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SK-E环氧浆材介绍及岩基灌浆工艺探讨
发布时间:2014-08-09
    对于夹有较弱松散角砾岩,糜棱岩,断层泥,断层蚀变岩的断层,采用常规的冲洗和高压灌注水泥浆等方法是难以达到加固所要达到的效果,高压冲洗置换断层夹带物然后灌注普通水泥浆或超细水泥浆是一种有效的方法,但加固范围受到限制,高压磨细水泥浆虽然可提高可灌性,但毕竟还是粒状材料,对于渗透系数10-6~10-8cm/s的土层是很难有效渗入的,渗透扩散半径也是有限的。而采用环氧系列的化学浆液属于均相液体 ,粘度只有几个厘泊,已接近水的粘度,在压力下渗入泥化夹层是可能的。环氧系列的化学浆液粘度低、亲水性好,有足够高的固结强度,能够达到地基加固的目的,并具有好的耐久性。 


       我院从70年代中期开始进行断层破碎带和泥化夹层的处理研究,对环氧树脂浆材进行了较深入的研究,开发出以环氧树脂为主剂的SK-E系列浆材, 先后在龙羊、大化、万家寨等岩基加固工程中进行了现场试验。SK-E环氧树脂浆材是以环氧树脂为主剂,加入糠醛、丙酮稀释剂,配以改性固化剂及助剂等。我们现在使用的SK-E系列浆材具有固结强度高,粘度低、渗透性能好的特点,并具有良好的亲水性,对含水裂隙具有很好的粘结性能,浆材具有低毒和低刺激性,固结后没有毒性。其主要性能指标如下:
       表—1             浆材性能 
配方编号 Ⅰ    Ⅱ(30%)     Ⅲ
浆液比重(g/cm3)    1.036          1.051          1.069
浆液粘度(mPa·S)        6       19     38
浆液接触角(。)       22     35     43
浆液表面张力(N/cm)      3.8×10-4  4.0×10-4  4.3×10-4
凝胶体屈服抗压强度(Mpa)         30.0  37.5  75.0
凝胶体弹性模量(Mpa)        1400 1450 3500
凝胶体抗拉强度(Mpa)        8.65  8.25  9.69
潮湿面粘结抗拉强度(Mpa)         ≥1.4          ≥1.4          ≥1.4
潮湿面劈裂抗拉强度(Mpa)         1.93  1.53  ---
SK-E浆材应用在浙江亭下水库混凝土裂缝修补、河北大黑汀水库裂缝及闸墩修补、湖南东江水电站裂缝修补、山西韩城发电厂厂房裂缝修补、山西中条山十八里河尾矿库泄洪洞裂缝修补、北京密云水库电厂裂缝修补、落坡岭水库裂缝修补、十三陵抽水蓄能电站1#、2# 尾水洞及上库裂缝修补、天花板二级电站蜗壳裂缝修补、引滦入津9#洞裂缝修补、新疆红雁池电厂回水管裂缝修补、官厅水库缺陷混凝土修补、内蒙响水电站裂缝修补,大化水电站基础处理等工程。
   SK-E浆材所采用的固化剂为改性低分子聚酰胺加促进剂等助剂,其特点是亲水性好,毒性低,使用中固化剂挥发性小,具增韧效果。
   毒性比较:我国水电工程中应用的环氧树脂,其毒性主要来源于固化剂和溶剂,如过去常用乙二胺、脂肪族多胺等作固化剂,丙酮、糠醛等作稀释剂。毒性一般表现为未固化物残留毒性和使用中产生挥发性气体的毒性、使用过程中接触有毒物导致中毒等。毒性大小一般用受试动物中毒死亡一半所需的剂量LD50来表示,LD50数值越大,毒性越小。
SK-E浆材的毒性:LD50=3400mg/kg. 按毒物分级为低毒化合物。
     固化剂毒性:LD50=5000mg/kg.按毒物分级为低毒材料。
     促进剂毒性:LD50=2005±248mg/kg.按毒物分级为低毒材料。
     溶剂:丙酮毒性:LD50=5000mg/kg,属于低毒材料,挥发性较大。
           糠醛毒性:LD50=50~100mg/kg,属于Ⅱ级毒品,挥发性较小,工作场所最高允须浓度为20mg/kg,长期接触糠醛的工人有时可出现湿疹和皮炎以及慢性鼻炎。伴有嗅觉减退。
其它组分及其它固化剂的毒性分列如下:
    6101环氧树脂:LD50=11400 mg/kg.
