劉德明，吳啟民，陸志華，尹薇，趙徐

（杭州國電大壩安全工程有限公司，浙江杭州，310014）

HK-963-J2高觸變型水下環(huán)氧灌漿材料的研制和應(yīng)用

劉德明，吳啟民，陸志華，尹薇，趙徐

（杭州國電大壩安全工程有限公司，浙江杭州，310014）

對HK-963-J2高觸變型水下環(huán)氧灌漿材料的研制過程、應(yīng)用原理以及應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了介紹。HK-963-J2是在傳統(tǒng)水下產(chǎn)品HK-963水下增厚型環(huán)氧涂料的基礎(chǔ)上研制而成的，具有觸變性高、可操作時間長、固化時間可調(diào)、線性收縮小、密度低、水下粘接性能好、低溫條件下固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度高等特點(diǎn)。該產(chǎn)品巧妙結(jié)合了體系的粘度、密度和觸變性，實(shí)現(xiàn)了在水下“站立”的效果。HK-963-J2可以采用螺桿砂漿泵進(jìn)行灌注施工，輸漿填充性好，在灌漿泵停止灌漿時，漿材即停止流動。該材料可用于對水下裂隙、管道、鋼襯脫空區(qū)等工程缺陷以可控灌漿的方式進(jìn)行定點(diǎn)、定量的灌注填充封堵，為水下工程缺陷的防滲加固修復(fù)提供了新的解決方法。

灌漿材料；水下修補(bǔ)；高觸變性

0 前言

環(huán)氧樹脂具有強(qiáng)度高、粘接力強(qiáng)、收縮小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可室溫甚至低溫固化、耐久性優(yōu)異等特點(diǎn)，常被用于工程缺陷的修補(bǔ)[1]。在水下修補(bǔ)工程中，水下灌漿材料應(yīng)具備水下不分散、與水飽和混凝土面粘接性能好、可操作時間能夠在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)、低溫水下仍具有較高的力學(xué)強(qiáng)度等要求，同時，在空隙缺陷的填充加固修補(bǔ)中，還要求灌漿材料能精準(zhǔn)填充，修補(bǔ)到位，或者在灌注的時候需要灌漿材料能實(shí)現(xiàn)整體推進(jìn)填充的效果，也就是對材料性能提出了高觸變性的特殊要求。筆者介紹的HK-963-J2高觸變型水下環(huán)氧灌漿材料，能在停止泵壓推動時實(shí)現(xiàn)水下成形堆積加固的工程效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）主劑的選擇。主劑主要由環(huán)氧樹脂、稀釋劑和固化劑組成，用該主劑配制成的材料應(yīng)對水飽和混凝土面具有良好的浸潤性。

（2）可操作時間的調(diào)整。主要通過添加促進(jìn)劑對HK-963-J2的可操作時間進(jìn)行調(diào)整，需兼顧可操作時間和低溫水下強(qiáng)度兩個方面的性能。

（3）觸變性的調(diào)整。結(jié)合降低密度和添加觸變劑兩種方法對HK-963-J2的觸變性進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)材料在沒有推力作用時在水中保持形態(tài)不流動的效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）粘度測定：參考GB/T 2794-1995《膠黏劑粘度的測定》和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)說明書的要求，對于觸變性體系粘度的測定應(yīng)采用固定轉(zhuǎn)子，讀取固定轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)時間時的刻度值。

（2）表干時間：按GB/T 13477.5-2002《建筑密封材料表干時間的測定》。

（3）擴(kuò)展度：跳桌法。

（4）抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度：按GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》測定其抗壓、抗折強(qiáng)度。

（5）觸變值：以轉(zhuǎn)速為6 r/min和60 r/min時粘度的比值表示。觸變值越大，材料的觸變性越好，在水下保持形狀的能力越強(qiáng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

NDJ-4型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、CMT5105微機(jī)控制電子伺服萬能試驗(yàn)機(jī)、SHT4305微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)、ARES-G2流變儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 主劑的選擇

