本科畢業(yè)論文定稿

1、材料科學(xué)與工程專業(yè)本科畢業(yè)論文新型煤巖注漿材料的制備及性能研究學(xué)生姓名：張 道 令學(xué) 號(hào)：310606010428指導(dǎo)教師：劉 小 星專 業(yè)：材料科學(xué)與工程年 級(jí)：材料 06 級(jí)學(xué) 校：河南理工大學(xué)河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）i摘 要注漿技術(shù)是巖土工程學(xué)的一個(gè)分支，屬于地基處理的范疇。隨著注漿技術(shù)的廣泛應(yīng)用，注漿材料也得到了較大的發(fā)展。開(kāi)發(fā)綜合性能指標(biāo)高及成本較低的綠色新型注漿材料是材料界和工程界研究開(kāi)發(fā)的共同課題，許多科研單位都對(duì)新型注漿材料進(jìn)行了研究并取得了一定成果，但涉及硅酸鹽/聚氨酯復(fù)合新型煤巖注漿加固材料的研究則比較少，對(duì)其研究深度還有待于深入。本文通過(guò)具體的配方試

2、驗(yàn)，對(duì)漿材的凝膠時(shí)間及固結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，掌握了不同配方下該漿材的凝膠時(shí)間及固結(jié)強(qiáng)度的影響因素，開(kāi)發(fā)了兼具堵水加固的聚氨酯類(lèi)注漿材料；文章還通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)得出：實(shí)際注漿工作中，應(yīng)注意對(duì)漿液溫度的控制，一方面要注意避免由于溫度過(guò)高使?jié){液反應(yīng)過(guò)快而產(chǎn)生“暴聚”現(xiàn)象；另一方面如環(huán)境溫度過(guò)低，則要采取相應(yīng)的升溫措施以便降低漿液的初始粘度、加快漿液的反應(yīng)速度，避免影響后續(xù)工期。關(guān)鍵詞：硅酸鹽；聚氨酯；注漿；凝膠時(shí)間；抗壓強(qiáng)度 河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）iiabstractinjection grout，which belongs to foundation treatment

3、，is a foliation of geotechnical engineering science now，we requires the material which has good capability than beforeit is our universal task to find the new grouting material numerous graduate schools have made some achievements on the new grouting materials，but it is little which targets the sili

4、cates and polyurethanewe should do some research about it in a deep leverthe main content and conclusions are as follow：the author have done some experiments to research the gelatin time about the serum and clarify the gelatin time in different conditions .author have made some futherly analysis abo

5、ut the factors which affect the gelatin time and the reasons why the adjustment of the gelatin time is 1imited. the author have done some experiments about the consolidation strength of the serumaccording to the date of experiments，the author can seize the consolidation strength in different mix and

6、 time，and present the relation between it and time at one timeaddition，the experiment and construction practice indicates the following conclusions. in practical grouting work，control of the temperature of the serosity is significanton the one hand，overheating hence the violent reaction should be av

7、oid，on the other hand，if the temperature is too low，the heating step including lowering the initial viscosity and increasing the reaction velocity should be take so as to avoid delaying the following time limit of the project keywords： silicate； polyurethane；injection； the gelatin time； compressive

8、strength 河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）目 錄摘 要.iabstract.ii第 1 章 前言.11.1 研究的目的及意義.11.2 化學(xué)注漿加固機(jī)理.21.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.31.4 注漿技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).41.5 本文的研究?jī)?nèi)容.6第 2 章 原材料及實(shí)驗(yàn)方法.72.1 原材料.72.1.1 固化劑.72.1.2 稀釋劑.92.1.3 催化劑.92.1.4 分散劑.112.2 實(shí)驗(yàn)方法 .122.2.1 粘度的測(cè)定.122.2.2 凝膠時(shí)間測(cè)定.132.2.3 聚氨酯固化產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度的測(cè)定.14第 3 章 灌漿材料工作性能研究.153.1 概述 .153.2 素注漿

9、材料工作性能研究 .163.3 分散劑對(duì)注漿材料工作性能影響研究 .173.4 甲醛尿素對(duì)注漿材料工作性能影響研究 .19河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3.5 甲醛三聚氰胺對(duì)注漿材料工作性能影響研究.203.6 羥甲基纖維素對(duì) 注漿材料工作性能影響研究 .223.7 稀釋劑對(duì)注漿材料工作性能影響研究 .23第 4 章 注漿材料力學(xué)性能研究.254.1 素注漿材料力學(xué)性能研究.254.2 分散劑對(duì)注漿材料力學(xué)性能影響研究 .264.3 甲醛尿素對(duì)注漿材料力學(xué)性能 影響研究 .304.4 甲醛三聚氰胺 對(duì)注漿材料力學(xué)性能 影響研究 .324.5 羥甲基纖維素 對(duì)注漿材料力學(xué)性能 影

10、響研究 .344.6 稀釋劑對(duì)注漿材料力學(xué)性能影響研究 .36第五章 結(jié)論及展望.395.1 結(jié)論 .395.2 展望 .40參考文獻(xiàn).41致 謝.44河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）1第 1 章 前言1.1 研究的目的及意義我國(guó)是目前世界上一次能源以煤為主的國(guó)家之一，煤炭在一次能源的生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中約占四分之三。近五年,國(guó)內(nèi)能源利用以煤為主，煤在一次能源消費(fèi)比重中所占七成以上的比例,實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值翻一番1。煤炭工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)繁榮基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)以煤炭作為主要能源的格局在今后 50 年內(nèi)不會(huì)有根本性的變化。2008 年全國(guó)煤炭產(chǎn)量近 30 億噸，是 2000 年產(chǎn)量的三倍

11、。如此大規(guī)模的開(kāi)采，需三個(gè)條件：安全（瓦斯、煤塵、水、火和頂板災(zāi)害） 、高效、綠色。隨煤礦開(kāi)采深度的增加，礦井圍巖控制問(wèn)題日益突出，頂板事故占 34.2%。在工作面，松軟圍巖采煤工作面頂板冒落造成工作面停產(chǎn)時(shí)間占總停產(chǎn)時(shí)間的 4060%；我國(guó)每年大約有 18%的綜采工作面因頂板控制狀態(tài)不理想而處在低產(chǎn)狀態(tài)。在巷道支護(hù)方面，煤礦井下巷道安全可靠的支護(hù)是確保礦井正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)24?，F(xiàn)普遍采用木垛處理、水泥漿等支護(hù)和加固松軟破碎圍巖，取得了一定成效，但存在效率低、可注性差等缺點(diǎn)；現(xiàn)有的支護(hù)和加固技術(shù)手段已難以滿足松軟破碎圍巖工作面生產(chǎn)需要。 上世紀(jì) 80 年代初國(guó)外出現(xiàn)了煤礦化學(xué)注漿加固技術(shù)，國(guó)內(nèi)從

