复杂条件下油溶性聚氨酯堵漏剂发泡性能研究

油溶性聚氨酯作为一种高性能堵漏材料，已成为本公司抢险作业及隧道结构维保的标准物资。该材料在正常工况下表现出优异的性能：起发时间通常不超过 20 秒，凝固时间 ⩽60 秒，发泡体积膨胀率可达 20 倍以上，且具备 B2 级阻燃性能，离火即熄。其遇水膨胀凝固的特性，能通过聚合反应形成立体封闭式包围型结构固体，在突发性漏水、渗水及涌水涌砂等险情中，可最大程度缓解或抑制险情。

1. 问题的发现

在油溶性聚氨酯堵漏剂的长期应用实践中，其在常规环境下的优异性能已得到充分验证，但复杂工况下的性能波动逐渐引起关注。最初，抢险作业人员在冬季粉砂质土层抢险过程中，观察到聚氨酯浆液发泡缓慢、发泡倍率减小、反应不充分等，未发泡的浆液常随渗漏水一同流溢。正常情况下几分钟即可完成发泡的材料，在该类工况下有时甚至需要几十分钟才起始发泡，远超正常反应周期，严重制约应急抢险的时效性，通过对事故现场记录的分析，发现该类问题主要集中在冬季低温、粉砂质土层、高水压及高土压等复杂环境中，且未发泡浆液流失现象与水流速度存在一定关联。

2. 影响因素初探

为排查问题根源，初步推测低温降低反应活性导致发泡延迟；粉细砂颗粒阻隔聚氨酯与水接触；高水压及水流速度冲刷浆液中断反应。将低温、粉细砂颗粒、水压及水流速度列为影响因素。后续实验验证这些因素与发泡异常的关系，观察不同温度、颗粒含量、水压及水流速度下的发泡情况，明确影响程度。

3. 实验

3.1.实验材料

本实验所用核心材料为油溶性聚氨酯灌浆材料，由主剂和副剂组成，实验中按照主剂与副剂质量比 10:1 的比例进行配制。实验涉及的其他材料包括模拟粉砂质土层环境的砂（粒径特征符合现场典型粉细砂特性）以及水（模拟工程中的渗漏水环境）。

3.2.实验装置与参数设置

实验采用定制化模拟实验装置，主要由注浆系统、进水系统、出水系统、含砂注入系统及搅拌系统构成。装置参数设置如下：注浆口高度 10.8cm ，进水口高度 9.5cm ，出水口高度 19.0cm ；进砂速度调节为 2.7L/min ，对应每分钟进砂重量 4.08kg ；出水速度设置为 11.52L/min ，每分钟出水重量 11.34kg ，其中每分钟流出水含砂重量0.504kg ，流出每升水的含砂量 0.027L, 。

3.3.实验方案设计

为探究不同环境因素对油溶性聚氨酯发泡性能的影响，本实验采用控制变量法，在不同实验条件下开展对比实验，具体实验方案如下：

3.3.1.12 月 6 日实验（环境温度 ）：

实验 1（聚氨酯 + 水 + 砂）：模拟粉砂质土层环境，在注浆过程中同时注入水和砂，观察聚氨酯在该条件下的发泡情况。

实验 2（聚氨酯 + 水）：作为对照实验，仅注入聚氨酯和水，不加入砂，对比分析砂对发泡性能的影响。

3.3.2. 12 月 7 日实验（环境温度 21^∘C ）：

实验 3（聚氨酯 + 水 + 搅拌）：模拟水流扰动环境，在注浆过程中对混合体系进行搅拌，观察聚氨酯发泡效果。

实验 4（聚氨酯 + 水 + 搅拌）：增加注浆量和注浆时间，进一步探究持续搅拌对聚氨酯发泡性能的影响。

实验 5（聚氨酯 + 水 + 搅拌 + 出水口加过滤网）：在出水口设置过滤网，模拟工程中的封堵措施，观察其对聚氨酯发泡及堵水效果的改善作用。

3.4.实验过程及现象记录

12 月 6 日实验（环境温度 19^qC ）

实验 1（聚氨酯 + 水 + 砂）：注浆量 1100ml ，注浆时间 2min30s_⨀ 。

现象：注浆后 4min 观察，砂与发泡体界限清晰；中层发泡体含微量砂，下层砂 含量随深度递增。发泡体底部水位范围 12-18cm ，发泡倍率 ≈10

实验 2（聚氨酯 + 水对照）：注浆量 1100ml ，注浆时间 2min30s_o 。

现象：注浆 1min40s 后发泡体达桶顶，停止进水后发泡体下沉 2.5cm ，复水后回 升。近注浆口发泡体含水，远端不含水。水位范围 15-19cm ，发泡倍率 ≈10

