1高渗透改性环氧的研究与应用
改性环氧化学灌浆材料是用于加固补强的高分子化灌浆材中用量最大的一类化灌浆材。上个世纪八十年代之前,水电大坝基础常遇到断层破碎带和低渗透性(K≤10-6cm/s)的软弱地层,传统的处理方法是开挖后再回填钢筋混凝土,这种方法既费时、投资又大,因此许多国家都在开展用灌浆方法原位加固以替代传统方法的研究,而难点在于当时已有的化灌浆材均无法灌入低渗透性的软弱地层(特别是泥化夹层),使其由土性变为岩性。至八十年代前期,我国著名的化学灌浆创始人之
一、中国科学院广州化学研究所研究员叶作舟老先生带领的课题组与武警水电二总队共同努力,用新研制的高渗透改性环氧化灌浆材和水泥-化灌复合灌浆的方法于1981-1984年在陈村大坝F32断层、二滩坝基Ⅲ类岩、正长岩可研究利用段和G4劈理带,简称三地现场试验取得了成功。1986年2月中国科学院组织院级鉴定,评审专家一致认为这是一项居国内外领先水平的成果;1987年开始大规模应用处理大坝软基G4劈理带取得成功后,获国际大坝会议参观的专家们的一致赞誉。该项成果的应用成功,在世界上开创了用水泥-化灌浆材复合灌浆方法原位加固低渗性软弱地层以替代传统开挖回填方法的先例,曾被载入“中国水力发电年鉴”(1990年);该项成果和专利分别获得中国科学院科技进步一等奖、第二届国际专利与新技术新产品展金奖、中国专利优秀奖。
在中化-798浆材的三地试验取得成功后,国内一些科研单位和大专院校相继开展了改性环氧类化灌浆材的研究,一批改性环氧化灌浆材陆续的在不同的工程中得到应用,形成了百花齐放的局面,尤其长科院研制的CW改性环氧浆材,在三峡大坝成功应用,开创了水电建设中原位加固工程中用浆量最大的纪录。中化-798浆材的广泛应用和CW浆材在三峡工程中的应用再次表明了化学灌浆在重大工程中应用的可靠性在我国得到了确认,从而大大的推动了改性环氧化灌浆材在工程中的应用。
改性环氧化灌浆材之所以能在国内水电、交通、建筑行业中应用越来越广,一是因为改性环氧类浆材具有优良的力学性能,优异的耐老化、耐水和耐腐蚀性,用于混凝土裂缝补强其力学性能和耐久性优于其他高分子化灌浆材;少数具有高渗透性的改性环氧浆材用于水电大坝低渗透性软弱基础的原位加固和混凝土微细裂缝的补强加固效果良好。二是众多科研单位还在不断的深化研究和改进创新,中化-798浆材的研制者便是其中之一。
2不断改进创新的中化-798浆材
大坝基础原位加固应用成功后,课题组按照鉴定专家组的建议,申请到国家自然科学基金和省自然科学基金课题对中化-798化灌浆材的渗透机理和浆材各组分间的反应机理开展了应用基础理论的研究,几年对渗透机理的研究结果表明:
否定了美国化学灌浆权威专家认为化学浆液的粘度是影响浆液渗透性的唯一因素的结论;指出化灌浆液的渗透性是由浆液与被灌岩土的接触角、浆液的表面张力、岩土的表面张力及两者之间的界面张力相互间的影响规律所决定的;以往只注意浆液的表面张力是不全面的,具有优异渗透性的浆液应具有适当的表面张力和小的浆-固结面张力,并应是被灌介质的优先润湿相[1]。加入合适的添加剂可以调整浆液的表面张力。
浆液与被灌介质(固相)之间的亲和力或吸附张力[2]F=бiCOSθ,所以,浆液的接触角θ越小,对同一种浆液而言亲和力越大;浆液要进入饱水的低渗性地层或有流动水的裂缝止水,则其浆液对被灌介质的亲和力必须大于水对该介质的亲和力。
