汪在芹，魏 濤，李 珍，蔣碩忠，薛希亮

(長(zhǎng)江科學(xué)院a.院長(zhǎng)辦公室;b.材料與結(jié)構(gòu)研究所;c.科學(xué)技術(shù)委員會(huì)，武漢 430010)

1 CW系環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿材料研究

CW系環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿材料關(guān)鍵技術(shù)研究，是在保證固化物具有高強(qiáng)度的同時(shí)提高漿材的滲透性和浸潤(rùn)能力。漿材的滲透性和浸潤(rùn)能力不僅取決于黏度而且還取決于親和力和表面張力，以此為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行漿材研究和配方設(shè)計(jì)。

1.1 環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)型的選擇

環(huán)氧樹(shù)脂是指分子結(jié)構(gòu)中含有環(huán)氧基的高分子化合物，它是一大類(lèi)樹(shù)脂的總稱。由于結(jié)構(gòu)上的不同，有不同類(lèi)型的環(huán)氧樹(shù)脂，以往用作灌漿材料的環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)型為E-44型。它具有黏接力強(qiáng)、收縮性小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn);主要缺點(diǎn)是低溫條件下，黏度很大，需加熱才能從容器中倒出，操作不方便，且有安全隱患。為此，在查閱大量資料的基礎(chǔ)上，做了大量試驗(yàn)，并考慮價(jià)格因素，選用了CYD型環(huán)氧樹(shù)脂。它除了能保持E-44環(huán)氧樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)外，還具有低溫條件下，黏度相對(duì)較低、操作簡(jiǎn)便、價(jià)格適中的特點(diǎn)，可改變過(guò)去配漿時(shí)的繁瑣程序。2種型號(hào)環(huán)氧樹(shù)脂的主要性能指標(biāo)如表1所示。

1.2 固化劑的選擇

環(huán)氧樹(shù)脂的固化劑種類(lèi)很多，如脂肪族胺類(lèi)、芳香族胺類(lèi)和各種胺改性物、有機(jī)酸及其酸酐、樹(shù)脂類(lèi)固化劑等，化學(xué)灌漿主要要求固化劑能在室溫、低溫、干燥、潮濕和水下等條件下固化。過(guò)去多采用乙二胺、多乙烯多胺、半酮亞胺等，它們的主要缺點(diǎn)是刺激性氣味太濃，不利于人身健康，且在有水條件下固化反應(yīng)難于進(jìn)行。為此，我們根據(jù)環(huán)氧樹(shù)脂固化的原理和環(huán)氧樹(shù)脂固化物脆性的特點(diǎn)，通過(guò)大量試驗(yàn)選用了CD固化劑。它是一種高分子固化劑，且可根據(jù)不同的要求，使分子鏈端帶上能促進(jìn)反應(yīng)的官能團(tuán);它的主要特性是能在低溫和水中固化，能在一定程度上改善環(huán)氧樹(shù)脂的脆性，氣味小、毒性低。其主要指標(biāo)如表2所示。

表1 2種型號(hào)環(huán)氧樹(shù)脂的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 The main technical properties of two types of epoxy resin

表2 CD固化劑的主要性能指標(biāo)Table 2 The main physical properties of CD hardener

1.3 最佳固化劑含量的確定

保持漿材中其它組分一定的情況下，通過(guò)改變固化劑用量來(lái)確定最佳固化劑用量，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，當(dāng)固化劑含量為30%時(shí)，聚合體的力學(xué)強(qiáng)度最高。這是因?yàn)楣袒瘎┯昧刻?，不能滿足環(huán)氧樹(shù)脂漿液完全固化的要求，形成的聚合物平均分子量很低，因此強(qiáng)度很低;固化劑用量太多時(shí)，多余的固化劑游離出來(lái)，找不到反應(yīng)對(duì)象，所以固化后，聚合物的分子量同樣很低?？梢?jiàn)，固化劑用量過(guò)多或過(guò)少，都會(huì)影響固化物的交聯(lián)密度，使固化物的力學(xué)性能受到影響，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須準(zhǔn)確稱取固化劑的量。