    二乙烯三胺:LD50=2330 mg/kg.其毒性大于SK-E所采用的固化剂。
    乙二胺(脱水):LD50=1161 mg/kg,毒性大,气味浓,现已很少用于灌浆工程.
    影响固结效果的因素主要有:浆液粘度和亲水性。现在环氧浆材浆液的粘度已能达到几个厘泊,接近水的粘度,可灌性不是问题;由于环氧浆液均含有水溶性的丙酮,亲水性好,能够在潮湿和有水的情况下固化,SK-E浆材所采用的固化剂所采用的是改性聚酰胺,通过化学反应,在聚酰胺中加入亲水性好的羟基,具有水下固化的的特点,改善了有水情况的固化性能。
    环氧浆液具有很好的可灌性,亲水性及很好的固结强度,已多次应用于岩基加固,裂缝堵水及加固,并具有很好的耐久性能,是一种很好的灌浆加固材料。


    但是,环氧浆材应用于具体工程并非100%的成功,具体表现在取样成功率低,固结强度低等,远未达到室内试验所取得的效果,原因是没有成熟的施工工艺,没有具体的施工规范,所以,具体的施工工艺直接影响了灌浆效果。资料表明[1],环氧浆液,灌有水缝的粘结强度,比灌干缝降低50%。亲水性的化学灌浆材料与水时,由于渗透压力的作用,水在浆液中扩散,对浆液材料进行稀释,浆液聚合速度减慢,聚合后高聚物强度降低,水过多时,甚至不能形成凝胶。
    我们认为影响灌浆成功与否的因素很多,主要问题是要解决地下水对环氧固结的影响。基岩表面的自由水和毛细水能在压力下排出,附着水和结合水则不易被一般的浆液排出,它将对亲水性的浆液起稀释作用,影响固结强度,所以,在满足基岩可灌性的前提下,应适当提高浆液浓度,为更好的排出水份,顺序控制灌浆比隔孔分序控制灌浆效果要好。再则,在有水的基岩,浆液的固化时间应尽量缩短。
    环氧浆液在有水的情况下能够固结,但水的多少直接影响固结性能,所以灌浆时应尽可能的排除地下水份,常用方法有:用丙酮顶水,预压稀浆,预压处理剂,加热烘烤等。实践证明采用这些方法均能提高灌浆效果,但是增加了施工成本和时间,这种方法的处理范围也有限,靠近灌浆孔的部位效果较好,而离灌浆孔远的地方则是水和很稀的浆液的混合物,固结强度就很差。
    固化时间的控制:环氧灌浆属压力慢渗灌浆,时间长,以往控制固化时间均采用和灌浆时间相当的固化时间,而我们认为,地下岩基的情况和室内试验的固结情况相差很大,地下有水,温度低,固化剂加量应大于室内试验结果。再者,环氧凝结时间虽没有具体的标准参考,但目前所采用的方法均不是浆液完全固结所采用的时间,即使灌浆历时已达到浆液凝胶时间,在压力下仍能流动。反之,若浆液凝胶时间控制太长,地下水会溶蚀浆液组分,影响固结性能,同时导致环境污染加大,若凝胶时间过长,将导致固结物强度低甚至无强度,而最终形成的是类似溶胀的胶体,而不是固结物。
