一种无发泡快固化高强聚氨酯堵漏防水灌浆材料

摘要

一种无发泡快固化高强聚氨酯堵漏防水灌浆材料，它由A、B两部分原料组成：A组份包括异氰酸酯单体、异氰酸酯预聚物、高憎水环保增塑剂，B组份包括高活性聚醚多元醇、扩链交联剂、高憎水环保增塑剂和防老剂，A、B组份体积比为1∶1。该聚氨酯堵漏防水灌浆材料粘度低，便于灌注，且具有无发泡、快固化的特性，堵漏效果好，力学强度和湿粘结强度高，耐老化性能优异，适用于地下工程混凝土裂缝的快速堵漏及防水加固。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种无发泡快固化高强聚氨酯堵漏防水灌浆材料。

背景技术

目前，隧道渗漏问题较为严重，截止1998年底，我国运营铁路隧道5000余座，总长2500km， 其中有水害的隧道约占70％，水害严重的有1362座，约占运营隧道的30％，诸如地铁、地下人 防、地下车库等地下工程也面临渗漏等问题。隧道渗漏水会增加隧道内空气湿度，容易造成 钢轨、通讯、照明等设施的损坏，据铁路工务部门统计，渗漏水隧道钢轨的使用寿命约为正 常状态下的1/2。而且，隧道渗漏水加快了衬砌混凝土的碳化速度，特别是有腐蚀性的地下水， 破坏了混凝土的结构，从而减少了隧道的使用寿命。同时，隧道渗漏水降低了地下水位，对 生态环境造成了破坏。

隧道渗漏水的整治方法较多，主要包括表面封闭法、凿缝填充法、灌浆法、排水法等。 一般情况下，对具有较完整骨架的防渗漏对象，灌浆防水堵漏是一种快速而有效处理手段， 是目前最常用的堵漏方法。它通过注浆设备将灌浆液灌入缝隙或空洞之中，使其扩散、胶凝 或固化，达到防渗堵漏的目的，确保防水工程的防水性能。此法能使裂缝缺陷闭合而恢复整 体性，通过灌浆材料的选择，可对混凝土缺陷起到堵漏和补强的作用，与表面封闭法和凿缝 填充法相比，它的防水效果更加有效，特别是对水压和渗水量较大的渗漏处的修补，可取得 快速满意的效果，因此该法已被广泛应用于整治隧道渗漏水，构筑隧道渗漏的第一道防水线。

灌浆堵漏防水材料包括无机灌浆材料和有机高分子灌浆材料。无机灌浆材料以水玻璃浆 材为主，应用最早，且来源广、种类多、价格低、可灌性好、低毒或无毒性，但是其力学性能 远不如有机高分子灌浆材料。有机高分子灌浆材料主要包括丙凝类、甲凝类、改性环氧类和 聚氨酯类等，它们在建筑水利土木工程建设中占有相当重要的地位和作用，是目前最常用的 灌浆堵漏材料。丙凝是由丙烯酰胺、交联剂甲叉双丙烯酰胺(MBA)和水溶性氧化-还原引发体 系组成，它的各组分溶于水，总浓度可达20％，浆液粘度小，为1.2mPa·s，且在凝胶前一直 保持不变，具有良好的渗透性，可灌入0.1mm以下的裂缝。同时，丙凝胶凝后吸水成胶膨胀， 具有一定强度，适于有水环境，可用于止水。但是丙烯酰胺单体是具有毒性的，已经被许多 实验证明是一种致癌物质，所以丙凝在国外早已被禁止使用，而且凝胶体抗压强度低，一般为 0.4～0.6MPa，同时胶体存在湿涨干缩，耐盐性、低温柔顺性和耐冻融性差的问题。甲凝是以 甲基丙烯酸酯为主剂，配与油溶性引发剂、促进剂、增韧剂等助剂制备而成。它的单体粘度 仅为0.69mPa·s，能够灌入0.05mm宽的裂缝。固化后的浆材抗压强度高，可达90MPa。但是甲 凝浆材的是浆液固化收缩大，且对水敏感性强，在十分潮湿的情况下无法使用，这限制了它 在隧道堵漏方面的应用。改性环氧类灌浆液在一定程度上克服了环氧树脂带水作业能力较低 和浆液放热大的缺点，提高了固结体的抗压强度、抗冲强度、耐热性和耐腐蚀性能。但是，改 性环氧类灌浆液固化速度较慢，无法快速封堵裂缝渗漏水，且与混凝土潮湿界面粘结强度较 差，堵漏效果有限。聚氨酯灌浆材料是70年代发展起来的一种高效能灌浆材料，在土木工程中 可起加固、堵漏、堵水、防渗作用。聚氨酯化学灌浆材料活性大且湿粘结强度较高，封堵强 烈的涌水和阻止地基中流水的效果突出，是目前应用最广泛的防水堵漏材料。

