HK-963-J2高触变型水下环氧灌浆材料的研制和应用

刘德明，吴启民，陆志华，尹薇，赵徐

（杭州国电大坝安全工程有限公司，浙江杭州，310014）

HK-963-J2高触变型水下环氧灌浆材料的研制和应用

刘德明，吴启民，陆志华，尹薇，赵徐

（杭州国电大坝安全工程有限公司，浙江杭州，310014）

对HK-963-J2高触变型水下环氧灌浆材料的研制过程、应用原理以及应用实例进行了介绍。HK-963-J2是在传统水下产品HK-963水下增厚型环氧涂料的基础上研制而成的，具有触变性高、可操作时间长、固化时间可调、线性收缩小、密度低、水下粘接性能好、低温条件下固结体力学强度高等特点。该产品巧妙结合了体系的粘度、密度和触变性，实现了在水下“站立”的效果。HK-963-J2可以采用螺杆砂浆泵进行灌注施工，输浆填充性好，在灌浆泵停止灌浆时，浆材即停止流动。该材料可用于对水下裂隙、管道、钢衬脱空区等工程缺陷以可控灌浆的方式进行定点、定量的灌注填充封堵，为水下工程缺陷的防渗加固修复提供了新的解决方法。

灌浆材料；水下修补；高触变性

0 前言

环氧树脂具有强度高、粘接力强、收缩小、化学性质稳定、可室温甚至低温固化、耐久性优异等特点，常被用于工程缺陷的修补[1]。在水下修补工程中，水下灌浆材料应具备水下不分散、与水饱和混凝土面粘接性能好、可操作时间能够在较宽的范围内调节、低温水下仍具有较高的力学强度等要求，同时，在空隙缺陷的填充加固修补中，还要求灌浆材料能精准填充，修补到位，或者在灌注的时候需要灌浆材料能实现整体推进填充的效果，也就是对材料性能提出了高触变性的特殊要求。笔者介绍的HK-963-J2高触变型水下环氧灌浆材料，能在停止泵压推动时实现水下成形堆积加固的工程效果。

1 实验部分

1.1 实验内容

（1）主剂的选择。主剂主要由环氧树脂、稀释剂和固化剂组成，用该主剂配制成的材料应对水饱和混凝土面具有良好的浸润性。

（2）可操作时间的调整。主要通过添加促进剂对HK-963-J2的可操作时间进行调整，需兼顾可操作时间和低温水下强度两个方面的性能。

（3）触变性的调整。结合降低密度和添加触变剂两种方法对HK-963-J2的触变性进行调整，实现材料在没有推力作用时在水中保持形态不流动的效果。

1.2 实验方法

（1）粘度测定：参考GB/T 2794-1995《胶黏剂粘度的测定》和旋转粘度计说明书的要求，对于触变性体系粘度的测定应采用固定转子，读取固定转速和旋转时间时的刻度值。

（2）表干时间：按GB/T 13477.5-2002《建筑密封材料表干时间的测定》。

（3）扩展度：跳桌法。

（4）抗折强度、抗压强度：按GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》测定其抗压、抗折强度。

（5）触变值：以转速为6 r/min和60 r/min时粘度的比值表示。触变值越大，材料的触变性越好，在水下保持形状的能力越强。

1.3 实验设备

NDJ-4型旋转粘度计、CMT5105微机控制电子伺服万能试验机、SHT4305微机控制电液伺服万能试验机、ARES-G2流变仪。

2 结果与讨论

2.1 主剂的选择

HK-963增厚型环氧涂料是杭州国电大坝安全工程有限公司于20世纪90年代开发的水下涂料，是一种具有特殊表面张力的水下粘合剂产品，能够在40多m水深的混凝土水饱和面进行涂刷，是国内为数不多的水下专用涂料之一[2-3]。HK-963-J2的主剂延用了HK-963的树脂体系，通过与粉料的相互作用，既具有水下不分散的特点，又具有良好的水饱和混凝土面浸润性，与水饱和混凝土面粘接强度高。

