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聚氨酯化學灌漿材料簡述

關鍵詞：高壓灌注　　來源：上海天宇防水　發布時間：2017-05-11

1 標準的立項背景
1.1 聚氨酯灌漿材料的發展和作用機理
   目前，化學灌漿技術已在我國水電、建筑、交通和采礦四大領域得到廣泛應用，聚氨酯化學灌漿材料已成為應用最廣泛、應用量最大的品種之一。1973年，天津大學等5 個單位最早研制出聚氨酯堵水化學灌漿材料（氰凝）；1974 年，華東水電勘察設計院科學研究所研制出水溶性聚氨酯化學灌漿材料；1979年，長江科學院、廣州化學研究所等單位為解決葛洲壩水利樞紐工程的薄層封閉式護坦止水，研制出彈性聚氨酯化學灌漿材料。
   聚氨酯灌漿材料是由聚氨酯預聚體與添加劑(溶劑、催化劑、緩凝劑、表面活性劑、增塑劑等) 組成的化學漿液。其主要成分是過量二異氰酸酯(或多異氰酸酯) 與聚醚多元醇反應而制得的端異氰酸酯基(NCO) 預聚體。一般是單液型，也可以是雙液型；遇水后能立即分散、乳化、發生化學反應產生二氧化碳，進而膨脹、固結，最終生成一種不溶于水的固結體。用灌漿泵等壓送設備將聚氨酯灌漿材料灌入混凝土縫隙或疏松多孔性基材中時,NCO 預聚體與縫隙表面或疏松基材中的水分接觸，發生擴鏈交聯反應，最終在混凝土縫隙中或基材顆粒的孔隙間形成有一定強度的凝膠狀固結體。聚氨酯固化物中含有大量的氨基甲酸酯基、脲基、醚鍵等極性基團，與混凝土縫隙表面以及土壤、礦物基材顆粒有很強的粘結力，從而與之形成整體結構，起到了堵水和提高地基強度等作用。另外，在相對封閉的灌漿體系中，反應產生的二氧化碳會形成很大的內壓力，推動漿液向基材的孔隙、裂縫深入擴散，使多孔性結構或裂縫完全被漿液所填充，增強了堵水效果。漿液膨脹受到限制越大，所形成的固結體越緊密，抗滲能力及壓縮強度越高。
   聚氨酯化學灌漿材料主要有兩大系列：水溶性（親水型）聚氨酯和（油溶性）聚氨酯。這兩類材料雖然都能用于防水、堵漏、加固，但兩者也有差別。通常，水溶性聚氨酯灌漿材料親水性好、包水量大、彈性大，適用于潮濕裂縫的灌漿堵漏、動水地層的堵涌水、潮濕土質表面層的防護等；油溶性聚氨酯灌漿材料的固結體強度大、抗滲性好、彈性小，比較適合混凝土靜縫的防滲堵漏及地基加固、防水堵漏兼備的工程。根據施工需要,也可把水溶性與油溶性聚氨酯灌漿材料按合適的比例混合后進行灌漿施工。
1.2 聚氨酯灌漿材料的應用
   聚氨酯灌漿材料因其優越的性能得到越來越廣泛的應用，特別是在工程建設中的基礎加固、堵漏止水、帷幕防滲和裂縫修補4 個方面。具體應用工程包括：大壩、水庫、涵閘等基礎的防滲帷幕，地基或地基斷層破碎帶泥化夾層加固；大堤、渠道、渡槽等的防滲堵漏及加固；核電站等地基加固和封閉止水防滲；地上混凝土建筑物、構筑物地基加固和裂縫補強加固；地下建筑物的防滲、堵漏止水、地基加固和裂縫的補強加固；礦山、工廠有毒廢渣、廢水和城市垃圾填埋場等截滲工程的防滲帷幕；礦井建設中的涌水堵漏、流沙治理及對軟弱地層加固、穩定的預灌漿；石油鉆井開采中的堵漏止水、鉆孔護壁加固和驅油；橋基加固及橋體裂縫補強；機場跑道和停機坪、公路和鐵路特殊路段的軟弱地層加固、防滲和混凝土裂縫補強加固；江河海港港工建筑物的基礎防滲和加固；文物和古建筑物的裂縫修補和保護等。
   聚氨酯灌漿材料典型工程應用有：葛洲壩電站一期工程護坦止水系統滲漏事故的修復，一次用彈性聚氨酯漿材20 余t；2003 年上海地鐵4 號線塌方冒水事故僅止水一項用聚氨酯漿材就達160 t；三峽工程近幾年防滲堵漏和基礎加固防滲中應用水性和油性聚氨酯灌漿材料達到180 t；1987 年華東水電勘察設計院的LW水溶性聚氨酯在龍羊峽G4 劈理帶大規模應用取得了成功，在第2 年經受住了庫區五級地震的考驗。
1.3 標準制定的目的和必要性
   目前國內聚氨酯灌漿材料兩大系列產品的生產和經銷企業有100 多家，年銷量總計近萬t，產品市場份額以水溶性系列為主。鑒于聚氨酯灌漿材料產品在國內發展應用30 多年至今未有統一標準的現狀，有必要制定國家統一標準，以保證該類產品健康發展。2006 年，中國建筑材料聯合會提出編制“聚氨酯灌漿材料”國家行業標準的申請，國家發改委下達[2006]1093 號文件批準《聚氨酯灌漿材料》國家行業標準編制計劃。該行業標準由蘇州非金屬礦工業設計研究院、建筑材料工業技術監督研究中心負責組織有關生產企業、科研單位、質檢機構等進行起草。目前標準已向中華人民共和國工業和信息化部報批。