HK-963增厚型環(huán)氧涂料是杭州國電大壩安全工程有限公司于20世紀(jì)90年代開發(fā)的水下涂料，是一種具有特殊表面張力的水下粘合劑產(chǎn)品，能夠在40多m水深的混凝土水飽和面進(jìn)行涂刷，是國內(nèi)為數(shù)不多的水下專用涂料之一[2-3]。HK-963-J2的主劑延用了HK-963的樹脂體系，通過與粉料的相互作用，既具有水下不分散的特點(diǎn)，又具有良好的水飽和混凝土面浸潤性，與水飽和混凝土面粘接強(qiáng)度高。

2.2 可操作時間的調(diào)整

HK-963-J2由A、B兩組分構(gòu)成，按A/B=8/1混合后粘度逐漸增大，其可操作時間可根據(jù)工程需要在生產(chǎn)時通過促進(jìn)劑進(jìn)行調(diào)整，促進(jìn)劑用量增加，可操作時間縮短。HK-963-J2中含有300 um左右的抗收縮顆粒，施工時采用JRD-300型砂漿泵進(jìn)行灌注，產(chǎn)品的可灌性宜采用擴(kuò)展度（跳桌法）來衡量。試驗(yàn)表明，當(dāng)擴(kuò)展度在230 mm以上時，產(chǎn)品具有較好的泵送性，因此以擴(kuò)展度降低到230 mm時的時間作為可操作時間，促進(jìn)劑用量對可操作時間和凝膠時間的影響如表1所示。

表1 促進(jìn)劑用量對HK-963-J2可操作時間和凝膠時間的影響Table 1 Influence of accelerator on potting life and curing time of HK-963-J2 material

據(jù)潛水員觀測，43 m水深處，水溫大約為12℃，15 m水深處大約為18℃，12 m水深處大約為20℃，基本與水面上的環(huán)境溫度相同。水下環(huán)氧灌漿材料不僅要具有較長的可操作時間，還要兼顧低溫水中的力學(xué)性能。HK-963-J2的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度在10±2℃水中的增長情況如圖1所示，大約40 d后，其抗折、抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖1 HK-963-J2在10±2℃水中強(qiáng)度增長曲線Fig.1 Strength increase of HK-963-J2 material in water of 10±2°C

2.3 觸變性的調(diào)整

觸變性是指流體受到剪切時粘度變小，停止剪切時粘度又增加的性質(zhì)，即一觸即變的性質(zhì)。這是由于剪切破壞了材料體系內(nèi)的物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，停止剪切后，物理網(wǎng)絡(luò)又重建的緣故。常用的觸變性調(diào)節(jié)劑有膨潤土、氫化蓖麻油和氣相二氧化硅[4]。膨潤土在增加體系觸變性的同時，往往對粘度增加的貢獻(xiàn)也較大，很難平衡觸變性和泵送性兩者間的關(guān)系；氫化蓖麻油的使用比較復(fù)雜，要經(jīng)過特殊工藝才能呈現(xiàn)出觸變性，用于真溶液體系較多；氣相二氧化硅的添加量一般無法超過4%，單純A、B組分的觸變性可以很好，但當(dāng)A、B混合后，尤其是體系溫度升高時，觸變性容易被破壞。單純使用以上三種觸變劑無法實(shí)現(xiàn)觸變性和泵送性的統(tǒng)一，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加輕質(zhì)填料后再選用觸變劑調(diào)節(jié)觸變性可得到較好的效果。不同觸變劑含量的HK-963-J2的觸變值[5-6]如表2所示。不同觸變值的HK-963-J2在水中有不同的形態(tài)，當(dāng)觸變值≥4時，材料在水中能保持剛澆入時的形狀，觸變值越小，材料自流平、自密實(shí)的程度越大。不同觸變值的HK-963-J2在水中的形態(tài)如圖2所示。

表2 不同觸變劑含量的HK-963-J2的觸變值Table 2 Thixotropic value of HK-963-J2 material with different amount of thixotropic agent

圖2 不同觸變值的HK-963-J2在水中的狀態(tài)Fig.2 Underwater states of HK-963-J2 material with different thixotropic values