2.2 可操作时间的调整

HK-963-J2由A、B两组分构成，按A/B=8/1混合后粘度逐渐增大，其可操作时间可根据工程需要在生产时通过促进剂进行调整，促进剂用量增加，可操作时间缩短。HK-963-J2中含有300 um左右的抗收缩颗粒，施工时采用JRD-300型砂浆泵进行灌注，产品的可灌性宜采用扩展度（跳桌法）来衡量。试验表明，当扩展度在230 mm以上时，产品具有较好的泵送性，因此以扩展度降低到230 mm时的时间作为可操作时间，促进剂用量对可操作时间和凝胶时间的影响如表1所示。

表1 促进剂用量对HK-963-J2可操作时间和凝胶时间的影响Table 1 Influence of accelerator on potting life and curing time of HK-963-J2 material

据潜水员观测，43 m水深处，水温大约为12℃，15 m水深处大约为18℃，12 m水深处大约为20℃，基本与水面上的环境温度相同。水下环氧灌浆材料不仅要具有较长的可操作时间，还要兼顾低温水中的力学性能。HK-963-J2的抗压强度、抗折强度在10±2℃水中的增长情况如图1所示，大约40 d后，其抗折、抗压强度达到最大值。

图1 HK-963-J2在10±2℃水中强度增长曲线Fig.1 Strength increase of HK-963-J2 material in water of 10±2°C

2.3 触变性的调整

触变性是指流体受到剪切时粘度变小，停止剪切时粘度又增加的性质，即一触即变的性质。这是由于剪切破坏了材料体系内的物理网络结构，停止剪切后，物理网络又重建的缘故。常用的触变性调节剂有膨润土、氢化蓖麻油和气相二氧化硅[4]。膨润土在增加体系触变性的同时，往往对粘度增加的贡献也较大，很难平衡触变性和泵送性两者间的关系；氢化蓖麻油的使用比较复杂，要经过特殊工艺才能呈现出触变性，用于真溶液体系较多；气相二氧化硅的添加量一般无法超过4%，单纯A、B组分的触变性可以很好，但当A、B混合后，尤其是体系温度升高时，触变性容易被破坏。单纯使用以上三种触变剂无法实现触变性和泵送性的统一，经过反复试验发现，添加轻质填料后再选用触变剂调节触变性可得到较好的效果。不同触变剂含量的HK-963-J2的触变值[5-6]如表2所示。不同触变值的HK-963-J2在水中有不同的形态，当触变值≥4时，材料在水中能保持刚浇入时的形状，触变值越小，材料自流平、自密实的程度越大。不同触变值的HK-963-J2在水中的形态如图2所示。

表2 不同触变剂含量的HK-963-J2的触变值Table 2 Thixotropic value of HK-963-J2 material with different amount of thixotropic agent

图2 不同触变值的HK-963-J2在水中的状态Fig.2 Underwater states of HK-963-J2 material with different thixotropic values

2.4 HK-963-J2的性能

HK-963-J2高触变型水下环氧灌浆材料是针对水下裂隙浅层灌注、在有水管道内浆液整体推进排水填充施工而开发的新材料，可用灌浆泵对其进行可控灌浆，实现对水下裂隙的定点、定量修补，节省了成本。其基本性能如表3所示。

项目表干时间/h密度/（g/cm3）水下钢-钢剪切粘接强度/MPa水下“8”字模粘接强度/MPa抗折强度/MPa抗压强度/MPa线性收缩率/%触变值指标≥5≤1.30≥8.0≥2.0≥15≥40≤0.5≥4.0

3 HK-963-J2的应用原理

HK-963-J2的应用原理可以通过牙膏流变学来解释[7]，牙膏被挤到牙刷上之所以能不塌陷，是由于其本身的屈服应力不低于其自身的重力。HK-963-J2通过轻质填料降低了自身的密度，再通过触变剂的添加使自身的屈服应力增大，当HK-963-J2在水中的重力与浮力、屈服应力的合力为零时，材料在无推力作用时就停止流动，不能自密实。

为了更详细地说明HK-963-J2的作用原理，采用流变仪测得了按A/B=8/1混合后的HK-963-J2的粘度-剪切速率曲线和粘度-剪切应力曲线，如图3、图4所示。由图3可知，HK-963-J2的粘度随着剪切速率的增加而降低，粘度最大值与最小值的比值超过600倍，也就是在没有推力作用下，触变体系由于黏滞阻力作用会减慢流动速度，在管道里流动时，受到的剪切作用随之降低，而剪切作用降低后又会导致粘度增加，如此循环，逐渐停止流动。

