CN111808255B - 一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于注浆材料技术领域，具体涉及一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，原料分为AB组分，组分A由以下质量份的原料组成：亲水低粘聚醚多元醇40～60份，渗透稀释剂35～55份，表面活性剂0.5～5份，催化剂0.1～2份；组分B由以下质量份的原料组成：异氰酸酯50～85份，渗透稀释剂5～30，阻燃剂5～35份。渗透胶结型聚氨酯注浆材料具有低粘度，强渗透性，力学强度高，耐化学腐蚀性强，固结效果好等优点，完全满足土层防渗加固应用。

Description

一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料

技术领域

本发明属于注浆材料技术领域，具体涉及一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料。

背景技术

传统用的渗透料主要包括甲基丙烯酸甲酯类材料，其优点是粘度较小，对于细小裂缝也具有较好的渗透性，力学强度优良，缺点是在聚合过程中，甲基丙烯酸甲酯类材料会发生近20％的体积收缩，这将造成聚合体与缝面的局部脱空，使得整体力学性能降低。其次为脲醛树脂类化学灌浆材料，优点是材料易得，价格较低，对土层有一定的补强作用，但是脲醛树脂类浆材中的甲醛具有强烈刺激性气味，其固结体硬而脆，抗渗透性差，而且浆液在酸性条件下固化，对设施有腐蚀，对人体不安全。而相比于以上材料，聚氨酯类渗透料具有优异的力学性能，抗渗性能，耐化学腐蚀性能，且粘度和固化时间可以根据实际需要调节。凭借出众的优势，其在渗透加固领域成为研究热点并被大量的应用。如中国专利CN108239387A公开了一种油溶性聚氨酯灌浆材料及其制备方法，主要原料为有机多异氰酸酯、聚醚多元醇、聚酯多元醇、溶剂、缓聚剂、表面活性剂、催化剂和增塑剂，但该油溶性聚氨酯灌浆材料是膨胀型聚氨酯，AB组分混合后材料迅速反应膨胀，该种材料粘度大，反应快，易膨胀的特性导致该种材料无法渗透到土体的孔隙之中，更无法将松散的土体固结形成一个固结体，它只能进行劈裂注浆或者封堵渗漏通道等。并且常规的油性聚氨酯稳定性差，容易失效，与土体固结效果较差，固结后的固结体强度不高，抗渗性较差，在有水条件下更会导致固结体性能进一步降低，严重影响使用效果。

发明内容

为解决现有渗透料粘度大、渗透性差、与土体固结效果差的问题，本发明提供一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料。

为实现上述目的，本发明采用以下方案：

一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，所述注浆材料分为AB组分，组分A由亲水低粘聚醚多元醇、渗透稀释剂、表面活性剂和催化剂组成，组分B由异氰酸酯、渗透稀释剂和阻燃剂组成。

进一步地，所述注浆材料分为AB组分，组分A由以下质量的原料组成：亲水低粘聚醚多元醇40～60份，渗透稀释剂35～55份，表面活性剂0.5～5份，催化剂0.1～2份；组分B由以下质量的原料组成：异氰酸酯50～85份，渗透稀释剂5～30，阻燃剂5～35份。

进一步地，所述组分A和组分B的粘度在25℃的条件下均≤10mps。

进一步地，所述亲水低粘聚醚多元醇的羟值为845～860mgKOH，为甘油和乙二胺以摩尔比为1：(0.8～1.2)混合为起始剂，再接枝环氧乙烷所得；

进一步地，所述组分A和组分B中的渗透稀释剂互相独立且分别为二氯甲烷和碳酸二甲酯以质量比例1：(4～6)混合而成。

进一步地，所述组分B中的异氰酸酯为

常温下为棕色液体。

进一步地，所述的表面活性剂为聚氧乙烯型非离子表面活性剂、多元醇型非离子表面活性剂、蔗糖酯、硅酮表面活性剂等中的一种或多种混合。

进一步地，所述的催化剂为三乙胺、二亚乙基三胺、二甲基卞胺、五甲基二亚乙基三胺等中的一种或多种混合。

进一步地，所述的阻燃剂为磷酸三(1-氯-2-丙基)酯、甲基磷酸二甲酯、乙基磷酸二乙酯、磷酸三乙酯、异丙基化三苯基磷酸酯、磷酸三苯酯、磷酸甲苯二苯酯等中的一种或多种混合。

