有再次膨脹堵水的效果。實(shí)現(xiàn)二次堵水的前提是縫張開度在固結(jié)體遇水膨脹率范圍以內(nèi)，且最初固結(jié)體純度較高。這就要求在治理裂縫滲漏水時(shí)，首先必須了解清楚混凝土裂縫產(chǎn)生的原因、裂縫穩(wěn)定性及后期發(fā)展的可能性，根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的灌漿工藝計(jì)劃，決定是否需要進(jìn)行二次補(bǔ)灌、確定漿液配合比等施工參數(shù)設(shè)置。

1.4 堵水與加固并重

早期同步開發(fā)成功的HW并未在市面上大力推廣使用，僅僅作為LW的補(bǔ)充出現(xiàn)，另外一直以來都是自用為主。經(jīng)過幾十年的應(yīng)用，工程加固的需求越來越多，下文介紹這種材料優(yōu)良的加固特性。目前業(yè)內(nèi)已形成“水溶性聚氨酯只能用于堵水，而結(jié)構(gòu)裂縫加固需要采用環(huán)氧灌漿材料或水泥灌漿材料等高強(qiáng)度材料進(jìn)行修補(bǔ)”的固有思維，只有少數(shù)設(shè)計(jì)單位清楚HW的正確用法。

HW具有對潮濕混凝土粘結(jié)力強(qiáng)、粘度較低、遇水固化緩慢、固結(jié)體強(qiáng)度高等特點(diǎn)，能夠很好地用于大體積混凝土層間縫加固、穩(wěn)定性較好的溢流面裂縫防滲加固、環(huán)境溫度相對穩(wěn)定的地鐵和地下室非活性縫防滲加固。HW能夠與LW以任何比例混合使用，獲得不同強(qiáng)度和不同膨脹率的固結(jié)體，但裂縫寬度過大時(shí)，應(yīng)盡量先選擇超細(xì)水泥灌漿，再用化學(xué)漿液灌漿。

2 正確的選擇和使用

2.1 配合比選擇

在引入HW水溶性聚氨酯灌漿材料后，原有的水溶性聚氨酯灌漿材料的適用范圍立即被拓寬，從彈性體止水到剛性加固都能夠滿足。根據(jù)裂縫所在混凝土建筑物的受力情況、強(qiáng)度、厚度、縫寬及穩(wěn)定性方面分析，能夠設(shè)計(jì)出合理的材料配合比，做到止水的同時(shí)，兼顧一定的加固作用。

2.2 灌漿壓力與設(shè)備

目前裂縫灌漿中存在著一個(gè)較為嚴(yán)重的問題，即無論混凝土薄厚，是否有加固需求，絕大多數(shù)都采用高壓注漿機(jī)進(jìn)行脈沖式的超高壓力灌漿，這等同于對已經(jīng)受損的混凝土進(jìn)行二次傷害，水可能止住了，但往往伴隨著更大的結(jié)構(gòu)破壞（見圖2）。

圖2 某地鐵項(xiàng)目高壓力灌漿導(dǎo)致混凝土崩裂Fig.2 Concrete cracks caused by high pressure grouting

就超高壓力，筆者做過一系列試驗(yàn)測試及現(xiàn)場觀察研究。目前較為常用的注漿針頭內(nèi)置彈簧鋼珠逆止結(jié)構(gòu)，需要初始壓力5.0 MPa（液壓穩(wěn)步升壓操作）以上才能打開通道，而柱塞結(jié)構(gòu)的高壓注漿機(jī)，在裂縫灌漿過程中，壓力一般都達(dá)到10 MPa以上，有時(shí)甚至超過15 MPa，灌漿通道完全被堵情況下可達(dá)50 MPa，而C40混凝土抗拉強(qiáng)度僅有2.0 MPa多一點(diǎn)，能輕易將混凝土灌爆。即便工人經(jīng)驗(yàn)豐富，能夠控制灌漿節(jié)奏，不至于使裂縫表露出來，但混凝土內(nèi)傷實(shí)難避免。