另一个影响HK-963-J2流动性的因素是其本身的密度。HK-963-J2的流变行为类似于牙膏的流变行为，根据人们对牙膏流变学的研究[8-9]，粘度-剪切应力曲线上粘度急剧下降的临界点的剪切应力即为屈服应力，从图4曲线可求得HK-963-J2的屈服应力（τy）为15 Pa。在牙膏体系中，屈服应力对应牙膏在牙刷上的“站立性”。假设HK-963-J2是底面积为S、高为h的棱柱，在水中受到自身重力（G）和浮力（F浮）作用：

图3 HK-963-J2按A/B=8/1（质量比）混合后粘度随剪切速率的变化Fig.3 Relationship between viscosity and shear rate of HK-963-J2 material with the mass ratio of A and B is 8/1

图4 HK-963-J2按A/B=8/1（质量比）混合后粘度-剪切应力曲线Fig.4 Relationship between viscosity and shear stress of HK-963-J2 material with the mass ratio of A and B is 8/1

其中，ρ为HK-963-J2的密度（kg/m3）；v为HK-963-J2的体积（m3）；ρ水为水的密度（kg/m3）；v排为HK-963-J2浸入水中的体积（m3）；g为重力加速度（N/kg）。

由于HK-963-J2全部浸入水中，v=v排，ρ＞ρ水，因此G＞F浮。当G-F浮大于HK-963-J2在水中的屈服力Fy时，材料在水中的形状就会垮塌，也就是发生流动，因此HK-963-J2能在水中“站立”的条件是：G≤Fy+F浮。

由此可以做出以下推导：ρvg≤ρ水v排g+τy×S，ρ≤ρ水+τy×S/（vg），ρ≤ρ水+τy/（hg）。

τy=15 Pa，g=10 N/kg，ρ水=1.0×103kg/m3，代入上式得：ρ≤1.0×103kg/m3+（1.5/h）kg/m3。

由上式可知，HK-963-J2的密度的最大值与其在水中能“站立”的高度成反比，当h=0.005 m时，ρ≤ 1.3×103kg/m3。

HK-963-J2的触变值≥4.0，且密度介于1.2× 103～1.3×103kg/m3，因此出现图2中“站立”在水中的现象。

灌浆时，HK-963-J2靠灌浆泵提供的压力从较小管径的灌浆管中高速流出，受到的剪切作用强，粘度低。材料流出管路后，进入较大尺寸空间，压力降低，剪切作用变弱，粘度上升，流速变慢，从而实现与后续材料整体推进的效果。灌浆停止后，材料流动的动力全部来自于自重，由于材料密度小，在水下由自重引起的流动速度极小，剪切速率极低，材料的粘度变得很高，在材料的最前端，形成一定的坡度后材料仅凭自重无法破坏自身的触变性而保持一定形状，停止流动。

4 HK-963-J2的应用

4.1 某水电站施工期临时排水管封堵施工

国内某水电站施工期设置的临时排水管未能在施工结束时全部封堵，于2009年8月开始多次出现渗漏情况，并存在管道锈蚀后水淹厂房的风险。为消除此隐患，决定对此类隐蔽管道进行封堵。从2012年8月份，杭州国电大坝公司开始为该工程提供封堵材料以及方案上的顾问服务，并自主完成室内试验，认真配合完成现场生产性模拟试验以及现场施工。

现场生产性模拟试验利用JRD-300电动螺杆灌浆泵对HK-963-J2在直径为20 cm、长度60 m、与水平面的夹角为3°、注满水的有机玻璃管内进行了灌注试验，观察流动形态变化。试验结果表明，HK-963-J2即使在3°角的倾斜面上也能保持其整体推进的形态，如图5所示，实现了可控灌浆，利于将管内的水全部排出。灌浆泵出浆口与有机玻璃管上的进浆口通过内径为40 mm的加筋耐压橡胶管连接，灌浆过程中灌浆泵出浆口处最大灌浆压力为1.5 MPa，有机玻璃管入口处的最大灌浆压力为0.4 MPa，略高于尾水压力，说明材料具有较好的泵送性和输浆填充性。