2.4 HK-963-J2的性能

HK-963-J2高觸變型水下環(huán)氧灌漿材料是針對水下裂隙淺層灌注、在有水管道內(nèi)漿液整體推進(jìn)排水填充施工而開發(fā)的新材料，可用灌漿泵對其進(jìn)行可控灌漿，實(shí)現(xiàn)對水下裂隙的定點(diǎn)、定量修補(bǔ)，節(jié)省了成本。其基本性能如表3所示。

項(xiàng)目表干時間/h密度/（g/cm3）水下鋼-鋼剪切粘接強(qiáng)度/MPa水下“8”字模粘接強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa線性收縮率/%觸變值指標(biāo)≥5≤1.30≥8.0≥2.0≥15≥40≤0.5≥4.0

3 HK-963-J2的應(yīng)用原理

HK-963-J2的應(yīng)用原理可以通過牙膏流變學(xué)來解釋[7]，牙膏被擠到牙刷上之所以能不塌陷，是由于其本身的屈服應(yīng)力不低于其自身的重力。HK-963-J2通過輕質(zhì)填料降低了自身的密度，再通過觸變劑的添加使自身的屈服應(yīng)力增大，當(dāng)HK-963-J2在水中的重力與浮力、屈服應(yīng)力的合力為零時，材料在無推力作用時就停止流動，不能自密實(shí)。

為了更詳細(xì)地說明HK-963-J2的作用原理，采用流變儀測得了按A/B=8/1混合后的HK-963-J2的粘度-剪切速率曲線和粘度-剪切應(yīng)力曲線，如圖3、圖4所示。由圖3可知，HK-963-J2的粘度隨著剪切速率的增加而降低，粘度最大值與最小值的比值超過600倍，也就是在沒有推力作用下，觸變體系由于黏滯阻力作用會減慢流動速度，在管道里流動時，受到的剪切作用隨之降低，而剪切作用降低后又會導(dǎo)致粘度增加，如此循環(huán)，逐漸停止流動。

另一個影響HK-963-J2流動性的因素是其本身的密度。HK-963-J2的流變行為類似于牙膏的流變行為，根據(jù)人們對牙膏流變學(xué)的研究[8-9]，粘度-剪切應(yīng)力曲線上粘度急劇下降的臨界點(diǎn)的剪切應(yīng)力即為屈服應(yīng)力，從圖4曲線可求得HK-963-J2的屈服應(yīng)力（τy）為15 Pa。在牙膏體系中，屈服應(yīng)力對應(yīng)牙膏在牙刷上的“站立性”。假設(shè)HK-963-J2是底面積為S、高為h的棱柱，在水中受到自身重力（G）和浮力（F?。┳饔茫?/p>

圖3 HK-963-J2按A/B=8/1（質(zhì)量比）混合后粘度隨剪切速率的變化Fig.3 Relationship between viscosity and shear rate of HK-963-J2 material with the mass ratio of A and B is 8/1

圖4 HK-963-J2按A/B=8/1（質(zhì)量比）混合后粘度-剪切應(yīng)力曲線Fig.4 Relationship between viscosity and shear stress of HK-963-J2 material with the mass ratio of A and B is 8/1

其中，ρ為HK-963-J2的密度（kg/m3）；v為HK-963-J2的體積（m3）；ρ水為水的密度（kg/m3）；v排為HK-963-J2浸入水中的體積（m3）；g為重力加速度（N/kg）。

由于HK-963-J2全部浸入水中，v=v排，ρ＞ρ水，因此G＞F浮。當(dāng)G-F浮大于HK-963-J2在水中的屈服力Fy時，材料在水中的形狀就會垮塌，也就是發(fā)生流動，因此HK-963-J2能在水中“站立”的條件是：G≤Fy+F浮。

