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1高滲透改性環(huán)氧的研究與應(yīng)用
改性環(huán)氧化學(xué)灌漿材料是用于加固補(bǔ)強(qiáng)的高分子化灌漿材中用量最大的一類化灌漿材。上個(gè)世紀(jì)八十年代之前,水電大壩基礎(chǔ)常遇到斷層破碎帶和低滲透性(K≤10-6cm/s)的軟弱地層,傳統(tǒng)的處理方法是開挖后再回填鋼筋混凝土,這種方法既費(fèi)時(shí)、投資又大,因此許多國(guó)家都在開展用灌漿方法原位加固以替代傳統(tǒng)方法的研究,而難點(diǎn)在于當(dāng)時(shí)已有的化灌漿材均無法灌入低滲透性的軟弱地層(特別是泥化夾層),使其由土性變?yōu)閹r性。至八十年代前期,我國(guó)著名的化學(xué)灌漿創(chuàng)始人之
一、中國(guó)科學(xué)院廣州化學(xué)研究所研究員葉作舟老先生帶領(lǐng)的課題組與武警水電二總隊(duì)共同努力,用新研制的高滲透改性環(huán)氧化灌漿材和水泥-化灌復(fù)合灌漿的方法于1981-1984年在陳村大壩F32斷層、二灘壩基Ⅲ類巖、正長(zhǎng)巖可研究利用段和G4劈理帶,簡(jiǎn)稱三地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了成功。1986年2月中國(guó)科學(xué)院組織院級(jí)鑒定,評(píng)審專家一致認(rèn)為這是一項(xiàng)居國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平的成果;1987年開始大規(guī)模應(yīng)用處理大壩軟基G4劈理帶取得成功后,獲國(guó)際大壩會(huì)議參觀的專家們的一致贊譽(yù)。該項(xiàng)成果的應(yīng)用成功,在世界上開創(chuàng)了用水泥-化灌漿材復(fù)合灌漿方法原位加固低滲性軟弱地層以替代傳統(tǒng)開挖回填方法的先例,曾被載入“中國(guó)水力發(fā)電年鑒”(1990年);該項(xiàng)成果和專利分別獲得中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、第二屆國(guó)際專利與新技術(shù)新產(chǎn)品展金獎(jiǎng)、中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。
在中化-798漿材的三地試驗(yàn)取得成功后,國(guó)內(nèi)一些科研單位和大專院校相繼開展了改性環(huán)氧類化灌漿材的研究,一批改性環(huán)氧化灌漿材陸續(xù)的在不同的工程中得到應(yīng)用,形成了百花齊放的局面,尤其長(zhǎng)科院研制的CW改性環(huán)氧漿材,在三峽大壩成功應(yīng)用,開創(chuàng)了水電建設(shè)中原位加固工程中用漿量最大的紀(jì)錄。中化-798漿材的廣泛應(yīng)用和CW漿材在三峽工程中的應(yīng)用再次表明了化學(xué)灌漿在重大工程中應(yīng)用的可靠性在我國(guó)得到了確認(rèn),從而大大的推動(dòng)了改性環(huán)氧化灌漿材在工程中的應(yīng)用。
改性環(huán)氧化灌漿材之所以能在國(guó)內(nèi)水電、交通、建筑行業(yè)中應(yīng)用越來越廣,一是因?yàn)楦男原h(huán)氧類漿材具有優(yōu)良的力學(xué)性能,優(yōu)異的耐老化、耐水和耐腐蝕性,用于混凝土裂縫補(bǔ)強(qiáng)其力學(xué)性能和耐久性優(yōu)于其他高分子化灌漿材;少數(shù)具有高滲透性的改性環(huán)氧漿材用于水電大壩低滲透性軟弱基礎(chǔ)的原位加固和混凝土微細(xì)裂縫的補(bǔ)強(qiáng)加固效果良好。二是眾多科研單位還在不斷的深化研究和改進(jìn)創(chuàng)新,中化-798漿材的研制者便是其中之一。
2不斷改進(jìn)創(chuàng)新的中化-798漿材
大壩基礎(chǔ)原位加固應(yīng)用成功后,課題組按照鑒定專家組的建議,申請(qǐng)到國(guó)家自然科學(xué)基金和省自然科學(xué)基金課題對(duì)中化-798化灌漿材的滲透機(jī)理和漿材各組分間的反應(yīng)機(jī)理開展了應(yīng)用基礎(chǔ)理論的研究,幾年對(duì)滲透機(jī)理的研究結(jié)果表明:
否定了美國(guó)化學(xué)灌漿權(quán)威專家認(rèn)為化學(xué)漿液的粘度是影響漿液滲透性的唯一因素的結(jié)論;指出化灌漿液的滲透性是由漿液與被灌巖土的接觸角、漿液的表面張力、巖土的表面張力及兩者之間的界面張力相互間的影響規(guī)律所決定的;以往只注意漿液的表面張力是不全面的,具有優(yōu)異滲透性的漿液應(yīng)具有適當(dāng)?shù)谋砻鎻埩托〉臐{-固結(jié)面張力,并應(yīng)是被灌介質(zhì)的優(yōu)先潤(rùn)濕相[1]。加入合適的添加劑可以調(diào)整漿液的表面張力。
漿液與被灌介質(zhì)(固相)之間的親和力或吸附張力[2]F=бiCOSθ,所以,漿液的接觸角θ越小,對(duì)同一種漿液而言親和力越大;漿液要進(jìn)入飽水的低滲性地層或有流動(dòng)水的裂縫止水,則其漿液對(duì)被灌介質(zhì)的親和力必須大于水對(duì)該介質(zhì)的親和力。