本发明渗透胶结型聚氨酯注浆材料的制备和使用过程为：常温下，将组分A中的各原料称量并依次加入干燥的混合釜中，充分搅拌均匀，分包后形成组分A，将组分B中的各原料称量并依次加入干燥的混合釜中，充分搅拌均匀，氮气置换后，分包形成组分B。应用时，使用注浆泵将组分A与组分B按体积比为1:1均匀混合后注入需要加固的土层中即可。两种组分发生反应形成聚氨酯高聚物，其具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，可以使松散脆弱的土层形成坚固的整体。硫酸盐侵蚀机理在于会与土体中的Ca元素反应生成具有膨胀特性的钙矾石，进而产生胀裂现象，而高聚物本身不含Ca元素，且高聚物固结土体之后能有效降低土体孔隙率，也阻断了盐向土体内部侵蚀的通道。可溶性盐的侵蚀作用最主要在于，随着温度和水分的变化，侵入土体内部的可溶性盐如氯盐与硫酸盐会发生溶解-结晶膨胀-再溶解的过程，使得土体循环经受膨胀与疏松作用，进而产生散落崩解的危险，而本发明高聚物固结土体之后有效降低了孔隙结构增加了土体的密实程度，进而阻断了盐类向土体内部运移侵蚀的通道，因此具有较好的耐化学腐蚀性。

本发明各组分作用：组分A主要的组分是亲水低粘聚醚多元醇，是与组分B反应的活性物质；其次为渗透稀释剂，其具有降低物料粘度的作用，使得物料粘度更小，渗透力更强；表面活性剂，是提高物料与土壤的润湿性，赋予原料在土壤缝隙中的流动性；催化剂用于调节AB组分的反应时间。组分B其主要成分为

是与组分A反应的活性物质，其含有大量的苯基等刚性基团，赋予材料具有优良的力学性能；渗透稀释剂，降低物料粘度，使得物料粘度更小，渗透力更强。阻燃剂，赋予材料优异的阻燃性能。

具体地，本发明采用亲水低粘聚醚多元醇，其以甘油和乙二胺为起始剂，环氧乙烷为聚合主体，其具有高活性高强度强亲水性的特性，并且当甘油和乙二胺的摩尔比在1：(0.8～1.2)范围内时，能够解决环氧乙烷为聚合主体时的小分子低粘产品容易结晶固化的瓶颈问题，材料流动性好，渗透能力强。本发明采用的亲水低粘聚醚多元醇的羟值为845～860mgKOH。

具体地，本发明采用的渗透稀释剂，分别配合聚氨酯注浆材料组分A中的亲水低粘聚醚多元醇和组分B中的低粘

达到聚氨酯注浆材料组分A和B粘度(25℃)≤10mpas的目标；渗透稀释剂的组分为二氯甲烷和碳酸二甲酯，二氯甲烷粘度低，渗透性极强，但是过量的添加会造成材料强度大幅下降的现象。碳酸二甲酯粘度较低，渗透性良好，适量的添加可保持材料的力学强度。二者质量比例为1：(4～6)时，不但初始粘度低，渗透性好，同时对材料的增塑性能在可接受范围内，材料和土体固结块强度≥2mpa。

具体地，本发明采用万华化学集团股份有限公司生产的

其含有一定量较高官能度的异氰酸酯与二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物，常温下为棕色液体。其粘度为(25℃,mPa·s)：130～170，比普通多亚甲基多苯基异氰酸酯粘度要低25％，同时NCO的质量分数为(％Wt)：30.5～32.0，和普通的多亚甲基多苯基异氰酸酯一致。由于其特有的组成，具有较高的反应活性，提供产品良好的瞬时强度；合适的粘度更利于在固体颗粒表面均匀铺展。

