环氧灌浆料在石英砂界面的吸附特性研究

刘建成，陈礼仪，叶长文，王　胜

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都　610059；2.四川省文物考古研究院，成都　610041)



环氧灌浆料在石英砂界面的吸附特性研究

刘建成1,2，陈礼仪1，叶长文1，王胜1

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059；2.四川省文物考古研究院，成都610041)

摘要：为探究环氧灌浆料在石英砂界面的吸附特性，利用石英砂制作填砂模型，以吸附量为指标，着重考察注浆压力、含水率、温度等对环氧灌浆料在石英砂界面吸附特性的影响。试验结果表明：环氧灌浆料在石英砂界面的吸附量随着注浆压力(p<0.7 MPa时)的升高先增大，而后当注浆压力超过一定值(p>0.8 MPa)时浆液吸附量随注浆压力升高而逐渐减少；由于环氧树脂和水分子的竞争性吸附关系，浆液吸附量随石英砂含水率的提高而减少，最终达到稳定值；由于浆液吸附受分子活性及浆液黏度的双重影响，浆液吸附量随温度的升高逐渐减少。研究结果可为灌浆工程中注浆压力控制、温度控制及浆液改性等方面提供借鉴。

关键词：环氧树脂；灌浆材料；石英砂；吸附特性；浆液黏度

1研究背景

化学灌浆作为现代岩土工程施工技术的重要组成部分，目前已在岩土、水利、交通、市政、资源、环境等工程领域得到广泛应用。该技术是将一定的高分子材料配制成具有可泵性的流体，用化学灌浆泵等压送设备将其灌入地层或缝隙内，实现加固基础、防水堵漏和混凝土缺陷补强等工程目的。目前国内外在化学灌浆领域取得了许多成绩，开发出系列疏水性高分子浆材，包括环氧树脂、丙烯酸盐等适合各种特殊地层条件的高分子灌浆材料[1-3]。我国于20世纪60年代成功开发的环氧树脂灌浆材料，其固化后力学性能高、抗腐蚀能力强、固化收缩率小、适用范围广，在工程领域得到广泛应用。

化学灌浆属于一个“注油驱水/气”过程。当高分子材料被注入地层或缝隙后，以渗透、充填和挤密等方式赶走介质中的水分或空气，占据该空间，实现凝结固化。其灌浆效果与浆液和岩土颗粒界面间的相互作用密切相关。

针对化学灌浆的施工环境和应用特性，国内外学者基于达西(Darcy)定律，对高分子浆液和岩土颗粒界面的相互作用关系开展了理论研究。叶林宏等[4]研究了浆液与岩土间的湿润性和亲和力,并试验验证了吸渗的存在，阐述了吸渗性在化学灌浆中的意义和应用；张瑛颖等[5]进一步研究了浆液的吸渗性，讨论了吸渗产生的条件及吸渗在化学灌浆中所起到的作用；韩同春[6]认为化学浆液在岩土双重孔隙介质中的流动是一个二相驱替过程，并对这一过程建立方程进行描述并求解。这些研究分别从不同角度探讨了化学浆液与岩土介质间的相互作用，但鲜有从吸附的角度研究化学浆液和岩土颗粒界面相互作用关系。

本文以石英砂颗粒为化学灌浆被加固介质，模拟环氧灌浆料在石英砂中的灌浆过程。以吸附量为指标，重点研究温度、注浆压力和石英砂含水率对环氧灌浆料在石英砂界面吸附的影响，具体探讨了环氧灌浆料在石英砂界面的吸附特性。

2吸附作用的基础理论

当流体与多孔介质表面接触时，流体或流体中的某些组分在固体介质表面产生积累，这种现象称为吸附作用。在岩土工程灌浆领域，吸附作用是指各类灌浆材料通过岩土多孔介质时，浆液积累于岩土体孔洞或裂隙表面的现象。其中固体介质称为吸附剂，被吸附的浆液称为吸附质。从吸附质与吸附剂表面分子间结合力的性质来看，可以将吸附分为化学吸附和物理吸附2类。化学吸附是因吸附质与吸附剂间产生了化学键，如同产生了化学反应，这类吸附往往是不可逆的，并且吸附放热较大；而物理吸附是由吸附剂与吸附质分子间引力产生的，这类吸附形成的吸附结合力较弱，吸附放热比较小。岩土工程灌浆领域中的吸附主要为物理吸附。在多孔岩土体中，固体介质内部分子处于各向受力的平衡状态，而介质表面分子处于临界状态，其相对介质内部的分子而言处于非平衡状态，使得介质具有吸附流过其表面流体分子的能力，这就是表面能的体现。