由此可以做出以下推導(dǎo)：ρvg≤ρ水v排g+τy×S，ρ≤ρ水+τy×S/（vg），ρ≤ρ水+τy/（hg）。

τy=15 Pa，g=10 N/kg，ρ水=1.0×103kg/m3，代入上式得：ρ≤1.0×103kg/m3+（1.5/h）kg/m3。

由上式可知，HK-963-J2的密度的最大值與其在水中能“站立”的高度成反比，當(dāng)h=0.005 m時，ρ≤ 1.3×103kg/m3。

HK-963-J2的觸變值≥4.0，且密度介于1.2× 103～1.3×103kg/m3，因此出現(xiàn)圖2中“站立”在水中的現(xiàn)象。

灌漿時，HK-963-J2靠灌漿泵提供的壓力從較小管徑的灌漿管中高速流出，受到的剪切作用強(qiáng)，粘度低。材料流出管路后，進(jìn)入較大尺寸空間，壓力降低，剪切作用變?nèi)?，粘度上升，流速變慢，從而?shí)現(xiàn)與后續(xù)材料整體推進(jìn)的效果。灌漿停止后，材料流動的動力全部來自于自重，由于材料密度小，在水下由自重引起的流動速度極小，剪切速率極低，材料的粘度變得很高，在材料的最前端，形成一定的坡度后材料僅憑自重?zé)o法破壞自身的觸變性而保持一定形狀，停止流動。

4 HK-963-J2的應(yīng)用

4.1 某水電站施工期臨時排水管封堵施工

國內(nèi)某水電站施工期設(shè)置的臨時排水管未能在施工結(jié)束時全部封堵，于2009年8月開始多次出現(xiàn)滲漏情況，并存在管道銹蝕后水淹廠房的風(fēng)險。為消除此隱患，決定對此類隱蔽管道進(jìn)行封堵。從2012年8月份，杭州國電大壩公司開始為該工程提供封堵材料以及方案上的顧問服務(wù)，并自主完成室內(nèi)試驗(yàn)，認(rèn)真配合完成現(xiàn)場生產(chǎn)性模擬試驗(yàn)以及現(xiàn)場施工。

現(xiàn)場生產(chǎn)性模擬試驗(yàn)利用JRD-300電動螺桿灌漿泵對HK-963-J2在直徑為20 cm、長度60 m、與水平面的夾角為3°、注滿水的有機(jī)玻璃管內(nèi)進(jìn)行了灌注試驗(yàn)，觀察流動形態(tài)變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，HK-963-J2即使在3°角的傾斜面上也能保持其整體推進(jìn)的形態(tài)，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了可控灌漿，利于將管內(nèi)的水全部排出。灌漿泵出漿口與有機(jī)玻璃管上的進(jìn)漿口通過內(nèi)徑為40 mm的加筋耐壓橡膠管連接，灌漿過程中灌漿泵出漿口處最大灌漿壓力為1.5 MPa，有機(jī)玻璃管入口處的最大灌漿壓力為0.4 MPa，略高于尾水壓力，說明材料具有較好的泵送性和輸漿填充性。

生產(chǎn)性試驗(yàn)順利完成后，于2013年和2015年進(jìn)行了兩次壩體內(nèi)施工期臨時排水管封堵施工?；靥罟艿罏椤癦”字形長下橫線結(jié)構(gòu)，上部平臺長度8 m，跌落部位落差8 m，下橫線長度58 m，朝下游3°角小緩坡走勢，直徑達(dá)500 mm，灌注的材料需要滿管推進(jìn)，且滿管段必須跨過下游出口10 m的橫縫位置，灌漿才能達(dá)到預(yù)期的回填目的。施工過程中，業(yè)主、設(shè)計(jì)單位高度重視，監(jiān)理單位嚴(yán)格監(jiān)督，施工單位精心組織，采用插管至跌落部位底部灌漿設(shè)計(jì)，灌漿過程中灌漿泵出漿口處最大灌漿壓力為1.5MPa，有機(jī)玻璃管入口處最大灌漿壓力為0.4MPa，與生產(chǎn)性試驗(yàn)?zāi)M得到的參數(shù)基本一致。歷經(jīng)9個多小時的灌注，順利完成了預(yù)估回填灌注方量，成功對隱藏在壩體內(nèi)的管道進(jìn)行了排水封堵。

圖5 HK-963-J2在充滿水的模擬管道中的流態(tài)實(shí)驗(yàn)Fig.5 Flow pattern test of HK-963-J2 material in the simulating pipe full of water

