改性复合注浆材料的制备及精准注浆加固测量试验

王楠　周鑫　郭达奇　刘丹　李海峰

摘 要：注浆加固是解决电力工程结构不稳最常用的一种方法，但电力工程具有较高的隐蔽性和复杂性，针对隐蔽工程中注浆加固的精准性的问题，提出一种实时监测的双液注浆加固工程模型试验。首先设计并制作了双液注浆模型装置，以TDS-630数据采集仪为主要设备，对装置上布置的测试元件参数进行监测和分析。研究结果表明，浆液在模型内部的扩散模式为非均匀扩散，在注浆10 min时，最大温度值和最大压力值分别为96.5 ℃和8.4 MPa，在注浆15 min时，模型中部位置出现最大应力值95.8 MPa。

关键词：改性聚氨酯；模型试验；双液注浆；TDS-630数据采集

中图分类号：TQ530 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0048-04

Preparation of double slurry grouting material and precise reinforcement measurement test in concealed works

WANG Nan，ZHOU Xin，GUO Daqi，LIU Dan，LI Haifeng

（State Grid Beijing Construction Consulting Company，Beijing 100164，China）

Abstract：Grouting reinforcement is the most commonly used method to address the instability of coal mining structures.However，coal mining projects are characterized by high concealment and complexity.To address the precision issue in grouting reinforcement in hidden engineering，a real-time monitoring dual liquid grouting reinforcement coal body model test is proposed.Firstly，a double liquid grouting model device was designed and manufactured.Taking tds-630 data acquisition instrument as the main equipment，the parameters of the test elements arranged on the device were monitored and analyzed.The results showed that the diffusion mode of slurry in the model was non-uniform diffusion.When grouting for 10 min，the maximum temperature value and maximum pressure value were 96.5 ℃ and 8.4 MPa respectively.When grouting for 15 min，the maximum stress value in the middle of the model was 95.8 MPa.

Key words：modified polyurethane；model test；double liquid grouting；Tds-630 data acquisition

受我國地质形貌的影响，在电力工程建设过程中，可能出现顶板变形等结构不稳的问题，给电力工程带来极大的安全隐患。注浆加固是解决电力工程结构不稳最常用的一种方法，传统注浆方法大部分建立在各种假设依据上，难以准确还原实际现场注浆工况，注浆结果往往不尽人意。寻找一种高效精准的注浆量计量方法是目前较为重要的研究课题。对此，国内部分学者也进行了很多研究，如设计了一种裂隙岩体室内模拟注浆加固试验系统，采用“边注边抽”的方法对注浆效果进行提升［1］。研究了注浆材料的加固效果和作用机制，结果证明了水泥材料在低法向应力水平下效果较为明显［2］。以上学者的研究为注浆加固技术提供了各方面的参考，但始终没有解决难以准确还原实际现场注浆工况的问题。基于此，研究设计并制作了双液注浆模型装置，通过双液注浆加固试验对现场注浆情况进行模拟，为注浆加固技术在隐蔽工程的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验主要材料：多苯酚多亚甲基多异氰酸酯（PAPI）（CP），广州远达新材料有限公司；乙酸（CP），山东闻韶化工有限公司；邻苯二甲酸二丁酯（DBP）（CP），济南普莱华化工有限公司；二甲基环己胺（CP），山东百耀化工有限公司。

本试验主要设备：TDS-630数据采集仪，广州欧美大地仪器设备有限公司；OZBQ24/10矿用气动双液注浆泵，中煤（烟台）智能制造科技有限公司。

1.2 注浆加固过程

注浆加固试验是在一定动力作用下，在被注体的孔隙裂缝中填充浆体，排出多余空气和水分，浆液在孔隙缝隙中固结，对被注体进行加固。注浆加固主要分为4个阶段，分别为充填、渗透、压密、劈裂［3］。