表3 CD固化劑的用量對(duì)固化物抗壓強(qiáng)度的影響Table 3 The effect of the amount of CD hardener on compressive strength

1.4 稀釋劑選擇

由于環(huán)氧樹(shù)脂本身黏度很大，直接用于灌漿可灌性不好，因此需要加稀釋劑來(lái)降低環(huán)氧樹(shù)脂的黏度。目前所用的稀釋劑主要有3大類(lèi):第1類(lèi)為非活性稀釋劑，如苯、甲苯、二甲苯及丙酮等，它們?cè)诠袒^(guò)程中會(huì)揮發(fā)，會(huì)引起較大的體積收縮，且其本身不參加環(huán)氧樹(shù)脂的反應(yīng)，使用量受到限制，因而黏度降低程度有限，所以一般不采用。第2類(lèi)為含有1個(gè)或1個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的低分子化合物，如環(huán)氧丙烷丁烯醚(501#)、三羥基丙烷縮水甘油醚等，它們能參與固化反應(yīng)，由于這些化合物本身黏度較大，故稀釋效果較差，使?jié){液的可灌性受到一定的限制。第3類(lèi)為糠醛-丙酮稀釋體系，糠醛和丙酮都是黏度很低的有機(jī)溶劑，在反應(yīng)前可以作為環(huán)氧樹(shù)脂有效的稀釋劑，同時(shí)也能相互反應(yīng)生成呋喃樹(shù)脂，且可以和環(huán)氧樹(shù)脂一起生成交聯(lián)的互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);它的主要作用有:①降低了漿液的黏度，提高了對(duì)細(xì)微裂隙的可灌性;②增加了固化物的韌性。為此我們選擇了糠醛-丙酮稀釋體系。

1.5 表面活性劑Tp的作用

要使化學(xué)灌漿材料能夠灌入到泥化夾層及其混凝土微細(xì)裂縫中，在漿液配方設(shè)計(jì)中要考慮的核心問(wèn)題是根據(jù)不同的處理對(duì)象，最大限度地提高漿液的浸透性，它的理論依據(jù)是自由能總是自發(fā)地向減少的方向進(jìn)行。

吉布斯吸附公式為

式中:T2為溶質(zhì)在單位面積表面的吸附量(mol/m2);c為本體溶液濃度(g/kg);t為溫度(℃);r為表面張力(mN/m);R為常數(shù)。

按照吉布斯吸附公式，在選擇表面活性劑時(shí)一定要使dr/dc＜0，最大限度地降低漿液的表面張力，增加漿液的可灌性，但表面活性劑的加入又會(huì)使聚合物的耐水性下降。為此，我們?cè)诒砻婊钚詣┑姆肿咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，使其分子鏈的一端帶上能與環(huán)氧反應(yīng)的官能團(tuán)(-NH2)，選擇了Tp表面活性劑。它是帶有氨基的表面活性劑，它的加入，在反應(yīng)初期，起到了降低漿液黏度和表面張力的作用;反應(yīng)后期，它又參與反應(yīng)，使之與環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)在一起，不會(huì)引起聚合物耐水性的下降。

1.6 CW系環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿材料的主要性能

CW系環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿材料的主要性能見(jiàn)表4。

2 CW系環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿材料的工程應(yīng)用

近10年來(lái)，CW系環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料已經(jīng)分別在三峽、水布埡水、溪洛渡、小灣、江埡、龍灘、構(gòu)皮灘等國(guó)家重點(diǎn)水利工程中得到廣泛應(yīng)用，解決了工程建設(shè)中多個(gè)與基礎(chǔ)加固和混凝土防滲有關(guān)的技術(shù)難題。其主要工程應(yīng)用見(jiàn)表5。

2.1 斷層破碎帶固結(jié)灌漿典型實(shí)例

2.1.1 三峽工程F215斷層破碎帶固結(jié)灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

三峽工程F215斷層帶寬1～6 m，構(gòu)造巖膠結(jié)差，風(fēng)化強(qiáng)烈，呈疏松-半疏松狀。因做過(guò)1組以濕磨細(xì)水泥為漿體的固結(jié)灌漿試驗(yàn)，效果不理想，所以設(shè)計(jì)提出高噴沖洗，水泥化學(xué)復(fù)合灌漿的方案。經(jīng)水泥和CW系環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料復(fù)合灌漿后，斷層的性質(zhì)發(fā)生了可喜的變化，為斷層的處理提供了一種手段;且在2000年12月三峽召開(kāi)的評(píng)審會(huì)上，專家們一致認(rèn)為F215灌漿試驗(yàn)總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果如表6所示。