12、上世紀(jì) 90 年代初也開(kāi)始了這方面的研究，出現(xiàn)了水玻璃、環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸鹽、聚氨酯、脲醛樹(shù)脂、丙凝、甲凝等漿材，其中主要以聚氨酯材料注漿為主，一定程度上緩解了煤礦開(kāi)采的安全問(wèn)題，然而這些材料普遍存在價(jià)格高、有毒、機(jī)械強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，成為煤礦安全開(kāi)采的瓶頸4-6。針對(duì)目前煤礦加固存在的問(wèn)題，本研究致力于開(kāi)發(fā)高性能環(huán)保型低成本煤巖加固注漿材料，尤其是目前普遍采用但又存在許多實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的聚氨酯注漿材料。通過(guò)改變傳統(tǒng)聚氨酯漿材的制備工藝及方法，并研究其注漿加固機(jī)理及材料性能，以獲得一種新型低成本、高阻燃及環(huán)保型的注漿材料。研究立足于中國(guó)煤礦開(kāi)采現(xiàn)狀，對(duì)于解決目前煤礦安全的實(shí)際問(wèn)題具有重要的研究意義。河

13、南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）21.2 化學(xué)注漿加固機(jī)理煤巖體化學(xué)加固技術(shù)從工藝上分，可分為壓注法和藥包法(木錨桿錨注法)兩種7-8。壓注法是用壓注泵將化學(xué)漿液注入到煤巖體中，將松散煤巖體加固成一個(gè)有機(jī)整體的方法。木錨桿藥包法足將樹(shù)脂的兩種組分分別裝入水炮泥袋，或用專用的藥包機(jī)制成藥包，間隔放入鉆孔，然后用手電鉆帶動(dòng)削尖的木錨桿將藥包攪破，使兩種組分混合反應(yīng)，并在發(fā)泡膨脹壓力作用下使部分化學(xué)漿液滲透到鉆孔周?chē)拿簬r體中去，起到加固作用。從煤巖體破壞機(jī)制和力學(xué)原理分析，化學(xué)漿對(duì)煤巖體的作用機(jī)理可歸納為：網(wǎng)絡(luò)骨架作用，粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)作用，充填壓密作用和轉(zhuǎn)變破壞機(jī)制共四種作用【9】。分述如下

14、：(1)網(wǎng)絡(luò)骨架作用在加固施工過(guò)程中，化學(xué)漿液在泵壓、自身膨脹壓力以及微裂隙毛細(xì)管作用下，擠壓或滲透到煤巖體的大小裂隙中去，反應(yīng)固結(jié)后，在煤巖體內(nèi)形成了新的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)注漿加固后的煤巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部充滿加固材料形成的漿脈。這些漿脈在煤巖體中呈薄厚不一的片狀或條狀，但均互相連通形成網(wǎng)狀骨架，網(wǎng)絡(luò)骨架內(nèi)是密實(shí)的煤巖體，形成骨架的加固材料具有良好的韌性、彈粘性和粘結(jié)性能。當(dāng)外載增加時(shí)，加固材料發(fā)生變形但不破壞，載荷主要由煤巖體來(lái)承擔(dān)1113。這樣整個(gè)煤巖體的破壞條件就由原來(lái)的裂隙弱面強(qiáng)度條件向接近煤巖體的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化。當(dāng)外載超過(guò)煤巖體的強(qiáng)度，煤巖體發(fā)生破壞和較大的變形時(shí)，加固材料網(wǎng)絡(luò)將以其良好的韌性和

15、粘結(jié)強(qiáng)度性能起到“骨架”作用，限制煤巖體破壞的擴(kuò)大。從而使煤巖體保持其整體性，并具有較高的殘余強(qiáng)度和承載能力14-17。(2)粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)作用注入煤巖體裂隙中的化學(xué)加固材料對(duì)裂隙面有很高的粘結(jié)力。煤巖體裂隙弱面上的內(nèi)聚力和抗拉強(qiáng)度幾乎為零，經(jīng)加固后，煤巖體的整體內(nèi)聚力和抗拉、抗剪強(qiáng)度大大提高。經(jīng)化學(xué)材料加固后，由于煤巖體弱面被牢固地粘結(jié)在一起，大大地提高了煤巖體和頂板的整體性18-21。它使原來(lái)層狀頂板離層后形成的多層梁或裂隙梁轉(zhuǎn)化為組合梁或整體梁，從而提高了直接頂?shù)目蛊茐哪芰ΑＵ辰Y(jié)補(bǔ)強(qiáng)作用對(duì)防止煤壁片幫的效果更明顯。加固材料可將煤壁前方己處于塑性河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）3狀

16、態(tài)的破碎煤巖體粘結(jié)在一起，并可適應(yīng)較大的頂板下沉而保持其仍具有較好粘結(jié)力，使煤壁處的煤巖體能夠保持完整并有一定的承載能力20-22。(3)充填壓密作用化學(xué)漿液在泵壓和自身反應(yīng)形成的膨脹壓力的作用下，不但可以將互相連通的煤巖體裂隙充滿，同時(shí)，由于開(kāi)發(fā)研制的脲醛加固材料粘度極低，在壓力的作用下，還可將一些充填不到的封閉裂隙和孔隙壓縮，從而對(duì)煤巖體整體起充填壓密作用23-25。這種作用的結(jié)果是使煤巖體的彈性模量提高，強(qiáng)度也相應(yīng)提高。(4)轉(zhuǎn)變破壞機(jī)制作用由斷裂力學(xué)理論知，連續(xù)介質(zhì)內(nèi)有裂隙時(shí)，在承載過(guò)程中會(huì)形成強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，而最大的應(yīng)力集中在裂隙的端部，應(yīng)力集中的程度(系數(shù))k 取決于裂隙端部半徑

17、、裂隙長(zhǎng)度 c 及與巖體尺寸 w 之比，介質(zhì)產(chǎn)生破壞就是在一定的應(yīng)力條件下裂隙出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展的結(jié)果26。經(jīng)過(guò)加固后，裂隙內(nèi)充滿加固材料且有一定的膨脹壓力，加上材料對(duì)裂隙面的粘結(jié)作用，會(huì)使裂隙端部的應(yīng)力集中大大削弱或消失，從而使煤巖體的破壞機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變27-29。例如，由原來(lái)的裂隙擴(kuò)展破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樵谧畲蠹魬?yīng)力作用面上的剪切破壞或是在垂直最小主應(yīng)力方向上發(fā)生拉伸破壞等。另外，在煤壁和回采巷道附近煤巖體的破碎是由于處于二向應(yīng)力狀態(tài)(裂隙面法向應(yīng)力為零)，而當(dāng)裂隙內(nèi)充滿加固材料后，將變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)。在受壓的情況下，煤巖體在三向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度極限將比在雙向或單向時(shí)顯著增大，并且脆性減弱，塑性增強(qiáng)30-3

18、1。因此化學(xué)注漿加固也起到了轉(zhuǎn)變破壞機(jī)制和增強(qiáng)煤巖體強(qiáng)度的作用。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，煤礦用到的注漿加固材料32-37有固體灌漿材料和化學(xué)灌漿材料兩大類(lèi)，它們都可以在壓力作用下注入地層、巖石或構(gòu)筑物的縫隙、孔洞中,起到增加承載能力、防止?jié)B漏及提高構(gòu)筑物整體性能等作用。固體灌漿材料是由固體顆粒和水組成的懸浮液,種類(lèi)有黏土漿、水泥漿、水泥黏土漿、水泥粉煤灰河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）4漿等,它的特點(diǎn)是取材方便、造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單,有較好的防滲或固結(jié)能力,但所填縫隙寬度受固體顆粒大小的限制。化學(xué)灌漿材料是由化學(xué)藥劑制成的流動(dòng)性好的液體,它的優(yōu)點(diǎn)是黏度低、可注性好,能注入巖層中的

