高分子灌漿材料防滲加固機(jī)理及其在地下混凝土防滲工程應(yīng)用研究*

張 喆 黃春暉

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000)

灌漿即將漿液壓送注入于建筑物地基裂縫與斷層破碎帶、建筑物接縫與裂縫,可保障被灌漿地層或者建筑物抗?jié)B性、整體性,并優(yōu)化地層條件,充分發(fā)揮防滲、加固、堵漏、補(bǔ)強(qiáng)等多重作用。灌漿材料歷史悠久,由黏土水泥漿材,發(fā)展為化學(xué)漿材,最后轉(zhuǎn)換為現(xiàn)在的新型漿材,而灌漿材料的可灌注性、毒性、強(qiáng)度都實(shí)現(xiàn)了顯著提高[1]。其中化學(xué)灌漿材料以黏度低、可灌注性良好、可灌注1mm 以內(nèi)縫隙等優(yōu)勢(shì)特性,實(shí)現(xiàn)了在加密灌漿中的普遍應(yīng)用,且一些化學(xué)漿液可進(jìn)入水能滲入的地方,黏土漿與水泥黏土漿并非真溶液,可灌注尺寸易受限制。作為化學(xué)漿材的重要分支,高分子灌漿材料在我國(guó)的研究起步相對(duì)較晚,環(huán)氧樹脂漿材、甲基丙烯酸酯漿材、丙烯酰胺灌漿材料、聚氨酯、木質(zhì)素灌漿材料等的研發(fā)與發(fā)展也比較慢[2]。當(dāng)前高分子灌漿材料在不斷朝著復(fù)合方向發(fā)展,而高分子材料和無機(jī)材料復(fù)合生成的漿材,整體性能良好。

1 高分子灌漿材料防滲加固機(jī)理

高分子灌漿材料在滲入基體裂縫之后,便會(huì)和基體粘結(jié)。

1.1 中華-798 系

環(huán)氧-糠醛-丙酮體系由1967 年開始便實(shí)現(xiàn)了在土建工程混凝土建筑物補(bǔ)強(qiáng)防滲加固中的普遍應(yīng)用。然而在稀釋劑用量不斷增加的趨勢(shì)下,漿材固結(jié)體的力學(xué)性能迅速降低,導(dǎo)致灌漿效果微乎其微。中華-798 系列灌漿材料基于環(huán)氧-糠醛-丙酮體系,添加改性劑與復(fù)合增強(qiáng)劑,以活化糠醛-丙酮等羥基化合物,促使其切實(shí)參與環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)。中華-798 系列灌漿材料滲透能力良好,可灌入滲透性較低的軟弱地層,且粘結(jié)能力比較強(qiáng),固化時(shí)間于2～15 天之內(nèi)能夠相對(duì)自由控制,價(jià)格也相對(duì)較低[3]。

1.2 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂灌漿材料是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的灌漿材料,主要成分是環(huán)氧樹脂加固化劑、稀釋劑、促進(jìn)劑、增塑劑等[4]。凝結(jié)時(shí)間控制在幾分鐘到幾十分鐘,具有強(qiáng)度高、粘結(jié)力大、收縮小、可常溫固化等特征,關(guān)鍵作用是固結(jié)灌漿,灌筑混凝土結(jié)構(gòu)裂縫,強(qiáng)化地基強(qiáng)度,恢復(fù)混凝土整體性。環(huán)氧樹脂的不足在于黏度過高,可灌注性較差。對(duì)此可通過添加大量有機(jī)溶劑或者改性環(huán)氧樹脂材料加以解決,但是因?yàn)橛袡C(jī)溶劑易于影響環(huán)境,所以經(jīng)常以改性環(huán)氧樹脂材料方式彌補(bǔ)其缺點(diǎn)。