生产性试验顺利完成后，于2013年和2015年进行了两次坝体内施工期临时排水管封堵施工。回填管道为“Z”字形长下横线结构，上部平台长度8 m，跌落部位落差8 m，下横线长度58 m，朝下游3°角小缓坡走势，直径达500 mm，灌注的材料需要满管推进，且满管段必须跨过下游出口10 m的横缝位置，灌浆才能达到预期的回填目的。施工过程中，业主、设计单位高度重视，监理单位严格监督，施工单位精心组织，采用插管至跌落部位底部灌浆设计，灌浆过程中灌浆泵出浆口处最大灌浆压力为1.5MPa，有机玻璃管入口处最大灌浆压力为0.4MPa，与生产性试验模拟得到的参数基本一致。历经9个多小时的灌注，顺利完成了预估回填灌注方量，成功对隐藏在坝体内的管道进行了排水封堵。

图5 HK-963-J2在充满水的模拟管道中的流态实验Fig.5 Flow pattern test of HK-963-J2 material in the simulating pipe full of water

4.2 国外某港口码头水下裂缝修复项目

该港口码头项目是中资企业自1997年进入沙特工程承包市场以来获得的单个合同额最大的项目，该项目包括一个7万t级散货泊位、一个7万t级杂货泊位、一个5万t级液体材料泊位和一个7千t级工作船泊位。该港口码头为方块重力式码头结构，方块重量为33～103 t。相关单位结合现场损坏情况对产生裂缝的方块进行了受力计算分析，认为方块损坏不影响码头整体结构，仅需采用能承压、有粘接性能的灌缝材料对损坏结构进行修复，恢复其整体受力结构，避免在今后码头使用过程中发生损坏、试块掉落等问题。施工单位和国外咨询工程师进行多方考察后，选用HK-963-J2作为码头水下裂缝修复的灌浆材料，公司配合完成室内模拟试验和现场生产性试验，见图6、图7所示。室内模拟试验得到的力学性能结果均满足要求，T型模板灌注流态试验结果也满足委托单位预设的流态——类抛物线堆积状。现场生产性试验灌注结束后，裂缝中均充盈有材料，通过钻孔取芯检查和起吊试验，证明HK-963-J2的抗压强度和粘接性能均能满足该工程的要求，随后开展了灌注施工，达到了预期的修补效果。

图6 T型模板灌注流态，满足类抛物线堆积状要求Fig.6 Flow pattern as grouting of T-type template,meeting the requirements of parabola-kind stacking

图7 现场试验模型成功起吊，达到了粘接要求Fig.7 Lifting of the test model,a proof of high adhesive strength

5 结语

HK-963-J2是一种双组分、高触变性的新型水下环氧灌浆材料，在水中不自流平，堆积填充效果好，与金属、混凝土水下粘接性能好，低温力学强度高，密度低，收缩小，60 m以上长距离的泵送输送性好，适用于金属或混凝土有水管道的排水封堵、大裂隙填充加固、人防工程等建筑物宽裂隙或管路的水下定点、定量堵漏加固。该产品已在国内外工程上取得了成功应用。■

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Development and application of HK-963-J2 high thixotropy type epoxy grouting materia

LIU De-ming,WU Qi-min,LU Zhi-hua,YIN Wei and ZHAO Xu//Hangzhou Guodian Dam Safety Engineering Co.,Ltd.

In this paper,the development process,application principle and application examples of HK-963-J2 are introduced.HK-963-J2 is developed from traditional HK-963 underwater epoxy coating.The HK-963-J2 is of high thixotropy,long potting life,adjustable curing time,small linear shrinkage,low density,excellent underwater adhesion property,high mechanical strength underwater and in low temperature condition,etc.The combination of viscosity,density and thixotropy of system realizes the underwater"standing"effect.HK-963-J2 can be grouted by a screw mortar pump smoothly.When grouting is stopped,HK-963-J2 would stop flowing due to high thixotropy,which can be used for underwater fracture,pipe,steel lining void zone and other underwater defects.This provides a new solution for repair of underwater defects.

grouting material;underwater repair;high thixotropy

TV441

A

1671-1092（2017）03-0062-05

2017-02-23；

2017-04-12

刘德明（1985-），男，山东泰安人，工程师，硕士，主要从事环氧类化学灌浆材料和防水涂料的研究。

作者邮箱：liu_dm@ecidi.com