19、細(xì)小裂隙或孔隙,且擴(kuò)散充填良好,漿液初凝和固化時(shí)間具有較大的調(diào)節(jié)幅度;缺點(diǎn)是結(jié)石體強(qiáng)度較低、對(duì)周?chē)h(huán)境和地下水源有一定的污染,價(jià)格較貴。因此,在以加固為目的的工程中一般較少采用化學(xué)漿材。當(dāng)工作面已出現(xiàn)冒頂時(shí),首要問(wèn)題是確保工作面安全推進(jìn)至終采線。但固體注漿材料的初凝時(shí)間較長(zhǎng),尤其是漿液粒度較大、可注性差,對(duì)于工作面前方繼續(xù)推進(jìn)防冒頂工作優(yōu)勢(shì)不大,所以選用化學(xué)注漿液進(jìn)行注漿加固。煤巖體化學(xué)注漿加固【43-45】是利用化學(xué)漿液來(lái)充填和加固圍巖(煤層)裂隙,提高煤巖體強(qiáng)度,提高煤巖體自身承載能力,保持圍巖穩(wěn)定,并參與圍巖內(nèi)的應(yīng)力平衡。漿液經(jīng)擠壓滲透到煤巖體縱橫交錯(cuò)的裂隙中固結(jié),形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu),增大

20、煤巖體自身承載能力;另一方面,雖然形成的網(wǎng)絡(luò)骨架的高分子化學(xué)材料抗壓強(qiáng)度不一定比圍巖高,但此固結(jié)體具有良好的韌性和黏結(jié)性,煤巖體固化后,巷道周邊的固化圈已形成較為穩(wěn)固的柔性結(jié)合體,具有較好的穩(wěn)定性,施工時(shí)不會(huì)立即垮落,給頂板支護(hù)贏得了時(shí)間,從而通過(guò)后期支護(hù)手段的應(yīng)用,避免破碎頂板發(fā)生冒頂事故。同時(shí),由于固結(jié)體具有良好的韌性,當(dāng)外部載荷增加時(shí),固化材料發(fā)生變形但不破壞,載荷主要由強(qiáng)度較高的煤巖體承擔(dān),這樣圍巖的破壞條件由原來(lái)的裂隙弱面強(qiáng)度條件向接近巖體強(qiáng)度條件轉(zhuǎn)化。當(dāng)外部載荷超過(guò)圍巖強(qiáng)度而發(fā)生較大變形時(shí),固結(jié)材料的網(wǎng)絡(luò)以其良好的韌性和黏結(jié)強(qiáng)度起到骨架作用,提高圍巖的強(qiáng)度,限制其破壞的擴(kuò)展,從而改

21、善圍巖的力學(xué)狀況?；瘜W(xué)漿液由于其優(yōu)異的性能及特點(diǎn)，已在煤礦安全、水利水電工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用46-481.4 注漿技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)注漿技術(shù)今后的發(fā)展，仍然沿著科學(xué)的發(fā)展觀、以人為本、注漿與工程、注漿與環(huán)境、注漿與人文和諧相處、可持續(xù)發(fā)展的道路走下去。尤其是自主創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)與研制一批具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)、具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的注漿核心技術(shù)，仍然是未來(lái)的立足點(diǎn)和奮斗目標(biāo)。河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）5(1)首先是加強(qiáng)注漿理論的研究雖然注漿技術(shù)己在我國(guó)土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但由于受注介質(zhì)條件的復(fù)雜性及注漿工程的陷蔽性，模擬研究比較困難，因此注漿理論的研究還比較落后，不能滿足注漿實(shí)踐的要求

22、，應(yīng)在以下方面加強(qiáng)研究【49-51】：a巖體結(jié)構(gòu)理論的完善。巖體的裂隙是天然條件下形成的不規(guī)則的破裂面，其不規(guī)則特征強(qiáng)烈地影響漿液的滲流過(guò)程，而裂隙的分布、表面特征具有隨機(jī)性，服從一定的隨機(jī)分布規(guī)律。b注漿漿液的非牛頓流體特性的研究現(xiàn)在大多數(shù)裂隙注漿理論都是建立在牛頓流體穩(wěn)定滲流的基礎(chǔ)上，而真實(shí)裂隙巖體的注漿過(guò)程具有明顯的非穩(wěn)定特性和非牛頓流體特性50-53。c注漿加固體強(qiáng)度理論的研究。目前，國(guó)內(nèi)外在注漿加固體強(qiáng)度方面的研究只得到了一些定性的結(jié)果，但還沒(méi)有上升到理論的高度，因此，很難應(yīng)用于實(shí)踐。 (2)第二是注漿新材料的研發(fā)傳統(tǒng)的水泥類(lèi)顆粒材料由于粒度大，可灌性低，難以滿足各種地層類(lèi)型的不同要

23、求；傳統(tǒng)的水玻璃類(lèi)灌漿材料固結(jié)強(qiáng)度低，耐久性差，且生成的凝膠產(chǎn)物對(duì)環(huán)境有一定的污染；另外，目前使用的高分子化學(xué)漿材施工成本較高，在經(jīng)濟(jì)性及耐久性方面使其難以大量使用，且都有一定程度的毒性，易污染環(huán)境并危及人類(lèi)的身體健康。鄭守仁院士指出：灌漿材料的環(huán)保問(wèn)題、耐久性問(wèn)題以及不適應(yīng)于不同環(huán)境而開(kāi)發(fā)新品種材料是今后灌漿材料研究的方向【53】。因此尋求滲透性強(qiáng)、可注性好、無(wú)污染、固結(jié)體強(qiáng)度較高、凝膠時(shí)間易于控制、成本較低和施工方便等綜合性能指標(biāo)較高而成本較低的新型灌漿材料是今后材料學(xué)界和工程界研究開(kāi)發(fā)的共同課題。(3)第三是注漿方法的創(chuàng)新今后我們不但要對(duì)雙層管雙塞方法、雙重鉆桿過(guò)濾管法等優(yōu)點(diǎn)顯著，但工藝

24、復(fù)雜的方法進(jìn)行有效推廣以外，還要針對(duì)一些特殊、復(fù)雜的地層進(jìn)行方法的創(chuàng)新。(4)第四是注漿設(shè)備的研發(fā)，重點(diǎn)是專用注漿泵的系列化、環(huán)保型、輕變化；注漿設(shè)備的密閉化、成套化、自動(dòng)化；拌漿制漿設(shè)備的自動(dòng)化、系列化；注漿河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）6的自動(dòng)記錄和監(jiān)測(cè)反饋控制系統(tǒng)的研發(fā)。1.5 本文的研究?jī)?nèi)容（1）本文對(duì)硅酸鹽聚氨酯化學(xué)漿材的制備及其改性研究與應(yīng)用做了以下幾個(gè)方面的試驗(yàn)研究： a結(jié)合參考文獻(xiàn)、資料以及試驗(yàn)資料，通過(guò)交叉和平行試驗(yàn)，研究不同配比下漿材凝膠時(shí)間的規(guī)律；b用化學(xué)手段進(jìn)行試驗(yàn)分析，深入研究該漿材的凝膠機(jī)理，探討影響漿材凝膠時(shí)間的主要因素；c對(duì)該漿材固結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)

