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

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石明生1,2,罗静2,张蓓21大连理工大学水利工程学院,辽宁大连1160242郑州大学水利环境学院摘要为研究高聚物注浆材料的吸水特性及温度变化对材料体积的影响,量测了不同密度的高聚物试样的吸水率,测试了干燥试样在4040温度范围内的体积变化及饱水试样在40时的体积变化。试验结果表明,试样的吸水率及吸水后的体积变化率均随材料密度的增大而减小温度变化时,干燥试样的体积变化符合热胀冷缩的规律,并且高温时体积的增大比较明显浸水饱和试样在温度降至40时体积仍然收缩,但体积收缩率明显小于干燥试样的收缩率。研究成果将对高聚物材料在工程中的应用提供重要参考。关键词高聚物温度吸水率体积在基础工程维修领域显示出巨大的发展应用前景。高聚物注浆技术采用的材料是双组分非水反应类聚氨酯材料,属硬质聚氨酯泡沫塑料的一种。由于聚氨酯泡沫塑料应用于工程实际时将受到水、温度等环境因素的影响,并且聚氨酯泡沫塑料对温度敏感,因此,采用高聚物注浆技术进行工程维修加固时考虑环境温度变化及地下水位埋深对施工效果产生的影响十分必要。然而关于高聚物材料性能的研究,国内外开展的工作均十分有限。笔者通过量测不同密度的高聚物试样的吸水特性及干燥试样和饱和试样分别在不同温度下的体积变化,研究试样吸水特性及温度变化对高聚物材料体积的影响,为高聚物材料的工程应用提供参考。前言1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。该技术的原理是按照一定配比,向地基中注射多组分高聚物材料,利用材料发生化学反应后体积迅速膨胀并固化的特性,达到加固地基、填充脱空或提升地板的目的。目前该技术在国外主要应用于工业与民用建筑的地基加固和地板抬升,并取得了良好的技术经济效果。中国于21世纪初引进高聚物注浆技术,并在高速公路、隧道、桥梁、堤防、大坝等交通、水利工程领域开展了初步的应用探索研究。高聚物注浆技术由于其快速、耐久、经济、环保等特点,3陈存礼,杨鹏,何军芳饱和击实黄土的动力特性研究J岩土力学,20078扈胜霞,周云东,陈正汉非饱和原状黄土强度特性的试验研究J岩土力学,20054刘保健,支喜兰,谢永利,等公路工程中黄土湿陷性问题分析J中国公路学报,20054。JTGE402007公路土工试验规程SSDS0179土工试验规程S魏汝龙直剪固快试验结果的整理和分析J地基处理,19994刘保健,张军丽土工压缩试验成果分析方法与应用J中国公路学报,19991刘保健,谢定义,郭增玉黄土地基增湿变形的实用算法J岩土力学,20042张茂花,谢永利,刘保健增湿时黄土的抗剪强度特性分析J岩土力学,20067周志军,王琛强夯处理黄土路基的现场试验研究J中外公路,20075941051167812收稿日期20100314作者简介石明生,男,博士研究生,副教授EMAILSMS315126COM290中外公路第30卷表1不同密度高聚物试样的吸水率2试验方法密度/GCM3试样编号干燥质量/G浸水后质量/G体积吸水率/质量吸水率/21试样制备试样采用圆柱形,设计尺寸为30MM60MM。试样制作过程将一根长400MM、内径30MM、壁厚3MM的无缝钢管沿径向做线切割,对称分为两半。在钢管的两端分别做两个直径为36MM的内螺纹管帽,在其中的一个管帽上钻一个45MM的注浆孔,并安装注浆头。注浆前,先取下钢管两端的管帽,把钢管打开,在其内壁涂上润滑油,然后把对开的钢管合在一起,在钢管两端分别旋上管帽,并在钢管中间用34个加强喉箍把对开钢管紧扣在一起。注浆设备开启后,直接把注浆枪接到管帽一端的注浆头上进行注浆,并通过控制注浆量制作不同密度的试样。注浆完毕后去掉注浆枪,冷却15MIN后再去掉喉箍和管帽,取出圆柱形的高聚物注浆材料,在车床上横向切割成若干段长度为60MM的试样,可得30MM60MM的标准尺寸试样。试验温度设定为40、20、0、20和40,试样按温度分组,每组试样的密度均匀分布在0208G/CM3之间,数量约为20个。22试验设备试验在高低温试验箱中进行。高低温试验箱的型号为WGD7003,温度控制范围为70350,试验时设定温度的变动幅度为1,工作室尺寸为300MM250MM400MM深宽高。