水利行业化学灌浆技术最新研究及应用

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(长江科学院 a.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；b.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

化学灌浆是将一定的化学材料(无机或有机材料)配制成真溶液，用灌浆泵等动力设备将其灌入地层或缝隙内，使其胶凝或固化，从而改善被灌体物理力学性质。

化学灌浆材料是随着化学工业的发展而发展的。由于第二次世界大战的刺激，使得有机化学工业得到了迅速发展，有机高分子化合物作为灌浆材料也开始进入灌浆领域。美国于1951年研制出了丙烯酰胺浆材(AM-9)；日本于1963年研制出同类产品(日东-ss)；1980年美国开始用丙烯酸盐(AC- 400)来代替丙烯酰胺浆材。各国竞相研制出各种新型的化学灌浆材料，如丙烯酰胺灌浆材料、环氧类灌浆材料、聚氨酯类灌浆材料等[1]。

我国在化灌浆材方面的研究始于20世纪50年代，1953年开始研究应用水玻璃作为浆材；水利行业1958年由国家科学技术委员会建立三峡岩基组，提出长江三峡工程深覆盖层防渗补强和坝体砼裂缝补强加固两大课题，并列入了我国“十二年科学发展规划”；1959年5月在北京召开了有关专家灌浆座谈会，随后提出研究报告，指出了木质素磺酸钙对水泥浆有分散作用，同时指出硅酸盐、环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯等材料具有灌浆应用前景。又由于青铜峡、丹江口等大型水电工程的建设，迫切需要化学灌浆，由中国科学院广州化学研究所、中国水利水电科学研究院、长江科学院及华东水利水电勘测设计研究院等单位进行了高分子化学浆材和灌浆技术的系统研究。20世纪60年代研制出了丙烯酰胺类浆材、甲基丙烯酸甲酯和环氧树脂浆材，并用于大坝基础和砼裂缝灌浆处理；70年代开发了聚氨酯系列浆材；80年代开发了丙烯酸盐和酸性水玻璃。这些材料在许多工程中得到了成功应用，从而推进了化学灌浆材料进一步的研究。至今，我国已成功研制了各种类型的灌浆材料，在化学灌浆技术领域取得了突出的成绩，先后研发出水玻璃类、环氧树脂类、甲基丙烯酸酯类、丙烯酸盐类、丙烯酰胺类、脲醛树脂类、铬木质素类及聚氨酯类等多种化学灌浆浆材品种。与此同时，与之配套研制了各种高性能化学灌浆设备，如HGB系列化学灌浆设备。这些设备的使用进一步保证了灌浆的效果与质量，并逐渐形成一套成熟的化学灌浆技术工艺[2]。

化学灌浆技术已先后运用于三峡及澜沧江、金沙江、乌江、大渡河、雅砻江等正在兴建或已建的巨型水利工程，化学灌浆技术也在处理这些工程缺陷中得到了进一步的发展。如澜沧江的小湾电站的混凝土裂缝处理、龙滩F60断层处理、丹江口大坝加高工程河床坝基高水头下防渗帷幕补强灌浆、金沙江向家坝水电站的挤压破碎带处理、雅砻江的锦屏水电站的煌斑岩和断层处理等，这些都堪称世界难题，对化学灌浆技术提出了很高的要求。本文就近年来化学灌浆技术在水工建筑物的最新研究和应用进行总结。

2 化学灌浆材料的最新研究进展

2.1 水玻璃灌浆材料

水玻璃类浆材是由水玻璃溶液和相应的胶凝剂，如盐类、酸类等所组成，灌入地层后，发生反应生成硅酸盐凝胶，充填土(砂)中的孔隙和岩石的裂隙，而起固结和防渗堵漏的作用。水玻璃是化学灌浆中最早使用的一种材料，由于它来源丰富、价格低廉，目前仍然是使用很广的化学灌浆材料之一。在国外，水玻璃类化学灌浆材料广泛地用于矿井、隧道、建筑、煤炭、冶金等领域，如铁路地基的加固、建筑物基础的加固、矿井砂砾石层的地面预注浆和井壁防渗堵漏等。在水利水电工程方面，多用于临时性的工程，如围堰工程的临时堵漏。水玻璃灌浆材料的研究经过无机固化剂、有机固化剂及酸性硅溶胶3个阶段的研究后，已转入浆材服役寿命更长的活性二氧化硅胶体灌浆材料的研制[3]。

