高聚物注漿材料吸水特性及溫度變化對體積影響試驗研究

高聚物注漿材料吸水特性及溫度變化對體積影響試驗研究石明生1,2,羅靜2,張蓓21大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院,遼寧大連1160242鄭州大學(xué)水利環(huán)境學(xué)院摘要為研究高聚物注漿材料的吸水特性及溫度變化對材料體積的影響,量測了不同密度的高聚物試樣的吸水率,測試了干燥試樣在4040溫度范圍內(nèi)的體積變化及飽水試樣在40時的體積變化。試驗結(jié)果表明,試樣的吸水率及吸水后的體積變化率均隨材料密度的增大而減小溫度變化時,干燥試樣的體積變化符合熱脹冷縮的規(guī)律,并且高溫時體積的增大比較明顯浸水飽和試樣在溫度降至40時體積仍然收縮,但體積收縮率明顯小于干燥試樣的收縮率。研究成果將對高聚物材料在工程中的應(yīng)用提供重要參考。關(guān)鍵詞高聚物溫度吸水率體積在基礎(chǔ)工程維修領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展應(yīng)用前景。高聚物注漿技術(shù)采用的材料是雙組分非水反應(yīng)類聚氨酯材料,屬硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的一種。由于聚氨酯泡沫塑料應(yīng)用于工程實際時將受到水、溫度等環(huán)境因素的影響,并且聚氨酯泡沫塑料對溫度敏感,因此,采用高聚物注漿技術(shù)進(jìn)行工程維修加固時考慮環(huán)境溫度變化及地下水位埋深對施工效果產(chǎn)生的影響十分必要。然而關(guān)于高聚物材料性能的研究,國內(nèi)外開展的工作均十分有限。筆者通過量測不同密度的高聚物試樣的吸水特性及干燥試樣和飽和試樣分別在不同溫度下的體積變化,研究試樣吸水特性及溫度變化對高聚物材料體積的影響,為高聚物材料的工程應(yīng)用提供參考。前言1高聚物注漿技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的基礎(chǔ)工程快速加固技術(shù)。該技術(shù)的原理是按照一定配比,向地基中注射多組分高聚物材料,利用材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后體積迅速膨脹并固化的特性,達(dá)到加固地基、填充脫空或提升地板的目的。目前該技術(shù)在國外主要應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑的地基加固和地板抬升,并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。中國于21世紀(jì)初引進(jìn)高聚物注漿技術(shù),并在高速公路、隧道、橋梁、堤防、大壩等交通、水利工程領(lǐng)域開展了初步的應(yīng)用探索研究。高聚物注漿技術(shù)由于其快速、耐久、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點,3陳存禮,楊鵬,何軍芳飽和擊實黃土的動力特性研究J巖土力學(xué),20078扈勝霞,周云東,陳正漢非飽和原狀黃土強度特性的試驗研究J巖土力學(xué),20054劉保健,支喜蘭,謝永利,等公路工程中黃土濕陷性問題分析J中國公路學(xué)報,20054。JTGE402007公路土工試驗規(guī)程SSDS0179土工試驗規(guī)程S魏汝龍直剪固快試驗結(jié)果的整理和分析J地基處理,19994劉保健,張軍麗土工壓縮試驗成果分析方法與應(yīng)用J中國公路學(xué)報,19991劉保健,謝定義,郭增玉黃土地基增濕變形的實用算法J巖土力學(xué),20042張茂花,謝永利,劉保健增濕時黃土的抗剪強度特性分析J巖土力學(xué),20067周志軍,王琛強夯處理黃土路基的現(xiàn)場試驗研究J中外公路,20075941051167812收稿日期20100314作者簡介石明生,男,博士研究生,副教授EMAILSMS315126COM290中外公路第30卷表1不同密度高聚物試樣的吸水率2試驗方法密度/GCM3試樣編號干燥質(zhì)量/G浸水后質(zhì)量/G體積吸水率/質(zhì)量吸水率/21試樣制備試樣采用圓柱形,設(shè)計尺寸為30MM60MM。試樣制作過程將一根長400MM、內(nèi)徑30MM、壁厚3MM的無縫鋼管沿徑向做線切割,對稱分為兩半。在鋼管的兩端分別做兩個直徑為36MM的內(nèi)螺紋管帽,在其中的一個管帽上鉆一個45MM的注漿孔,并安裝注漿頭。注漿前,先取下鋼管兩端的管帽,把鋼管打開,在其內(nèi)壁涂上潤滑油,然后把對開的鋼管合在一起,在鋼管兩端分別旋上管帽,并在鋼管中間用34個加強喉箍把對開鋼管緊扣在一起。注漿設(shè)備開啟后,直接把注漿槍接到管帽一端的注漿頭上進(jìn)行注漿,并通過控制注漿量制作不同密度的試樣。注漿完畢后去掉注漿槍,冷卻15MIN后再去掉喉箍和管帽,取出圓柱形的高聚物注漿材料,在車床上橫向切割成若干段長度為60MM的試樣,可得30MM60MM的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣。試驗溫度設(shè)定為40、20、0、20和40,試樣按溫度分組,每組試樣的密度均勻分布在0208G/CM3之間,數(shù)量約為20個。22試驗設(shè)備試驗在高低溫試驗箱中進(jìn)行。高低溫試驗箱的型號為WGD7003,溫度控制范圍為70350,試驗時設(shè)定溫度的變動幅度為1,工作室尺寸為300MM250MM400MM深寬高。