CW系环氧树脂化学灌浆材料的研究及应用

汪在芹，魏 涛，李 珍，蒋硕忠，薛希亮

(长江科学院a.院长办公室;b.材料与结构研究所;c.科学技术委员会，武汉 430010)

1 CW系环氧树脂化学灌浆材料研究

CW系环氧树脂化学灌浆材料关键技术研究，是在保证固化物具有高强度的同时提高浆材的渗透性和浸润能力。浆材的渗透性和浸润能力不仅取决于黏度而且还取决于亲和力和表面张力，以此为出发点进行浆材研究和配方设计。

1.1 环氧树脂类型的选择

环氧树脂是指分子结构中含有环氧基的高分子化合物，它是一大类树脂的总称。由于结构上的不同，有不同类型的环氧树脂，以往用作灌浆材料的环氧树脂类型为E-44型。它具有黏接力强、收缩性小、稳定性高等优点;主要缺点是低温条件下，黏度很大，需加热才能从容器中倒出，操作不方便，且有安全隐患。为此，在查阅大量资料的基础上，做了大量试验，并考虑价格因素，选用了CYD型环氧树脂。它除了能保持E-44环氧树脂的优点外，还具有低温条件下，黏度相对较低、操作简便、价格适中的特点，可改变过去配浆时的繁琐程序。2种型号环氧树脂的主要性能指标如表1所示。

1.2 固化剂的选择

环氧树脂的固化剂种类很多，如脂肪族胺类、芳香族胺类和各种胺改性物、有机酸及其酸酐、树脂类固化剂等，化学灌浆主要要求固化剂能在室温、低温、干燥、潮湿和水下等条件下固化。过去多采用乙二胺、多乙烯多胺、半酮亚胺等，它们的主要缺点是刺激性气味太浓，不利于人身健康，且在有水条件下固化反应难于进行。为此，我们根据环氧树脂固化的原理和环氧树脂固化物脆性的特点，通过大量试验选用了CD固化剂。它是一种高分子固化剂，且可根据不同的要求，使分子链端带上能促进反应的官能团;它的主要特性是能在低温和水中固化，能在一定程度上改善环氧树脂的脆性，气味小、毒性低。其主要指标如表2所示。

表1 2种型号环氧树脂的主要技术指标Table 1 The main technical properties of two types of epoxy resin

表2 CD固化剂的主要性能指标Table 2 The main physical properties of CD hardener

1.3 最佳固化剂含量的确定

保持浆材中其它组分一定的情况下，通过改变固化剂用量来确定最佳固化剂用量，试验结果如表3所示。

从表3可以看出，当固化剂含量为30%时，聚合体的力学强度最高。这是因为固化剂用量太少，不能满足环氧树脂浆液完全固化的要求，形成的聚合物平均分子量很低，因此强度很低;固化剂用量太多时，多余的固化剂游离出来，找不到反应对象，所以固化后，聚合物的分子量同样很低。可见，固化剂用量过多或过少，都会影响固化物的交联密度，使固化物的力学性能受到影响，所以在实际应用时必须准确称取固化剂的量。

表3 CD固化剂的用量对固化物抗压强度的影响Table 3 The effect of the amount of CD hardener on compressive strength

1.4 稀释剂选择

由于环氧树脂本身黏度很大，直接用于灌浆可灌性不好，因此需要加稀释剂来降低环氧树脂的黏度。目前所用的稀释剂主要有3大类:第1类为非活性稀释剂，如苯、甲苯、二甲苯及丙酮等，它们在固化过程中会挥发，会引起较大的体积收缩，且其本身不参加环氧树脂的反应，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类为含有1个或1个以上环氧基团的低分子化合物，如环氧丙烷丁烯醚(501#)、三羟基丙烷缩水甘油醚等，它们能参与固化反应，由于这些化合物本身黏度较大，故稀释效果较差，使浆液的可灌性受到一定的限制。第3类为糠醛-丙酮稀释体系，糠醛和丙酮都是黏度很低的有机溶剂，在反应前可以作为环氧树脂有效的稀释剂，同时也能相互反应生成呋喃树脂，且可以和环氧树脂一起生成交联的互穿网状结构;它的主要作用有:①降低了浆液的黏度，提高了对细微裂隙的可灌性;②增加了固化物的韧性。为此我们选择了糠醛-丙酮稀释体系。

