发泡率对高聚物注浆材料密度的影响及抗压强度试验研究--中国期刊网

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发泡率对高聚物注浆材料密度的影响及抗压强度试验研究

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：林怡婧

[导读] 摘要：为了研究高聚物发泡率对密度的影响以及密度与抗压强度的关系，通过调节发泡剂用量，成型不同密度的试件，探究发泡率及密度间的关系，然后分别测试不同密度试件的无侧限抗压强度。

        广州市城市规划勘测设计研究院广东广州 510000
        摘要：为了研究高聚物发泡率对密度的影响以及密度与抗压强度的关系，通过调节发泡剂用量，成型不同密度的试件，探究发泡率及密度间的关系，然后分别测试不同密度试件的无侧限抗压强度。试验结果表明，密度随着发泡剂用量的增加而减小，尤其当发泡剂用量在0.3%至1.8%时减小迅速；而随着密度的增加，高聚物混凝土的抗压强度增大，在实际工程中可以根据抗压强度反算出密度，然后将其带入密度与发泡剂用量的关系式，根据得到的发泡剂用量配制浆液，对工程应用有一定参考意义。
        关键词：发泡率；高聚物；密度；抗压强度
        1 引言
        高聚物注浆技术是20世纪70年代发展起来的基础工程快速加固技术。该技术是指在一定压力作用下，将高聚物材料灌入到板底脱空、松散区域，利用双组份材料混合发生化学反应后体积迅速膨胀并固化的特点，达到填充松散碎石间的孔隙并将其胶结为一体的目的。将材料填充至接缝两侧一定范围内及板底脱空区域，能迅速恢复板体均匀支撑，形成高强度、高抗渗水的基层区域，达到加固地基、填充脱空或提升地板的作用[2]。高聚物材料由于具有自膨胀性、早强性、抗渗性和环保性等特点[3]，在基础工程维修领域极具应用前景。
        聚氨酯注浆材料是以多异氰酸酯与多羟基化合物的预聚体为主剂，通过与固化剂反应形成具有聚氨基甲酸酯（简称聚氨酯）结构交联化合物的化学灌浆材料[4]。在将聚氨酯材料应用于实际工程时，为使其达到恢复板底支撑的效果，有必要对其抗压强度进行研究。因此，本文中笔者对高聚物注浆技术的发泡率进行研究，再以抗压强度为控制指标，给出高聚物材料最优密度，为高聚物材料的工程应用提供参考。
        2 试验内容
        2.1 发泡率试验
        在500 的塑料杯中加入定量的聚醚多元醇、水、催化剂、匀泡剂、扩链剂和异氰酸酯[5,6]，均匀搅拌，接着将其倒入的磨具中使其自由发泡，待试样温度降至室温后脱模。将其切割为尺寸的试件[7,8]。每个发泡率测试4个试件，按照公式计算其表观密度。
        2.2 无侧限抗压强度试验
        无侧限抗压强度试验采用玄武岩，考虑到高聚物注浆材料的适用场合及规范，确定试件尺寸为。
        试样制作过程：在模具中装满调配好的碎石并使其密实，取出后用排水法测出其体积，将试模体积减去碎石体积即可得到孔隙体积，也就是填充浆液的体积。将高聚物材料注筑入碎石，盖上法兰盲板后用螺丝固定，待高聚物充分反应并冷却后，脱模并通过钻心机得到试件。

        图1 高聚物混合料试件
        3 试验结果及分析
        3.1 发泡率试验
        通过调节发泡剂用量，得到不同密度的试件，发泡剂用量分别占助剂质量的0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%、2.1%，试验数据如表1所示。
        表1 不同发泡剂用量对应密度

        图2 密度与发泡剂用量之间的关系
        根据试验数据拟合所得表观密度与发泡剂用量之间的关系为：
                （1）
        可以看到，随着发泡剂用量的增加，表观密度逐渐减小。尤其当发泡剂用量在0.3%至1.8%间时，表观密度迅速减小。这是由于发泡剂用量越多，所产生的二氧化碳量也就越多，泡沫体中的泡孔数量随之增多，导致体积增大，表观密度减小。
        当发泡剂用量大于1.8%时，表观密度减小速度变慢。因为当发泡剂用量过大时，产生的二氧化碳偏多，泡孔数量不断增多造成孔壁变薄。当泡孔内压大于大气压强，二氧化碳向泡孔外扩散的速率快于空气向泡孔内扩散的速率，造成泡沫体收缩。
        以下是用SEM对泡孔结构进行扫描的结果