123456781011121314151617181920216336961093117121413341456160517391774199821072151244325482713279829483137335015016026028029031034038041042047050051058060064066070074079759777117512371290135114871650176717822017212721662453255527222806295331473358297191193158179040073106066019045047035024017021019012024019199111647505736291272132801610450950950700410270330280320330253試驗過程及分析圖1不同密度高聚物試樣的質(zhì)量吸水率31吸水率測試取一組干燥試樣,逐一量測質(zhì)量后完全浸入水中,浸泡72H后,測定其質(zhì)量變化,計算每個試樣的質(zhì)量吸水率和體積吸水率,結(jié)果如表1及圖1所示。從表1及圖1中可以看出,隨著密度的增大,試樣的吸水率逐漸降低,吸水以后材料的體積有一定的膨脹,膨脹率隨密度增大也逐漸減小。當(dāng)密度大于05G/CM3后,吸水率隨密度減小的幅度明顯降低,并逐漸趨于常數(shù),體積的變化也趨于穩(wěn)定。密度與質(zhì)量吸水率之間呈4次拋物線的關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為09354。干燥試樣的體積隨溫度的變化為了避免測量誤差,所有的試樣在試驗前都標(biāo)記了尺寸測量位置,以方便用數(shù)顯游標(biāo)卡尺在同一位置測量試樣試驗前后的直徑和高度的尺寸變化。試驗時的室內(nèi)溫度為31,假設(shè)試樣在溫度變化時體積的變化是均勻的,測得當(dāng)溫度從室溫升降至某一溫度一定時間后試樣體積的變化,結(jié)果列入表2。從試驗結(jié)果可以看出,試樣所處環(huán)境溫度上升或下降時,材料的體積會發(fā)生膨脹和收縮。即試樣所處3219942013CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP/WWWCNKINET2912010年第3期石明生,等高聚物注漿材料吸水特性及溫度變化對體積影響試驗研究表2干燥試樣隨溫度變化的體積變化直徑變化高度變化體積變化溫度/均值/MM標(biāo)準(zhǔn)差/MM百分比/均值/MM標(biāo)準(zhǔn)差/MM百分比/均值/CM3標(biāo)準(zhǔn)差/CM3百分比/402002040026015011002006019007011005008087050037007020028019014002013007010008004008047032023003022094073042012033053023033014019222172099028078注正值表示體積膨脹,負(fù)值表示體積收縮。的環(huán)境溫度降低時,直徑和高度均減小,體積收縮溫度升高時,直徑和高度增大,體積膨脹。當(dāng)溫度增減幅度相同時,高聚物材料在高溫環(huán)境下體積變化膨脹更加明顯,如40時的體積平均膨脹可達(dá)078。33高聚物材料干燥與浸水飽和試樣低溫環(huán)境下的體積變化為了對比分析低溫環(huán)境下干燥試樣和浸水飽和試樣的體積變化率,將浸水飽和試樣放入高低溫試驗箱中,溫度設(shè)定為40,持續(xù)時間8H。取出后用數(shù)顯游標(biāo)卡尺在同一位置測量其直徑和高度變化。假設(shè)試樣在溫度作用下的體積變化是均勻的,測得試樣環(huán)境溫度從室溫31降低至40時,干燥試樣和浸水飽和試樣的體積收縮率如表3所示。從表3可以看出,在試樣所處的環(huán)境溫度降低時,表3高聚物材料干燥試樣與飽和試樣低溫環(huán)境下的體積變化直徑變化高度變化體積變化試樣均值/MM標(biāo)準(zhǔn)差/MM百分比/均值/MM標(biāo)準(zhǔn)差/MM百分比/均值/CM3標(biāo)準(zhǔn)差/CM3百分比/干燥冷凍試樣飽和冷凍試樣026015019007087050028021007015047035094058053023222137注正值表示體積膨脹,負(fù)值表示體積收縮。干燥試樣和浸水飽和試樣的體積均會收縮。但浸水飽和試樣的體積收縮率小于干燥試樣的體積收縮率。這是因為試樣吸水后,水進(jìn)入到試樣的空隙當(dāng)中,在低溫條件下結(jié)冰時水的體積會膨脹,對材料的體積收縮會起到阻礙和抵消作用,因而在一定程度上降低了材料的收縮率。要考慮環(huán)境溫度變化與地下水位埋深將對施工效果產(chǎn)生的影響。參考文獻(xiàn)1郭成超,王復(fù)明,徐建國隧道高聚物快速維修技術(shù)研究J筑路機械與施工機械化,200812BRENTBARRONKANSASDOTDECIDESTOGOWITHPOLYURE2THANETOCORRECT50MILESOFHIGHWAY50JROADSBRIDGES,2004,122426郭成超,王復(fù)明,鐘燕輝水泥混凝土路面脫空高聚物注漿技術(shù)研究J公路,200810程銀華,李萬鵬高聚物注漿在治理瀝青路面翻漿病害中的應(yīng)用J高科技與產(chǎn)業(yè)化,200811盧子興,田常津,謝若澤硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料壓縮力學(xué)性能J材料研究學(xué)報,19945環(huán)球聚氨酯網(wǎng)建筑用聚氨酯保溫材料的性能分析J聚氨酯,200810劉志遠(yuǎn)高聚物注漿材料工程特性的試驗研究D鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007潘艷輝高聚物注漿材料的膨脹力試驗研究D鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文,20082結(jié)論431盡管高聚物材料具有95以上的互聯(lián)閉孔,但仍有一定的吸水性,其吸水率與吸水體積膨脹率隨材料密度的增大而減小。2溫度變化時,高聚物材料的體積變化符合熱