对比结果：在相同注浆量、注浆时间和环境温度条件下，实验 1（聚氨酯 + 水 + 砂）与实验 2（聚氨酯 + 水）的发泡倍率均约为 10，发泡效果相当。因此在当前实验参数下，粉细砂颗粒对油溶性聚氨酯的发泡性能未产生明显的不利影响。

12 月 7 日实验（环境温度 21‰ ）

实验 3（聚氨酯 + 水 + 搅拌）：注浆量 1100ml ，注浆时间 2min25s，持续搅拌。现象：14：57（注浆 50s ）观察到桶中出现少量小块颗粒状物质，出水口流出白色混浊水，聚氨酯未发泡即流出。14：58 观察到流出的聚氨酯在地上呈浮沫状并持续发泡；15：00 桶中为零散小块颗粒状发泡体，地上流出的聚氨酯发泡效果差、强度低。

实验 4（聚氨酯 + 水 + 搅拌）：注浆量 3300ml ，注浆时间 7min46s ，持续搅拌。

现象：15：14 聚氨酯与水一同流出，水呈白色混浊；15：18 流出的聚氨酯发泡不完全，呈浮沫状，之前流出的在地上持续发泡但效果差、强度低；15：19 桶中有大量颗粒状发泡体；15：20 颗粒状发泡体逐渐变大；15：21 注浆结束并停止搅拌；15：22 桶内聚氨酯停止发泡，颗粒状发泡体成团状粘附在搅拌浆周围，硬化速度慢且强度不高。

实验 5（聚氨酯 + 水 + 搅拌 + 出水口加过滤网）：注浆量 2200ml ，注浆时间4min25s，出水口加装过滤网。

现象：15：44（注浆 1 分 30 秒），出水口过滤网上开始有聚氨酯发泡体黏结；15：44-15：46 过滤网上发泡体逐渐增大，出水口水流从持续水流变为持续快速水滴滴出；15：46-15：48 出水口水滴流速逐渐降低；15：50 卸下过滤网发现出水管中有聚氨酯发泡体，堵水效果达成。

对比结果：实验 3 和实验 4 在搅拌（模拟水流扰动）条件下，均出现聚氨酯未充分发泡即流出、发泡体呈颗粒状、发泡效果差且强度低的现象，且实验 4 因注浆量增加和搅拌时间延长，发泡不良现象更为明显。而实验 5 在增加过滤网（模拟封堵措施）后，有效减少了聚氨酯浆液的流失，过滤网上逐渐形成发泡体，最终实现了堵水效果。表明水流扰动（搅拌）是导致聚氨酯发泡性能下降的重要因素，而采取适当的封堵措施可改善发泡效果。

4. 结论

4.1.研究结果

经研究发现，冬季低温、粉细砂土、土压水压及水流速度等因素，在不同程度上都会对油溶性聚氨酯的正常发泡产生影响。其中，高强度的水压水流扰动在实际情况中对发泡效果的影响较为突出，而砂质含量的变化也可能在特定条件下带来发泡性能的明显改变。结合实验和分析来看，这些影响因素并非孤立存在，它们之间存在一定的相互作用，呈现出非线性的关系。在多种因素共同作用时，聚氨酯发泡缓慢、反应不充分的现象更为明显，仅靠控制单一因素难以有效改善整体发泡效果。

4.2.优化方案与可行性预想

针对温度影响，可探索加热注浆管路改善低温反应，提升发泡速度；同时微调配方适应温度。应对水流扰动，改进混合方式如预混合缩短发泡时间，减少浆液流失；采用封堵措施提升发泡效果。规范施工工艺，明确注浆量、压力等参数范围，提高稳定性和可靠性。

参考文献

[1]赵婧,史俊,王汝斌.油溶性聚氨酯堵剂改性及其性能评价[J].化学工程师, 2015, 29(010):61-64.DOI:10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20151061.

[2]刘 益 军 , 王 毅 , 赵 晖 , 等 . 聚 氨 酯 灌 浆 材 料 评 述 [J]. 粘 接 ,2005.DOI:CNKI:SUN:NIAN.0.2005-04-015.

[3]秦道川,杨振伟.油溶性单组分聚氨酯灌浆材料的生产与应用[J].中国建筑防水, 2006(8):3.DOI:10.3969/j.issn.1007-497X.2006.08.003.

[4]王 帅 , 陈 鹏 , 耿 佃 勇 , 等 . 油 溶 性 聚 氨 酯 灌 浆 液 的 制 备 方法:CN201310199726.8[P].CN103254403A[2025-08-05].