本发明渗透胶结型聚氨酯注浆材料的反应原理主要为异氰酸酯中的异氰酸酯基团和多元醇中羟基的反应，生成氨基甲酸酯基团，其为硬段基团，具有较高的内聚能，能够为聚氨酯材料提供优良的力学性能，除此之外，在聚氨酯高聚物形成过程中，异氰酸酯基团之间也会发生反应，生成异氰酸酯二聚体或三聚体，可以进一步提升聚氨酯整体的力学性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明制备的聚氨酯注浆材料包括AB组分，在应用时，将组分A和组分B进行混合，通过注浆充分渗透到土体的微小孔隙之中，将土体粘结在一起，并填充孔隙，使本来松散的土体凝聚在一起，形成抗渗性和强度较高的固结体，进而能提高堤坝的抗渗性和稳定性。其中渗透稀释剂分别与组分A中的饿亲水低粘聚醚多元醇和组分B中的低粘

结合，降低了高聚物材料的粘度，提高了渗透性，增强了高聚物与土体之间的固结效果，能长时间保持化学稳定性，且反应时间可通过添加催化剂的比例可调。

利用本发明高聚物材料注浆能显著提高土体的抗渗性和力学强度，且固结体在水的侵蚀作用下强度不仅不会降低还会缓慢升高，具有极高的耐久性，并且固结体还具有耐氯盐和硫酸盐的侵蚀等优点，适用于土质堤坝的防渗加固工程。

附图说明

图1为实施例7中二氯甲烷和碳酸二甲酯质量比对材料性能影响图；

图2为实施例8的DCP测试点及模型试验平面图；

图3为实施例8的DCP测试结果图；

图4为实施例8的试样渗流测试结果图；

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释说明。

实施例1

一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，由组分A和组分B组成。组分A，以重量份计，包括：

亲水低粘聚醚多元醇：45份；

渗透稀释剂(二氯甲烷和碳酸二甲酯质量比为1:4)：53份

表面活性剂(多元醇型非离子表面活性剂，阿拉丁试剂)：1份；

催化剂(二甲基卞胺,国药试剂)：0.4份；

催化剂(二亚乙基三胺,国药试剂)：0.6份；

组分B：以重量份计，包括：

(万华化学集团股份有限公司)：60份；

渗透稀释剂(二氯甲烷和碳酸二甲酯质量比为1:4)：20份

阻燃剂(磷酸三(1-氯-2-丙基)酯)：20份。

制备过程：常温下(25℃)，将组分A中的各原料称量并依次加入干燥的混合釜中，充分搅拌均匀，分包后形成组分A，将组分B中的各原料称量并依次加入干燥的混合釜中，充分搅拌均匀，氮气置换后，分包形成组分B，使用时将组分A和组分B按照体积比为1:1混合。