表4 CW系環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料主要性能指標(biāo)Table 4 The main physical properties of CW Epoxy Resin Chemical Grouting Materials

表5 CW系環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿材料主要應(yīng)用工程實(shí)例Table 5 Typical projects of applying CW Epoxy Resin Chemical Grouting Materials

2.1.2 斷層破碎帶和泥化夾層加固處理

三峽工程永久船閘和臨時(shí)船閘F1096，F(xiàn)1050，F(xiàn)215，F(xiàn)548斷層都是屬于形狀相似的斷層破碎帶和軟弱夾層，其主斷層帶為疏松-半疏松，變形模量在0.2～0.5 GPa之間，對(duì)建筑物基礎(chǔ)應(yīng)力傳遞極為不利，設(shè)計(jì)單位提出用灌漿法進(jìn)行加固。其中f1096斷層化學(xué)灌漿2 610.8 m，F(xiàn)1050 化學(xué)灌漿461.05 m，F(xiàn)215和F548化學(xué)灌漿共有3 000 m多。采用CW系環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料處理后，泥化及破碎斷層巖體有效膠結(jié)為整體，漿材在斷層泥化夾層中充分滲透、浸潤(rùn)，有效充填斷層巖體中大小裂隙，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2 溶蝕帶基礎(chǔ)防滲應(yīng)用典型實(shí)例

江埡大壩7#，8#壩段壩基溶蝕帶，歷經(jīng)普通水泥、超細(xì)水泥、改性灌漿水泥等多次水泥灌漿，透水率仍大于1 Lu，最大達(dá)到5.1 Lu，涌水壓力一般有0.2 ～0.3 MPa，最大達(dá)到0.5 MPa，涌水流量最高達(dá)到26 L/min。為解決電站蓄水90 m、溶蝕帶中存在壓力涌水條件下的基礎(chǔ)防滲問(wèn)題，決定采用長(zhǎng)江科學(xué)院CW環(huán)氧漿材進(jìn)行灌漿。由湖南省宏禹巖土工程公司施工，共灌入CW漿材近20 t，灌后4個(gè)檢查孔透水率全部小于 1 Lu，分別為0.616，0.475，0.336，0.172 Lu。CW 漿材有效灌入溶蝕帶裂隙，漿材充填密實(shí)、飽滿，符合設(shè)計(jì)要求，2001年12月順利通過(guò)驗(yàn)收。

2.3 混凝土裂縫處理應(yīng)用典型實(shí)例

2.3.1 三峽工程永久船閘層面縫滲水處理生產(chǎn)性試驗(yàn)

三峽工程永久船閘地下輸水隧洞，灌漿前混凝土層面縫滲水、析鈣，且滲水有一定壓力，部分部位水壓達(dá)到0.2 MPa左右，層面縫縫寬0.06 ～0.3 mm。水平層面縫的處理要求:帷幕線以上層面縫黏結(jié)強(qiáng)度為0.3 ～0.5 MPa;帷幕線以下為0.7 ～ 1.0 MPa，縫面抗?jié)B指標(biāo)達(dá)到S8設(shè)計(jì)要求。

長(zhǎng)江科學(xué)院CW系化灌試驗(yàn)區(qū)選在北一延長(zhǎng)段NY5，NY8北邊墻，共灌入 CW 漿液104.1 L，灌漿試驗(yàn)完成后28 d進(jìn)行鉆孔取芯檢查和壓水試驗(yàn)。所有芯樣完整，縫面填充飽滿，漿液擴(kuò)散滲透到縫面兩側(cè)混凝土，縫寬為0.06～0.2 mm，漿材灌入深度＞66 cm，芯樣劈拉強(qiáng)度分別為1.61，1.35，1.07 MPa。設(shè)計(jì)根據(jù)化學(xué)灌漿試驗(yàn)成果，認(rèn)為生產(chǎn)性試驗(yàn)獲得較為滿意的成果，確定長(zhǎng)江科學(xué)院CW系環(huán)氧灌漿材料及其配套施工工藝適用于永久船閘層間縫及溫度縫灌漿，因而CW系環(huán)氧灌漿材料在永久船閘裂縫灌漿中得以應(yīng)用。