吸滲現(xiàn)象存在于低滲透性的被灌巖土中,具有吸滲性的漿液才能在被灌介質(zhì)中產(chǎn)生吸滲而提高化灌效果,尤其是夾泥的吸漿固結(jié)改性對(duì)獲得整體固結(jié)效果具有關(guān)鍵作用。漿液具有吸滲性的充分必要條件是漿液對(duì)被灌夾泥層的親和力必須大于孔隙水與該夾泥層的親和力。
目前,國(guó)內(nèi)的改性環(huán)氧化灌漿材,絕大多數(shù)都與中化-798漿材一樣,主劑都是雙酚A環(huán)氧樹脂與糠醛、丙酮;固化劑都是可常溫固化的脂肪胺類或混合胺;然而,各種配方的漿材其滲透性、力學(xué)性能、收縮性、對(duì)有水裂縫的堵水性能及耐久性等差別較大。造成各種改性環(huán)氧漿材上述各種性能差別較大的原因,除各自配方中各組份的配比不同、固化劑不同之外,還與添加劑及配制工藝有關(guān),幾年來對(duì)漿材各組份間的反應(yīng)機(jī)理研究表明:
通過加入添加劑等方式促成或抑制組分間的某些反應(yīng),提高某些中間產(chǎn)物含量或副產(chǎn)物含量可以提高漿材固結(jié)體的力學(xué)性能和滲透性能[3]。
使通常認(rèn)為是非活性溶劑的丙酮活化、變?yōu)榛钚韵♂寗﹨⑴c反應(yīng)聯(lián)接到固結(jié)體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,對(duì)減少固結(jié)體的收縮性、提高其韌性及耐老化性是十分重要而且完全能做到的。
在二次配漿前讓糠醛參與反應(yīng),不僅對(duì)提高漿材的力學(xué)性能和耐老化性能是必要的,還可以使?jié){材更加符合環(huán)保要求。
3具有止水和加固雙功能的中化-798-Ⅲ漿材(KH-3)
漿材的性能:KH-3漿材針對(duì)工程中不同地質(zhì)、材質(zhì)情況和設(shè)計(jì)的要求,配制成三種不同的型號(hào),其性能見表1、表2。
與同類改性環(huán)氧漿材相比具有的特點(diǎn):
保持優(yōu)良的力學(xué)性能的同時(shí),滲透性能更加優(yōu)異,可灌入K=10-6～10-8cm/s飽水的低滲透性地層中,也可灌入0.006mm的微細(xì)裂縫和1μm的微孔隙中。
配方調(diào)整后可將材料中的非活性稀釋劑丙酮活化率大大提高,使絕大部分丙酮分子參加了反應(yīng),從而進(jìn)一步減小了固結(jié)體的收縮性,提高了固結(jié)體耐老化、耐腐蝕的性能。而其他改性環(huán)氧漿材,基本上未能將丙酮由非活性變?yōu)榛钚曰蚧罨潭容^低。有的改性環(huán)氧漿材用于處理大壩軟弱基礎(chǔ)后鉆取的巖芯在放置一段時(shí)間后,巖芯中固結(jié)的漿脈與巖土間就發(fā)生龜裂,就是因?yàn)楸罨粔?固結(jié)的漿脈中的小分子丙酮從固結(jié)體中溢出引起固結(jié)體收縮造成的;而我們的巖芯樣放置幾年也不會(huì)有任何龜裂。
在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中加入的添加劑促進(jìn)了丙酮和糠醛預(yù)先反應(yīng),從而化解了糠醛的毒性問題,使該材料在施工時(shí)更加符合環(huán)保要求,且固結(jié)體無毒、無污染。我們用150g漿材的膠砂體粉碎后在150g自來水中浸泡150天后進(jìn)行檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)浸泡水中存在有害有機(jī)物,符合地面二級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)。
漿材具有局部的親水和整體的排水功能,因而不僅可以在有水裂縫施工,還可以在有動(dòng)態(tài)水的裂縫施工,具有止水與補(bǔ)強(qiáng)雙重功能。
具有性價(jià)比優(yōu)勢(shì),與打進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)的同類環(huán)氧材料相比,滲透與力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)外改性環(huán)氧漿材產(chǎn)品,而價(jià)格只有國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格(150～180元/Kg)的三分之一。
漿材的適用范圍:
對(duì)水庫(kù)大壩基礎(chǔ)的斷層破碎帶和低滲透性(K≤10-6cm/s)軟弱泥化夾層的原位固結(jié)灌漿、加固、改性(變土性為巖性),避免開挖回填,效果最為顯著。
能對(duì)有滲漏水的裂縫進(jìn)行堵水灌漿補(bǔ)強(qiáng)。
各種混凝土建筑物的梁、柱、墻、地面的細(xì)微裂縫的灌漿,使其整體強(qiáng)度得以恢復(fù),起補(bǔ)強(qiáng)、防水作用,對(duì)橋梁、地下建筑、港口碼頭、機(jī)場(chǎng)跑道、水庫(kù)壩體的裂縫和基巖裂縫的堵水補(bǔ)強(qiáng)加固。
不合格混凝土樁和混凝土蜂窩缺陷的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。
古建筑的木結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)及危險(xiǎn)建筑的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)(如古塔等)。