随着水利、电力、交通等事业的深入发展，一些工程的难度也愈益增加。在探洞、辅助洞、隧洞的开挖过程中，常遇到高压、大流量的突水或突泥，这给施工带来很大的险情和困难，有时会严重影响工程进度，甚至被迫停止施工。


      灌浆工法是最常采用的堵漏手段之一。常用的堵水方法是采用水泥-水玻璃、改性的快硬水泥灌浆材料，由于其快速固化性能和便宜的价格，常作为首选材料。但在高压、剧烈的动水环境中，由于水泥—水玻璃浆液终凝时间长、强度低、也难以如愿。希望能找到一种能在很短时间内、最好是在堵水瞬间能达到难以冲走的高强度的材料。分析了水泥-水玻璃、丙烯酸盐、水溶性和油溶性聚氨酯等化学灌浆材料的堵水原理，认为油溶性聚氨酯有可能达到这项苛刻的要求。由于其分子中的NCO基团和水能快速反应，可在数秒钟之内开始发泡、固化，以致快速封堵漏水，而且固结体强度高。国外的de neef、Fosroc公司、日本的东邦株式会社、国内的许多科研院校、水电工程公司、隧道工程公司等在采用油溶性聚氨酯封堵大漏水工程方面都有许多精彩之举。
      我院在20世纪70年代就研制和应用油溶性聚氨酯化学灌浆材料。回顾国内该方面的产品状况，对比国外有关这方面先进材料的性能，仍有许多值得深入研究的问题。其中，一个是产品的环保性能问题，一个是灌浆成本问题。
      分析国内的大部分灌浆材料，其稀释剂大多是丙酮和二甲苯，因为价格便宜，原料易得。而催化剂基本上以三乙胺为主，因为发泡速度快，对止水有利。但是丙酮沸点低，只有56°C，容易挥发、燃烧。三乙胺具有强烈的气味，在通风不良的隧道中施工，施工人员难以忍受。在封堵大涌水时，甚至发生工人昏厥事故。为此杭州国电水利电力工程有限公司在原有基础上，摈弃了丙酮、三乙胺等材料，成功开发了材料本身气味小、反应过程中几乎不释放刺激性气味、性能好的HK-9105油溶性聚氨酯化学灌浆材料，已在浙江某火力发电站海底引水洞堵水处理中得到应用。
      关于降低灌浆成本问题，本文提出了聚氨酯化灌材料与水泥浆液组成的双液法灌浆方法，并测定其乳白时间(起泡时间)、凝胶时间（止泡时间）、失粘时间、发泡倍数和密闭成型后的抗压强度。
1、主要原材料
      三官能团聚醚多元醇，工业级；二官能团聚醚多元醇，工业级；多苯基多亚甲基多异氰酸酯（PAPI），工业级；增塑剂，工业级；泡沫稳定剂，化学纯；催化剂，化学纯。其中作为主要原料的异氰酸酯，从环保和安全角度出发，选择了比TDI沸点高、不易挥发的PAPI。


2、主要性能
      本文对HK-9105油溶性聚氨酯化学灌浆材料进行性能测定，如比重、粘度、发泡速度、体积膨胀率、浆液对砂浆的粘结强度及其和龄期的关系、密闭成型后试件的抗压强度及其和龄期的关系等，具体数据如表1所示。
      表1  HK-9105油溶性聚氨酯化学灌浆材料
      序号 项目 性能指标 
      1 外观 棕色透明液体 
      2 比重（g/cm3, 25±0.5℃） 1.15±0.05 
      3 粘度（mPa·s, 25±0.5℃） 250-350 
      4 遇水发泡起止时间（25±1℃） 8-30秒 
      5 遇水发泡倍数（25±1℃） ＞20 
      6 浆液对砂浆的粘接强度（MPa）龄期：一天 ＞3 
      7 固结体抗压强度（MPa），（在密闭条件下成型）
      龄期：   4小时
      24小时  
      17-20
      25-30 
3、影响浆材发泡性能和堵水效果的主要因素
     （1）多异氰酸酯和多元醇的选择