        图3 高密度和低密度泡孔结构
        可以看到，高密度的泡孔结构大小均匀，孔壁厚实，形成完整的泡孔结构；而低密度的泡孔结构大小不一，孔壁较薄甚至破损，开孔率较高。这是因为随着发泡剂用量的增加，在低密度的泡孔结构中二氧化碳气体不断增加，泡孔持续增大最终造成孔壁破裂，泡孔相互融合。
        3.2 无侧限抗压强度试验
        为了测试不同密度试件的无侧限抗压强度，采用液压式万能试验机。设置初始加压荷载为零，以4mm/min的速度加载，达到最大应力峰值时，持续加载至最大值的85%停止，试验数据如表2所示。
        在处理试验数据时，剔除测值与平均值相差15%的试件，计算剩余试件的平均值[9]，得到高聚物混凝土抗压强度如下所示。
        表2 高聚物混凝土抗压强度

        图4 高聚物混凝土抗压强度与浆液密度的关系
        根据试验数据可得抗压强度和浆液密度之间的拟合关系为：
                                             （2）
        可以看到高聚物混凝土的抗压强度随着浆液密度的增加而增大。当浆液密度较小时，聚氨酯泡沫体含气量高，泡孔数量多、体积大，所以达到极限荷载时所对应的应变也较大，导致抗压强度较小；当浆液密度较大时，浆液与碎石间粘结力增大，整体力学性能增强，抗压强度也增大。
        根据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）要求，水泥稳定土基层的抗压强度为5MPa，以此为控制指标，根据试验结果可得最优密度为166.0 ，此密度下对应的发泡剂用量为1.5%，按此配比配置浆液，在实际工程中改善路面状况较为经济。
        4 结论
        （1）表观密度与发泡剂用量之间的关系为，密度随发泡剂用量的增加而减小，当发泡剂用量在0.3%至1.8%时，密度减小迅速。
        （2）高聚物混合料抗压强度与密度之间的拟合关系为。随着浆液密度的增加，高聚物混凝土的抗压强度随之增大。浆液密度较大时，浆液与集料之间粘结力大，使得高聚物混凝土整体性好，力学性能强。
        （3）以抗压强度为控制指标，给出最优浆液密度为166.0 ，对应的发泡剂用量为1.5%。
        （4）在实际工程中可根据需要，自由选择高聚物混合物强度，将其带入抗压强度与密度的关系式中，即可得到密度，在通过密度与发泡剂用量的关系式反算出发泡剂用量。按此配比，对实际工程具有一定的指导意义。
        参考文献：
        [1]石明生，罗静，张蓓.高聚物注浆材料吸水特性及温度变化对体积影响试验研究[J].中外公路，2010，30（03）：289-291.
        [2]郭成超，王复明，钟燕辉.水泥混凝土路面脱空高聚物注浆技术研究[J].公路，2008（10）：232-236.
        [3]石明生.高聚物注桨材料特性与堤坝定向劈裂注桨机理研究[D].大连理工大学，2011.
        [4]《水工建筑物化学灌浆施工规范》DL/T 5406-2010.
        [5]于洋.冰箱充型用硬质聚氨酯泡沫发泡过程数值模拟[D].中国科学技术大学，2011.
        [6]S.A.Baser，D.V.Khakhar.1994b.Modeling of the dynamic of roater and R-11 blown polyurethane foam formation[J].Polymer Engineering and Science.
        [7]《泡沫塑料及橡胶表观密度的测定》GB/T 6343—2009.
        [8]李洪波.全水发泡聚氨酯硬质泡沫塑料的制备及结构与性能研究[D].北京化工大学，2009.
        [9]《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009.
        [10]陈其学.高速公路路面预防性养护决策[J].公路交通技术，2007（01）：63-65+71.