基于超聲分散法,通過聚天門冬氨酸酯和異氰酸酯結(jié)合生成脂肪族耐老化高分子材料,并添加納米二氧化硅、有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑、活性稀釋劑,以此制備生成納米二氧化硅/聚脲復(fù)合材料-CW 系列混凝土表面修護(hù)材料,其具備環(huán)保性與高耐侯性,且粘結(jié)力較強(qiáng),干燥與潮濕面可自由切換施工,可以切實(shí)提升混凝土結(jié)構(gòu)抗紫外老化、抗沖磨、抗?jié)B透、抗凍融、抗侵蝕等性能,施工簡(jiǎn)單有序,可在病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固中實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用,可在大壩、水庫(kù)混凝土表面防護(hù)與裂縫修補(bǔ)中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用,可在水利工程防滲抗老中合理利用。

1.3 丙烯酰胺

丙烯酰胺灌漿材料的漿液粘度偏小,在凝膠之前始終處于恒定狀態(tài),滲透性較好,可灌入0.1mm 之內(nèi)的裂縫,彈性與可變性良好,凝膠體抗?jié)B性較優(yōu),凝膠體抗壓強(qiáng)度偏低,不會(huì)受配方的影響,凝結(jié)時(shí)間可以嚴(yán)格控制在數(shù)秒鐘乃至幾小時(shí)之內(nèi),比較適合應(yīng)用于水環(huán)境,即隧道工程防滲堵漏[5]。但是丙烯酰胺灌漿材料極易造成環(huán)境污染,以此推動(dòng)了甲基丙烯酸酯灌漿材料研究以及在土木工程中的實(shí)際應(yīng)用。甲基丙烯酸酯灌漿材料主要以甲基丙烯酸酯作為主劑,以油溶性引發(fā)劑、促進(jìn)劑、增韌劑等作為輔助劑。

1.4 丙烯酸鹽

丙烯酸鹽灌漿材料是基于過量金屬氧化物、氫氧化物、丙烯酸共同反應(yīng),以此制備而成的丙烯酸鹽混合物,然后添加所需組分所生成的低黏度材料[6]。凝結(jié)時(shí)間可以就實(shí)際需求適度調(diào)整,特征是黏度較低,可灌注性良好,且力學(xué)強(qiáng)度較高,經(jīng)常應(yīng)用在混凝土裂縫補(bǔ)強(qiáng)灌漿中,但是收縮比較大,并且在有水時(shí)無法固化。新型無毒丙烯酸灌漿材料交聯(lián)劑,便是通過交聯(lián)劑所合成的丙烯酸鹽灌漿材料,不僅黏度低,固沙體抗壓強(qiáng)度高,且凝膠滲透系數(shù)偏低,抗擠壓能力較強(qiáng),屬于環(huán)保型防滲堵漏材料。

1.5 聚氨酯

聚氨酯灌漿材料主要基于聚氨酯預(yù)聚體和添加劑共同構(gòu)成,可劃分為油溶性、水溶性、彈性三大類,凝結(jié)時(shí)間由幾秒到幾十分鐘,防滲性能良好,強(qiáng)度穩(wěn)定,是很好的防滲加固材料[7]。其中,油溶性聚氨酯灌漿材料在反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)出大量二氧化碳?xì)怏w,通過自身壓力造成漿液擴(kuò)散,以此強(qiáng)化灌漿效果,而水溶性與彈性聚氨酯灌漿材料的形變能力較強(qiáng),但是在失水之后會(huì)發(fā)生收縮,吸水之后則會(huì)迅速恢復(fù)。

1.6 單寧類

單寧類灌漿材料以含有豐富單寧的植物原料生成的凝縮烤膠作為主劑,以水作為溶劑,并添加定量縮合劑、增強(qiáng)劑、促進(jìn)劑、阻滯劑、消沫劑,以此制備生成。其不僅滲透性良好,固化時(shí)間可調(diào)節(jié),而且凝膠體較為穩(wěn)定,無毒,調(diào)制方便,固結(jié)強(qiáng)度非常高,不僅可應(yīng)用在防滲堵漏中,還可以應(yīng)用于固結(jié)補(bǔ)強(qiáng)。