      对化学灌浆材料而言，异氰酸酯和聚醚多元醇是其关键原材料之一。由于异氰酸酯的结构不同，它的选择直接决定了灌浆材料的物理和结构性能。虽然TDI和PAPI都可以制得性能优良的化学灌浆材料，但TDI饱和蒸汽压高、毒性较大、气味较为刺鼻，因而不宜用于施工环境较为恶劣的化学灌浆场所，为此我们选用了PAPI。多元醇的种类较为繁多，综合价格成本和产品性能等要求，选择了多种不同官能团度的聚醚多元醇。
－NCO/OH的比例直接关系到分子链的长短、交链程度、聚合度的大小，因此也影响到浆液粘度的大小、贮存期的长短。
      本文考察了不同－NCO/OH比例时的浆材情况，试验结果表明：－NCO/OH 值较大，则浆材中的游离NCO含量较高，平均分子量较低，交链程度也较小，因而粘度较小，浆材的反应活性较大；但较大的－NCO/OH 值意味着异氰酸酯使用比例较大，原料成本较高，且易引起泡孔过大、易坍泡、泡沫强度较低等不良现象，因此在满足产品性能的情况下应尽量降低－NCO/OH 值。
不同官能团度聚醚多元醇的使用比例不同，使得浆材在性能上必然存在一定的差异。在－NCO/OH比例一定时，低官能团聚醚用量较多，则聚醚的总质量增加，引起合成的浆材交链程度减小，浆材粘度的下降。而浆材粘度较小，不利于泡孔壁膜的强度发展，易出现坍泡现象。


     （2）催化剂对浆材发泡性能的影响
      催化剂的选择和用量的确定，需要综合考虑其环保性能、相容性能、催化效果、成本及应用情况等各个方面。
      催化剂一般有叔胺类和有机锡类催化剂。叔胺类催化剂对异氰酸酯与水反应有很强的催化作用，活性范围很宽。常用的叔胺类催化剂有：三乙胺、三亚乙基二胺、三乙醇胺、双（β－二甲胺乙基）醚、二甲基苄胺及四甲基丁二胺等。常用的有机锡类催化有：二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡等。在聚氨酯泡沫领域，常常同时使用两种或两种以上催化剂。催化剂的复配使用，可产生协同效应，调节链增长速度与交联速度间的平衡，达到显著提高催化活性的目的。
     本文立足环境保护要求，根据所采用的聚醚和异氰酸酯的特性，在考察各种催化剂对主要反应体系的催化效果和副反应的抑制效果的基础上，采用了以叔胺为主，有机锡为辅的复合催化体系。该催化体系气味小，毒性低，催化活性高，催化选择性也非常有利于与水的反应。
      为了方便灌浆施工，本文将预聚体配制成A组分，将多种催化剂和助剂配制成B组分。本文考察了不同B组分添加量时，浆材的发泡时间及发泡倍数，结果见图1。试验结果表明，随着B组分的增加，浆材的发泡速度（起泡时间、止泡时间和失粘时间）都迅速加快，当B组分加入到10％左右后，下降趋势逐渐平缓，降幅较小；而发泡倍数则迅速增加，当加入到10％左右后，增幅逐渐减小，增加趋势减缓。并且催化剂的用量过多，易降低固结体的强度，因此，B组分的使用量以不超过10%为宜。
     （3）泡沫稳定剂对浆材发泡性能的影响
      泡沫稳定剂是浆材中不可或缺的一个组成部分。它的用量很少，但却举足轻重。泡沫稳定剂是一种表面活性剂，它主要起三种作用，（1）乳化作用，降低原料体系的表面张力，改善原料组分的混溶性；（2）成核作用，促进发泡初期气泡核的形成，调节泡孔结构；（3）稳定作用，提高原料体系的稳定性及流动性，使其密度分布均匀。是否具有理想的开孔或闭孔结构，主要取决于泡沫形成过程中的凝胶反应速度和气体膨胀速度是否平衡。而这一平衡要通过调节配方中的催化剂、泡沫稳定剂等助剂的种类和用量来实现。
泡沫稳定剂的类型很多，在本试验中采用的是有机硅泡沫稳定剂。通常以聚硅氧烷为主链，共聚醚为侧链。其中聚硅氧烷为亲油性基团，起界面取向作用，聚醚为亲水基团，起增溶作用。有机硅泡沫稳定剂的品种繁多，要通过试验进行筛选。