2 標準制定的原則
   本標準技術指標主要參考了美國環球聚合化學有限公司、德國MC 建筑化學集團、比利時de neef conchem 公司和德美建材工程公司提供的在中國銷售產品的有關技術參數和國內相關企業產品技術資料。縱觀國內外聚氨酯灌漿材料產品的技術條件，主要反映的是固化前、中、后的產品性能，所以本標準的產品分類和技術指標設置突出了聚氨酯灌漿材料在這3 個階段的產品性能。反映產品固化前的技術性能有密度、粘度、不揮發物含量；反映產品固化之中的技術性能有凝膠時間、凝固時間；反映產品固化后的技術性能有遇水膨脹率、包水性、發泡率、抗壓強度。3 個階段的產品技術指標集中反應了聚氨酯灌漿材料產品的性能、特點、作用。
3 標準的技術要點介紹
   依據產品的性質、用途、特點、使用方法，標準名稱確定為“聚氨酯灌漿材料”。本標準規定了聚氨酯灌漿材料的術語、定義、分類和標記、一般要求、技術要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、貯存與運輸。本標準適用于水利水電、建筑、交通、采礦等領域中混凝土裂縫修補、防滲堵漏、加固補強及基礎帷幕防滲等工程所用的聚氨酯灌漿材料。
3.1 定義
   聚氨酯灌漿材料（Polyurethane Grouting Material）:以多異氰酸酯與多羥基化合物聚合反應制備的預聚體為主劑，通過灌漿注入基礎或結構，與水反應生成不溶于水的具有一定彈性或強度固結體的漿液材料。
   凝膠時間（gel time）：指水溶性聚氨酯灌漿材料與一定比例的水混合后，在規定溫度下，由液態變為凝膠體的時間。
   凝固時間(solidification time)：指油溶性聚氨酯灌漿材料與一定比例的催化劑、水混合后，在規定溫度下，由液態變為固體的時間。
   遇水膨脹率(water swelling ratio)：指用水溶性聚氨酯灌漿材料制成的固結體浸泡于水后，在規定時間內其體積增長的倍數，用百分比表示。
包水性(water absorption capability)：指水溶性聚氨酯灌漿材料與固定倍數水混合后，與水反應完全形成固結體所需的時間，是表征水溶性聚氨酯灌漿材料堵水能力的一個指標。
   發泡率（foaming capacity）：聚氨酯灌漿材料與水反應后，形成的泡沫狀固結體相對于原漿液的體積增長率，用百分比表示。
3.2 產品分類
   產品按生產時采用的原材料不同分為兩種類型：Ⅰ型產品為水溶性（親水型）灌漿材料，代號WPU；Ⅱ型產品為油溶性（疏水型）灌漿材料，代號OPU。
3.3 一般要求
   目前國家沒有針對灌漿材料的有毒有害物質限量標準。為此本標準規定了一般原則性要求，即本標準包括的產品不應對人體、生物與環境造成有害的影響，所涉及與使用有關的安全與環保要求，應符合我國相關國家標準和規范的規定。
3.4 技術要求
本標準規定了聚氨酯灌漿材料的外觀及物理力學性能要求，見表1。

   密度指標是反映聚氨酯灌漿材料的有效物質含量，密度低則聚氨酯灌漿材料的固含量低，將影響發泡率。不揮發物含量指標是衡量產品有效物質含量的，不揮發物含量固然越高越好，但還要兼顧產品的其它性能，如粘度、可灌性、擴散性。反映快速堵漏效果的指標是凝膠時間、凝固時間、發泡率、包水量，凝膠(凝固)時間短、發泡率越大、包水量越大，產品性能越好，快速堵漏的效果越明顯。反映產品性能的指標是凝膠時間、凝固時間、遇水膨脹率、包水性、發泡率、抗壓強度等；反應灌漿材料滲透性（可灌性）的指標是粘度，粘度越低，越容易滲透，可灌性越好；遇水膨脹率指標反映純漿固結體遇水膨脹的能力，純漿固結體在灌漿結束以后仍能遇水膨脹堵塞滲水通道，發揮二次止水堵漏的作用，該指標越大越好。抗壓強度指標，僅對油溶性聚氨酯灌漿材料產品用于建筑結構補強、加固要求時進行檢驗，如果油溶性聚氨酯灌漿材料僅用于堵漏、防滲等工程時，則不提該指標要求。總之，該標準中所列技術指標均具有可操作性，技術指標之間既相互聯系又相互制約。