1.5 表面活性剂Tp的作用

要使化学灌浆材料能够灌入到泥化夹层及其混凝土微细裂缝中，在浆液配方设计中要考虑的核心问题是根据不同的处理对象，最大限度地提高浆液的浸透性，它的理论依据是自由能总是自发地向减少的方向进行。

吉布斯吸附公式为

式中:T2为溶质在单位面积表面的吸附量(mol/m2);c为本体溶液浓度(g/kg);t为温度(℃);r为表面张力(mN/m);R为常数。

按照吉布斯吸附公式，在选择表面活性剂时一定要使dr/dc＜0，最大限度地降低浆液的表面张力，增加浆液的可灌性，但表面活性剂的加入又会使聚合物的耐水性下降。为此，我们在表面活性剂的分子结构设计上，使其分子链的一端带上能与环氧反应的官能团(-NH2)，选择了Tp表面活性剂。它是带有氨基的表面活性剂，它的加入，在反应初期，起到了降低浆液黏度和表面张力的作用;反应后期，它又参与反应，使之与环氧树脂交联在一起，不会引起聚合物耐水性的下降。

1.6 CW系环氧树脂化学灌浆材料的主要性能

CW系环氧树脂化学灌浆材料的主要性能见表4。

2 CW系环氧树脂化学灌浆材料的工程应用

近10年来，CW系环氧树脂灌浆材料已经分别在三峡、水布垭水、溪洛渡、小湾、江垭、龙滩、构皮滩等国家重点水利工程中得到广泛应用，解决了工程建设中多个与基础加固和混凝土防渗有关的技术难题。其主要工程应用见表5。

2.1 断层破碎带固结灌浆典型实例

2.1.1 三峡工程F215断层破碎带固结灌浆现场试验

三峡工程F215断层带宽1～6 m，构造岩胶结差，风化强烈，呈疏松-半疏松状。因做过1组以湿磨细水泥为浆体的固结灌浆试验，效果不理想，所以设计提出高喷冲洗，水泥化学复合灌浆的方案。经水泥和CW系环氧树脂灌浆材料复合灌浆后，断层的性质发生了可喜的变化，为断层的处理提供了一种手段;且在2000年12月三峡召开的评审会上，专家们一致认为F215灌浆试验总体达到国际先进水平。现场试验成果如表6所示。

表4 CW系环氧树脂灌浆材料主要性能指标Table 4 The main physical properties of CW Epoxy Resin Chemical Grouting Materials

表5 CW系环氧树脂化学灌浆材料主要应用工程实例Table 5 Typical projects of applying CW Epoxy Resin Chemical Grouting Materials

2.1.2 断层破碎带和泥化夹层加固处理

三峡工程永久船闸和临时船闸F1096，F1050，F215，F548断层都是属于形状相似的断层破碎带和软弱夹层，其主断层带为疏松-半疏松，变形模量在0.2～0.5 GPa之间，对建筑物基础应力传递极为不利，设计单位提出用灌浆法进行加固。其中f1096断层化学灌浆2 610.8 m，F1050 化学灌浆461.05 m，F215和F548化学灌浆共有3 000 m多。采用CW系环氧树脂灌浆材料处理后，泥化及破碎断层岩体有效胶结为整体，浆材在断层泥化夹层中充分渗透、浸润，有效充填断层岩体中大小裂隙，达到了设计指标。

2.2 溶蚀带基础防渗应用典型实例

江垭大坝7#，8#坝段坝基溶蚀带，历经普通水泥、超细水泥、改性灌浆水泥等多次水泥灌浆，透水率仍大于1 Lu，最大达到5.1 Lu，涌水压力一般有0.2 ～0.3 MPa，最大达到0.5 MPa，涌水流量最高达到26 L/min。为解决电站蓄水90 m、溶蚀带中存在压力涌水条件下的基础防渗问题，决定采用长江科学院CW环氧浆材进行灌浆。由湖南省宏禹岩土工程公司施工，共灌入CW浆材近20 t，灌后4个检查孔透水率全部小于 1 Lu，分别为0.616，0.475，0.336，0.172 Lu。CW 浆材有效灌入溶蚀带裂隙，浆材充填密实、饱满，符合设计要求，2001年12月顺利通过验收。