常用的聚氨酯堵漏防水灌浆材料主要包括油溶性发泡聚氨酯和水溶性发泡聚氨酯。油溶 性发泡聚氨酯为溶剂型，国内俗称“氰凝”，它多由异氰酸酯与氧化丙烯聚醚多元醇制备的预 聚体与有机溶剂及助剂配制而成。水溶性发泡聚氨酯的预聚物由异氰酸酯和高EO含量聚醚多 元醇为主体的活泼氢低聚物制备而成，遇水后可自行分散、乳化。当它们被高压注入到混凝 土裂缝时，遇水会发生交联反应，释放大量二氧化碳气体，产生二次渗压，高压推力与二次 渗压将弹性体压入并充满所有缝隙，达到防水止漏目的。水溶性发泡聚氨酯浆价格低、毒性 小、包水量大、渗透地层的半径大，适合于动水地层的堵涌水以及土质表面层的防护等。中 国专利201010599616.2《单组分亲水性聚氨酯灌浆材料及其原料和制备方法》和中国专利 201110337328.9《一种遇水膨胀单组份聚氨酯密封胶的制备方法》均采用亲水性聚醚制备了 水性发泡聚氨酯。但是亲水聚醚多元醇分子链上存在大量EO基团，发泡后形成的固结体基本 无力学强度，且容易受水侵蚀，耐湿热老化性能、耐水解性能和耐碱性能很差，容易粉化、 掉渣，短期内易失效。因此，人们选择力学强度和粘结强度更优的油性发泡聚氨酯替代水性 发泡聚氨酯或与其配合使用，进行渗漏水的封堵。中国专利201010597827.7《单组分油溶性 聚氨酯灌浆材料以及其原料和制备方法》和中国专利200810052170.9《聚氨酯化学灌浆材料 及制备方法》采用非亲水性聚醚制备了油性发泡聚氨酯材料。油性发泡聚氨酯的综合性能虽 然优于水溶性聚氨酯，但是堵漏方式仍为发泡膨胀堵漏，形成的发泡固结体力学强度和耐老 化性能仍较差，而且油性发泡聚氨酯的发泡反应存在不可控性，裂缝中水多的地方发泡倍率 高，泡孔尺寸大，材料脆性大，没水的地方反应速度慢甚至不固化，尤其是单组份发泡聚氨 酯。另外，发泡固结体内部为多孔结构，抗渗性能较差，自身容易透水，且与混凝土界面为 非连续粘结，粘结强度低，容易产生离缝，造成二次渗漏。油性发泡聚氨酯的使用寿命一般 为3～9个月，在渗水严重的部位使用时其使用寿命甚至低于1个月。

综上所述，发泡型聚氨酯堵漏材料只可作为封堵裂缝渗漏水使用，无法起到长期防水和 加固混凝土的作用。因此，需要一种无发泡、力学强度和粘结强度高、耐久性能优的新型聚 氨酯堵漏防水灌浆材料取代发泡型聚氨酯堵漏材料，解决混凝土裂缝渗漏水问题，并起到长 期防水和补强混凝土的作用。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供了一种用无发泡快固化高强 聚氨酯堵漏防水灌浆材料。

技术方案：为了实现以上目的，本发明提供了一种无发泡快固化高强聚氨酯堵漏防水灌 浆材料，该材料由A、B两部分组成，A部分由下列质量份数的原料组成：异氰酸酯单体30～ 60份，异氰酸酯预聚物5～15份，高憎水环保增塑剂30～55份；B部分由下列质量份数的 原料组成：高活性聚醚多元醇50～70份，扩链交联剂5～10份，高增水环保增塑剂20～40 份，防老剂0.1～1份；A、B两部分的体积比为1∶1。

上述的异氰酸酯单体为PAPI、碳化二亚胺改性MDI和MDI-50中的一种或几种。

上述异氰酸酯预聚体为异氰酸酯单体IPDI与多元醇制备的NCO含量在15％～20％的预 聚物，其中多元醇为分子量为750～1250的四氢呋喃二醇、分子量为1800～2000的四氢呋喃 共聚醚二醇和分子量为400～1500的1，4顺式/1，4反式/1，2-乙烯基质量比为12～19/16～23/65 的端羟基聚丁二烯中的一种或几种。