2.2 环氧树脂灌浆材料

环氧树脂灌浆材料是使用最为广泛的补强灌浆材料。具有黏接力高、在常温下可固化，固化后收缩小、高机械强度、耐热性及稳定性好等优点。几十年来，随着化学工业科技的发展，相关学者研制出了多种配方，目前已研制出黏度可调、渗透性好且可在低温、潮湿条件下固化的系列环氧树脂灌浆材料。近年来，绿色环保改性环氧灌浆材料的研究与开发方兴未艾，且取得了众多成果。

2.2.1 以糠醛-丙酮稀释体系的环氧树脂灌浆材料

我国水利行业目前比较广泛采用的是用糠醛-丙酮混合稀释剂的环氧树脂灌浆材料。它兼具环氧树脂和呋喃树脂的优良性能，机械强度高，且与岩石和混凝土黏接牢固，耐候性强。这种体系由于糠醛组分的添加往往会产生环境问题。最近几年取代糠醛的研究和低温(0 ℃以下)灌浆材料的研究取得了一定成果。

魏涛等[4]对糠醛-丙酮稀释体系的环氧树脂灌浆材料进行了大量研究， 用低毒的代替品取代糠醛， 所研究的产品不仅保留原糠醛-丙酮稀释体系的环氧树脂灌浆材料低黏度、高强度的所有特点,从而实现了浆液的实际无毒。高南等[5]采用糠醛与含α-H的正辛醛合成了一种改性糠醛3-呋喃基-2-己基-丙烯醛(FHA)， 产物与糠醛相比， 分子量增加、 沸点提高、 挥发度和毒性降低， 可代替毒性大、 易挥发的糠醛作为稀释剂应用于环氧灌浆材料中， 得到了综合性能优异且环保的改性环氧灌浆材料。 邵晓妹等[6]采用活性较高的环氧树脂和低温固化体系，研制出了能在零下8 ℃环境温度条件下具有良好性能的环氧树脂灌浆材料，将该种灌浆材料的适用温域向低温进一步扩展，为西部高寒地区的灌浆材料的成功运用提供技术基础； 长江科学院和广州化学研究所针对大岗山水电站承压热水区(40 ℃)条件下环氧化学灌浆材料的研究， 将环氧化学灌浆材料的适用温域进一步提高至高温40 ℃[7]。

2.2.2 水性环氧树脂灌浆材料

水性环氧灌浆材料以水作为稀释体系，使用安全性强、可用水清洗。环氧树脂灌浆材料的水性化将有很大的发展前景，目前国内已有多家机构在研究水性环氧树脂，魏涛等[8]提出以乳化环氧和乳化固化剂制备水性环氧灌浆材料；李士强等[9]利用二烯丙基胺、二乙醇胺和丙烯酸改性环氧树脂，得到一种阳离子型的水性环氧树脂。

2.3 丙烯酸盐灌浆材料

丙烯酸盐灌浆材料作为丙烯酰胺灌浆材料的替代产品在水利行业一直得到广泛的应用，并解决了水利行业许多防渗难题。但丙烯酸盐化学灌浆材料强度差，且使用的交联剂甲撑双丙烯酰胺为具有中等毒性的化合物。最近几年丙烯酸盐灌浆材料的研究方向主要集中在交联剂研发和如何提高其强度。

何巍等[10]研发了新的交联剂替代甲撑双丙烯酰胺，使丙烯酸盐灌浆材料更符合环保的要求，同时新丙烯酸盐浆液中除了有消除毒性的拮抗剂外，还有增加膨胀性能的成分，改进了生产技术，使其性能更加优异。张健等[11]合成了一种环保交联剂，该交联剂无毒且可溶于水，取代原丙烯酸盐化学灌浆材料常用交联剂甲撑双丙烯酰胺，解决了甲撑双丙烯酰胺不易溶解和污染环境等问题。以此种交联剂为原料配置的丙烯酸盐化学灌浆材料具有黏度低、流动性好、可灌入细微裂缝、凝胶时间可控、渗透系数低、固砂体抗压强度高等特点。

2.4 聚氨酯化学灌浆材料

聚氨酯类化灌浆材的浆液是以多异氰酸酯和多元醇为主剂，加入一些助剂所组成。近几年对此类浆材的研究主要是以改善浆材的环保性、阻燃性和降低成本为目的。林忠华等[12]提出采用无溶剂化，活性稀释剂加入阻燃剂、采用无机材料和有机材料进行复合、水泥材料和高分子材料进行复合等方法来实现。

