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1高滲透改性環(huán)氧的研究與應用
改性環(huán)氧化學灌漿材料是用于加固補強的高分子化灌漿材中用量最大的一類化灌漿材。上個世紀八十年代之前,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,這種方法既費時、投資又大,因此許多國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,而難點在于當時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,我國著名的化學灌漿創(chuàng)始人之
一、中國科學院廣州化學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、正長巖可研究利用段和G4劈理帶,簡稱三地現(xiàn)場試驗取得了成功。1986年2月中國科學院組織院級鑒定,評審專家一致認為這是一項居國內(nèi)外領(lǐng)先水平的成果;1987年開始大規(guī)模應用處理大壩軟基G4劈理帶取得成功后,獲國際大壩會議參觀的專家們的一致贊譽。該項成果的應用成功,在世界上開創(chuàng)了用水泥-化灌漿材復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“中國水力發(fā)電年鑒”(1990年);該項成果和專利分別獲得中國科學院科技進步一等獎、第二屆國際專利與新技術(shù)新產(chǎn)品展金獎、中國專利優(yōu)秀獎。
在中化-798漿材的三地試驗取得成功后,國內(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用,形成了百花齊放的局面,尤其長科院研制的CW改性環(huán)氧漿材,在三峽大壩成功應用,開創(chuàng)了水電建設(shè)中原位加固工程中用漿量最大的紀錄。中化-798漿材的廣泛應用和CW漿材在三峽工程中的應用再次表明了化學灌漿在重大工程中應用的可靠性在我國得到了確認,從而大大的推動了改性環(huán)氧化灌漿材在工程中的應用。
改性環(huán)氧化灌漿材之所以能在國內(nèi)水電、交通、建筑行業(yè)中應用越來越廣,一是因為改性環(huán)氧類漿材具有優(yōu)良的力學性能,優(yōu)異的耐老化、耐水和耐腐蝕性,用于混凝土裂縫補強其力學性能和耐久性優(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裂縫的補強加固效果良好。二是眾多科研單位還在不斷的深化研究和改進創(chuàng)新,中化-798漿材的研制者便是其中之一。
2不斷改進創(chuàng)新的中化-798漿材
大壩基礎(chǔ)原位加固應用成功后,課題組按照鑒定專家組的建議,申請到國家自然科學基金和省自然科學基金課題對中化-798化灌漿材的滲透機理和漿材各組分間的反應機理開展了應用基礎(chǔ)理論的研究,幾年對滲透機理的研究結(jié)果表明:
否定了美國化學灌漿權(quán)威專家認為化學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)異滲透性的漿液應具有適當?shù)谋砻鎻埩托〉臐{-固結(jié)面張力,并應是被灌介質(zhì)的優(yōu)先潤濕相[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,對同一種漿液而言親和力越大;漿液要進入飽水的低滲性地層或有流動水的裂縫止水,則其漿液對被灌介質(zhì)的親和力必須大于水對該介質(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、力學性能、收縮性、對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),幾年來對漿材各組份間的反應機理研究表明:
通過加入添加劑等方式促成或抑制組分間的某些反應,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)體的力學性能和滲透性能[3]。
使通常認為是非活性溶劑的丙酮活化、變?yōu)榛钚韵♂寗﹨⑴c反應聯(lián)接到固結(jié)體的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中,對減少固結(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,不僅對提高漿材的力學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漿材針對工程中不同地質(zhì)、材質(zhì)情況和設(shè)計的要求,配制成三種不同的型號,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:
保持優(yōu)良的力學性能的同時,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,從而進一步減小了固結(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間后,巖芯中固結(jié)的漿脈與巖土間就發(fā)生龜裂,就是因為丙酮活化不夠,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有任何龜裂。
在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中加入的添加劑促進了丙酮和糠醛預先反應,從而化解了糠醛的毒性問題,使該材料在施工時更加符合環(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天后進行檢測,未發(fā)現(xiàn)浸泡水中存在有害有機物,符合地面二級水標準。
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,還可以在有動態(tài)水的裂縫施工,具有止水與補強雙重功能。
具有性價比優(yōu)勢,與打進中國市場的同類環(huán)氧材料相比,滲透與力學性能遠優(yōu)于國外改性環(huán)氧漿材產(chǎn)品,而價格只有國外產(chǎn)品價格(150～180元/Kg)的三分之一。
漿材的適用范圍:
對水庫大壩基礎(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。
能對有滲漏水的裂縫進行堵水灌漿補強。
各種混凝土建筑物的梁、柱、墻、地面的細微裂縫的灌漿,使其整體強度得以恢復,起補強、防水作用,對橋梁、地下建筑、港口碼頭、機場跑道、水庫壩體的裂縫和基巖裂縫的堵水補強加固。
不合格混凝土樁和混凝土蜂窩缺陷的修復補強。
古建筑的木結(jié)構(gòu)補強及危險建筑的補強修復(如古塔等)。