2.3.2 湖北省江漢航線新城船閘下閘首裂縫處理

湖北省江漢航線新城船閘下閘首顯露出13條貫穿性裂縫，裂縫總長(zhǎng)約236 m，裂縫寬度0.2～4 mm，由于閘室底板處于地下水位以下，沿縫冒水量較大。經(jīng)過(guò)CW系灌漿材料處理后，沿縫無(wú)水滲出。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯檢查，漿材在裂縫中充填飽滿，共取 5 個(gè)芯樣，劈裂抗拉強(qiáng)度分別為3.1，2.5，2.3，2.1，1.7 MPa，平均抗拉強(qiáng)度(劈裂法)為2.3 MPa。達(dá)到設(shè)計(jì)要求，業(yè)主滿意。

表6 CW系化學(xué)灌漿材料在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)所達(dá)到的性能指標(biāo)Table 6 The applied properties of CW Epoxy Resin Chemical Grouting Materials

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿材料對(duì)各組分的性能要求，優(yōu)選后確定CW系環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿材料主要組成為:低黏度環(huán)氧樹(shù)脂為主劑，無(wú)毒、高韌性且適合于水中固化的固化體系，以及反應(yīng)性表面活性劑。此類(lèi)漿材兼具低黏度、高強(qiáng)度和優(yōu)異滲透性。

近10年來(lái)，長(zhǎng)江科學(xué)院在灌漿材料方面的研究和應(yīng)用取得了豐碩成果，創(chuàng)立了CW品牌。其中CW系列高滲透改性環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料在三峽工程中的應(yīng)用成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，分別獲得長(zhǎng)江水利委員會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、湖北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國(guó)家發(fā)明專利和湖北省優(yōu)秀專利項(xiàng)目獎(jiǎng)。自CW灌漿材料在三峽工程應(yīng)用成功后，已經(jīng)分別在水布埡、溪洛渡、小灣、江埡、龍灘、構(gòu)皮灘等國(guó)家重點(diǎn)水利工程中得到廣泛應(yīng)用。成功地解決了灌漿材料對(duì)巖石斷層破碎帶和泥化夾層的滲透和固結(jié)問(wèn)題，為較不完善的巖石基礎(chǔ)提供了一種新的處理方法，為處理包含有壓流動(dòng)水的基礎(chǔ)和混凝土裂縫開(kāi)辟了以憎水性為主兼親水性的化灌材料。CW灌漿材料為新建和病害工程整治的基礎(chǔ)處理與混凝土裂縫灌漿提供了經(jīng)濟(jì)適用、可靠的灌漿材料。

［1］汪在芹，魏 濤，李 珍，等.三峽工程F215斷層破碎帶灌漿材料試驗(yàn)報(bào)告［R］.武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院，1999.(WANG Zai-qin，WEI Tao，LI Zhen，et al.Report on the Grouting Materials used in F215 Fault Zone at Three Gorges Project［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，1999.(in Chinese))

［2］汪在芹，魏 濤，李 珍，等.三峽水利樞紐F215斷層破碎帶灌注長(zhǎng)科院CW化學(xué)漿液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院，2000.(WANG Zai-qin，WEI Tao，LI Zhen，et al.Report on CW Chemical Grouting Materials Developed by Yangtze River Scientific Research Institute in F215 Fault Zone at Three Gorges Project［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，2000.(in Chinese))

［3］魏 濤，李 珍.三峽工程化學(xué)灌漿技術(shù)［M］.武漢:長(zhǎng)江出版社，2008.(WEI Tao，LI Zhen.Chemical Grouting Technology for the Three Gorges Project［M］.Wuhan:Changjiang Press，2008.(in Chinese))