3 化学灌浆设备的研究进展

3.1 化学灌浆泵

化学灌浆泵的研发活动一直比较活跃。我国在化学灌浆领域使用的化学灌浆泵从灌浆动力来源看，主要分为手压泵、液压泵、压缩空气驱动化学灌浆泵、以普通交流电机与机械减速装置相结合单向旋转驱动灌浆泵和以普通直流电机与机械减速装置相结合双向旋转驱动灌浆泵。近两年，长江科学院又开发了以步进电机为驱动的新型灌浆泵，该泵可将步进电机的旋转运动转换为直线运动，使活塞在工作缸筒内前后移动，通过工作缸筒内容积变化，完成吸浆和灌浆动作，它具有体积小、质量轻、结构合理、压力稳定可调、使用方便的特点。该化学灌浆泵已获国家实用新型专利授权(专利号：ZL200920268591.5)。

3.2 化学灌浆记录仪

国内目前主要使用的是长江科学院和中大华瑞开发的2种化学灌浆记录仪。长江科学院化灌记录仪在化灌计量方面采用的是比较实用的电子秤，通过记录仪定时读取数据浆液的称重来计算当前流量，排除了人为读数带来的数据不准确性，同时也保证了流量计算的精度。中大JT和HT型化灌记录仪采用的是十分精密的质量计，通过定时读取质量计的信号，计算当前液位的高度变化来计算浆液流量。

3.3 深孔阻塞设备

国内常见的孔内阻塞器有机械挤压式、气压式、水压式3种。机械挤压式阻塞效果不理想，且费工费力；气压式、水压式适合孔内阻塞，实际灌浆中存在串绕浆时很难被发现，且孔较深时，难于拔塞。崔开华等[13]发明了一种孔内阻塞串绕浆报警装置及冲洗串绕浆装置，这种串浆、返浆报警装置主要涉及一种地基基础处理灌浆施工中灌浆塞出现绕塞返浆、串浆等异常情况的报警装置，可有效防止返浆、串浆，减少抱塞、卡塞等孔内事故的发生率。

常规水压式阻塞器只能进行孔口放水，当孔较深时胶囊收缩困难，拔塞困难。王立武等[14]发明了孔内放水水压式阻塞器，成功解决了深孔胶囊收缩问题。

4 化学灌浆规范和标准及相关理论探讨

4.1 相关规范和标准

化学灌浆材料已有《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料规范》(JC/T1041—2007)，《丙烯酸盐灌浆材料》(JC/T 2037—2010)及《聚氨酯灌浆材料》(JC/T 2041—2010)等相关标准。化学灌浆施工有《水工建筑物化学灌浆施工规范》(DL/T5406—2010)等。化学灌浆标准规范的完善使得化灌行业材料技术及施工技术更趋于规范化。

4.2 化学灌浆有关理论探讨

灌浆理论在不断探索与发展，但是主要以水泥浆液的裂隙岩体理论为主，其中包括浆液的流变学(Rheology)、灌浆载体裂隙分布的蒙特卡洛(Monte-Carlo)模拟以及设计试验中的有关灌浆参量的计算公式等。近几年来，任克昌等[15]在连续灌浆理论与计算的基础上，进一步提出了间歇灌浆的原理与计算方法。

5 化学灌浆技术在水工上的应用

最近几年化学灌浆技术在水工建筑物中的基础处理和混凝土裂缝处理中得到大量成功应用。如采用湿磨细水泥+丙烯盐酸化学灌浆的排内复合灌浆，成功解决了丹江口大坝高水头下帷幕补强的难题[16]；采用水泥环氧灌浆材料复合灌浆技术对龙滩F60断层进行处理，避免了形成渗漏通道，造成坝基渗透破坏[17]；采用环氧树脂灌浆材料对小湾水电站分布在坝体内部走向复杂的温度裂缝进行了成功处理，化学灌浆处理后芯样力学强度达到设计要求，有效保证了大坝安全和电站按期蓄水发电。

6 结 语

化学灌浆技术虽然已经得到长足发展，并解决了水工建筑物诸多地质及工程难题，但化学灌浆材料仍然还要向着高性能、环保、低成本研究方向发展。化学灌浆自动记录仪仍需不断改进，提高稳定性和准确性。化学灌浆对象一般都具有隐蔽性和特殊性，实验室模拟比较困难，故化学灌浆理论研究一直是化灌技术发展的薄弱环节。化学灌浆施工和不少施工参数的确定，以往多是靠经验，缺乏理论指导。为了进一步促进化学灌浆技术在多领域推广应用，应加强试验模拟与现场施工工况相似性研究，丰富深化化学灌浆理论，使化学灌浆技术走上可持续发展之路。

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