上述的高增水环保增塑剂为植物油基增塑剂、柠檬酸酯类增塑剂和脂肪酸酯类增塑剂中 的一种或几种。

上述的高活性聚醚多元醇为四官能度羟值为450～650mgKOH/g的聚环氧丙烷醚和三官 能度羟值为475～585mgKOH/g的聚环氧丙烷醚的一种或两种。

上述的扩链交联剂为2-甲基戊二胺，一缩二乙二醇和七官能度的蔗糖聚醚多元醇中的一 种或几种；防老剂为杀菌防霉剂、抗氧剂和水解稳定剂中的一种或几种。

上述的一种聚氨酯堵漏防水灌浆材料的制备方法为将四氢呋喃二醇、四氢呋喃共聚醚二 醇和端羟基聚丁二烯按照质量比0.5～1∶3∶0.2～0.5加入至反应釜中，边搅拌边加热至 (115±5)℃，真空脱水3h后，降温留存混合二元醇低聚物；将异氰酸酯单体IPDI加入至反 应釜中，加热至(80±5)℃，缓慢滴加脱水后的混合二元醇低聚物，1.5h后将混合二元醇低 聚物均匀滴加完毕，继续反应1h，测试预聚物异氰酸酯基团含量，如满足设计要求则将预聚 物温度将至50℃以下，如不满足则继续反应，当温度将至50℃以下时，留存预聚物；将预聚、 异氰酸酯单体(PAPI、碳化二亚胺和MDI-50)和高增水环保增塑剂加入至反应釜中，真空搅 拌脱泡1h后，出料即得A组份；将四官能度聚环氧丙烷醚和三官能度聚环氧丙烷醚按照质 量比1∶2～4加入至反应釜中，边搅拌边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，将高活性聚 醚多元醇混合液降温至60℃以下后，加入扩链交联剂、高增水环保增塑剂和防老剂，真空搅 拌脱泡1h后，出料即得B组份。

上述的一种聚氨酯堵漏防水灌浆材料的A、B两部分的体积比为1∶1，使用时将A、B 组份加入至出料体积比为1∶1的专用注浆机中，直接灌浆即可；该聚氨酯堵漏防水灌浆材料 的注浆误差包容性较好，当A、B两部分体积比在1∶0.9～1.1范围内时，材料的力学性能基 本保持不变。

工作机理：该聚氨酯堵漏防水灌浆材料B组份中的高活性聚醚多元醇为多官能度低分子 量的聚醚多元醇，它反应活性高，无须催化剂即可保持优异的反应活性，抑制发泡的作用明 显。而且，它制备的聚氨酯固结体交联密度较高，力学强度好。同时，它的粘度低，便于注 浆施工。增塑剂选择非邻苯类的无毒环保增塑剂，且含水量极低(≤0.05％)，自身憎水效果 明显，可阻隔水分进入材料内部。而且，它与该类聚醚配合性较好，可有效提高材料韧性， 即使掺入量较大也不会出现析出、冒油等问题。为了避免聚氨酯堵漏防水灌浆材料刚度过大、 固化收缩开裂等问题，A组份中使用了脂肪族异氰酸酯IPDI与四氢呋喃二醇、四氢呋喃共聚 醚二醇和端羟基聚丁二烯制备的预聚物，它可有效改善聚氨酯堵漏防水灌浆材料的综合力学 性能，使其具有高韧高强等特点。同时，三种特定的二元醇低聚物按照一定比例混合制备的 预聚物黏度较低，低温无结晶。而且，它与异氰酸酯单体和高增水环保增塑剂相容性良好， 可制备出粘度≤50mPa·s的A组份。

有益效果：本发明提供的一种无发泡快固化高强聚氨酯堵漏防水灌浆材料，经过大量试 验研究，该组份的各组份配比科学合理，该组合物具有以下优异的性能：

(1)施工便捷：聚氨酯堵漏防水灌浆材料A、B组份的体积比为1∶1，可使用双组份注 浆机直接注浆即可，且A、B组份体积比为1∶0.9～1.1时，固结体性能基本相同，可忽略施 工时注浆机和人员操作导致的误差。

(2)可灌性优：聚氨酯堵漏防水灌浆材料的粘度≤50mPa·s(一般为150mPa·s以上)， 可在短时间内将缝隙填满。

(3)封堵及防水效果好：聚氨酯堵漏防水灌浆材料在水中凝固时间≤4min，注入裂缝后， 可快速将漏水堵住，且固结体密实，内部和与混凝土粘结处无气泡，在水压下自身不透水。