25、研究，探索影響其強(qiáng)度的因素，結(jié)合對(duì)其凝膠時(shí)間的掌控，找到適合實(shí)際施工的最優(yōu)配比。（2）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，探討各參數(shù)之間的關(guān)系。（3）根據(jù)該漿材的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出相應(yīng)的注漿工藝，用以指導(dǎo)實(shí)際注漿工程。河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）7第 2 章 原材料及實(shí)驗(yàn)方法2.1 原材料2.1.1 固化劑固化劑本實(shí)驗(yàn)所用的固化劑主要有三種，即硅酸鹽、聚醚多元醇和異氰酸酯，另外還有交聯(lián)劑、甲醛、尿素、三聚氰胺等。（1）硅酸鹽為一種透明的玻璃狀熔合物，呈綠色、黃色或介于這兩種顏色之間的各種色澤，其化學(xué)組成由下式表示：r2onsi02。硅酸鹽的水溶液則用下式表示：r20nsi02+mh20。式中

26、 r20 系指堿金屬氧化物 na20 或 k20這個(gè)分子式表示一個(gè)分子的堿金屬氧化物和 n 個(gè)分子的二氧化硅化合。為了方便，通常把硅酸鹽組成中二氧化硅和氧化鈉(或氯化鉀)的分子數(shù)的比稱為模數(shù)(或矽率)，對(duì)于鈉系硅酸鹽的兩個(gè)重要參數(shù)模數(shù)和波美度，通常硅酸鹽的模數(shù)從 1到 4。模數(shù)為 0.5 的硅酸鹽(相當(dāng)于原硅酸鈉)沒(méi)有實(shí)用價(jià)值） 。模數(shù)為 1 的硅酸鹽一般也只在特殊場(chǎng)合使用。而實(shí)用價(jià)值最大的水玻璃為 m2.03.5 者。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的硅酸鹽的模數(shù)在 2433 之間。國(guó)產(chǎn)硅酸鹽的質(zhì)量指標(biāo)如表 2-1所示：表 2-1 國(guó)產(chǎn)硅酸鹽的質(zhì)量指標(biāo)品種na2o：3.3 sio2（m=3.3）na2o：2.4si

27、o2（m=2.4）指標(biāo)名稱400be400be510be比重1.3761.3861.3761.3861.5301.550na2o%8.529.0910.1410.9413.1014.20sio2%27.2029.1023.6025.5030.3033.10分子比1:3.30.11:2.40.11:2.40.1河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）8feo(%)小于0.060.060.08水不溶物0.70.70.9本實(shí)驗(yàn)中所用到的硅酸鹽由河北興達(dá)化工廠生產(chǎn)，模數(shù)為 2.2-2.5，波美度為 48。（2）聚醚多元醇（簡(jiǎn)稱聚醚）是由起始劑（含活性氫基團(tuán)的化物）與環(huán)氧乙烷（聚醚 eo） 、環(huán)氧

28、丙烷（po） 、環(huán)氧丁烷（bo）等在催化劑存在下經(jīng)加聚反應(yīng)制得。聚醚產(chǎn)量最大者為以甘油（丙三醇）作起始劑和環(huán)氧化物（一般是 po 與 eo 并用） ，通過(guò)改變 po 和 eo 的加料方式（混合加或分開(kāi)加） 、加量比、加料次序等條件，生產(chǎn)出各種通用的聚醚多元醇。 聚醚（聚醚多元醇）是環(huán)氧丙烷的重要衍生產(chǎn)品，是合成聚氨酯的主要原料之一。 硬質(zhì)泡沫用的 yc 系列聚醚為透明粘性液體，性質(zhì)較為穩(wěn)定，略有特殊氣味無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，溶于水，與胺、一氟三氯甲烷及絕大多數(shù)有機(jī)物相溶性好。聚醚為非易燃易爆物品。彈性體、涂料、粘合劑用的 yc 系列聚醚為無(wú)色或淡黃色粘性透明液體，性質(zhì)較為穩(wěn)定，略有特殊氣味無(wú)毒，無(wú)腐

29、蝕性，與絕大多數(shù)有機(jī)物相溶性好，為非易燃易爆物品。硬質(zhì)泡沫用及彈性體、涂料、粘合劑用的 yc 系列聚醚采用 55 加侖標(biāo)準(zhǔn)鐵桶密封包裝。聚醚儲(chǔ)存于陰涼干燥通風(fēng)處。防止雨淋、日曬；運(yùn)輸時(shí)要防止雨淋、曝曬及碰撞。本文所用的聚醚多元醇（羥值 230-350）是以一種甘油為起始劑，環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷為聚合單體，由上海金貿(mào)泰化工有限公司生產(chǎn)，它含有較高伯羥基活性成份，環(huán)氧乙烷封端，分子量達(dá)到 4800 的通用聚醚多元醇。（3）二苯基甲烷二異氰酸酯又稱為 mdi，在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見(jiàn)，例如建筑外墻的保溫層、汽車(chē)的儀表盤(pán)和飛機(jī)機(jī)艙的座椅，都是以 mdi 為主要原料的，用途非常廣泛。純 mdi 在常溫下為

30、白色或微黃色固體，加熱時(shí)有刺激性臭味，熔點(diǎn)38，沸點(diǎn) 194199/5mmhg，密度：1.19，分子式：c15h10n2o2；分子量：250 。實(shí)驗(yàn)中所用產(chǎn)品由煙臺(tái)萬(wàn)華生產(chǎn)，含有異氰酸酯基（-n=c=o） ，它可以與羥基起反應(yīng)而固化，是生產(chǎn)聚氨酯的主要原料。異氰酸酯可與水直接反應(yīng)，并河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）9產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，使聚氨酯樹(shù)脂在凝膠固化過(guò)程中體系膨脹，但同時(shí)產(chǎn)生大量脲鍵化合物，其鏈段為剛性。隨脲鍵鏈段的增多樹(shù)脂柔韌性下降，異氰酸酯直接與水反應(yīng)的產(chǎn)物表現(xiàn)為脆性，呈現(xiàn)為“酥”或“糟”的泡沫體。因此，一步法成型的雙組份聚氨酯加固材料，是使異氰酸酯主要與醇類(lèi)羥基化合物

31、反應(yīng)，生成氨基甲酸酯，提高樹(shù)脂韌性。在含水量較大的破碎體加固工程中，雙組份聚氨酯化學(xué)注漿加固材料的應(yīng)用受到限制。（4）另外本實(shí)驗(yàn)中還用到交聯(lián)劑、甲醛、尿素及三聚氰胺作固化劑，均為工業(yè)級(jí)。他們的加入可以在反應(yīng)的過(guò)程中起到一定的交聯(lián)作用，在一定程度上提高固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度及韌性，對(duì)聚氨酯注漿材料的注漿加固效果有一定的改善作用。尿素和三聚氰均可胺與甲醛反應(yīng)生成加聚物。一個(gè)尿素分子能很快地與兩分子甲醛生成二羥甲基脲。一個(gè)三聚氰胺分子可以與多到六個(gè)甲醛分子加成生成六羥甲基三聚氰胺。這些經(jīng)羥甲基化的分子能在酸性催化劑存在下進(jìn)一步縮合成亞甲基和亞甲基醚鍵。如縮合反應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)就會(huì)生成不熔的聚合物網(wǎng)絡(luò)。用控制 p