3试验材料和试验流程

3.1试验材料和仪器

试验所用材料为杭州国电大坝安全工程有限公司生产的环氧灌浆料和四川鑫烽建材有限责任公司生产的石英砂。

试验仪器主要有：电子天平(0.001 g，南京莱步科技实业有限公司生产)；电动注浆泵(济宁同得矿用设备有限公司生产)；D90电动搅拌机(青岛同春石油仪器有限公司生产)；压差传感器(济南百通控制设备有限公司生产)。

3.2试验内容和试验流程

3.2.1环氧灌浆料的配制

环氧灌浆料为双组分浆液，由甲、乙2部分组成。试验前，先将2组分分别摇匀，然后按照厂家推荐的比例加入广口搅拌桶中搅拌。搅拌时，搅拌机转速调至300 r/min，搅拌5 min至浆液颜色均匀。

3.2.2石英砂的选取

试验用石英砂粒度为0.6～1.25 mm。填砂前，将石英砂用蒸馏水多次清洗以去除杂质，洗净后干燥处理。随后将石英砂填充至填砂管中。填砂管为特制有机玻璃管，直径为10 cm，长为50 cm。排水法测得石英砂孔隙度约为39.4%，每次试验所取石英砂为同一批次产品，可以认为每次试验为相同石英砂。

图1　试验流程Fig.1　Flow chart of the experiment

3.2.3试验流程

试验流程如图1所示。将配制好的环氧浆液在注浆泵的作用下持续泵入填砂管，根据吸附前后的质量差，计算环氧灌浆料在石英砂上的吸附量。当压差传感器显示值恒定时，可视为石英砂对浆液的吸附已达平衡，此时可取出填砂管测定其质量。每组试验重复2次，取其平均值为计算值。

4结果与讨论

按照上述方法，测定环氧灌浆料在不同注浆压力下的吸附量；在恒定注浆压力下，测定浆液在不同含水率条件下的吸附量；并在恒定注浆压力下，测定浆液在不同温度下的吸附量。

4.1注浆压力对浆液吸附量的影响

在化学灌浆过程中，化学浆液是通过一定的灌注压力进入到被灌岩土体孔隙中。试验考察了注浆压力从0.4～1.0 MPa，石英砂对环氧灌浆料吸附量的关系，结果如图2所示。

图2　注浆压力对浆液吸附量的影响Fig.2　Effect of groutingpressure on the adsorptionamount of epoxy resingrouting agent

由图2可以看出，环氧灌浆料的吸附量随注浆压力的变化趋势可以分为3个阶段：①在较低的注浆压力下(p<0.7 MPa)，石英砂对灌浆料的吸附量随着注浆压力的增大而不断增大；②在注浆压力为0.7～0.8 MPa时，浆液吸附量趋于一稳定值；③而当注浆压力>0.8 MPa时，石英砂对浆液吸附量明显减小。注浆压力值在0.7～0.8 MPa时，浆液吸附量最大。

吸附是浆液的一种内在属性。当注浆压力值较低时，浆液的吸附主要是由浆液分子与石英界面分子间电性作用力和范德华力(Van der Waals Force)引起的。在较低压力下，浆液可以缓慢接触石英砂颗粒表面，在分子间电性作用力和范德华力的作用下，浆液分子和石英砂表面分子可以形成牢固的黏结。随着注浆压力的逐步升高，浆液分子与石英砂颗粒表面接触机会增加，浆液分子被推向石英砂颗粒表面，使得吸附层逐渐加厚，其吸附量随浆液压力的升高而不断增大。然而，浆液在多孔的石英砂颗粒间流动时，浆液流动的动力将对浆液产生剪切和拉伸作用。一方面，由于动力的多向性及孔道的不规则性，垂直于孔壁方向的动力将浆液分子推向孔壁而使石英砂界面吸附层厚度增加；另一方面，平行于孔壁的方向动力由于黏滞力的作用将拉伸吸附在石英砂界面的浆液分子从而降低吸附层的厚度[7]。因此在较高注浆压力下，浆液的吸附受浆液动力影响较大[8]。