(3)力学强度高、韧性好：聚氨酯堵漏防水灌浆材料7d抗压强度≥25MPa、拉伸强度 ≥15MPa、断裂伸长率≥20％，可作为长期防水加固材料使用。

(4)粘结强度高：聚氨酯堵漏防水灌浆材料与混凝土潮湿界面粘结紧密，湿粘结强度≥ 1.5MPa，在承受较高水压时，材料不会脱胶漏水。

(5)稳定性好：固化收缩率≤2％，不会因固化速度过快、收缩过大导致的材料自身开 裂或与混凝土粘结面脱开，而且含盐、碱等水质()对聚氨酯堵漏防水灌浆材料固化速度和 粘结性能等基本没有影响。

(6)耐老化性能好：耐湿热老化、耐碱和耐盐溶液的性能优异，经老化处理后，材料的 的拉伸强度和抗压强度变化率≤5％。

具体实施方式

下面以实施例说明具体实施方式，这些实施例仅限于解释说明本发明，而不限定本发明 的范围。

实施例1

A组份：

将四氢呋喃二醇、四氢呋喃共聚醚二醇和端羟基聚丁二烯按照质量比0.5∶3∶0.2加入至 反应釜中，边搅拌边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，降温留存混合二元醇低聚物；将 异氰酸酯单体IPDI加入至反应釜中，加热至(80±5)℃，缓慢滴加脱水后的混合二元醇低聚 物，1.5h后将混合二元醇低聚物均匀滴加完毕，反应至预聚物异氰酸酯基团含量为20％时， 停止反应，将预聚物温度将至50℃以下留存。将15份预聚物、30份PAPI、25份植物油基增 塑剂和30份柠檬酸酯类增塑剂加入至反应釜中，真空搅拌脱泡1h后，出料即得A组份。

B组份：

将10份四官能度聚环氧丙烷醚和40份三官能度聚环氧丙烷醚加入至反应釜中，边搅拌 边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，将高活性聚醚多元醇混合液降温至60℃以下，加入 5份2-甲基戊二胺、40份脂肪酸酯类增塑剂、0.4份杀菌防霉剂，0.2份抗氧剂和0.4份水解 稳定剂，真空搅拌脱泡1h后，出料即得B组份。

A、B两组份的体积比为1∶1。

实施例2

A组份：

将四氢呋喃二醇、四氢呋喃共聚醚二醇和端羟基聚丁二烯按照质量比1∶3∶0.5加入至 反应釜中，边搅拌边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，降温留存混合二元醇低聚物；将 异氰酸酯单体IPDI加入至反应釜中，加热至(80±5)℃，缓慢滴加脱水后的混合二元醇低聚 物，1.5h后将混合二元醇低聚物均匀滴加完毕，反应至预聚物异氰酸酯基团含量为15％时， 停止反应，将预聚物温度将至50℃以下留存。将5份预聚物、60份碳化二亚胺改性MDI和 30份脂肪酸酯类增塑剂加入至反应釜中，真空搅拌脱泡1h后，出料即得A组份。

B组份：

将23份四官能度聚环氧丙烷醚和47份三官能度聚环氧丙烷醚加入至反应釜中，边搅拌 边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，将高活性聚醚多元醇混合液降温至60℃以下，加入 8份一缩二乙二醇、2份七官能度的蔗糖聚醚多元醇、20份柠檬酸酯类增塑剂、0.04份杀菌 防霉剂，0.02份抗氧剂和0.04份水解稳定剂，真空搅拌脱泡1h后，出料即得B组份。

A、B两组份的体积比为1∶1。

实施例3

A组份：

将四氢呋喃二醇、四氢呋喃共聚醚二醇和端羟基聚丁二烯按照质量比0.75∶3∶0.35加入 至反应釜中，边搅拌边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，降温留存混合二元醇低聚物； 将异氰酸酯单体IPDI加入至反应釜中，加热至(80±5)℃，缓慢滴加脱水后的混合二元醇低 聚物，1.5h后将混合二元醇低聚物均匀滴加完毕，反应至预聚物异氰酸酯基团含量为17.5％ 时，停止反应，将预聚物温度将至50℃以下留存。将10份预聚物、45份MDI-50、22.5份植 物油基增塑剂和20份脂肪酸酯类增塑剂加入至反应釜中，真空搅拌脱泡1h后，出料即得A 组份。

B组份：

将16份四官能度聚环氧丙烷醚和44份三官能度聚环氧丙烷醚加入至反应釜中，边搅拌 边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，将高活性聚醚多元醇混合液降温至60℃以下，加入 6份2-甲基戊二胺、1.5份七官能度的蔗糖聚醚多元醇、30份脂肪酸酯类增塑剂、0.1份杀菌 防霉剂，0.2份抗氧剂和0.25份水解稳定剂，真空搅拌脱泡1h后，出料即得B组份。