32、h 值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)物比例、氨基單體和聚合度的辦法，可以制得各種各樣的樹(shù)脂。2.1.2 稀釋劑稀釋劑通常情況下用到的稀釋劑為丙酮和二甲苯，但揮發(fā)性較強(qiáng)且有毒。本研究擬采用高沸點(diǎn)混合酯類(lèi)做灌漿液稀釋劑。其成分主要由多元酸酯組成，具有溶解力強(qiáng)、良好的流平性、強(qiáng)附著力、沸點(diǎn)高、低毒、低味，穩(wěn)定性好、成本低、能生物降解的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于油漆、涂料、油墨工業(yè)及其它領(lǐng)域中。 2.1.3 催化劑催化劑催化劑能控制灌漿材料的凝膠時(shí)間，并能影響漿液固結(jié)體的物理化學(xué)和力學(xué)性能，聚氨酯工業(yè)中常用叔胺類(lèi)和有機(jī)錫類(lèi)兩大系列催化劑。叔胺類(lèi)催化劑的催化機(jī)理如下：在 r-n=c=o 中，氧原子上電子云密度最高，氮原子

33、次之，碳原子上電子云密度最低，所以，異腈酸酯可視為親電試劑，它易受到親核試河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）10劑的攻擊。叔胺分子中氮原子上電子云密度很高，是親核試劑。當(dāng)兩者相遇時(shí)叔胺會(huì)攻擊異腈酸酯，形成一個(gè)絡(luò)合物。該絡(luò)合物再與含活潑氫的化合物（醇，水）反應(yīng)時(shí)，所需的活化能就比單純的異腈酸酯與含活潑氫化合物直接反應(yīng)所需的活化能低的多，從而起到催化作用。催化劑的種類(lèi)很多，有二月桂酸二丁基錫（簡(jiǎn)稱為二月桂） 、三乙烯二胺、辛酸亞錫、三乙醇胺、三乙烯二胺+辛酸亞錫（1：1） 、三乙胺+辛酸亞錫（1：1） 、三乙胺等。為了考察不同的催化劑對(duì)凝膠時(shí)間的影響，在溫度為 25時(shí)，將主劑與不同催化

34、劑混合均勻， （催化劑用量為主劑重量的 1） 。倒入水中，記錄凝膠時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)下表 2-2：表 2-2 催化劑種類(lèi)對(duì)凝膠時(shí)間的影響催化劑種類(lèi)預(yù)聚體的凝膠時(shí)間發(fā)泡率（倍）無(wú)48 分 30 秒0二月桂39 分 50 秒1三乙烯二胺4 分 39 秒8辛酸亞錫40 分 18 秒1三乙醇胺23 分 11 秒3三乙烯二胺+辛酸亞錫（1：1）8 分 14 秒5三乙胺+辛酸亞錫（1：1）10 分 30 秒4三乙胺5 分 18 秒7從表中可以看出辛酸亞錫和二月桂對(duì)凝膠過(guò)程的催化作用較小，叔胺類(lèi)催化效果大，其中三乙烯二胺效果最好，三乙醇胺的催化作用相對(duì)較弱。另外，從表中還可以看出，隨著催化劑活性的增高，固結(jié)體發(fā)泡

35、率逐漸增大。這是因?yàn)榫郯滨ス袒w系中，存在著水和凝膠過(guò)程中生成的nh2，以及氨基甲酸酯等基團(tuán)對(duì)nco 基團(tuán)的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，催化劑對(duì) h2o 與nco 基團(tuán)反應(yīng)的催化活性越高，h2o 與nco 反應(yīng)的速度快，反應(yīng)放出的 co2就越多，發(fā)泡率就增加。綜合考慮各方面因素，視情況選擇二月桂、三乙醇胺、三乙胺中的一種或兩種復(fù)合來(lái)作為催化劑。河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）112.1.4 分散劑分散劑分散劑是一種在分子內(nèi)同時(shí)具有親油性和親水性兩種相反性質(zhì)的界面活性劑?？删环稚⒛切╇y于溶解于液體的無(wú)機(jī)、有機(jī)的固體顆粒，同時(shí)也能防止固體顆粒的沉降和凝聚，形成安定懸浮液所需的藥劑。 分散劑一般分為無(wú)

36、機(jī)分散劑和有機(jī)分散劑兩大類(lèi)。常用的無(wú)機(jī)分散劑有硅酸鹽類(lèi)(例如水玻璃)和堿金屬磷酸鹽類(lèi) (例如三聚磷酸鈉 、六偏磷酸鈉 和焦磷酸鈉等)。有機(jī)分散劑包括三乙基己基磷酸、 十二烷基硫酸鈉 、甲基戊醇、纖維素衍生物 、聚丙烯酰胺、古爾膠、脂肪酸聚乙二醇酯等。 本實(shí)驗(yàn)所用分散劑為博誠(chéng)化工生產(chǎn)的分散劑。分散劑的選擇原則：（1）分散性能好，防止填料粒子之間相互聚集； （2）與樹(shù)脂、填料有適當(dāng)?shù)南嗳菪?；熱穩(wěn)定性良好； （3）成型加工時(shí)的流動(dòng)性好； 不引起顏色飄移； （4）不影響制品的性能； 無(wú)毒、價(jià)廉；（5）分散劑的用量一般為母料質(zhì)量的 5。分散劑機(jī)理：（1）吸附于固體顆粒的表面，使凝聚的固體顆粒表面易于濕潤(rùn)

37、； （2）高分子型的分散劑，在固體顆粒的表面形成吸附層 ,使固體顆粒表面的電荷增加，提高形成立體阻礙的顆粒間的反作用力；（3）使固體粒子表面形成雙分子層結(jié)構(gòu) ,外層分散劑極性端與水有較強(qiáng)親合力 ，增加了固體粒子被水潤(rùn)濕的程度 .固體顆粒之間因靜電斥力而遠(yuǎn)離 ；（4）使體系均勻，懸浮性能增加，不沉淀，使整個(gè)體系物化性質(zhì)一樣。以上所述,使用分散劑能安定地分散液體中的固體顆粒。分散劑作用： 能提高和改善固體或液體物料分散性能的 助劑。固體染料研磨時(shí)，加入分散劑，有助于 顆粒粉碎并阻止已碎顆粒 凝聚而保持分散體穩(wěn)定。不溶于水的油性液體在高剪切力攪拌下，可分散成很小的液珠，停攪拌后，在界面張力的作用下很

38、快分層，而加入分散劑后 攪拌，則能形成穩(wěn)定的乳濁液。其主要作用是降低液 -液和固-液間的界面張力。因而分散劑也是表面活性劑 。 河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）122.2 實(shí)驗(yàn)方法2.2.12.2.1 粘度的測(cè)定粘度的測(cè)定 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用膠粘劑粘度的測(cè)定gbt 2797-1995【51】標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試原理為：將己知恒速的轉(zhuǎn)子浸入到被測(cè)的試樣樣品中，所產(chǎn)生的阻力通過(guò)與轉(zhuǎn)子相連的指針在一個(gè)刻度盤(pán)上表示出來(lái)，即圓盤(pán)上的刻度盤(pán)指針?biāo)甘境鏊恼扯然蛩恼扯鹊谋稊?shù)。儀器設(shè)備如下：ndj1 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，測(cè)量誤差小于士 5；超級(jí)恒溫水溶，溫度波動(dòng)范圍小于士 0.1；溫度計(jì)，分度為 0.1；秒表，精度