试验中，当注浆压力达到0.7～0.8 MPa时，浆液平行于孔壁的拉伸力和垂直于孔壁所产生的压力及分子间作用达到动态平衡状态，但随着注浆压力的继续增大，浆液平行于孔壁的拉伸力增大，使得部分浆液分子脱离石英砂界面。因而在较大压力下，浆液吸附量随注浆压力增大而逐渐减小。

4.2石英砂含水率对浆液吸附量的影响

图3　石英砂含水率对浆液吸附量的影响Fig.3　Effect of watercontent in quartz sand on theadsorption amount of epoxyresin grouting agent

试验测定了石英砂含水率在0%～9%的情况下环氧灌浆料的吸附量，其结果如图3所示。由图3可以很明显地看出，当石英砂含水率在较低情况下(w<7%)，浆液吸附量随着石英砂含水率的增大而呈下降的趋势；而当石英砂含水率较高时(w>7%)，浆液在石英砂颗粒表面的吸附量不再随含水率的变化而发生明显变化。

当石英砂不含水时(w=0%)，环氧灌浆料在填充石英砂颗粒间隙时，浆液分子与石英砂颗粒之间通过范德华力和分子间电性作用力而产生很强吸附作用，浆液在流经石英砂颗粒表面时，浆液分子将在颗粒表面形成浆液吸附层。而当石英砂含水时，水分子将首先在石英砂颗粒表面形成一层水分子吸附层。根据含水率的不同，吸附层分为2类：在较低含水率条件下(w<7%)，在石英砂颗粒表面形成不连续的水分子吸附层；当含水率较大(w>7%)时，水分子将在石英砂颗粒表面形成连续包被吸附层。环氧灌浆料在进入石英砂颗粒孔隙后，浆液分子将与石英砂颗粒表面的水分子层接触，或与未被水分子层覆盖的颗粒表面接触。

由于环氧灌浆料是一种无定型的憎水性材料，部分浆液将通过分子间范德华力和分子间电性力吸附于未被水分子包被的颗粒表面(w<7%)，另一部分浆液将与水分子层间形成界面，浆液分子将沿两相界面而滑移，进而浆液顺着石英砂颗粒间孔隙通道而流走。浆液在石英砂孔隙流动时，石英砂颗粒被水分子吸附膜层包裹，浆液分子将很难吸附于颗粒表面，仅有少部分浆液分子可以在垂直于孔壁面浆液压力的作用下而被动吸附于石英砂表面，更多浆液分子将随着水分子层界面而滑移。因此在较高的含水率条件下，试验结果表现为浆液的吸附量保持为相对较低的水平。

由于岩土多孔介质含水的原因，在岩土工程防渗加固施工中，环氧浆液灌浆往往很难完全达到预期的目标。因此通过乳化改性将环氧灌浆料转化为亲水性乳液灌浆料[9]或将环氧灌浆料分子链接枝亲水性基团将是应对含水地层灌浆难题的解决之道。

4.3温度对浆液吸附量的影响

化学灌浆施工往往在室外进行，在不同季节、不同天气条件下，其温度相差较大。为了探究温度对浆液吸附的影响，试验模拟注浆压力为0.7 MPa，不同温度(5，10，15，20，25 ℃)的浆液在不同温度(5，10，15℃)的石英砂颗粒中的吸附情况，结果如图4所示。

图4　温度对浆液吸附量的影响Fig.4　Effect of temperatureon the adsorption amount ofepoxy resin grouting agent

由图4可以看出，随着浆液温度的升高，环氧灌浆料的吸附量整体呈下降的趋势，并且在相同浆液温度下，随着石英砂温度的升高，浆液吸附量亦减少。在较低温度下，石英砂对环氧灌浆料具有较大的吸附量。

浆液的吸附过程实际上是体系自由能减少的过程，是一个放热过程。根据平衡理论，温度升高，不利于吸附的进行，因此在升温情况下，吸附量整体呈下降趋势。另一方面，随着温度的升高，浆液分子的自由活动能量显著提高，将更容易摆脱与石英砂界面分子间作用力的束缚，从而降低浆液的吸附能力。因此，在温度升高的情况下，浆液的吸附量将明显降低。