（1）对注浆材料施加压力，注浆材料进入被注体后，从注浆管附近朝周围和后方延续进行填充；

（2）被注体填充规律为先填充大裂缝，后填充小孔隙和裂缝。在填充裂缝时，需要对流动阻力进行克服，流量减少，待压力和流量相同，到达渗透阶段；

（3）浆液反应固结后有浆泡生成，受注浆压力的影响慢慢进行扩展，压力增加，压密被注体；

（4）当注浆压力达到一定值，被注体出现剪切裂缝，浆液随劈裂面到达被注体中，形成加固网络与骨架，进而对被注体进行有效加固。

1.3 试验准备

1.3.1 双液注浆材料的配制

（1）将1 g乙酸、120 g DBP和1 g N，N-二甲基環己胺混合均匀。然后加入350 g PAPI，搅拌均匀，反应一段时间，得到聚氨酯；

（2）将相同体积的聚氨酯和水玻璃混合搅拌均匀，得到聚氨酯/水玻璃双液注浆材料［4］。

1.3.2 模型设计的及装配

选择长为1 800 mm，直径为200 mm的薄壁圆筒为模型装置。在试验进行时，模型受注浆压力的作用可能会出现变形，在制作模型装置时需要提前计算模型壁厚。

模型壁厚（δ）表达式为［5］：

式中：S为安全系数；σ为模型抗拉强度；P为模型内部压力；为圆筒外径。

设定注浆压力为4 MPa，则安全系数为8。模型装置材料选择Q235钢，抗拉强度为400 MPa，通过计算得到模型壁厚为8 mm。

注浆过程中无法对模型内部情况进行了解，因此需要在模型内外表面布置测试元件，对注浆效果进行实时监测，测试设备和注浆设备参数［6］：TDS-630数据采集仪：应变测量分辨率为0.1×10-6;A/D转换器，测量数值为0.04 s／通道。OZBQ24/10矿用气动双液注浆泵：最大流量30 L/min，最大压力15 MPa，耗气量0.8 m3/min。

1.3.3 被注材料

本研究被注介质泥浆，为达到理想的试验结果，选择粒径约8 mm的煤进行装填，在装填的过程中，没300 mm的装填数量为6.9 kg，使装填密度和装填总质量分别为41.1 kg和0.75 g/cm3。按照水0.38∶水泥1∶砂1.11∶石子2.72的比例混合制作C30混凝土封端，确保注浆密封性和压力［7］。

1.4 模型试验步骤

（1）提前进行抽水测试，打开注浆泵空抽几秒，测试机器性能，避免杂质影响测试结果［8］。在2个装水桶中同时放入抽水管，并用手固定水管，以注浆泵特征曲线为依据对压力值进行调节，10 s后将注浆泵关闭，通过桶内余量确定抽水管抽浆比例是否为1∶1;

（2）抽水测试结束后，连接注浆泵出水管和注浆管，并用卡扣进行固定。在TDS-630测试通道上连接测点连接线，通过设置参数对模型内部情况进行实时监测;

（3）试验过程为，将浆阀门打开，在浆料桶中放入双管，打开TDS-630开始对数据进行采集。双液注浆泵开始工作后，水玻璃和聚氨酯以相同体积吸出，进入混合装置充分混合，注入至模型中。观察模型端部出浆龙头和弯管压力表变化，待浆液从出浆口流出，即刻将出浆口阀门关闭，待弯管压力表指针指向4 MPa时，即可停止注浆，拆除注浆泵并立刻清洗。模型在该时刻状态为密封加压，待模型内部温度降至室温，停止采集数据，并对数据进行整理，模型试验示意见图2。

2 结果与讨论

2.1 温度测试结果

用TDS-630对模型内外布置的热电偶、应变片、压力传感器等数据进行采集，并对结果进行分析。图1、图2分别表示左侧和右侧测点温度-时间曲线。结合图1、图2可知，在刚开始注浆的时候，测点温度快速增加至最高点，然后慢慢的降低，当注浆时间达到10 min，在环境温度为14.3    ℃的条件下，4号点位的温度达到最高点为96.5 ℃。达到聚氨酯和水玻璃的最高反应温度，说明在该时段聚氨酯和水玻璃已经完全混合了，混合后浆液与被注材料互相固结，形成一个整体，温度逐渐下降，直至到达温度恒值［9］。曲线证明了模型内部浆液固化正常。由图3可知，多数测点温度峰值为10 min，只有少部分测点温度峰值出现在其他时间点，且与注入端距离越大，温度更低，这证明浆液在模型内的扩散方法为非均匀扩散。

2.2 压力测试结果

压力传感器的测定值为压力值，在进行注浆试验之前需要提前标定传感器受力面积，对注浆压力进行计算并绘制成曲线图。图4为模型内部压力-时间曲线图，由图4可知，模型内部压力变化与温度变化规律相似度较高，以注浆10 min为分界线，10 min前内部压力持续上升，注浆时间达到10 min时，模型内部1号点位压力值约为8.4 MPa，然后压力慢慢降低，直至达到压力恒定值。由图5可知，注浆口压力值最大，模型内部和尾部的压力相对较小，且压力最大值出现的时间与温度最大值出现的时间相差不大，证明浆液在刚注入模型时反应最剧烈，在浆液反应的过程中，模型内部反应温度不稳定，较高温度对压力产生印象，因此曲线中间会发生一些改变。