1.7 木質(zhì)素

木質(zhì)素灌漿材料主要以亞硫酸鹽紙漿作為主劑,以過硫酸銨作為固化劑,無毒且防滲堵漏膠凝時(shí)間控制在幾分鐘到幾十分鐘,可通過紙廠廢紙實(shí)現(xiàn)廢物利用,因此成本較低,并且膠凝時(shí)間與可灌注時(shí)間可以適度調(diào)整[8]。但是木質(zhì)素的強(qiáng)度相對(duì)不足,對(duì)于人體皮膚會(huì)造成一定傷害,如果利用重硫酸鹽當(dāng)作膠凝劑,還會(huì)引發(fā)生態(tài)環(huán)境污染。

2 高分子灌漿材料在混凝土堵漏工程中的應(yīng)用

2.1 工藝流程分析

混凝土防滲堵漏工程中應(yīng)用高分子灌漿材料的工藝流程繁雜[9],具體如圖1 所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

在開始灌漿前,工作人員需詳細(xì)勘查現(xiàn)場(chǎng)狀況,充分了解地質(zhì)條件、裂縫成因、滲漏狀況等,在獲取充足資料后開始施工。清理干凈裂縫周圍滲漏水,在干燥處理后,測(cè)量裂縫詳細(xì)資源,以便于開展施工。利用鋼尺或其他工具測(cè)量裂縫寬度,通過鋼絲或放大鏡精確測(cè)量裂縫深度。在裂縫發(fā)生在混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置時(shí),需鉆孔取樣,通過室內(nèi)試驗(yàn)明確裂縫走向與深度。若是地質(zhì)條件太過復(fù)雜,那么應(yīng)基于鉆孔電視、超聲波、鉆孔攝像等技術(shù)獲取相關(guān)資料。

2.1.2 鑿縫

對(duì)裂縫周圍砂漿進(jìn)行徹底清理,并處理成U 型槽,深度值應(yīng)基于實(shí)際情況加以確定,通?？刂圃?～9cm 間。通過漏水混凝土數(shù)量確定實(shí)際寬度,一般約4cm。

2.1.3 清縫

將槽內(nèi)殘留物清理干凈,確保干燥干凈,還應(yīng)防止存在殘留物或者水。

2.1.4 布孔埋管

在裂縫兩側(cè)設(shè)置注漿孔,把長(zhǎng)度適中的注漿管預(yù)埋設(shè)于注漿孔位置,在布設(shè)注漿孔的時(shí)候,數(shù)量多少應(yīng)與裂縫寬度、間距寬度息息相關(guān),越寬越大則布設(shè)數(shù)量越多,各裂縫至少設(shè)置兩個(gè)注漿孔。

2.1.5 封縫

在埋好注漿管之后,使用水泥水玻璃混合漿液浸入縫隙之內(nèi),確保未留有空隙,并使用混凝土砂漿抹平裂縫頂部,以保障不會(huì)發(fā)生漏水現(xiàn)象。

2.1.6 灌漿

在正式開始灌漿前,需調(diào)整關(guān)鍵材料性能保持最佳狀態(tài),并利用注漿泵澆灌到裂縫內(nèi)。為提升灌漿效率與質(zhì)量,可采用真空灌漿技術(shù),即在裂縫一端利用真空泵面向裂縫抽取真空,促使裂縫內(nèi)部出現(xiàn)0.1MPa 真空度,并利用注漿泵由另一端灌入灌漿材料。此技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是可強(qiáng)化裂縫灌漿飽滿度、密實(shí)度、耐久度。

2.1.7 封孔

在結(jié)束灌漿工作之后,將多余注漿管應(yīng)及時(shí)切除,以修正表面。

在防滲堵漏工程完成后,需全方位詳細(xì)檢查施工質(zhì)量?？刹扇”碛^檢查法,在工程施工結(jié)束之后,查看灌漿位置,明確補(bǔ)灌混凝土結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)相符,以此確定補(bǔ)灌質(zhì)量；可采取蓋帽灌漿法,在埋好注漿管18h 之后,于注漿管頭上鋪蓋膠管套,并加以固定,詳細(xì)觀察兩側(cè)是否出現(xiàn)漏水,以此便可準(zhǔn)確評(píng)估封縫效果。

