高分子灌漿材料防滲加固機理及其在地下混凝土防滲工程應用研究*

張 喆 黃春暉

(陜西工業職業技術學院，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滲性、整體性,并優化地層條件,充分發揮防滲、加固、堵漏、補強等多重作用。灌漿材料歷史悠久,由黏土水泥漿材,發展為化學漿材,最后轉換為現在的新型漿材,而灌漿材料的可灌注性、毒性、強度都實現了顯著提高[1]。其中化學灌漿材料以黏度低、可灌注性良好、可灌注1mm 以內縫隙等優勢特性,實現了在加密灌漿中的普遍應用,且一些化學漿液可進入水能滲入的地方,黏土漿與水泥黏土漿并非真溶液,可灌注尺寸易受限制。作為化學漿材的重要分支,高分子灌漿材料在我國的研究起步相對較晚,環氧樹脂漿材、甲基丙烯酸酯漿材、丙烯酰胺灌漿材料、聚氨酯、木質素灌漿材料等的研發與發展也比較慢[2]。當前高分子灌漿材料在不斷朝著復合方向發展,而高分子材料和無機材料復合生成的漿材,整體性能良好。

1 高分子灌漿材料防滲加固機理

高分子灌漿材料在滲入基體裂縫之后,便會和基體粘結。

1.1 中華-798 系

環氧-糠醛-丙酮體系由1967 年開始便實現了在土建工程混凝土建筑物補強防滲加固中的普遍應用。然而在稀釋劑用量不斷增加的趨勢下,漿材固結體的力學性能迅速降低,導致灌漿效果微乎其微。中華-798 系列灌漿材料基于環氧-糠醛-丙酮體系,添加改性劑與復合增強劑,以活化糠醛-丙酮等羥基化合物,促使其切實參與環氧樹脂固化反應。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,且粘結能力比較強,固化時間于2～15 天之內能夠相對自由控制,價格也相對較低[3]。

1.2 環氧樹脂

環氧樹脂灌漿材料是當前應用最為廣泛的灌漿材料,主要成分是環氧樹脂加固化劑、稀釋劑、促進劑、增塑劑等[4]。凝結時間控制在幾分鐘到幾十分鐘,具有強度高、粘結力大、收縮小、可常溫固化等特征,關鍵作用是固結灌漿,灌筑混凝土結構裂縫,強化地基強度,恢復混凝土整體性。環氧樹脂的不足在于黏度過高,可灌注性較差。對此可通過添加大量有機溶劑或者改性環氧樹脂材料加以解決,但是因為有機溶劑易于影響環境,所以經常以改性環氧樹脂材料方式彌補其缺點。

基于超聲分散法,通過聚天門冬氨酸酯和異氰酸酯結合生成脂肪族耐老化高分子材料,并添加納米二氧化硅、有機硅烷偶聯劑、活性稀釋劑,以此制備生成納米二氧化硅/聚脲復合材料-CW 系列混凝土表面修護材料,其具備環保性與高耐侯性,且粘結力較強,干燥與潮濕面可自由切換施工,可以切實提升混凝土結構抗紫外老化、抗沖磨、抗滲透、抗凍融、抗侵蝕等性能,施工簡單有序,可在病險水庫除險加固中實現普遍應用,可在大壩、水庫混凝土表面防護與裂縫修補中實現廣泛應用,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,滲透性較好,可灌入0.1mm 之內的裂縫,彈性與可變性良好,凝膠體抗滲性較優,凝膠體抗壓強度偏低,不會受配方的影響,凝結時間可以嚴格控制在數秒鐘乃至幾小時之內,比較適合應用于水環境,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境污染,以此推動了甲基丙烯酸酯灌漿材料研究以及在土木工程中的實際應用。甲基丙烯酸酯灌漿材料主要以甲基丙烯酸酯作為主劑,以油溶性引發劑、促進劑、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,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]。凝結時間可以就實際需求適度調整,特征是黏度較低,可灌注性良好,且力學強度較高,經常應用在混凝土裂縫補強灌漿中,但是收縮比較大,并且在有水時無法固化。新型無毒丙烯酸灌漿材料交聯劑,便是通過交聯劑所合成的丙烯酸鹽灌漿材料,不僅黏度低,固沙體抗壓強度高,且凝膠滲透系數偏低,抗擠壓能力較強,屬于環保型防滲堵漏材料。

1.5 聚氨酯

聚氨酯灌漿材料主要基于聚氨酯預聚體和添加劑共同構成,可劃分為油溶性、水溶性、彈性三大類,凝結時間由幾秒到幾十分鐘,防滲性能良好,強度穩定,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過程中會產出大量二氧化碳氣體,通過自身壓力造成漿液擴散,以此強化灌漿效果,而水溶性與彈性聚氨酯灌漿材料的形變能力較強,但是在失水之后會發生收縮,吸水之后則會迅速恢復。

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、增強劑、促進劑、阻滯劑、消沫劑,以此制備生成。其不僅滲透性良好,固化時間可調節,而且凝膠體較為穩定,無毒,調制方便,固結強度非常高,不僅可應用在防滲堵漏中,還可以應用于固結補強。