吸渗现象存在于低渗透性的被灌岩土中,具有吸渗性的浆液才能在被灌介质中产生吸渗而提高化灌效果,尤其是夹泥的吸浆固结改性对获得整体固结效果具有关键作用。浆液具有吸渗性的充分必要条件是浆液对被灌夹泥层的亲和力必须大于孔隙水与该夹泥层的亲和力。
目前,国内的改性环氧化灌浆材,绝大多数都与中化-798浆材一样,主剂都是双酚A环氧树脂与糠醛、丙酮;固化剂都是可常温固化的脂肪胺类或混合胺;然而,各种配方的浆材其渗透性、力学性能、收缩性、对有水裂缝的堵水性能及耐久性等差别较大。造成各种改性环氧浆材上述各种性能差别较大的原因,除各自配方中各组份的配比不同、固化剂不同之外,还与添加剂及配制工艺有关,几年来对浆材各组份间的反应机理研究表明:
通过加入添加剂等方式促成或抑制组分间的某些反应,提高某些中间产物含量或副产物含量可以提高浆材固结体的力学性能和渗透性能[3]。
使通常认为是非活性溶剂的丙酮活化、变为活性稀释剂参与反应联接到固结体的网络结构中,对减少固结体的收缩性、提高其韧性及耐老化性是十分重要而且完全能做到的。
在二次配浆前让糠醛参与反应,不仅对提高浆材的力学性能和耐老化性能是必要的,还可以使浆材更加符合环保要求。
3具有止水和加固双功能的中化-798-Ⅲ浆材(KH-3)
浆材的性能:KH-3浆材针对工程中不同地质、材质情况和设计的要求,配制成三种不同的型号,其性能见表1、表2。
与同类改性环氧浆材相比具有的特点:
保持优良的力学性能的同时,渗透性能更加优异,可灌入K=10-6～10-8cm/s饱水的低渗透性地层中,也可灌入0.006mm的微细裂缝和1μm的微孔隙中。
配方调整后可将材料中的非活性稀释剂丙酮活化率大大提高,使绝大部分丙酮分子参加了反应,从而进一步减小了固结体的收缩性,提高了固结体耐老化、耐腐蚀的性能。而其他改性环氧浆材,基本上未能将丙酮由非活性变为活性或活化程度较低。有的改性环氧浆材用于处理大坝软弱基础后钻取的岩芯在放置一段时间后,岩芯中固结的浆脉与岩土间就发生龟裂,就是因为丙酮活化不够,固结的浆脉中的小分子丙酮从固结体中溢出引起固结体收缩造成的;而我们的岩芯样放置几年也不会有任何龟裂。
在产品生产过程中加入的添加剂促进了丙酮和糠醛预先反应,从而化解了糠醛的毒性问题,使该材料在施工时更加符合环保要求,且固结体无毒、无污染。我们用150g浆材的胶砂体粉碎后在150g自来水中浸泡150天后进行检测,未发现浸泡水中存在有害有机物,符合地面二级水标准。
浆材具有局部的亲水和整体的排水功能,因而不仅可以在有水裂缝施工,还可以在有动态水的裂缝施工,具有止水与补强双重功能。
具有性价比优势,与打进中国市场的同类环氧材料相比,渗透与力学性能远优于国外改性环氧浆材产品,而价格只有国外产品价格(150～180元/Kg)的三分之一。
浆材的适用范围:
对水库大坝基础的断层破碎带和低渗透性(K≤10-6cm/s)软弱泥化夹层的原位固结灌浆、加固、改性(变土性为岩性),避免开挖回填,效果最为显著。
能对有渗漏水的裂缝进行堵水灌浆补强。
各种混凝土建筑物的梁、柱、墙、地面的细微裂缝的灌浆,使其整体强度得以恢复,起补强、防水作用,对桥梁、地下建筑、港口码头、机场跑道、水库坝体的裂缝和基岩裂缝的堵水补强加固。
不合格混凝土桩和混凝土蜂窝缺陷的修复补强。
古建筑的木结构补强及危险建筑的补强修复(如古塔等)。