39、為 0.2s；容器，直徑為 67cm，高度不低于 11cm。 注意事項(xiàng)：視試樣粘度大小，選用適宜的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)速，使讀數(shù)在刻度盤(pán)的2080的范圍內(nèi)。將轉(zhuǎn)子垂直浸入試樣中心，使液面至轉(zhuǎn)子的位標(biāo)線。將待測(cè)試容器中的試樣及轉(zhuǎn)子恒溫(25 士 05)，并保持試樣溫度均勻。開(kāi)動(dòng)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，讀出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)指針在圓盤(pán)上不變時(shí)的讀數(shù)，對(duì)每個(gè)試樣測(cè)試 2 次。 測(cè)試方法： （1） 將被測(cè)液體置于直徑不小于 70mm 的燒杯或直筒形容器中，準(zhǔn)確地控制被測(cè)液體溫度。 （2） 將保護(hù)架裝在儀器上（向右旋入裝上；向左旋出卸下） 。 （3）將選配好的轉(zhuǎn)子旋入連接螺桿（向左旋入裝上；向右旋出卸下） 。 （4） 旋轉(zhuǎn)升降旋鈕使儀

40、器緩緩下降，轉(zhuǎn)子逐漸浸入被測(cè)液體中，直到轉(zhuǎn)子液面標(biāo)志和液面相平為止（調(diào)正儀器水平） 。開(kāi)啟電機(jī)開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)變速旋鈕，使所需轉(zhuǎn)速數(shù)向上，對(duì)準(zhǔn)速度指示點(diǎn)，使轉(zhuǎn)子在液體中旋轉(zhuǎn)（一般2030 秒） ，待指針趨于穩(wěn)定（或按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)） ，按下指針控制桿使計(jì)數(shù)固定下來(lái)，再關(guān)閉電機(jī)，使指針停在讀數(shù)窗內(nèi)，讀取讀數(shù)。 試驗(yàn)裝置見(jiàn)下圖：河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）132.2.22.2.2 凝膠時(shí)間測(cè)定凝膠時(shí)間測(cè)定儀器設(shè)備采用 ndj1 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。測(cè)試方法：（1）可操作時(shí)間的測(cè)試將剛配制好的漿液恒定在 25(注：測(cè)試溫度對(duì)漿液可操作時(shí)間的影響時(shí)，漿液則恒定在對(duì)應(yīng)的溫度條件下)，記下拌合均勻的

41、時(shí)間 to，用 ndj1 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)每隔 0.5h 測(cè)定一次漿液粘度，記錄漿液粘度超過(guò) 300mpas 的時(shí)間 tt，,tl-to即為漿液的可操作時(shí)間。（2）初凝時(shí)間的測(cè)試將剛配制好的漿液恒定在 25 (注：測(cè)試溫度對(duì)漿液可操作時(shí)間和初凝時(shí)間的影響時(shí)，漿液則恒定在對(duì)應(yīng)的溫度條件下)，并記錄漿液剛配制好的時(shí)間to，用 ndj-1 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)每隔 1h 測(cè)定一次漿液粘度，記錄漿液粘度超過(guò)60000mpas 的時(shí)間 tz，tz-to即為漿液的初凝時(shí)間。河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）142.2.32.2.3 聚氨酯固化產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度的測(cè)定聚氨酯固化產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度的測(cè)定 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參用標(biāo)準(zhǔn)水工

42、混凝土試驗(yàn)規(guī)程dlt 51502001 。儀器設(shè)備有液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；試件的預(yù)計(jì)破壞荷載宜在試驗(yàn)機(jī)全量程的2080；試模邊長(zhǎng)為 40mm 的立方體金屬試模 測(cè)試方法包括：抗壓試塊制備：將配制好的漿液倒入試模內(nèi)成型，室溫固化 4h；實(shí)驗(yàn)拆模后將試塊放在實(shí)驗(yàn)機(jī)下壓板正中間，以 0.3mpa/s0.5mpa/s 的速度連續(xù)而均勻地加載，當(dāng)試件接近破壞而開(kāi)始迅速變形時(shí)，停止調(diào)整油門(mén)，直至試件被破壞，記錄破壞時(shí)的荷載。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中抗壓強(qiáng)度按式 f=p/a 計(jì)算，式中：f抗壓強(qiáng)度，mpa；p破壞載荷，n；a立方體試件受壓面積，mm2；每三個(gè)試件為一組，取平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。河南理工大學(xué)

43、2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）15第第 3 章章 注漿材料工作性能研究注漿材料工作性能研究3.1 概述目前，很多煤礦生產(chǎn)受到限制。在工作面，松軟圍巖采煤工作面頂板冒落造成工作面停產(chǎn)時(shí)間占總停產(chǎn)時(shí)間的 4060%；我國(guó)每年大約有 18%的綜采工作面因頂板控制狀態(tài)不理想而處在低產(chǎn)狀態(tài)。在巷道支護(hù)方面，煤礦井下巷道安全可靠的支護(hù)是確保礦井正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的支護(hù)和加固技術(shù)手段已難以滿足松軟破碎圍巖工作面生產(chǎn)需要。所以，配制良好的化學(xué)灌漿材料就勢(shì)在必行，這種灌漿材料不但可灌性要好，初凝時(shí)間也不宜太長(zhǎng)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易影響漿液的固化以及固結(jié)體的力學(xué)指標(biāo)；還有，漿液固結(jié)體同煤層粘結(jié)強(qiáng)度要足夠高，漿液固結(jié)體

44、的抗壓強(qiáng)度必須滿足要求。由于聚氨酯灌漿材料的初始粘度、初凝時(shí)間、漿液固結(jié)體與煤層粘結(jié)強(qiáng)度以及漿液固結(jié)體本體的抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)比較適合上述的要求，因此選用聚氨酯作為灌漿材料，并通過(guò)配方試驗(yàn)進(jìn)行改性研究。聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡(jiǎn)稱，英文名稱是 polyurethane，它是一種高分子材料。聚氨酯是一種新興的有機(jī)高分子材料，被譽(yù)為“第五大塑料”，因其卓越的性能而被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域。產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域涉及輕工、化工、電子、紡織、醫(yī)療、建筑、建材、汽車(chē)、國(guó)防、航天、航空 但由于其成本較高，普及程度受到一定限制，為此可以考慮加入無(wú)機(jī)成分硅酸鹽來(lái)降低成本，但這樣以來(lái)又會(huì)降低其強(qiáng)度，為此可加入一些固

