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低蓄热改性聚氨酯基复合注浆材料的性能、制备与应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工程建设中，注浆材料发挥着至关重要的作用，其应用范围涵盖了建筑、交通、水利、矿山等众多领域，主要用于加固软弱地基、封堵地下水流、修复破损结构等关键工程环节。聚氨酯注浆材料作为一种性能卓越的化学注浆材料，凭借其粘结强度高、固化时间可灵活调节、渗透性良好以及施工便捷等突出优势，在各类工程中得到了广泛应用。

在煤矿井下开采作业中，随着开采深度的不断增加，地质条件愈发复杂，破碎煤岩体的加固以及涌水封堵成为保障安全生产的关键难题。聚氨酯注浆材料能够快速渗透到煤岩体的微小裂隙中，迅速固化形成高强度的固结体，有效增强煤岩体的整体性和稳定性，同时对涌水起到良好的封堵作用。在隧道工程中，面对复杂的地质条件，如断层破碎带、富水地层等，聚氨酯注浆材料可用于加固围岩，防止坍塌，同时实现高效堵水，确保隧道施工的安全与顺利进行。在建筑基础加固领域，聚氨酯注浆材料能够填充地基土的孔隙，提高地基的承载能力，有效控制建筑物的沉降，保障建筑结构的安全与稳定。

普通聚氨酯注浆材料在实际应用中存在一个亟待解决的关键问题，即反应放热量大、蓄热温度高。相关研究表明，普通聚氨酯注浆材料两种组分混合后的反应温度通常在120℃以上，在煤矿井下等相对封闭的环境中，温度上升更为迅速。当施工环境中存在水分时，局部反应放热温度甚至会急剧升高至150℃以上。如此高的反应温度和蓄热，会引发一系列严重的安全隐患。大量使用时，可能导致聚氨酯固结体中心发生焦化或者烧芯现象，甚至引发自燃，对人员和设备安全构成严重威胁。在煤矿井下，高温还可能引燃地下的瓦斯气体，从而引发瓦斯爆炸等重大安全事故，给生命财产带来巨大损失。近年来，全国各地因化学注浆加固材料反应放热而引发的煤矿事故时有发生，这进一步凸显了解决聚氨酯注浆材料高蓄热问题的紧迫性和重要性。

为了有效解决传统聚氨酯注浆材料的高蓄热问题，低蓄热改性聚氨酯基复合注浆材料应运而生。通过对聚氨酯进行改性，引入特殊的添加剂或采用新型的合成工艺，能够显著降低其反应放热量和蓄热温度。这不仅可以有效提高工程施工的安全性，减少安全事故的发生，还能拓展聚氨酯注浆材料的应用范围，使其能够在更多对温度敏感的工程环境中得到应用。对低蓄热改性聚氨酯基复合注浆材料的研究，有助于深入了解其反应机理和性能特点，为其进一步优化和创新提供坚实的理论基础。

1.2国内外研究现状

国外对聚氨酯注浆材料的研究起步较早，在低蓄热改性方面也取得了一定的成果。早在20世纪80年代初，国外就开始将煤矿化学注浆加固技术应用于实际工程，其中聚氨酯注浆材料凭借其良好的性能得到了广泛关注。经过多年的发展，国外研究人员在聚氨酯的分子结构设计、添加剂的选用等方面进行了深入研究，以实现降低蓄热的目的。

在分子结构设计方面，通过改变多异氰酸酯和多元醇的种类及比例，调整聚氨酯的分子链结构，从而影响其反应活性和放热量。研究发现，选用具有特定结构的多异氰酸酯和多元醇，能够优化反应路径，减少副反应的发生，进而降低反应过程中的热量释放。在添加剂的研究中，国外学者尝试添加各种无机填料、相变材料等，以吸收或分散反应产生的热量。有研究表明，添加纳米级的无机填料，如纳米二氧化硅、纳米氧化铝等，不仅可以有效降低聚氨酯注浆材料的反应温度，还能提高其力学性能和耐久性。这些纳米填料能够均匀分散在聚氨酯基体中，形成良好的散热通道，及时将反应产生的热量传递出去。

国内对低蓄热改性聚氨酯基复合注浆材料的研究始于20世纪90年代初，虽然起步相对较晚，但近年来发展迅速。国内的研究主要集中在材料配方优化、制备工艺改进以及工程应用研究等方面。在材料配方优化上，通过大量的实验研究，筛选出合适的多元醇、催化剂、阻燃剂、抗静电剂等助剂，并确定其最佳配比，以降低材料的反应放热量和蓄热温度。有研究通过调整多元醇的官能度和分子量，结合选用高效的催化剂，成功降低了聚氨酯注浆材料的反应温度，同时保证了其固化后的强度和稳定性。

在制备工艺改进方面，国内研究人员致力于开发更加高效、环保的制备方法。采用先进的混合技术，如高速搅拌、超声分散等，使各组分能够充分混合，提高材料的均匀性和性能稳定性。通过改进合成工艺，优化反应条件，实现对反应过程的精确控制，从而有效降低反应放热量。

在工程应用研究方面，国内开展了大量的现场试验，将低蓄热改性聚氨酯基复合注浆材料应用于煤矿、隧道、铁路等工程领域，取得了一定的应用成果。在煤矿井下巷道加固工程中，使用低蓄热改性聚氨酯注浆材料，有效解决了普通聚氨酯材料反应放热带来的安全隐患，提高了巷道的稳定性和安全性。在隧道工程中，该材料的应用也取得了良好的堵水和加固效果，保障了隧道施工的顺利进行。

尽管国内外在低蓄热改性聚氨酯基复合注浆材