2.3 混凝土裂缝处理应用典型实例

2.3.1 三峡工程永久船闸层面缝渗水处理生产性试验

三峡工程永久船闸地下输水隧洞，灌浆前混凝土层面缝渗水、析钙，且渗水有一定压力，部分部位水压达到0.2 MPa左右，层面缝缝宽0.06 ～0.3 mm。水平层面缝的处理要求:帷幕线以上层面缝黏结强度为0.3 ～0.5 MPa;帷幕线以下为0.7 ～ 1.0 MPa，缝面抗渗指标达到S8设计要求。

长江科学院CW系化灌试验区选在北一延长段NY5，NY8北边墙，共灌入 CW 浆液104.1 L，灌浆试验完成后28 d进行钻孔取芯检查和压水试验。所有芯样完整，缝面填充饱满，浆液扩散渗透到缝面两侧混凝土，缝宽为0.06～0.2 mm，浆材灌入深度＞66 cm，芯样劈拉强度分别为1.61，1.35，1.07 MPa。设计根据化学灌浆试验成果，认为生产性试验获得较为满意的成果，确定长江科学院CW系环氧灌浆材料及其配套施工工艺适用于永久船闸层间缝及温度缝灌浆，因而CW系环氧灌浆材料在永久船闸裂缝灌浆中得以应用。

2.3.2 湖北省江汉航线新城船闸下闸首裂缝处理

湖北省江汉航线新城船闸下闸首显露出13条贯穿性裂缝，裂缝总长约236 m，裂缝宽度0.2～4 mm，由于闸室底板处于地下水位以下，沿缝冒水量较大。经过CW系灌浆材料处理后，沿缝无水渗出。经现场钻孔取芯检查，浆材在裂缝中充填饱满，共取 5 个芯样，劈裂抗拉强度分别为3.1，2.5，2.3，2.1，1.7 MPa，平均抗拉强度(劈裂法)为2.3 MPa。达到设计要求，业主满意。

表6 CW系化学灌浆材料在现场应用时所达到的性能指标Table 6 The applied properties of CW Epoxy Resin Chemical Grouting Materials

3 结语

根据环氧树脂化学灌浆材料对各组分的性能要求，优选后确定CW系环氧树脂化学灌浆材料主要组成为:低黏度环氧树脂为主剂，无毒、高韧性且适合于水中固化的固化体系，以及反应性表面活性剂。此类浆材兼具低黏度、高强度和优异渗透性。

近10年来，长江科学院在灌浆材料方面的研究和应用取得了丰硕成果，创立了CW品牌。其中CW系列高渗透改性环氧树脂灌浆材料在三峡工程中的应用成果达到国际领先水平，分别获得长江水利委员会科技进步一等奖、湖北省科技进步二等奖、国家发明专利和湖北省优秀专利项目奖。自CW灌浆材料在三峡工程应用成功后，已经分别在水布垭、溪洛渡、小湾、江垭、龙滩、构皮滩等国家重点水利工程中得到广泛应用。成功地解决了灌浆材料对岩石断层破碎带和泥化夹层的渗透和固结问题，为较不完善的岩石基础提供了一种新的处理方法，为处理包含有压流动水的基础和混凝土裂缝开辟了以憎水性为主兼亲水性的化灌材料。CW灌浆材料为新建和病害工程整治的基础处理与混凝土裂缝灌浆提供了经济适用、可靠的灌浆材料。

［1］汪在芹，魏 涛，李 珍，等.三峡工程F215断层破碎带灌浆材料试验报告［R］.武汉:长江科学院，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 涛，李 珍，等.三峡水利枢纽F215断层破碎带灌注长科院CW化学浆液现场试验研究报告［R］.武汉:长江科学院，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 涛，李 珍.三峡工程化学灌浆技术［M］.武汉:长江出版社，2008.(WEI Tao，LI Zhen.Chemical Grouting Technology for the Three Gorges Project［M］.Wuhan:Changjiang Press，2008.(in Chinese))