1.7 木質素

木質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間控制在幾分鐘到幾十分鐘,可通過紙廠廢紙實現廢物利用,因此成本較低,并且膠凝時間與可灌注時間可以適度調整[8]。但是木質素的強度相對不足,對于人體皮膚會造成一定傷害,如果利用重硫酸鹽當作膠凝劑,還會引發生態環境污染。

2 高分子灌漿材料在混凝土堵漏工程中的應用

2.1 工藝流程分析

混凝土防滲堵漏工程中應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 現場調查

在開始灌漿前,工作人員需詳細勘查現場狀況,充分了解地質條件、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,測量裂縫詳細資源,以便于開展施工。利用鋼尺或其他工具測量裂縫寬度,通過鋼絲或放大鏡精確測量裂縫深度。在裂縫發生在混凝土結構關鍵位置時,需鉆孔取樣,通過室內試驗明確裂縫走向與深度。若是地質條件太過復雜,那么應基于鉆孔電視、超聲波、鉆孔攝像等技術獲取相關資料。

2.1.2 鑿縫

對裂縫周圍砂漿進行徹底清理,并處理成U 型槽,深度值應基于實際情況加以確定,通常控制在4～9cm 間。通過漏水混凝土數量確定實際寬度,一般約4cm。

2.1.3 清縫

將槽內殘留物清理干凈,確保干燥干凈,還應防止存在殘留物或者水。

2.1.4 布孔埋管

在裂縫兩側設置注漿孔,把長度適中的注漿管預埋設于注漿孔位置,在布設注漿孔的時候,數量多少應與裂縫寬度、間距寬度息息相關,越寬越大則布設數量越多,各裂縫至少設置兩個注漿孔。

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,確保未留有空隙,并使用混凝土砂漿抹平裂縫頂部,以保障不會發生漏水現象。

2.1.6 灌漿

在正式開始灌漿前,需調整關鍵材料性能保持最佳狀態,并利用注漿泵澆灌到裂縫內。為提升灌漿效率與質量,可采用真空灌漿技術,即在裂縫一端利用真空泵面向裂縫抽取真空,促使裂縫內部出現0.1MPa 真空度,并利用注漿泵由另一端灌入灌漿材料。此技術優點是可強化裂縫灌漿飽滿度、密實度、耐久度。

2.1.7 封孔

在結束灌漿工作之后,將多余注漿管應及時切除,以修正表面。

在防滲堵漏工程完成后,需全方位詳細檢查施工質量。可采取表觀檢查法,在工程施工結束之后,查看灌漿位置,明確補灌混凝土結構與標準相符,以此確定補灌質量；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,詳細觀察兩側是否出現漏水,以此便可準確評估封縫效果。

2.2 實例分析

2.2.1 地鐵與隧道主體結構混凝土工程防滲加固

某市地鐵管理單位通過詳細調查7.4km 洞體滲漏情況,發現其中65 處滲漏位置,其中23 處嚴重漏水位置。地鐵隧道滲漏水導致環境不斷惡化,通過檢測發現道岔電動精轍機對地電阻值是600MΩ,走行軌道處于潮濕狀態,電壓信號極其不穩定,軌道和地面絕緣,導致信號無法傳輸,且鋼軌嚴重銹蝕,腹板從15mm 銹蝕剝落到11mm。在此條件運行地鐵,已經嚴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相關專家做了專業論證,決議采取丙凝與氰凝作為主要材料,以此進行灌漿處理,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,并根據方案設計位置進行注漿管下放,利用快硬性水泥砂漿抹平U 型槽。注漿需嚴格遵循從下到上的順序完成,在裂縫內的水抽除干凈之后,且上部注漿管流出新鮮漿液的時候,停止灌漿,并進入下一施工段灌漿工作。值得注意的是地鐵為地下工程,在灌漿處理時需要加強通風[10]。

2.2.2 地鐵風亭混凝土修補工程防滲堵漏

某市地鐵風亭風道地下主體結構工程出現了幾十條條狀裂縫,最大寬度可達到0.8mm,滲水現象十分嚴重。對此,施工企業通過對比分析大量灌漿材料與工藝,以試驗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,使得工程一次性驗收通過。

2.2.3 大壩壩基混凝土工程防滲加固

在實際應用中,低滲透介質灌漿理論實現了突破性發展,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,在固結后,夾層硬度還會得以提高,非常堅硬,壓縮強度可達到34MPa,變形模量可達到125GPa,基于確保灌漿質量,可節約工程成本。

3 結論

總而言之,高分子灌漿不僅簡單便捷,且迅速有效,既能夠防滲堵漏,又能夠加固結構。而既有防滲堵漏材料,水溶性良好但強度偏低,固結補強材料強度較高但水溶性偏差,一般工程要求防滲堵漏與固結補強作用同時具備,所以在混凝土堵漏工程合理利用高分子灌漿材料勢在必行,可有效發揮其防滲加固機理,可彌補單一材料缺陷,且可就實際需求綜合應用各種材料,彼此互補,綜合利用,從而最大程度上有效發揮各種材料優勢特征。未來高分子灌漿材料逐漸朝向多方向發展,即灌漿技術與其他工藝融合、材料黏度實現兩極化(低黏度、高滲透、高濃度、易流動稠漿)、灌漿材料綠色環保又無毒無污染、灌漿工藝實現標準化、灌漿機械實現自動化。