CW系環(huán)氧樹脂化學灌漿材料的研究及應用

汪在芹，魏 濤，李 珍，蔣碩忠，薛希亮

(長江科學院a.院長辦公室;b.材料與結構研究所;c.科學技術委員會，武漢 430010)

1 CW系環(huán)氧樹脂化學灌漿材料研究

CW系環(huán)氧樹脂化學灌漿材料關鍵技術研究，是在保證固化物具有高強度的同時提高漿材的滲透性和浸潤能力。漿材的滲透性和浸潤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)點進行漿材研究和配方設計。

1.1 環(huán)氧樹脂類型的選擇

環(huán)氧樹脂是指分子結構中含有環(huán)氧基的高分子化合物，它是一大類樹脂的總稱。由于結構上的不同，有不同類型的環(huán)氧樹脂，以往用作灌漿材料的環(huán)氧樹脂類型為E-44型。它具有黏接力強、收縮性小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點;主要缺點是低溫條件下，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上，做了大量試驗，并考慮價格因素，選用了CYD型環(huán)氧樹脂。它除了能保持E-44環(huán)氧樹脂的優(yōu)點外，還具有低溫條件下，黏度相對較低、操作簡便、價格適中的特點，可改變過去配漿時的繁瑣程序。2種型號環(huán)氧樹脂的主要性能指標如表1所示。

1.2 固化劑的選擇

環(huán)氧樹脂的固化劑種類很多，如脂肪族胺類、芳香族胺類和各種胺改性物、有機酸及其酸酐、樹脂類固化劑等，化學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。過去多采用乙二胺、多乙烯多胺、半酮亞胺等，它們的主要缺點是刺激性氣味太濃，不利于人身健康，且在有水條件下固化反應難于進行。為此，我們根據(jù)環(huán)氧樹脂固化的原理和環(huán)氧樹脂固化物脆性的特點，通過大量試驗選用了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反應的官能團;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)氧樹脂的脆性，氣味小、毒性低。其主要指標如表2所示。

表1 2種型號環(huán)氧樹脂的主要技術指標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，通過改變固化劑用量來確定最佳固化劑用量，試驗結果如表3所示。

從表3可以看出，當固化劑含量為30%時，聚合體的力學強度最高。這是因為固化劑用量太少，不能滿足環(huán)氧樹脂漿液完全固化的要求，形成的聚合物平均分子量很低，因此強度很低;固化劑用量太多時，多余的固化劑游離出來，找不到反應對象，所以固化后，聚合物的分子量同樣很低。可見，固化劑用量過多或過少，都會影響固化物的交聯(lián)密度，使固化物的力學性能受到影響，所以在實際應用時必須準確稱取固化劑的量。

表3 CD固化劑的用量對固化物抗壓強度的影響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降低環(huán)氧樹脂的黏度。目前所用的稀釋劑主要有3大類:第1類為非活性稀釋劑，如苯、甲苯、二甲苯及丙酮等，它們在固化過程中會揮發(fā)，會引起較大的體積收縮，且其本身不參加環(huán)氧樹脂的反應，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類為含有1個或1個以上環(huán)氧基團的低分子化合物，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，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類為糠醛-丙酮稀釋體系，糠醛和丙酮都是黏度很低的有機溶劑，在反應前可以作為環(huán)氧樹脂有效的稀釋劑，同時也能相互反應生成呋喃樹脂，且可以和環(huán)氧樹脂一起生成交聯(lián)的互穿網(wǎng)狀結構;它的主要作用有:①降低了漿液的黏度，提高了對細微裂隙的可灌性;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

要使化學灌漿材料能夠灌入到泥化夾層及其混凝土微細裂縫中，在漿液配方設計中要考慮的核心問題是根據(jù)不同的處理對象，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)地向減少的方向進行。

吉布斯吸附公式為

式中:T2為溶質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使聚合物的耐水性下降。為此，我們在表面活性劑的分子結構設計上，使其分子鏈的一端帶上能與環(huán)氧反應的官能團(-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，在反應初期，起到了降低漿液黏度和表面張力的作用;反應后期，它又參與反應，使之與環(huán)氧樹脂交聯(lián)在一起，不會引起聚合物耐水性的下降。

1.6 CW系環(huán)氧樹脂化學灌漿材料的主要性能

CW系環(huán)氧樹脂化學灌漿材料的主要性能見表4。

2 CW系環(huán)氧樹脂化學灌漿材料的工程應用

近10年來，CW系環(huán)氧樹脂灌漿材料已經(jīng)分別在三峽、水布埡水、溪洛渡、小灣、江埡、龍灘、構皮灘等國家重點水利工程中得到廣泛應用，解決了工程建設中多個與基礎加固和混凝土防滲有關的技術難題。其主要工程應用見表5。