4 標準的試驗方法
   試驗方法基本上采用已有的國家或行業標準最新版本所確定的試驗方法，在制備試件時確定了各種材料一定的用量和配比，有利于試樣檢驗的統一性、正確性、重復性。密度按GB/T 8077—2000 中的5.3規定進行，粘度按GB/T 2794—1995 中的5.1 規定進行，不揮發物含量按GB/T 16777—2008 第5 章進行。除了抗壓強度指標外，標準中所列的試驗項目在一般的生產和檢測單位都能具備檢測條件，便于生產、銷售、檢測單位使用本標準。
4.1 標準試驗條件
   標準試驗條件為溫度(23±2)℃，相對濕度(50±10)％；養護室條件為溫度(20±2)℃，相對濕度(60±15)％。所檢試樣在標準試驗條件下放置24 h 進行試驗。試驗用水符合GB/T 6682—2008 要求的三級水。
4.2 外觀
   打開包裝容器，用玻璃棒攪拌，目視觀察。
4.3 密度
   在標準試驗條件下，按GB/T 8077—2000 中的5.3 條進行，用波美比重計插入溶液中測出該溶液的密度。若是雙組分的，測定主劑的密度。
4.4 粘度
   按GB/T 2794—1995 中的5.1 進行試驗，測定主劑的粘度。在試驗驗證時采用NDJ- 1 型旋轉粘度計。選用1 號轉子，轉速6 r/min，試驗溫度為(23±2)℃。每個試樣測定3 次，取3 次試樣測試中最小一個讀數值，取有效位3 位，以mPa·s 表示。
4.5 凝膠時間
   在標準試驗條件下，試樣與5 倍的水相混合，并迅速攪拌均勻（約10 s）后靜止，得到白色乳濁液；之后用玻璃棒不斷探測粘度的變化，當玻璃棒離開液面出現拉絲現象時，視該試樣已凝膠化；測定試樣與水從混合開始至用玻璃棒離開液面出現凝膠體拉絲的時間即為凝膠時間。凝膠時間可根據客戶要求進行定制。
4.6 凝固時間
   在標準試驗條件下，按生產廠推薦的比例加入催化劑并攪拌均勻（約60 s）；按生產廠推薦的比例加入水，并用玻璃棒迅速攪拌均勻（約10 s），如生產廠沒有規定，則只需加入試樣質量5%的水即可；觀察到發泡體停止上升時視作試樣完全凝固；測定試樣從加水開始至停止發泡的時間即為凝固時間。產品的凝固時間可根據客戶要求進行定制。
4.7 遇水膨脹率
   在標準試驗條件下，在水溶性聚氨酯灌漿材料中摻入5%水后，制成（Φ50×50）mm固結體，然后將固結體浸入水后，在規定時間內，用排水法（量筒）測量固結體浸水前后體積的變化值，計算固結體浸水以后體積增長的倍數。
4.8 包水性
   在標準試驗條件下，測定試樣與10 倍質量的水開始混合至容器中倒不出水時的時間。包水性根據在凝膠時間不大于200 s 范圍內試樣與水完全反應并固化凝膠，則判該項合格；否則，判不合格。
4.9 不揮發物含量
   按GB/T 16777—2008 第5 章進行，試驗溫度（105±2)℃，時間3 h。4.10 發泡率在標準試驗條件下，一定比例下的聚氨酯灌漿材料與水（催化劑），反應后形成的泡沫狀固結體相對于原漿液的體積增長率。采用帶刻度的容器，用補水的方法，直接測定體積的變化。
4.11 抗壓強度
   在標準試驗條件下，一定比例下油溶性聚氨酯灌漿材料與水（催化劑）制成（Φ50×50）mm 固結體，放置168 h 后按GB/T 1041—1992 進行抗壓強度試驗，試件表面應平整、無氣泡、兩端面必須與主軸面垂直，加荷速度為500 N/s，以試件壓縮約30%的壓縮最大負荷進行抗壓強度計算。
5 結語
   《聚氨酯灌漿材料》國家行業標準的制定，統一了產品名稱，規范了技術性能指標、確定了統一的試驗方法，使生產、設計、施工、質檢等部門有章可循，生產企業間的產品質量有了可比性，利于聚氨酯灌漿材料的健康發展。
   本標準的最大特點是與產品的實際應用聯系緊密，必將推動我國聚氨酯灌漿材料的更進一步快速發展。本次標準的制定系國內首次制定，需要在標準的實施過程中不斷總結經驗，發現不足之處應在適當的時候進行修正和完善。
本文介紹內容，如與正式發布的標準內容有出入，應以正式發布的標準內容為準。

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