45、化劑，增強(qiáng)其固化強(qiáng)度；由于聚氨酯和固化劑混合后的粘度較高， ，而實(shí)際灌漿修補(bǔ)工程中裂縫或空隙往往很小，這樣漿液的可灌性就受到限制，往漿液中添加一定量的稀釋劑也就成為必要，但過(guò)多的稀釋劑有可能使得漿液固結(jié)體力學(xué)指標(biāo)下降，因此，稀釋劑的摻量也要控制在一定的范圍，不能過(guò)多；此外，聚氨酯灌漿材料在某些配比下固化速度可能較慢，這樣會(huì)影響后續(xù)工作，因此，向漿液中加入適當(dāng)促進(jìn)劑以加快漿液的固化反應(yīng)也是有必要的；再者，由于水玻璃為無(wú)機(jī)物質(zhì)，其與有機(jī)物質(zhì)的混合性能有一定限制，為增強(qiáng)其混合均勻度，可考慮在混合液中適河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）16當(dāng)加入一些分散劑，以使其能夠較好的混合，增強(qiáng)反應(yīng)性

46、。聚氨酯樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)為重復(fù)的氨基甲酸酯鏈段單元結(jié)構(gòu)，它由異腈酸酯 r-nco 和多元醇 r/oh 反應(yīng)而成。異氰酸酯中含有大量活性極強(qiáng)的異氰酸酯端基-n-c-o，其中的 n-c 鍵，極易與含有活性氫的化合物加成反應(yīng)，形成nc 單鍵式穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。其主要反應(yīng)包括：異氰酸酯與羥基化合物(oh)反應(yīng)，生成氨基甲酸酯； 異氰酸酯與水反應(yīng)生成脲與二氧化碳，體系發(fā)泡膨脹；異氰酸酯進(jìn)一步與脲或氨基甲酸酯反應(yīng)交聯(lián)固結(jié)，形成體形結(jié)構(gòu)的聚氨酯樹(shù)脂。3.2 素注漿材料工作性能研究素注漿材料即不加其他添加劑，只在催化劑調(diào)節(jié)下改變注漿材料性能。為便于改性研究的進(jìn)行，需要了解純料試驗(yàn)性能，以便于下一步的改性研究，為此設(shè)計(jì)了單組

47、分配方試驗(yàn)，即素注漿材料性能研究。（1）將硅酸鹽含量固定，改變醇料與黑料之間的摻加比例設(shè)計(jì)了六組配方，具體配方、凝結(jié)時(shí)間及粘度值見(jiàn)下表 3-2-1。表 3-2-1 醇料與黑料的不同比例對(duì)素注漿材料工作性能的影響編號(hào)硅酸鹽/g醇料/g黑料/g催化劑/g凝膠時(shí)間/s粘度/pas137.510150.181354237.58.3516.650.185231337.57.1517.850.192187437.56.2518.750.190182537.55.5519.450.195176637.55200.1102163通過(guò)上表可以看出，在純料配方中，黑料與多元醇的比例越大，它就越脫離最佳配比，結(jié)果導(dǎo)

48、致黑料過(guò)多，不能充分反應(yīng)，反應(yīng)效率下降，時(shí)間拉長(zhǎng)；另外，由于聚醚多元醇粘度較大，而黑料粘度相對(duì)較低，當(dāng)黑料與醇料比例拉河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）17大時(shí)，相當(dāng)于將醇料進(jìn)行了稀釋，結(jié)果使得漿液整體較稀，粘度下降。（2）降低硅酸鹽百分含量，使其減為 53%，通過(guò)改變黑料與醇料比例來(lái)研究諸將材料固結(jié)體強(qiáng)度變化情況，具體設(shè)計(jì)配方、凝結(jié)時(shí)間及粘度值見(jiàn)表 3-2。表 3-2-2 硅酸鹽含量不同時(shí)醇料與黑料比例對(duì)注漿材料工作性能的影響編號(hào)硅酸鹽/g醇料/g黑料/g催化劑/g凝膠時(shí)間/s粘 度/pas19013.366.50.22415929016640.23619439020600.26

49、0227由上表可知：隨黑料與醇料比例的拉大，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)時(shí)間縮短，在較短時(shí)間內(nèi)漿液粘度值即發(fā)生很大變化，有稀變稠。3.3 分散劑對(duì)注漿材料工作性能影響研究由于硅酸鹽為無(wú)機(jī)類(lèi)溶液，那么當(dāng)將醇料與黑料與水玻璃混加攪拌時(shí)，其分散能力有限，不能保證分散均勻，而當(dāng)各種料混合不均勻時(shí)將會(huì)嚴(yán)重影響反應(yīng)進(jìn)行，使得各物質(zhì)反應(yīng)性不好，不能滿足要求。為降低這種不利影響，盡量使反應(yīng)充分進(jìn)行，故考慮在溶液中加入分散劑，使得各物質(zhì)分散良好。（1） 將硅酸鹽、醇料、黑料及各種添加劑固定，改變分散劑含量設(shè)計(jì)六組配方，具體配方、凝膠時(shí)間及粘度值見(jiàn)下表 3-3-1。表 3-3-1 分散劑量對(duì)注漿材料工作性能影響編號(hào)硅酸鹽/

50、g醇料/g黑料/g分散劑/g凝膠時(shí)間/s粘度/pas137.510150.281362237.510150.378358337.510150.472347437.510150.567342537.510150.658341河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）18637.510150.726335由上表可知，在分散劑系列配方中，隨分散劑含量增加，分散效果越好，各物質(zhì)或各分子間能夠充分接觸，反應(yīng)效率提高，反應(yīng)時(shí)間減少；另外，由于分散較好，粘度較高的醇料能夠較好的溶解，降低其粘度，使得粘度值下降。（2）保持硅酸鹽含量不變，改變黑料與醇料比例，研究分散劑的加入對(duì)凝膠時(shí)間及粘度變化的影響。具體

51、配方、凝膠時(shí)間及粘度值見(jiàn)下表 3-3-2。表 3-3-2 醇料與黑料配比不同時(shí)分散劑量對(duì)注漿材料工作性能影響編號(hào)硅酸鹽/g醇料/g黑料/g分散劑/g凝膠時(shí)間/s粘度/pas137.58.316.70.294225237.58.316.70.381221337.58.316.70.473218由上表可以看出：當(dāng)黑料與醇料的比例拉大時(shí)，凝膠時(shí)間有所增長(zhǎng)，粘度值有所降低，但隨分散劑量的增加，反應(yīng)時(shí)間仍呈減小趨勢(shì)。（3） 改變硅酸鹽含量，將其降為 55%，黑料與醇料比例為 3：1，通過(guò)改變分散劑量來(lái)研究其在不同配比時(shí)對(duì)漿液凝膠時(shí)間及粘度的影響。具體配方、凝膠時(shí)間及粘度值見(jiàn)下表 3-3-3。表 3-3-

52、3 硅酸鹽添加量不同時(shí)分散劑量對(duì)注漿材料工作性能的影響編號(hào)硅酸鹽/g醇料/g黑料/g分散劑/g催化劑/g凝膠時(shí)間/s粘度/pas110020600.80.21022182100206010.296214310020601.20.293209410020601.40.286208由上表可以看出：當(dāng)硅酸鹽含量降低，黑料與醇料比例為 3:1 時(shí)反應(yīng)較慢，隨分散劑的加入，反應(yīng)時(shí)間稍微有些加快，而粘度值略有降低。（4）再將硅酸鹽含量降為 53%，調(diào)節(jié)醇料與黑料比例，通過(guò)加入一定量的分河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）19散劑來(lái)研究其對(duì)漿液凝膠時(shí)間和粘度的影響。具體配方、凝結(jié)時(shí)間及其粘度下表