图5　温度对浆液黏度的影响Fig.5　Effect of temperatureon the viscosity of epoxyresin grouting agent

温度的改变也将大大影响环氧树脂浆液黏度和固化时间[10]。试验测得所用环氧灌浆料初始黏度及2种原料的黏度随温度的变化如图5所示。可以看出，浆液黏度随温度的升高而不断降低；且甲、乙组分混合后的黏度明显高于甲、乙单液的黏度。这是由于在2种液体物质的相互作用过程中，物理(溶解)和化学(化学反应)因素导致体系的黏度突然变化[11]，该变化的初始阶段所表现出的黏度即为浆液的初始黏度值，随着化学反应的不断进行，浆液黏度将继续增大。

浆液的黏度对灌浆工程而言是极其重要的，它是保证灌浆材料流动性的关键因素。在实际灌浆工程中，往往希望化学浆液能够在保证所需流动度的情况下，达到理想的灌注深度，并且被灌岩土体对浆液的吸附量应尽可能大而使浆液充填更多孔隙，从而增加固结体强度。因此在实际施工操作中，要把握对温度的控制，实现有效的灌浆效果。

5结论

(1) 环氧灌浆料在石英砂界面的吸附性能受注浆压力影响较大。在较低注浆压力下(p<0.7 MPa)，环氧灌浆料在石英砂界面的吸附量随注浆压力的升高而增加，浆液吸附主要受浆液分子与石英界面分子间电性作用力和范德华力的影响；当注浆压力超过一定值时(p>0.8 MPa)，浆液吸附量随着压力升高而逐渐降低，此时浆液吸附主要受浆液动力影响。

(2) 环氧灌浆料在不同含水率的石英砂界面具有不同的吸附特性。随着石英砂含水率的升高，浆液吸附逐渐减少，当石英砂含水率超过一定值时，浆液吸附不再变化。这是由于环氧树脂和吸附水之间存在一种竞争性吸附关系。当吸附水含量增加到一定值时，吸附水能够完全包裹石英砂颗粒表面，降低环氧灌浆料与石英砂颗粒界面的接触几率。

(3) 环氧灌浆料在石英砂界面的吸附作用受分子活性及浆液黏度的双重影响，由于温度是影响分子活性及浆液黏度的主要因素，因而环氧灌浆料在不同温度下表现出不同的吸附特性，主要表现为随着温度的升高浆液吸附量明显减少。

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(编辑：黄玲)

Adsorption Characteristics of Epoxy Resin Grouting Agenton the Surface of Silica Sand

LIU Jian-cheng1,2, CHEN Li-yi1, YE Chang-wen1, WANG Sheng1

(1.State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu610059, China; 2. Sichuan Provincial Cultural Relics and Archeology Research Institute, Chengdu610041, China)

Abstract:The effects of grouting pressure, moisture content and temperature on the adsorbing capacity of epoxy resin grouting agent on the surface of silica sand were researched using a sand-packed model. Test results showed that the adsorbing capacity of epoxy resin grouting agent on the surface of silica increased with the increasing of grouting pressure when the pressure was under 0.7 MPa but decreased when the pressure was over 0.8 MPa. Adsorbing capacity of epoxy resin grouting agent decreased with raising moisture content of silica sand due to competitive adsorption between epoxy resin molecule and water molecule. Adsorbing capacity of epoxy resin grouting agent reduced sharply with raising temperature attributing to the influence of molecular activity and viscosity. Results of the study provided a reference for the control of grouting pressure and temperature and also for the modification of epoxy resin grouting agent.

Key words:epoxy resin; grouting agent; silica sand; adsorption characteristics; viscosity

中图分类号：TV543.15

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0125-04

doi:10.11988/ckyyb.201502042016,33(05):125-128

作者简介：刘建成(1990-)，男，四川郫县人，硕士研究生，主要从事岩土体加固及岩土钻掘技术方面的研究，(电话)17092803370(电子信箱)liujc90@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(41272331，51204027)；中国地质调查局资助项目(12120113017300)；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自由探索课题项目(SKLGP2012Z007)

收稿日期：2015-03-23；修回日期：2015-05-19