4.2 國外某港口碼頭水下裂縫修復(fù)項(xiàng)目

該港口碼頭項(xiàng)目是中資企業(yè)自1997年進(jìn)入沙特工程承包市場以來獲得的單個合同額最大的項(xiàng)目，該項(xiàng)目包括一個7萬t級散貨泊位、一個7萬t級雜貨泊位、一個5萬t級液體材料泊位和一個7千t級工作船泊位。該港口碼頭為方塊重力式碼頭結(jié)構(gòu)，方塊重量為33～103 t。相關(guān)單位結(jié)合現(xiàn)場損壞情況對產(chǎn)生裂縫的方塊進(jìn)行了受力計(jì)算分析，認(rèn)為方塊損壞不影響碼頭整體結(jié)構(gòu)，僅需采用能承壓、有粘接性能的灌縫材料對損壞結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)其整體受力結(jié)構(gòu)，避免在今后碼頭使用過程中發(fā)生損壞、試塊掉落等問題。施工單位和國外咨詢工程師進(jìn)行多方考察后，選用HK-963-J2作為碼頭水下裂縫修復(fù)的灌漿材料，公司配合完成室內(nèi)模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)，見圖6、圖7所示。室內(nèi)模擬試驗(yàn)得到的力學(xué)性能結(jié)果均滿足要求，T型模板灌注流態(tài)試驗(yàn)結(jié)果也滿足委托單位預(yù)設(shè)的流態(tài)——類拋物線堆積狀。現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)灌注結(jié)束后，裂縫中均充盈有材料，通過鉆孔取芯檢查和起吊試驗(yàn)，證明HK-963-J2的抗壓強(qiáng)度和粘接性能均能滿足該工程的要求，隨后開展了灌注施工，達(dá)到了預(yù)期的修補(bǔ)效果。

圖6 T型模板灌注流態(tài)，滿足類拋物線堆積狀要求Fig.6 Flow pattern as grouting of T-type template,meeting the requirements of parabola-kind stacking

圖7 現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)Ｐ统晒ζ鸬?，達(dá)到了粘接要求Fig.7 Lifting of the test model,a proof of high adhesive strength

5 結(jié)語

HK-963-J2是一種雙組分、高觸變性的新型水下環(huán)氧灌漿材料，在水中不自流平，堆積填充效果好，與金屬、混凝土水下粘接性能好，低溫力學(xué)強(qiáng)度高，密度低，收縮小，60 m以上長距離的泵送輸送性好，適用于金屬或混凝土有水管道的排水封堵、大裂隙填充加固、人防工程等建筑物寬裂隙或管路的水下定點(diǎn)、定量堵漏加固。該產(chǎn)品已在國內(nèi)外工程上取得了成功應(yīng)用?！?/p>

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Development and application of HK-963-J2 high thixotropy type epoxy grouting materia

LIU De-ming,WU Qi-min,LU Zhi-hua,YIN Wei and ZHAO Xu//Hangzhou Guodian Dam Safety Engineering Co.,Ltd.

In this paper,the development process,application principle and application examples of HK-963-J2 are introduced.HK-963-J2 is developed from traditional HK-963 underwater epoxy coating.The HK-963-J2 is of high thixotropy,long potting life,adjustable curing time,small linear shrinkage,low density,excellent underwater adhesion property,high mechanical strength underwater and in low temperature condition,etc.The combination of viscosity,density and thixotropy of system realizes the underwater"standing"effect.HK-963-J2 can be grouted by a screw mortar pump smoothly.When grouting is stopped,HK-963-J2 would stop flowing due to high thixotropy,which can be used for underwater fracture,pipe,steel lining void zone and other underwater defects.This provides a new solution for repair of underwater defects.

grouting material;underwater repair;high thixotropy

TV441

A

1671-1092（2017）03-0062-05

2017-02-23；

2017-04-12

劉德明（1985-），男，山東泰安人，工程師，碩士，主要從事環(huán)氧類化學(xué)灌漿材料和防水涂料的研究。

作者郵箱：liu_dm@ecidi.com