53、3-3-4。表 3-3-4 分散劑的加入對(duì)醇料與黑料不同配比下的注漿材料工作性能影響編號(hào)硅酸鹽/g醇料/g黑料/g分散劑/g凝膠時(shí)間/s粘度/pas19013.366.51.012718329016641.09820139018621.09221749020601.07923959023571.077272由上表可以看出：硅酸鹽含量為 53%時(shí)，固定分散劑添加量，隨黑料與醇料比例的增大，反應(yīng)時(shí)間隨之拉長(zhǎng)，反應(yīng)性下降；另外，由于醇料量減少，其粘度值也有很大下降。3.4 甲醛尿素對(duì)注漿材料工作性能影響研究尿素與甲醛反應(yīng)生成加聚物。一個(gè)尿素分子能很快地與兩分子甲醛生成二羥甲基脲。一個(gè)三聚氰胺分子可以

54、與多到六個(gè)甲醛分子加成生成六羥甲基三聚氰胺。這些經(jīng)羥甲基化的分子能在酸性催化劑存在下進(jìn)一步縮合成亞甲基和亞甲基醚鍵。如縮合反應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)就會(huì)生成不熔的聚合物網(wǎng)絡(luò)，提高凝結(jié)體強(qiáng)度。為此可以考慮加入甲醛、尿素來(lái)改善灌漿材料性能。（1）固定硅酸鹽含量，改變黑料與醇料的比例，然后再加入分散劑，研究其凝膠時(shí)間的變化規(guī)律。具體配方、凝膠時(shí)間及粘度值見(jiàn)下表 3-4-1。表 3-4-1 甲醛尿素的加入對(duì)醇料與黑料不同配比下的注漿材料工作性能影響編號(hào)硅酸鹽/g醇料/g黑料/g分散劑/g甲醛/g尿素/g凝膠時(shí)間/s粘度/pas137.510150.30.92.382369237.58.316.70.30.92.39

55、1227河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）20337.57.217.80.30.92.3107184由上表可以看出：當(dāng)硅酸鹽及甲醛尿素添加量一定，而改變黑料與醇料比例，凝膠時(shí)間隨黑料與醇料比例的增大而增加；對(duì)于粘度值，由于粘度較大的醇料添加量減少，漿液粘度值下降。（2）將硅酸鹽、醇料、黑料及各種添加劑固定，改變甲醛與尿素添加量設(shè)計(jì)六組配方，具體配方、凝膠時(shí)間及粘度值見(jiàn)下表 3-4-2。表 3-4-2 不同量的甲醛尿素的加入對(duì)注漿材料工作性能影響編號(hào)硅酸鹽/g醇料/g黑料/g分散劑/g甲醛/g尿素/g凝膠時(shí)間/s粘度/pas188.420.2550.31.02.7101358288.

56、420.2550.31.22.596363388.420.2550.31.43.688367488.420.2550.31.64.177369588.420.2550.31.84.669371688.420.2550.32.15.454370有上表可以看出，在甲醛與尿素系列注漿材料中，甲醛與尿素反應(yīng)而生成脲醛樹(shù)脂，當(dāng)其添加量增加時(shí)，這種反應(yīng)會(huì)逐漸增強(qiáng)，并放出一定熱量，從而促進(jìn)聚氨酯固化反應(yīng)的進(jìn)行，使反應(yīng)時(shí)間逐漸縮短，而其粘度值也會(huì)隨其添加量的增加而逐漸增大。3.5 甲醛三聚氰胺對(duì)注漿材料工作性能影響研究三聚氰胺與甲醛可以縮聚成三聚氰胺甲醛樹(shù)脂，具有較大的化學(xué)活性，很高的膠接強(qiáng)度，耐水能力高。因

57、此可以考慮在反應(yīng)物中添加甲醛與三聚氰胺，以達(dá)到提高反應(yīng)性，增強(qiáng)固結(jié)體強(qiáng)度的目的。（1） 將硅酸鹽、醇料、黑料及各種添加劑固定，改變甲醛與三聚氰胺的添加量設(shè)計(jì)六組配比試驗(yàn)，具體配方、凝膠時(shí)間及粘度值見(jiàn)下表 3-5-1。河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）21表 3-5-1 不同量的甲醛三聚氰胺的加入對(duì)注漿材料工作性能影響編號(hào)硅酸鹽/g醇料/g黑料/g分散劑/g甲醛/g三聚氰胺/g凝膠時(shí)間/s粘度/pas137.510150.31.02.797371237.510150.31.23.293373337.510150.31.43.680378437.510150.31.64.1813805

58、37.510150.31.84.674384637.510150.32.15.472387由上表可以看出，在甲醛與三聚氰胺系列灌漿材料中，甲醛與三聚氰胺反應(yīng)生成三聚氰胺甲醛樹(shù)脂，具有較高的化學(xué)活性，同時(shí)放出一定熱量，使得整個(gè)反應(yīng)有所加快，并隨其添加量的增加，這種作用更加明顯，從而導(dǎo)致漿液凝膠時(shí)間的加快；同時(shí)由于生成了三聚氰胺甲醛樹(shù)脂，其粘度也隨之增加。（2）保持硅酸鹽含量不變，改變黑料與醇料比例，研究漿液在加入三聚氰胺后，其凝膠時(shí)間及粘度值變化。具體配方、凝膠時(shí)間及粘度值見(jiàn)下表 3-5-2。表 3-5-2 三聚氰胺的加入對(duì)注漿材料工作性能的影響編號(hào)硅酸鹽/g醇料/g黑料/g催化劑/g交聯(lián)劑/g

59、三聚氰胺/g凝膠時(shí)間/s粘度/pas137.56.2518.750.20.11.5103174237.57.117.90.20.11.596201337.58.316.70.20.11.587283437.51015.00.20.11.578368537.510.914.10.20.11.581394河南理工大學(xué) 2010 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）22由上表可以看出，固定硅酸鹽及三聚氰胺添加量，黑料與醇料有最佳配比時(shí)，反應(yīng)時(shí)間較快，隨黑料與醇料比例偏離最佳比例越遠(yuǎn)，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)于粘度值，黑料與醇料比例越小，醇料添加量就越大，使得漿液粘度值迅速增加。3.6 羥甲基纖維素對(duì) 注漿材料工作性能影響

60、研究羥甲基纖維素具有增稠作用，當(dāng)加入一定量的羥甲基纖維素時(shí)，吸收了混合液中的部分水分，使得混合液濃度增加，各反應(yīng)物能更好的接觸，使反應(yīng)更加充分，因此考慮在配方中添加羥甲基纖維素來(lái)調(diào)節(jié)或改善漿液的反應(yīng)性，使固結(jié)體強(qiáng)度有所增加。（1）將硅酸鹽、醇料、黑料及各種添加劑固定，改變羥甲基纖維素添加量設(shè)計(jì)六組配方，具體配方、凝膠時(shí)間及粘度值見(jiàn)下表 3-6-1。表 3-6-1 不同添加量的纖維素對(duì)注漿材料工作性能的影響編號(hào)硅酸鹽/g醇料/g黑料/g分散劑/g纖維素/g凝膠時(shí)間/s粘度/pas137.510150.30.181385237.510150.30.274447337.510150.30.37149