我国化学灌浆技术发展与展望

我国化学灌浆技术发展与展望

蒋硕忠  

( 长江科学院,湖北,武汉 430010 )

    
    :结合水电工程建设,概述了50年来,我国化学灌浆材料、技术及设备,从无到有的发展及应用成果.并根据其发展现状,分析了我国化学灌浆技术近期发展的方向.即开发推广无公害、耐久性好、适应工程各种要求,且价格低廉的化学灌浆材料;改进提高化学灌浆技术;促使化学灌浆设备、仪器生产的定型化、系列化、成套化、标准化和环保化;制订化灌施工规程、规范和全国性的行业标准等.
关键词:化学灌浆 ;无公害; 环氧树脂; 聚氨酯; 丙烯酸盐; 酸性水玻璃;化学灌浆泵.
 
 
1我国化学灌浆技术发展成绩
   化学灌浆(Chemical Grouting)是将一定的化学材料(无机或有机材料)配制成真溶液,用化学灌浆泵等压送设备将其灌入地层或缝隙内,使其扩散、胶凝或固化,以增加地层强度、降低地层渗透性、防止地层变形和进行混凝土建筑物裂缝修补的一项地基处理和混凝土修补技术. 即化学灌浆是化学与工程相结合, 应用化学科学和化学浆材解决地基和混凝土缺陷处理(加固补强、防渗堵漏),保证工程的顺利进行或借以提高工程质量的一项工程技术.随着化学灌浆技术的发展和进步,现己成为现代工程中颇具特色且不可或缺的一项先进技术.
国外化学灌浆最初是适应于地基处理和采矿业发展的需求而发展起来的,其可靠性得到公认并被广泛采用至今己有80年以上的历史.我国的化学灌浆技术应用与研究起步较晚,但发展较快并有自已的独创.如果以1953年在佳木斯等地采用碱性水玻璃进行化学灌浆算起,也才只有50年的历史.
五十年来,我国在化学灌浆技术这个小领域取得了成绩[3],主要表现在以下方面:
    (1) 化学灌浆从无到有,从小到大发展起来,已成为我国现代工程技术不可或缺的一个组成部分.
    (2)国外有的常用化学灌浆浆材品种,我国基本上都已开发出来(如环氧[1]、甲凝、丙凝、丙烯酸盐、酸性和碱性水玻璃、水溶性、非水溶性和弹性聚氨酯、脲醛树脂、铬木素等).
    (3)化学灌浆浆材品种开发中还有一些独创.如甲凝、弹性聚氨酯,甲氰凝和环氧—聚氨酯,丙烯酸酯—聚氨酯等互穿网络灌浆材料.
    (4)化学灌浆设备的研制开发已基本能适应和满足国内化灌工程的要求[8].如化学灌浆泵、灌浆阻塞器、密闭配输浆装置和各种封缝材料等.
    (5)化学灌浆技术已在国内水电(大坝、堤防、水库、电站)、建筑(地上、地下、人防)、交通(公路、铁路、隧道、桥梁、港口、机场)和采矿等四大部门得到推广应用.
    (6) 化学灌浆技术应用已解决了许多工程难题,取得良好的效益.以水利为例,如三峡[4]、葛洲坝、龙羊峡、丹江口、陈村、凤滩、万安等水利枢纽都是采用化学灌浆技术解决一些工程技术难题的典型例子.
    (7) 化学灌浆已从工程完建后的应用,发展到工程兴建前设计中就采用.如三峡化灌帷幕预计15000米,化灌加固地基预计3000米.
    (8) 化学灌浆技术在一些方面已具国际先进水平,如青海龙羊峡大坝采用中化798环氧浆材处理G4伟晶岩劈裂带和三峡大坝采用CW环氧浆材处理F1096软弱夹层及断层破碎带的水泥—化学复合灌浆技术均堪称国际上处理低渗透性软弱岩土地层的先进技术.
   (9) 化学灌浆理论上也有一些突破和创新[6][7].如浆液扩散半径的计算理论、浆液湿面粘接理论、减低浆液毒性的拮抗理论、浆液吸渗理论等.
  (10)化学灌浆技术出版物取得丰收.自上世纪八十年代以来己出版专著十余部.包括水利学报、水利水电技术、岩土工程学报、岩石力学与工程学报、长江科学院院报在内的全国132家科技期刊都选登化学灌浆的研究论文.近5年选登的论文就有200余篇.