正確的裂縫灌漿方式，可以采用很多技術(shù)措施，例如針對滲水裂縫，特別是寬度小于0.2 mm的滲水裂縫，應(yīng)考慮提高漿液的可灌性，盡量延緩材料固化時(shí)間，同時(shí)擴(kuò)大擴(kuò)散半徑，采用低壓慢灌的原則進(jìn)行處理。利用丙酮高滲透性及優(yōu)異浸潤性的特點(diǎn)，作為開路趕水材料，視裂縫深度及易達(dá)到的擴(kuò)散半徑?jīng)Q定丙酮用量，而后灌入水溶性聚氨酯，在縫內(nèi)丙酮既是趕水隔離劑，又是稀釋劑，使?jié){液能夠穿透至更細(xì)的裂隙中，逐漸升高壓力至設(shè)定值，隨著灌漿時(shí)間的持續(xù)，縫內(nèi)漿液可以擴(kuò)散至理想的深度。根據(jù)混凝土強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)不同，薄層（厚度小于20 cm）混凝土灌漿壓力一般不宜超過0.4 MPa，中厚度（20～50 cm）混凝土灌漿壓力一般不宜超過0.8 MPa，厚層（大于50 cm）混凝土根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算安全情況下，一般裂縫灌漿壓力不宜超過1.5 MPa，拱形襯砌混凝土，接觸灌漿壓力可以適當(dāng)放寬。僅憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定灌漿壓力是不恰當(dāng)?shù)?，?yīng)綜合分析裂縫成因及建筑物所處的環(huán)境，在確保結(jié)構(gòu)安全前提下，進(jìn)行科學(xué)合理的工藝設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

（1）在正確的分析、材料選擇及工藝設(shè)計(jì)前提下，利用HW對LW的良好性能調(diào)節(jié)性，水溶性聚氨酯可用于防滲止水，也可以用于結(jié)構(gòu)加固。

（2）有機(jī)溶劑開路是擴(kuò)大灌漿滲透半徑及灌注微細(xì)裂縫的有效手段，應(yīng)逐漸放棄采用高壓快速處理裂縫滲漏水的做法，提倡低壓慢灌，重塑化學(xué)灌漿的可靠性。

（3）單孔吃漿量過大或裂縫寬度過寬時(shí)，應(yīng)慎重選擇灌漿材料配合比及總量控制，預(yù)防發(fā)生非預(yù)期的二次破壞，因此對于重要建筑物，灌前進(jìn)行裂縫連通性檢查很有必要。

（4）應(yīng)加強(qiáng)對裂縫隨溫度及荷載變化的觀察記錄，對裂縫做出正確的定性、定量判斷，便于制定合理的材料配合比方案。

（5）化學(xué)材料存在多樣性，不同配合比表現(xiàn)出來的性能特點(diǎn)也不同，應(yīng)繼續(xù)加大材料特性研究，最終形成數(shù)據(jù)表單，以便設(shè)計(jì)單位能夠靈活掌握材料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出更科學(xué)合理的裂縫治理方案。

[1]秦道川.水溶性聚氨酯灌漿材料發(fā)展探討[J].中國建筑防水,2014(21):17-22.

[2]張繼霞,張捷.聚氨酯灌漿材料地鐵防滲處理應(yīng)用中存在問題探討[J].中國建筑防水,2016(24):36-39.

[3]張勇.對聚氨酯灌漿材料的再認(rèn)識[J].中國建筑防水,2011(16):1-6.

[4]A Naudts.Irreversible Changes in the Grouting Industry Caused by Polyurethane Grouting:An Overview of 30 Years of Polyurethane Grouting[C].American Society of Civil En?gineers,2003.

[5]包銀鴻.水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿材料的研制與應(yīng)用[J].水利水電技術(shù),1985(10):14-22.

[6]張捷,張繼霞,吳啟民.聚氨酯灌漿材料宣傳與使用中的幾點(diǎn)誤區(qū)[C].全國化學(xué)灌漿學(xué)術(shù)交流會論文集,2010.

[7]劉益軍,趙暉,黃國泓,等.聚氨酯灌漿材料評述[C].中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會年會,2004:40-42.

2017-03-19

吳啟民（1978-），男，浙江蒼南人，高級工程師，主要從事防水、堵漏及加固材料開發(fā)工作。

作者郵箱：sendwu@163.com

Application of water soluble polyurethane grouting material

WU Qi-min

PowerChina Hua?dong Engineering Co.,Ltd.

LW/HW water soluble polyurethane grouting material is developed by scientific research in?stitute of PowerChina Huadong Engineering Cooperation Limited at the end of the 1970s,which is the first domestic water plugging product.With the advance and application for decades,more and more products are developed and used in hydropower,mining,subway,urban construction and other projects.This paper,combined with test data and long-term engineering experience,introduces the HK-LW/HW water soluble polyurethane water plugging materials,to guide users in their choice and application of the products.

polyurethane grouting;concrete lifting;water expansion;second water plugging;crack grouting

TV698.2

A

1671-1092（2017）05-0068-04