实施例2

一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，由组分A和组分B组成。组分A，以重量份计，包括：

亲水低粘聚醚多元醇：60份；

渗透稀释剂(二氯甲烷和碳酸二甲酯质量比为1:5)：36份

表面活性剂(聚氧乙烯型非离子表面活性剂，阿拉丁试剂)：2份；

催化剂(三乙胺,国药试剂)：1份；

催化剂(二亚乙基三胺,国药试剂)：1份；

组分B：以重量份计，包括

(万华化学集团股份有限公司)：70份；

渗透稀释剂(二氯甲烷和碳酸二甲酯质量比为1:5)：15份

阻燃剂(磷酸三(1-氯-2-丙基)酯)：15份。

制备方法同实施例1。

实施例3

一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，由组分A和组分B组成。组分A，以重量份计，包括：

亲水低粘聚醚多元醇：37份；

渗透稀释剂(二氯甲烷和碳酸二甲酯质量比为1:6)：59份

表面活性剂(聚氧乙烯型非离子表面活性剂，阿拉丁试剂)：2份；

催化剂(三乙胺,国药试剂)：0.5份；

催化剂(二亚乙基三胺,国药试剂)：1.5份；

组分B，以重量份计，包括：

(万华化学集团股份有限公司)：70份；

渗透稀释剂(二氯甲烷和碳酸二甲酯质量比为1:6)：25份

阻燃剂(磷酸三(1-氯-2-丙基)酯)：20份。

制备方法同实施例1。

实施例4

一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，由组分A和组分B组成。组分A，以重量份计，包括：

亲水低粘聚醚多元醇：65份；

渗透稀释剂(二氯甲烷和碳酸二甲酯质量比为1:3)：30份

表面活性剂(多元醇型非离子表面活性剂，阿拉丁试剂)：3.8份；

催化剂(二甲基卞胺,国药试剂)：0.2份；

催化剂(二亚乙基三胺,国药试剂)：1份；

组分B，以重量份计，包括：

(万华化学集团股份有限公司)：85份；

渗透稀释剂(二氯甲烷和碳酸二甲酯质量比为1:3)：8份

阻燃剂(磷酸三乙酯)：7份。

制备方法同实施例1。

实施例5

将实施例1～4制备的渗透胶结型聚氨酯注浆材料经过性能测试，结果如表1：

表1.实施1～4制备的渗透胶结型聚氨酯注浆材料的性能测试结果

分组	20℃下固化时间(h)	粘度(mpas)	是否发泡	抗压强度(Mpa)
					实施例1	3	5.5	否	3.1
实施例2	3.5	6.3	否	3.2
					实施例3	3	5.3	否	2.9
实施例4	3	6.7	否	3.5

从表1中可以看出，实施例1～4所制备的渗透胶结型聚氨酯注浆材料的粘度很小，可以保持到7mpas以下，较小的粘度赋予物料更好的流动性和在土层的渗透性；固化时间可调，可以根据工程项目的需要调节固化时间的长短；物料混合后没有发泡现象，保证了材料基体的优异的力学性能；材料固结后抗压强度可以达到3MPa以上，可以给土体提供更高的固结力。

将组分A与组分B通过注浆机器混合，然后将其注入土样中，测试固结体的无侧限抗压强度和渗透系数，并与注浆前土样的数据对比，结果见表2.

表2.本实施例注浆前后土体性能测试

从表2中可以看出，渗透胶结型聚氨酯注浆材料注入土体之后能有效提高土体的抗渗性和抗压强度，与注浆前相比，土体无侧限抗压强度提升了接近10倍，且在水的侵蚀作用下，土体强度反而有所增加，说明固结体具有较好的耐水侵蚀性，渗透系数降低2个数量级，说明抗渗效果优异。

实施例6

本实施例为探究亲水低粘聚醚多元醇中甘油和乙二胺的最佳配比实验。制备方法为：将不同摩尔比(1:0.4、1:0.6、1:0.8、1:1、1:1.2、1:1.4)的甘油和乙二胺加入2L不锈钢反应釜中，再加入1g三乙胺，进行氮气置换，然后升温至110℃脱水2h。脱水完成后，连续加入环氧乙烷，保持反应釜内温度110±2℃，压力0.3Mpa，反应2h，抽真空，制得亲水低粘聚醚多元醇，将本发明制备的亲水低粘聚醚多元醇进行物料结晶试验，试验结果如表3所示。从表3中可以看出，当甘油与乙二胺的摩尔比过高或过低都会对产生结晶现象，而当甘油与乙二胺的摩尔比为1:(0.8～1.2)时，不结晶。

表3甘油和乙二胺摩尔比对物料结晶状态的影响

序号	甘油和乙二胺的摩尔比	是否有结晶现象
			1	1:0.4	√
2	1:0.6	√
			3	1:0.8	X
4	1:1	X
			5	1:1.2	X
6	1:1.4	√

实施例7

本实施例为探究渗透稀释剂中二氯甲烷和碳酸二甲酯质量比对材料性能影响。A组分:亲水低粘聚醚多元醇：56份；渗透稀释剂：40份；表面活性剂(聚氧乙烯型非离子表面活性剂，阿拉丁试剂)：1份；催化剂(二甲基卞胺,国药试剂)：1份；催化剂(二亚乙基三胺,国药试剂)：2份；B组分:

(万华化学集团股份有限公司)：62份；渗透稀释剂：18份；阻燃剂(磷酸三(1-氯-2-丙基)酯)：20份。其中组分A和组分B中的渗透稀释剂相同，现以渗透稀释剂中二氯甲烷和碳酸二甲酯的不同质量比设置9个对照组，质量比分别为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9，将组分A与组分B通过注浆机器混合，然后将其注入土样中，测试固结体的抗压强度和粘度，如图1所示，从图1中可以看出二氯甲烷粘度低、渗透性极强，但是过量的添加会造成材料强度大幅下降的现象；碳酸二甲酯粘度较低、渗透性良好，适量的添加可保持材料的力学强度，当二氯甲烷和碳酸二甲酯的质量比为1：(4～6)时，不但初始粘度低，渗透性好，同时对材料的增塑性能在可接受范围内，材料和土体固结块强度≥3mpa。