   以上十个方面成绩,足以说明我国化学灌浆技术的进步和发展水平.此外,全国研究化学灌浆技术的工程科技人员已成立了中国水利学会化学灌浆分会,现挂靠在长江科学院.追溯到1968年,学会己举行过16次学术交流活动,出版了7部论文集,这些学术活动对推动我国化学灌浆材料的研发和化学灌浆技术的发展起了很好的作用.
2. 化学灌浆技术近期发展展望
   我国化学灌浆技术近期应在前50年的基础上更具活力的继续向前发展,而无公害、耐久性好、适应工程各种苛刻要求且价格低廉的化学灌浆浆材的开发、应用和推广;化学灌浆技术的研究、改进和提高;化学灌浆设备、仪器生产的定型化、系列化、成套化、标准化和环保化及产品质量的持续改进和提高等必然是其发展方向.
2.1.无公害浆材的开发[5][9]
(1)无毒催化剂的研制. 环氧树脂浆材粘接强度高、稳定性好,因此是固结灌浆最常用的浆材.该浆材毒副作用主要来自所采用的固化剂和溶剂.在过去的近20年中,对环氧浆材胺类固化剂的降低毒性研究己取得一些成果,国内生产出商品名为T31、810、X-89、CD等毒副作用较低的一批改性胺类固化剂,对环氧浆材的推广应用起了较好作用,今后还应朝这个方向继续努力.
(2)无溶剂型浆材的开发. 环氧树脂一般粘度都较大,制成化灌浆材一般都要添加有机溶剂,但很多有机溶剂不但气味难闻,而且具有毒副作用(如糠醛), 添加后往往会产生环境问题.因此,人们在研究无毒副作用环氧固化剂的同时,也展开了无溶剂型环氧浆材的研制.无溶剂型环氧浆材的研究将得益于环氧树脂工业的发展,国内一些化工厂生产的低分子量环氧树脂粘度仅为20-25mPa.s.,这对今后无溶剂环氧化灌浆材的发展开辟了较好的前景.除此之外,把丙烯酸酯等树脂开发成无溶型浆材己呈现出更加美好的前景,值得努力探索.
(3)水做介质的化灌浆材的研制. 水做介质,不用有机溶剂,对化灌浆材的无公害化是很有益的.过去已开发了LW、HW等为数不多的水溶性聚氨酯浆材,今后对水溶性浆材应放开视野,相信在有机或无机水溶性浆材开发和应用上将会呈现出较为理想的进展.
(4)某些已有浆材改造的研究. 1974年,日本曾因使用抗渗性好的丙凝化灌浆材污染水质,引起饮水中毒事件而宣布禁用丙凝.之后,具有丙凝相似性能的丙烯酸盐浆材得到发展,但其主要成分丙烯酸镁仍存在一定的毒副作用,而科技工作者采用拮抗原理,在丙烯酸盐浆材中加入钙盐和适量的某种拮抗剂,却使其毒副作用下降到仅为丙凝的1%,成为实际无毒浆材[12].这个例子说明,我们可以探索通过对己有的某些化灌浆材进行改造,降低毒性,达到可使用标准.
2.2.对工程各种苛刻要求相适应的浆材开发
(1)新型高亲润、高渗透性化灌浆材的研究. 虽然目前我们已有了一些高渗性的化灌浆材,解决了不少工程难题,但所用溶剂和固化剂多半都有毒副作用,不适宜环境标准,对工程地基微细裂隙、断层破碎带和泥化夹层及混凝土微细裂隙的处理仍有探索新型高亲润、高渗透性、无毒副作用化灌浆材的必要.这很大程度取决于表面活性剂和活性稀释剂体系的研究改进.
(2)弹性化灌浆材的开发. 在工程伸缩缝止水和混凝土活缝、变形缝补强灌浆中需要具有弹性的化灌浆材.过去虽说也有一些开发,但必竟质量还不够高.今后除应加强对已有弹性环氧和弹性聚氨酯等浆材提高质量和消除毒副作用方面的研究外,更为重要的则是加强对能赋于环氧树脂弹性的固化剂的开发研究[11],从而适应建设工程之急需.
(3)快速固结浆材的开发. 这里指的是浆液粘度又低,固化物性能优异,且固化时间可控制在几十分钟或几小时以内的浆材的开发.采用低粘度环氧树脂或新型活性稀释剂和开发应用能促使环氧树脂快速固化的新型环氧固化剂应能解决此课题.