2.1 斷層破碎帶固結灌漿典型實例

2.1.1 三峽工程F215斷層破碎帶固結灌漿現(xiàn)場試驗

三峽工程F215斷層帶寬1～6 m，構造巖膠結差，風化強烈，呈疏松-半疏松狀。因做過1組以濕磨細水泥為漿體的固結灌漿試驗，效果不理想，所以設計提出高噴沖洗，水泥化學復合灌漿的方案。經(jīng)水泥和CW系環(huán)氧樹脂灌漿材料復合灌漿后，斷層的性質發(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月三峽召開的評審會上，專家們一致認為F215灌漿試驗總體達到國際先進水平?，F(xiàn)場試驗成果如表6所示。

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

表5 CW系環(huán)氧樹脂化學灌漿材料主要應用工程實例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，對建筑物基礎應力傳遞極為不利，設計單位提出用灌漿法進行加固。其中f1096斷層化學灌漿2 610.8 m，F(xiàn)1050 化學灌漿461.05 m，F(xiàn)215和F548化學灌漿共有3 000 m多。采用CW系環(huán)氧樹脂灌漿材料處理后，泥化及破碎斷層巖體有效膠結為整體，漿材在斷層泥化夾層中充分滲透、浸潤，有效充填斷層巖體中大小裂隙，達到了設計指標。

2.2 溶蝕帶基礎防滲應用典型實例

江埡大壩7#，8#壩段壩基溶蝕帶，歷經(jīng)普通水泥、超細水泥、改性灌漿水泥等多次水泥灌漿，透水率仍大于1 Lu，最大達到5.1 Lu，涌水壓力一般有0.2 ～0.3 MPa，最大達到0.5 MPa，涌水流量最高達到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防滲問題，決定采用長江科學院CW環(huán)氧漿材進行灌漿。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、飽滿，符合設計要求，2001年12月順利通過驗收。

2.3 混凝土裂縫處理應用典型實例

2.3.1 三峽工程永久船閘層面縫滲水處理生產性試驗

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強度為0.3 ～0.5 MPa;帷幕線以下為0.7 ～ 1.0 MPa，縫面抗?jié)B指標達到S8設計要求。

長江科學院CW系化灌試驗區(qū)選在北一延長段NY5，NY8北邊墻，共灌入 CW 漿液104.1 L，灌漿試驗完成后28 d進行鉆孔取芯檢查和壓水試驗。所有芯樣完整，縫面填充飽滿，漿液擴散滲透到縫面兩側混凝土，縫寬為0.06～0.2 mm，漿材灌入深度＞66 cm，芯樣劈拉強度分別為1.61，1.35，1.07 MPa。設計根據(jù)化學灌漿試驗成果，認為生產性試驗獲得較為滿意的成果，確定長江科學院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CW系灌漿材料處理后，沿縫無水滲出。經(jīng)現(xiàn)場鉆孔取芯檢查，漿材在裂縫中充填飽滿，共取 5 個芯樣，劈裂抗拉強度分別為3.1，2.5，2.3，2.1，1.7 MPa，平均抗拉強度(劈裂法)為2.3 MPa。達到設計要求，業(yè)主滿意。

表6 CW系化學灌漿材料在現(xiàn)場應用時所達到的性能指標Table 6 The applied properties of CW Epoxy Resin Chemical Grouting Materials

3 結語

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

近10年來，長江科學院在灌漿材料方面的研究和應用取得了豐碩成果，創(chuàng)立了CW品牌。其中CW系列高滲透改性環(huán)氧樹脂灌漿材料在三峽工程中的應用成果達到國際領先水平，分別獲得長江水利委員會科技進步一等獎、湖北省科技進步二等獎、國家發(fā)明專利和湖北省優(yōu)秀專利項目獎。自CW灌漿材料在三峽工程應用成功后，已經(jīng)分別在水布埡、溪洛渡、小灣、江埡、龍灘、構皮灘等國家重點水利工程中得到廣泛應用。成功地解決了灌漿材料對巖石斷層破碎帶和泥化夾層的滲透和固結問題，為較不完善的巖石基礎提供了一種新的處理方法，為處理包含有壓流動水的基礎和混凝土裂縫開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處理與混凝土裂縫灌漿提供了經(jīng)濟適用、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報告［R］.武漢:長江科學院，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斷層破碎帶灌注長科院CW化學漿液現(xiàn)場試驗研究報告［R］.武漢:長江科學院，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.三峽工程化學灌漿技術［M］.武漢:長江出版社，2008.(WEI Tao，LI Zhen.Chemical Grouting Technology for the Three Gorges Project［M］.Wuhan:Changjiang Press，2008.(in Chinese))