实施例8

本实施例为模型试验：

在某工地开挖一个长4m宽2m深2m长方体模型槽，然后向模型槽内分层回填粉土，其粉土的物理性质如表4所示，每50cm进行分层压实一次，直至完全填满。然后在顶层钻取注浆孔，下注浆管，最后使用实施例1制备的渗透胶结型聚氨酯注浆材料进行注浆，土体密度设置1.5g/cm³，孔隙率49％，注浆压力0.5MPa，注浆材料的注浆量为200Kg。本实施例在注浆前和注浆后分别使用DCP贯入试验测试注浆完成后的固结体的承载能力，DCP测试点及模型试验平面图如图2所示，测试结果如图3所示，注浆之后将固结体挖出，并取样测试固结体抗压强度和抗渗性能，其中注浆后固结体渗透系数测试结果如图4所示，注浆前后土体性能变化测试结果如表5所示。

表4.回填粉土的物理性质

天然含水率(w)	比重(Gs)	液限w<sub>L</sub>	塑限w<sub>P</sub>	塑性指数I<sub>P</sub>
					8.7％	2.7	22.9％	14.7％	8.2

表5.本实施例注浆前后土体性能变化

指标	含水率	密度(g/cm3)	无侧限抗压强度(Mpa)	渗透系数(cm/s)
					注浆前	8.7％	1.59	0.2	4.5×10<sup>-3</sup>
注浆后	-	1.66	2.12	2.08×10<sup>-6</sup>

从表4、表5中可以看出，注浆后土体的抗压强度得到显著的提升，渗透系数也提升了3个数量级，表明该渗透型高聚物能有效胶结土体，并提升其整体承载能力和防渗能力，说明注浆对土体的防渗加固效果较好，满足堤坝防渗的需求。

从图3中可知，在注浆后，贯入深度在70cm时，继续增加锤击数仍无法继续贯入，表明注浆后固结体承载力得到显著提高，有了岩石的性质。

从图4中可以看出，注浆后抗渗性能提升明显，表明该渗透型高聚物能有效胶结土体，并提升其防渗能力。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，其特征在于，

所述注浆材料分为A、B组分，组分A由以下质量的原料组成：亲水低粘聚醚多元醇40～60份，渗透稀释剂35～55份，表面活性剂0.5～5份，催化剂0.1～2份；组分B由以下质量的原料组成：异氰酸酯50～85份，渗透稀释剂5～30，阻燃剂5～35份；

所述亲水低粘聚醚多元醇的官能度为3.5、分子量为230、为甘油和乙二胺以摩尔比1：（0.8～1.2）混合为起始剂，再接枝环氧乙烷所得；

所述组分A和组分B中的渗透稀释剂互相独立且分别为二氯甲烷和碳酸二甲酯以质量比例1：（4～6）混合而成。

2.根据权利要求1所述的一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，其特征在于，所述组分A和组分B的粘度在25℃的条件下均≤10mps。

3.根据权利要求1所述的一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，其特征在于，所述组分B中的异氰酸酯为WANNATE®PB-1080，常温下为棕色液体。

4.根据权利要求1所述的一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，其特征在于，所述的表面活性剂为聚氧乙烯型非离子表面活性剂、多元醇型非离子表面活性剂、蔗糖酯、硅酮表面活性剂中的一种或多种混合。

5.根据权利要求1所述的一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，其特征在于，所述的催化剂为三乙胺、二亚乙基三胺、二甲基卞胺、五甲基二亚乙基三胺中的一种或多种混合。

6.根据权利要求1所述的一种用于土体防渗加固的渗透胶结型聚氨酯注浆材料，其特征在于，所述的阻燃剂为磷酸三(1-氯-2-丙基)酯、甲基磷酸二甲酯、乙基磷酸二乙酯、磷酸三乙酯、异丙基化三苯基磷酸酯、磷酸三苯酯、磷酸甲苯二苯酯中的一种或多种混合。

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