2.3 应变测试结果

图6为模型内部应力-时间曲线图; 图7为应变片部分时间段测点应力。

通过图6对钢管内部压力峰值进行计算，结算结果为7.7 MPa，介于压力传感器测点测出的压力极值之间，证明与应变片测试结果与压力传感器测试结果差别不大。从图7可以看出，在注浆时间为15 min前，应力表现出急速上升的趋势，达到的峰值后开始缓慢下降，直至达到应变稳定值。这就证明模型内部，刚注浆时，浆液反应较为剧烈，温度升高，内部产生膨胀，对模型造成压力。同时，浆液反应会产生气体，气体也会增加模型内部压力，在两种压力共同作用下，内部压力达到一定值，装置表面有应力产生［10］。此时，在模型中部的2号点位产生最大应力值95.8 MPa，这是因为浆液在模型内部发生剧烈反应而发泡膨胀，在边界效应的作用下，浆液反应生成的气体有小部分朝模型中部流去，因此在模型中部出现应力峰值。

3 结语

本研究设计并制作了双液注浆模型装置，进行了双液注浆加固工程模型试验。通过TDS-630对模型上安装的测试元件数据进行采集，分析了模型内部温度、压力和应变等参数的变化。

（1）选择泥浆为被注材料，对现场注浆情况进行模拟，通过TDS-630数据采集仪对注浆参数进行记录，对注浆过程中模型内部变化进行实时监控。双液注浆模型装置实现了实际现场注浆状况的模拟；

（2）在注浆10 min时，模型内部4号点位的温度达到最高值96.5 ℃，然后温度开始慢慢降低。多数测点温度峰值在10 min时出现，小部分测点温度峰值在其他时间点出现，且接近模型尾部，温度越低，证明浆液的扩散模式为非均匀扩散；

（3）压力-时间曲线变化趋势接近于温度-时间曲线，在注浆时间为10 min时，1号点位压力达到最高值8.4 MPa，然后压力开始慢慢降低。压力最大值在注入端附近出現，且出现时间与温度最大值出现的时间基本一致，说明浆液在刚注入模型时反应最为剧烈；

（4）对模型表面应变值进行转换，转换压力值与压力传感器测试数值基本相符。当注浆时间达到15 min时，应力急速上升达到峰值后开始下降，这证明了在刚开始注浆时，内部浆液剧烈反应，反应产物增大了模型内部压力，使装置表面应力产生变化。在注浆15 min，模型中部位置的2号测点出现最大应力值95.8 MPa。

【参考文献】

［1］张培森，李腾辉，赵成业，等.裂隙岩体室内模拟注浆加固试验系统设计及应用［J］.煤炭工程，2021，53（10）：122-125.

［2］卢海峰，朱晨东，刘泉声.不同注浆材料作用下结构面剪切力学特性研究［J］.岩石力学与工程学报，2021，40（9）：1803-1811.

［3］潘锐，程桦，王雷，等.深部巷道锚注支护效果及组合式高强锚注控制技术研究［J］.采矿与安全工程学报，2020，37（3）：461-472.

［4］高阳，董威，曹甲甲，等.长距离小间距管廊施工对既有区间盾构隧道的影响［J］.隧道与地下工程灾害防治，2021，3（2）：77-85.

［5］查丽娟，马智永.考虑水泥-水玻璃双液浆黏度时空效应的隧道预注浆研究［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2021，53（4）：594-601.

［6］许昌毓，韩立军，田茂霖，等.耦合注浆加固机理及围岩力学参数位移反分析［J］.煤矿安全，2020，51（11）：155-160.

[7］蔡顺枝.隧道加固用聚氨酯复合注浆材料制备及性能试验分析[J].粘接，2023，50（3）：114-117.

［8］刘健美，梁粤华，易诗轩.富水复杂地层中竖井深基坑开挖导致土体沉降原因分析与处治［J］.施工技术，2020，49（16）：86-91.

［9］林元俊，韩立军.软岩巷道注浆扩散及松动圈加固数值模拟［J］.煤炭技术，2020，39（8）：16-19.

［10］秦鹏飞.地下工程注浆技术研究新进展［J］.现代隧道技术，2020，57（2）：55-60.

收稿日期：2022-08-10；修回日期：2023-04-15

作者简介：王 楠（1990-），男，工程师，硕士，研究方向：电力工程技术管理；E-mail：WangYangU66@126.com

引文格式：王 楠，周 鑫，郭达奇，等.改性复合注浆材料的制备及精准注浆加固测量试验[J].粘接，2023，50（6）：48-51.