本发明属于土石坝与土石边坡的加固技术领域，尤其涉及一种土石坝加固用高聚物基复合材料及其制备方法。
背景技术：
土石坝是指由当地土料、石料、或混合料、经过铺土、整平、碾压等工序填筑而成的挡水坝。是目前应用最为广泛的一种坝型。由于土石料间的联结强度低、抗剪能力小、颗粒间的孔隙大等原因，故在运用中易发生裂缝、渗漏、护坡破坏等现象。从土石坝的安全检查情况表明，工程普遍存在如下几个主要问题：①坝体单薄、坝顶宽度不够、坝坡偏陡。有的水库土坝坝高达15m以上，而背水坡比仅为1：1.5，坝顶宽仅有3m；②坝体填土质量差，土体松散，坝体渗透性较强，绕坝渗漏严重，高水位时，背水坡多出现牛皮涨，甚至管涌、流土的现象；③护坡质量差。迎水坡多为干砌石护坡，背水坡为草皮护坡。④有相当部分土坝背水坡无任何形式的反滤排水设施，加上坝体单薄、坝坡偏陡，坝体浸润线普遍偏高；⑤放水涵管及开关设备问题。小型水库放水涵管结构形式多为瓦管、浆砌石方涵、或少筋混凝土管等，管径多在30～100cm;放水开关设备多为转动门盖或斜放管。因当时物质条件和施工技术条件所限，涵管普遍存在蜂窝、老化、不均匀沉陷、断裂、破裂等现象，因而引至涵管内外渗漏、淘空、跌窝、放水开关启闭不灵，有的开启不了或开启后关不了或关闭后漏水严重，斜放管普遍存在沉陷、裂缝、破裂、缺口，管口密封性差，渗漏量大等问题。
现有的改性土材料主要分为黏土浆、水泥浆以及化学浆等三种。在坝身和非岩性土石坝的加固操作中，一般采用的是黏土浆或者是黏土水泥浆，对岩基破坏比较大时一般都是采用的水泥浆，来增强加固处理的技术效果。当基坝的渗漏现象比较严重时，通常采用的是化学浆。黏土浆、水泥浆往往达不到强度要求，改善工作面地质环境的效果，且没有形成一套成熟的各浆液成分的实验配比数据，一般的化学浆往往对生态环境造成污染。
申请号为cn201710030302.7公开了一种防渗抗蚀水泥-粘土固化浆液，原料组成为：普通粘土、高岭土、水泥、活性氧化硅、工业废渣、石灰、早强剂、有机类稳定剂和水。此发明在粘土-水泥浆液中加入固化剂、早强剂、稳定剂后，使粘结较差的粘土浆液成为一种具有凝结时间短、抗冲蚀能力强、流动性好且施工简单而廉价的防渗抗蚀粘土固化浆液，但此浆液组份太多，密度过大，因此渗透性不良，不利于灌浆。
根据以上情况，针对土石坝及土石边坡发生管涌和流土等问题，需要研发出一种形成深渗透、强度适中的新型加固材料，防止加固材在土体表面累积，在土体表面加固层和未加固层之间形成硬壳，长时间后会造成土体表面加固层整体开裂、甚至脱落；同时不能破坏地质环境且对生态环境产生污染。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明提供一种土石坝加固用高聚物基复合材料及其制备方法。本发明针对土石坝及土石边坡易发生管涌和流土等问题对其进行改良，主要为了防渗堵漏，并改善其刚度和脆性。本发明公开的土石坝加固用高聚物基复合材料水泥加固土与现有的土石坝及水泥基土石边坡处理材料相比，提高了其强度和稳定性；与单纯有机物灌浆材料相比，提高了其早期强度和稳定性。
本发明提供一种土石坝加固用高聚物基复合材料，包括干素土、聚氨酯、水泥和水，其中各成分重量份为：聚氨酯树脂为1.8份～4.5份、水泥为0份～18份、干素土为180份、水为40.5份～43.2份。
优选的，水泥为9份～18份。
优选的，所述干素土的粒径小于2mm。
所述聚氨酯树脂为可与水进行聚合反应的亲水性聚氨酯树脂。
本发明还提供了一种土石坝加固用高聚物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取聚氨酯树脂、水泥、干素土和水；