    分序灌浆施工:传统的水泥灌浆施工均采用分序施工法,但是水泥固结的机理和化学浆固结的机理存在本质的区别,水泥固结多数由于压力下水泥浆液中水泥颗粒阻塞通道,浆液析水而固结,灌浆后地层仍存在渗水性,所以,经过水泥灌浆一序孔施工后,二序、三序孔仍能挤出地层水份,达到水泥浆液固结的目的。而化学灌浆施工中,多数沿用水泥灌浆方法,也采用分序施工法,一序施工完后,二序、三序孔势必遭遇以下情况:一序孔完全固结,则二序孔、三序孔孔中积水和裂隙水无排出通道,浆液无法注入,或是只有少数通道,浆液顺此通道而出,达不到完全加固的效果;若是一序孔还没有完全固结.,二序、三序施工时则有可能挤压劈裂一序孔尚未完全固结的浆液,而首先被挤进的则是地下水和灌浆孔中的积水,其结果势必导致灌浆效果降低,最终结果将是夹杂水份的浆液固结,其粘结强度和抗压强度将大大降低,甚至成为无强度的胶体。
    综上所述,产生最佳加固效果的施工工艺的核心应是灌浆孔和地下水的处理。失败的工程实例:


    某大坝基础剪切带环氧树脂灌浆加固,施工时间为冬季,现场温度9℃左右,由两家施工单位采用三种材料进行试验,灌浆采用分段(两段)和全孔灌浆,分三序孔,梅花布孔,先灌1序孔,一序孔灌完后,待凝24~48小时灌2序孔,2序孔灌完后灌3序孔。每孔的灌浆工艺为:钻孔--洗孔--压水试验--卡塞--丙酮顶水--灌浆--丙酮顶浆--待凝--封孔。采用这种工艺不但没有清除地层中的水,反而往地层中加入了大量水,而用丙酮顶水顶浆的做法,本意是想把孔中的水排除和节约管路占浆,但孔中的水能排到那里去呢,压入的丙酮又到那里去,其结果就是二序孔破坏一序灌浆,三序孔再破坏一、二序灌浆。虽然令期达4个月才取样,仍然是无强度的胶体物。
    我们在处理混凝土裂缝时,无论裂缝漏水多大,都能取出完整的粘结样品,这除了裂缝宽,浆液浓、性能好之外,有一个不可忽视的工艺:顺序灌浆,而不是分序灌浆。裂缝中的水虽然很多,但被浆液顺序赶出,留下的只有少数的水,和室内的饱和水样品试验很相当了。
    所以,我们在岩基处理的问题上,在考虑浆材性能的同时,不可忽视的是灌浆工艺问题。只要是灌浆孔孔距的确定,凝胶时间的确定,灌浆顺序的确定等。
    以下建议有待商榷,仅供参考:
    钻孔:常规钻孔、洗孔,全部灌浆孔一次钻成(分段灌浆可按分段深度一次全部钻成)。孔距一米左右,梅花布孔,尽可能的清除孔中积水,卡塞后灌浆。
   灌浆:根据灌浆范围和布孔情况,选用中心开花或单边顺序灌浆,邻孔可作为排水排气孔,若邻孔出浆,排除积水后,卡塞开始灌注邻孔,第一孔仍保持压力灌浆,若第三孔出浆时,视进浆情况停止第一孔灌浆;若第一孔出现不进浆、在最大压力下,进浆率小于0.05L/min,延续灌注时间不少于60min,也可停止灌浆。每孔灌浆浆液由稀开灌,根据每米进浆量逐级加浓。控制进浆速率,若出现进浆量突增,压力锐减,立刻停止灌浆,有条件则埋设地面抬动观测仪器,防止灌浆过程中地面抬动。
  已有类似工程采用过此类工艺[2]:孔距1m,一次钻孔,灌浆前进行压气试验,一方面可了解各孔串通情况,再则可吹出孔及地下岩基水份,提高灌浆效果,灌浆时虽然分序施工,但采取的是连续灌浆工艺,灌浆时间很短,并发生孔与孔的串浆。
    结语:在现在基岩化学灌浆加固时,在提高灌浆材料性能的同时,不可忽视的问题是施工工艺存在缺陷;要减少地下水对灌浆材料固结的影响,采用顺序灌浆,压气驱水也是一个有效简单的方法。


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