      对于聚氨酯化学灌浆材料而言，由于预聚体采用多官能团度、低分子量的聚醚多元醇与多异氰酸酯反应，因此其凝胶速度相对较快，气泡壁膜起强度较快。即在泡孔内气体的压力上升时，气泡壁膜已有一定的强度，不容易被气泡内气体挤破，从而形成以闭孔结构为主的固结体。在化学灌浆领域中，利用水与异氰酸酯反应生成二氧化碳的发泡方法（水发泡法）具有极大的优势。这一方法既能减少物理发泡剂的使用，以降低对环境的污染可能性；且取材极为方便，能够节约成本；并能释放无害气体二氧化碳，补充灌浆压力，促进浆材在细微裂缝中的扩散，对堵水起积极作用。不过，尽管泡沫壁膜的强度已经较高，但由于二氧化碳的性质决定了在发泡过程中仍易冲破该壁膜，导致坍泡，不利于堵水。因此本文通过调节配方中催化剂的比例及用量，同时加入一定量的泡沫稳定剂来实现泡沫形成过程中凝胶反应速度和气体膨胀速度之间的平衡，提高了浆材的堵水效果。
2、HK-9105油溶性聚氨酯灌浆材料的应用情况
     （1）HK-9105与水泥浆液的双液法灌浆
      聚氨酯化灌材料是很好的防渗堵漏、补强加固材料，但它的价格较高。如果能降低灌浆成本，将有更大的推广意义。最有效的降低施工造价的方法是实施聚氨酯化灌材料与水泥浆液的双液法灌浆。这是一个非常新颖的构思。
      本文按不同水灰比配制水泥浆液，将其和9105油溶性聚氨酯化灌材料以不同比例混合，测定其乳白时间、凝胶时间、失粘时间、发泡倍数和密闭成型的试件抗压强度（如图2所示为抗压强度测试试件）。试验表明：
      水泥浆材和9105油溶性聚氨酯可以复合成灌浆材料，凝固时间可以由催化剂的用量来调节，时间在十几秒至2分钟左右。
      固化时仍有发泡、膨胀性能，自由状态下仍可以膨胀20多倍。
      在密闭条件下成型的聚氨酯和水泥复合材料试件（催化剂用量为B的2%），其4小时的抗压强度仍可达到25MPa。


      固结体强度随着水灰比的增大及水泥浆加入比例的增加而下降，但是在水泥浆是化学浆的两倍时，其4小时的抗压强度仍然可达21MPa.。而水泥水玻璃浆液1个月的强度也只有15 MPa左右。 
      由于水泥浆液可以按聚氨酯浆液的2-3倍的数量加入，因此灌浆材料的成本可以下降一半以上。
      双液法灌浆的关键设备是需要一种混合装置。这种混合装置可以考虑通过静态混合器或喷流式混合起来解决。在一定压力条件下，双液混合后，能在较短时间内获得强度较高的固结体，密度大，不易被水流冲散，对快速、经济、有效的堵住大流量涌水有利。
      （2）某火力发电站引水洞堵水处理
      该发电站引水洞位于海底基岩下约10米，全长约2km，层高5m。在引水洞掘进过程中，会出现海水渗漏的情况。该工程原采用传统油溶性聚氨酯浆材，但受施工环境所限，通风条件不良，极易引起施工人员的呼吸障碍。施工方在获知杭州国电HK-9105产品后，经过试用后发现，该产品本身气味小，反应过程中几乎不释放刺激性气味，固化速度快，堵水效果也好，在性能上更优于其原先采用的浆材，该工程表示要继续全面使用HK-9105产品。图3为隧道内情况，图4为灌浆后已封闭的灌浆孔。
3、结论 
      化学灌浆材料应以人为本，重视环境保护，HK-9105产品从原料选择这一源头出发，摈弃三乙胺、丙酮等传统原料，在一定程度上达到了环保要求； 
      HK-9105产品与水反应活性大，固结体强度高，对渗水量大的地下水工程堵漏效果良好，能加固地基，堵动水效果好；
      催化剂的种类、使用量等对浆材的发泡性能影响较大，在灌浆过程中应根据不同的实际情况，作出适当必要的调整；
      HK-9105产品与水泥浆配合使用，有利于降低灌浆材料成本，提高灌浆效果；
      该产品的研制成功，弥补了水溶性聚氨酯化学灌浆材料的不足，可以提高封堵高压涌水的科技水平，解决管涌险情，提高灌浆工程的作业速度，促进灌浆工艺的改进以及先进灌浆设备的开发和应用，推动化灌行业从业人员的环保意识。