(2)将水加入聚氨酯树脂中充分搅拌混合，得到聚氨酯树脂溶液；
(3)将水泥加入到聚氨酯树脂溶液进行充分搅拌混合，得到混合溶液；
(4)将干素土倒入搅拌器内，再将混合溶液倒入搅拌器内，搅拌至充分混合均匀，得到所述土石坝加固用高聚物基复合材料。
有益效果：
(1)本发明所制备的土石坝加固用高聚物基复合材料，能够有效的抑制或处理土石坝管涌和流土等渗漏问题，同时提高土石坝的强度、延展性和耐久性；采用聚氨酯和水泥的组合，与现有的水泥基土石坝处理材料相比，大幅提高了其与既有土石坝的协调变形性能和抗开裂性能以及早期强度，加固实施（10-15）分钟便具有较高的强度和止水堵漏作用；与单纯用有机高聚物材料相比，提高了其早期强度和稳定性；
(2)本发明提供的加固土根据不同的配比既能具有早期抗压强度，也能具有后期抗压强度、耐久性好、止水速度快等特点，可以适用于发生裂缝、渗漏、护坡破坏等现象的土石坝；
(3)本发明提供的技术方案为处理土石坝发生管涌和流土等渗漏问题提供一种新思路和施工技术参考。
附图说明
图1为本发明提供的加固土体试样的扫描电镜图（其中，a为实施例4制得加固土体试样，b为实施例9制得加固土体试样，c为实施例2制得加固土体试样）；
图2实施例1-3（亲水性聚氨酯树脂浓度为6%）制备得到的加固土体试样的抗压性能效果图；
图3实施例3、7、8、9（注浆液中无水泥，只有亲水性聚氨酯树脂）制备得到的加固土体试样的抗压性能效果图；
图4实施例1、4、5、6（土与水泥的质量比为100：5）制备得到的加固土体试样的抗压性能效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
下述原料中聚氨酯材料为亲水性聚氨酯材料，选用由江苏杰成凯新材料科技有限公司生产的产品，该聚氨酯材料的密度约为1.8g/cm3，固体含量为85%；水泥为快硬硫铝酸盐水泥，选自山东鲁城水泥有限公司工程材料分公司生产的产品。所述干素土选用土石坝上土体或天然土体在105℃的温度下烘干后进行粉碎，粉碎后的土体过2mm的土工筛即可，无特别要求。
本发明中土石坝加固用高聚物基复合材料可直接浇注于土体表面，形成加固土体，还可以通过高压注浆机注入到土体沉陷、裂缝、破裂处，用于防渗堵漏。
实施例1
(1)取180g干素土、9g水泥、2.7g亲水性聚氨酯树脂和42.3g水，干素土与亲水性聚氨酯树脂溶液的质量比为4：1，所述水泥为快硬硫铝酸盐水泥，水泥为干素土质量的0.05，亲水性聚氨酯树脂为干素土质量的0.015，水为干素土质量的0.235；
(2)将水泥与亲水性聚氨酯树脂搅拌混合均匀，再将水倒入其中，搅拌混合均匀，形成亲水性聚氨酯树脂水泥溶液；
(3)将干素土与亲水性聚氨酯树脂水泥溶液搅拌混合均匀，得到土石坝加固用高聚物基复合材料。
实施例2
(1)取180g干素土、18g水泥、2.7g亲水性聚氨酯树脂和42.3g水；水泥为干素土质量的0.1；
(2)将水泥与亲水性聚氨酯树脂搅拌混合均匀，再将水倒入其中，搅拌混合均匀，形成亲水性聚氨酯树脂水泥溶液；
(3)将干素土与亲水性聚氨酯树脂水泥溶液搅拌混合均匀，得到土石坝加固用高聚物基复合材料。
实施例3
(1)取180g干素土、2.7g亲水性聚氨酯树脂和42.3g水；水泥的质量为0g，即水泥为干素土质量的0；
(2)将水倒入亲水性聚氨酯树脂中，搅拌混合均匀，形成亲水性聚氨酯树脂溶液；
(3)将干素土与亲水性聚氨酯树脂溶液搅拌混合均匀，得到土石坝加固用高聚物基复合材料。
实施例4（对比组）
(1)取180g干素土、9g水泥、和45g水；亲水性聚氨酯树脂的质量为0g，即亲水性聚氨酯树脂为干素土质量的0；水为干素土质量的0.25；