123456781011121314151617181920216336961093117121413341456160517391774199821072151244325482713279829483137335015016026028029031034038041042047050051058060064066070074079759777117512371290135114871650176717822017212721662453255527222806295331473358297191193158179040073106066019045047035024017021019012024019199111647505736291272132801610450950950700410270330280320330253试验过程及分析图1不同密度高聚物试样的质量吸水率31吸水率测试取一组干燥试样,逐一量测质量后完全浸入水中,浸泡72H后,测定其质量变化,计算每个试样的质量吸水率和体积吸水率,结果如表1及图1所示。从表1及图1中可以看出,随着密度的增大,试样的吸水率逐渐降低,吸水以后材料的体积有一定的膨胀,膨胀率随密度增大也逐渐减小。当密度大于05G/CM3后,吸水率随密度减小的幅度明显降低,并逐渐趋于常数,体积的变化也趋于稳定。密度与质量吸水率之间呈4次抛物线的关系,相关系数为09354。干燥试样的体积随温度的变化为了避免测量误差,所有的试样在试验前都标记了尺寸测量位置,以方便用数显游标卡尺在同一位置测量试样试验前后的直径和高度的尺寸变化。试验时的室内温度为31,假设试样在温度变化时体积的变化是均匀的,测得当温度从室温升降至某一温度一定时间后试样体积的变化,结果列入表2。从试验结果可以看出,试样所处环境温度上升或下降时,材料的体积会发生膨胀和收缩。即试样所处3219942013CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET2912010年第3期石明生,等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表2干燥试样随温度变化的体积变化直径变化高度变化体积变化温度/均值/MM标准差/MM百分比/均值/MM标准差/MM百分比/均值/CM3标准差/CM3百分比/402002040026015011002006019007011005008087050037007020028019014002013007010008004008047032023003022094073042012033053023033014019222172099028078注正值表示体积膨胀,负值表示体积收缩。的环境温度降低时,直径和高度均减小,体积收缩温度升高时,直径和高度增大,体积膨胀。当温度增减幅度相同时,高聚物材料在高温环境下体积变化膨胀更加明显,如40时的体积平均膨胀可达078。33高聚物材料干燥与浸水饱和试样低温环境下的体积变化为了对比分析低温环境下干燥试样和浸水饱和试样的体积变化率,将浸水饱和试样放入高低温试验箱中,温度设定为40,持续时间8H。取出后用数显游标卡尺在同一位置测量其直径和高度变化。假设试样在温度作用下的体积变化是均匀的,测得试样环境温度从室温31降低至40时,干燥试样和浸水饱和试样的体积收缩率如表3所示。从表3可以看出,在试样所处的环境温度降低时,表3高聚物材料干燥试样与饱和试样低温环境下的体积变化直径变化高度变化体积变化试样均值/MM标准差/MM百分比/均值/MM标准差/MM百分比/均值/CM3标准差/CM3百分比/干燥冷冻试样饱和冷冻试样026015019007087050028021007015047035094058053023222137注正值表示体积膨胀,负值表示体积收缩。干燥试样和浸水饱和试样的体积均会收缩。但浸水饱和试样的体积收缩率小于干燥试样的体积收缩率。这是因为试样吸水后,水进入到试样的空隙当中,在低温条件下结冰时水的体积会膨胀,对材料的体积收缩会起到阻碍和抵消作用,因而在一定程度上降低了材料的收缩率。要考虑环境温度变化与地下水位埋深将对施工效果产生的影响。参考文献1郭成超,王复明,徐建国隧道高聚物快速维修技术研究J筑路机械与施工机械化,200812BRENTBARRONKANSASDOTDECIDESTOGOWITHPOLYURE2THANETOCORRECT50MILESOFHIGHWAY50JROADSBRIDGES,2004,122426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,200810程银华,李万鹏高聚物注浆在治理沥青路面翻浆病害中的应用J高科技与产业化,200811卢子兴,田常津,谢若泽硬质聚氨酯泡沫塑料压缩力学性能J材料研究学报,19945环球聚氨酯网建筑用聚氨酯保温材料的性能分析J聚氨酯,200810刘志远高聚物注浆材料工程特性的试验研究D郑州大学硕士学位论文,2007潘艳辉高聚物注浆材料的膨胀力试验研究D郑州大学硕士学位论文,20082结论431尽管高聚物材料具有95以上的互联闭孔,但仍有一定的吸水性,其吸水率与吸水体积膨胀率随材料密度的增大而减小。2温度变化时,高聚物材料的体积变化符合热