A、B两组份的体积比为1∶1。

实施例4

A组份：

将四氢呋喃二醇、四氢呋喃共聚醚二醇和端羟基聚丁二烯按照质量比0.6∶3∶0.3加入至 反应釜中，边搅拌边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，降温留存混合二元醇低聚物；将 异氰酸酯单体IPDI加入至反应釜中，加热至(80±5)℃，缓慢滴加脱水后的混合二元醇低聚 物，1.5h后将混合二元醇低聚物均匀滴加完毕，反应至预聚物异氰酸酯基团含量为16％时， 停止反应，将预聚物温度将至50℃以下留存。将7.5份预聚物、10份PAPI、27.5份MDI-50、 17份柠檬酸酯类增塑剂和20份植物油基增塑剂加入至反应釜中，真空搅拌脱泡1h后，出料 即得A组份。

B组份：

将13份四官能度聚环氧丙烷醚和42份三官能度聚环氧丙烷醚加入至反应釜中，边搅拌 边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，将高活性聚醚多元醇混合液降温至60℃以下，加入 2份2-甲基戊二胺、3份一缩二乙二醇、1份七官能度的蔗糖聚醚多元醇、15份植物油基增塑 剂、10份脂肪酸酯类增塑剂、0.1份杀菌防霉剂、0.1份抗氧剂和0.05份水解稳定剂，真空搅 拌脱泡1h后，出料即得B组份。

A、B两组份的体积比为1∶1。

实施例5

A组份：

将四氢呋喃二醇、四氢呋喃共聚醚二醇和端羟基聚丁二烯按照质量比0.9∶3∶0.4加入至 反应釜中，边搅拌边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，降温留存混合二元醇低聚物；将 异氰酸酯单体IPDI加入至反应釜中，加热至(80±5)℃，缓慢滴加脱水后的混合二元醇低聚 物，1.5h后将混合二元醇低聚物均匀滴加完毕，反应至预聚物异氰酸酯基团含量为19％时， 停止反应，将预聚物温度将至50℃以下留存。将12.5份预聚物、30份PAPI、21份碳化二亚 胺改性MDI、20份脂肪酸酯类增塑剂和29份植物油基增塑剂加入至反应釜中，真空搅拌脱 泡1h后，出料即得A组份。

B组份：

将20份四官能度聚环氧丙烷醚和45份三官能度聚环氧丙烷醚加入至反应釜中，边搅拌 边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，将高活性聚醚多元醇混合液降温至60℃以下，加入 3份2-甲基戊二胺、4.5份一缩二乙二醇、1份七官能度的蔗糖聚醚多元醇、35脂肪酸酯类增 塑剂、0.3份杀菌防霉剂、0.2份抗氧剂和0.25份水解稳定剂，真空搅拌脱泡1h后，出料即 得B组份。

A、B两组份的体积比为1∶1。

实施例6

A组份：

将四氢呋喃二醇、四氢呋喃共聚醚二醇和端羟基聚丁二烯按照质量比0.8∶3∶0.3加入至 反应釜中，边搅拌边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，降温留存混合二元醇低聚物；将 异氰酸酯单体IPDI加入至反应釜中，加热至(80±5)℃，缓慢滴加脱水后的混合二元醇低聚 物，1.5h后将混合二元醇低聚物均匀滴加完毕，反应至预聚物异氰酸酯基团含量为18％时， 停止反应，将预聚物温度将至50℃以下留存。将11份预聚物、15份MDI-50、25份碳化二 亚胺改性MDI、20份植物油基增塑剂和31份柠檬酸酯类增塑剂加入至反应釜中，真空搅拌 脱泡1h后，出料即得A组份。

B组份：

将18份四官能度聚环氧丙烷醚和44份三官能度聚环氧丙烷醚加入至反应釜中，边搅拌 边加热至(115±5)℃，真空脱水3h后，将高活性聚醚多元醇混合液降温至60℃以下，加入 2份2-甲基戊二胺、2.5份一缩二乙二醇、1份七官能度的蔗糖聚醚多元醇、28份脂肪酸酯类 增塑剂、0.3份杀菌防霉剂、0.2份抗氧剂和0.1份水解稳定剂，真空搅拌脱泡1h后，出料即 得B组份。

A、B两组份的体积比为1∶1。

实例1～6中双组份聚氨酯堵漏防水灌浆材料试验结果如下表所示：