(2)将水倒入水泥中，搅拌混合均匀，形成水泥溶液；
(3)将干素土与水泥溶液搅拌混合均匀即可。
实施例5
(1)取180g干素土、9g水泥、1.8g亲水性聚氨酯树脂和43.2g水；亲水性聚氨酯树脂为干素土质量的0.01；水为干素土质量的0.24；
(2)将水泥与亲水性聚氨酯树脂搅拌混合均匀，再将水倒入其中，搅拌混合均匀，形成亲水性聚氨酯树脂水泥溶液；
(3)将干素土与亲水性聚氨酯树脂水泥溶液搅拌混合均匀，得到土石坝加固用高聚物基复合材料。
实施例6
(1)取180g干素土、9g水泥、3.6g亲水性聚氨酯树脂和41.4g水；亲水性聚氨酯树脂为干素土质量的0.02；水为干素土质量的0.23；
(2)将水泥与亲水性聚氨酯树脂搅拌混合均匀，再将水倒入其中，搅拌混合均匀，形成亲水性聚氨酯树脂水泥溶液；
(3)将干素土与亲水性聚氨酯树脂水泥溶液搅拌混合均匀，得到土石坝加固用高聚物基复合材料。
实施例7
(1)取180g干素土、1.8g亲水性聚氨酯树脂和43.2g水；水泥的质量为0，即水泥为干素土质量的0；即亲水性聚氨酯树脂为干素土质量的0.01；水为干素土质量的0.24；
(2)将水倒入亲水性聚氨酯树脂中，搅拌混合均匀，形成亲水性聚氨酯树脂溶液；
(3)将干素土与亲水性聚氨酯树脂溶液搅拌混合均匀，得到土石坝加固用高聚物基复合材料。
实施例8
(1)取180g干素土、3.6g亲水性聚氨酯树脂和41.4g水；水泥的质量为0，即水泥为干素土质量的0；亲水性聚氨酯树脂为干素土质量的0.02；水为干素土质量的0.23；
(2)将水倒入亲水性聚氨酯树脂中，搅拌混合均匀，形成亲水性聚氨酯树脂溶液；
(3)将干素土与亲水性聚氨酯树脂溶液搅拌混合均匀，得到土石坝加固用高聚物基复合材料。
实施例9
(1)取180g干素土、4.5g亲水性聚氨酯树脂和40.5g水；水泥的质量为0，即水泥为干素土质量的0；亲水性聚氨酯树脂为干素土质量的0.025；水为干素土质量的0.225；
(2)将水倒入亲水性聚氨酯树脂中，搅拌混合均匀，形成亲水性聚氨酯树脂溶液；
(3)将干素土与亲水性聚氨酯树脂溶液搅拌混合均匀，得到土石坝加固用高聚物基复合材料。
性能检测
按土工实验规范操作，根据实施例1～9所述方法分别制备加固材料，然后将9组加固材料倒入模具(φ39.1x80mm)中浇注成型得到加固土体试样；一天后脱模，养护时间为一天、七天、二十八天；到了设定的龄期时，对土样做无侧限抗压强度试验。将各个实施例制得的加固土体试样放入万能试验机中，按照标准的加载速率进行无侧限抗压强度试验，观察记录峰值抗压强度，进行三组同样的无侧限抗压强度实验，取实验结果平均值避免单组实验数据的离散性。
1.实施例1-3的加固土体试样抗压性能如表1所示。
表1为实施例1-3加固土体试样的抗压强度
实施例1-3为亲水性聚氨酯树脂水泥溶液（亲水性聚氨酯树脂浓度为6%）与干素土制得加固土体试样，从数据中可以看出，水泥的加入可以提高高聚物加固土的早期抗压强度，对高聚物加固土的后期抗压强度没有改善；龄期越久，加固土的抗压强度越高，由图2及其制备方法所示。
2.实施例3、7、8、9的加固土体试样抗压性能如表2所示。
表2为实施例3、7、8、9加固土体试样的抗压强度
实施例3、7、8、9为亲水性聚氨酯树脂溶液与干素土制得加固土体试样，从数据中可以看出：没有水泥，只有亲水性聚氨酯树脂时，随着亲水性聚氨酯树脂浓度的增加，加固土的早期抗压强度无明显提升，后期抗压强度改善明显；龄期越久，加固土的抗压强度越高，如图3所示。
3.实施例1、4、5、6的加固土体试样抗压性能如表3所示。
表3为实施例1、4、5、6加固土体试样的抗压强度