2.2 實(shí)例分析

2.2.1 地鐵與隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土工程防滲加固

某市地鐵管理單位通過詳細(xì)調(diào)查7.4km 洞體滲漏情況,發(fā)現(xiàn)其中65 處滲漏位置,其中23 處嚴(yán)重漏水位置。地鐵隧道滲漏水導(dǎo)致環(huán)境不斷惡化,通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)道岔電動(dòng)精轍機(jī)對(duì)地電阻值是600MΩ,走行軌道處于潮濕狀態(tài),電壓信號(hào)極其不穩(wěn)定,軌道和地面絕緣,導(dǎo)致信號(hào)無法傳輸,且鋼軌嚴(yán)重銹蝕,腹板從15mm 銹蝕剝落到11mm。在此條件運(yùn)行地鐵,已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了行車及乘客生命安全。因此市地鐵管理單位邀請(qǐng)相關(guān)專家做了專業(yè)論證,決議采取丙凝與氰凝作為主要材料,以此進(jìn)行灌漿處理,從而獲得了良好效果。

施工方式具體為,利用真空泵吸水,以促使裂縫水壓下降,并鑿縫處理,生成U 型槽,并根據(jù)方案設(shè)計(jì)位置進(jìn)行注漿管下放,利用快硬性水泥砂漿抹平U 型槽。注漿需嚴(yán)格遵循從下到上的順序完成,在裂縫內(nèi)的水抽除干凈之后,且上部注漿管流出新鮮漿液的時(shí)候,停止灌漿,并進(jìn)入下一施工段灌漿工作。值得注意的是地鐵為地下工程,在灌漿處理時(shí)需要加強(qiáng)通風(fēng)[10]。

2.2.2 地鐵風(fēng)亭混凝土修補(bǔ)工程防滲堵漏

某市地鐵風(fēng)亭風(fēng)道地下主體結(jié)構(gòu)工程出現(xiàn)了幾十條條狀裂縫,最大寬度可達(dá)到0.8mm,滲水現(xiàn)象十分嚴(yán)重。對(duì)此,施工企業(yè)通過對(duì)比分析大量灌漿材料與工藝,以試驗(yàn)選擇了以聚氨酯灌漿材料為主要成分的泌必止,防滲堵漏加固效果顯著,使得工程一次性驗(yàn)收通過。

2.2.3 大壩壩基混凝土工程防滲加固

在實(shí)際應(yīng)用中,低滲透介質(zhì)灌漿理論實(shí)現(xiàn)了突破性發(fā)展,即中華-798 系灌漿材料可充分滲透到泥化夾層中去。某大壩壩基在灌漿過程中,選用了798 系灌漿材料,不僅可滲透K 值于10-6～10-8cm/s 間的軟弱夾層中,在固結(jié)后,夾層硬度還會(huì)得以提高,非常堅(jiān)硬,壓縮強(qiáng)度可達(dá)到34MPa,變形模量可達(dá)到125GPa,基于確保灌漿質(zhì)量,可節(jié)約工程成本。

3 結(jié)論

總而言之,高分子灌漿不僅簡(jiǎn)單便捷,且迅速有效,既能夠防滲堵漏,又能夠加固結(jié)構(gòu)。而既有防滲堵漏材料,水溶性良好但強(qiáng)度偏低,固結(jié)補(bǔ)強(qiáng)材料強(qiáng)度較高但水溶性偏差,一般工程要求防滲堵漏與固結(jié)補(bǔ)強(qiáng)作用同時(shí)具備,所以在混凝土堵漏工程合理利用高分子灌漿材料勢(shì)在必行,可有效發(fā)揮其防滲加固機(jī)理,可彌補(bǔ)單一材料缺陷,且可就實(shí)際需求綜合應(yīng)用各種材料,彼此互補(bǔ),綜合利用,從而最大程度上有效發(fā)揮各種材料優(yōu)勢(shì)特征。未來高分子灌漿材料逐漸朝向多方向發(fā)展,即灌漿技術(shù)與其他工藝融合、材料黏度實(shí)現(xiàn)兩極化(低黏度、高滲透、高濃度、易流動(dòng)稠漿)、灌漿材料綠色環(huán)保又無毒無污染、灌漿工藝實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、灌漿機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。