实施例1、4、5、6（土与水泥的质量比为100：5）制得加固土体试样，从数据中可以看出：当水泥含量不变，亲水性聚氨酯树脂含量为4%时，加固土的抗压强度改善不明显；当水泥含量不变，亲水性聚氨酯树脂浓度超过4%时，随着亲水性聚氨酯树脂浓度的增加，加固土的抗压强度明显改善。龄期越久，加固土的抗压强度越高，由图4所示。
选取实施例2、4、9制得的加固土体试样进行电镜扫描，其中图1（a)为实施例4（对比组）制得的加固土体试样（只有水泥，无亲水性聚氨酯）的扫描电镜图，可以看出：有颗粒附着在土颗粒上，但孔隙很多，结构松散；图1（b)为实施例9制得的加固土体试样（只有亲水性聚氨酯，无水泥）的扫描电镜图，可以看出：土颗粒表面有絮状物附着，增强了土颗粒间的黏结，孔隙少，结构密实；图1（c)为实施例2制得的加固土体试样（既有水泥，也有亲水性聚氨酯）的扫描电镜图，可以看出：土颗粒表面有絮状物附着，但每束絮状物不如实施例9面积大，因此土颗粒间的粘结不如实施例9强，说明水泥破环了絮状物的延展。
通过上述实验研究得知：（一）亲水性聚氨酯复合材料和水反应可快速聚合形成弹性凝胶体，具有很强的附着力，亲水性聚氨酯溶液与土固结形成固结体ⅰ类，固结体ⅰ类在早期显示很优越的变形能力和保水性，在后期则相反，变形能力和保水性都不佳，因此，亲水性聚氨酯溶液和土固结体早期抗压强度不佳，后期抗压强度优良；（二）在同等浓度亲水性聚氨酯溶液中加入水泥后与土固结形成固结体ⅱ类，固结体ⅱ类在早期的抗压强度明显优于固结体ⅰ类，说明水泥填充在土颗粒间隙中固结形成结石体，使固结体ⅱ类早期抗压强度优于固结体ⅰ类；固结体ⅱ类后期抗压强度低于固结体ⅰ类，说明当亲水性聚氨酯材料与水泥复合使用时，两者发生了拮抗作用，对固结体强度产生了不利影响；（三）无论亲水性聚氨酯材料与水泥复合与否，随着亲水性聚氨酯材料的浓度增加，固结体的抗压强度增大，原因是当亲水性聚氨酯材料的浓度增大，溶液黏度增加，固结土体时，颗粒间的黏结强度增大，从而抗压强度增大。因此在实际工程中，若用于抢修以及止水堵漏，选择干素土、聚氨酯、水泥、水组成的配方，此配方的土体的即时无侧限抗压强度为403～450kpa；若不是用于抢修封堵，选择干素土、聚氨酯、水组成的配方，此配方下的土体的28天无侧限抗压强度最低为1669～3710kpa；所有的配比均遵循干素土与聚氨酯溶液的质量比为4：1的原则。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种土石坝加固用高聚物基复合材料，其特征在于，包括聚氨酯树脂、水泥、干素土和水，其中各成分重量份为：聚氨酯树脂为1.8份～4.5份、水泥为0份～18份、干素土为180份、水为40.5份～43.2份。
2.根据权利要求1所述的一种土石坝加固用高聚物基复合材料，其特征在于，水泥为9份～18份。
3.根据权利要求1所述的一种土石坝加固用高聚物基复合材料，其特征在于，所用的聚氨酯树脂为可与水进行聚合反应的亲水性聚氨酯树脂。
4.根据权利要求1所述的一种土石坝加固用高聚物基复合材料，其特征在于，所述干素土的粒径小于2mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种土石坝加固用高聚物基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取聚氨酯树脂、水泥、干素土和水；
(2)将水加入聚氨酯树脂中充分搅拌混合，得到聚氨酯树脂溶液；
(3)将水泥加入到聚氨酯树脂溶液进行充分搅拌混合，得到混合溶液；
(4)将干素土倒入搅拌器内，再将混合溶液倒入搅拌器内，搅拌至充分混合均匀，得到所述土石坝加固用高聚物基复合材料。
技术总结