2.3.耐久性浆材的开发
   耐久性概念含意较广,它包括耐水、耐酸碱、耐候、耐紫外光、耐冻融和干湿循环、耐磨蚀、耐微生物作用(霉)等方面, 耐久性浆材的开发可从以下几个方面去探索.
(1)通过对合成树脂的接枝或相嵌共聚合反应,使化灌浆材中所采用的树脂具备我们所要求的一些耐久性特性.
(2)注重互穿网络复合化灌浆材的研究. 如己有的MU无溶剂浆材系丙烯酸酯--聚氨酯的复合[2]、 PU/EP水下化灌浆材系聚氨酯—环氧树脂的复合[10],他们都是互穿网络复合化灌浆材.由于两类树脂复合及其互穿网络结构,这就赋予他们超越任何单一树脂组份的优良性能,值得深入研究.
(3)加入钠米材料对己有浆材进行改性. 环氧树脂加进纳米材料改性的化灌浆材研究项目已获得水利部基金资助,从现己拿出的初步成果来看,该项研究将会提升环氧浆材包括耐久性在内的多方面性能.
2.4.价格低廉的浆材开发
(1)水玻璃浆材的改性. 水玻璃浆材是化学灌浆史上最早使用的化学灌浆浆材,同时也是  目前使用最广泛的化学灌浆浆材之一.究其原因除该浆材具有无毒、粘度小、可灌性好等优点外浆材价格较低是个重要因素.该浆材不足处为凝胶时间调节不够稳定、凝胶强度很低和凝胶稳定性较差,金属离子易脱溶等,现多半用在临时或半永久工程中.因此今后对其改性工作应着重在提高强度和耐久性方面做研究.加入某些活性物质进行改性是值得探索的方向.
(2)纸浆废液的无害化浆材开发. 纸浆废液做成化灌浆材价格较低.将该废液中加铬类催化剂便可制得现称为铬木素的该浆材.因铬类催化剂中六价铬离子有毒,该浆材大家不敢用.故随后开发出多种无铬催化剂的高强木素浆材,今后应对其进行提高性能研究,以便推广应用.
以上四条主要集中在无公害、多用途和耐久性浆材研究、开发上,至于浆材的定型化、系列化、标准化当然是化灌技术发展的必然要求,这里就不赘述.
2.5.化灌技术的改进、提高和创新
   已有化灌技术的总结、改进和提高研究. 前已叙述了在过去的50年中,我国有包括水电等大量的建设工程应用过化学灌浆技术,有许多采用化灌解决工程难题的典型经验,其中有些已有初步总结, 如复合灌浆技术等;有些则尚待总结,如化灌的密闭传输、自动记录、集中管理和实时监控技术等.不管过去有无总结,现有的化灌技术都需要从事化灌技术研究的专家、学者与有经验的工程技术人员相结合,在总结实践经验的基础上改进、提高,并能有所创新.
2.6.化灌设备仪器的系列化、成套化、标准化和环保化
(1)高性能化学灌浆泵的系列化、成套化和标准化. 高性能化学灌浆泵是实施化灌作业的主要设备,国内有多家研究所和小企业能研制和开发,但都只能小批量生产或试生产.今后应定点、定型生产,并向产品的系列化、成套化、标准化方向发展,以方便推广应用化灌技术.
(2)化学灌浆自记仪的研制. 化学灌浆自记仪的研制可有效地避免人工记录难免出现的一些差错, 将对提高隐蔽工程中的化学灌浆质量起到很好的监控作用,并使化灌数据分析建立在可靠的基础之上.化学灌浆自记仪在技术原理上与己有的水泥灌浆自记仪有所不同,目前国内已有几套研制方案,但还未见样品问世,很需要加快研制步伐,以应工程化灌监理之急需.
(3)密闭式传输浆设备的研制. 现己研制出的一些设备要满足环境标准要求,保证安全生产.
(4)现有产品提高质量研究. 国内生产的一些化学灌浆设备仪器在加工精度和质量上与国外同类型产品还有一定差距.因此,在这方面我们会有大量改进和提高工作需要去做.
2.7.化学灌浆行业标准、规程、规范的制订
   化灌施工具有隐蔽性特徵,各行其道搞施工必将出现很多问题,甚至会形成工程隐患,值得我们高度警惕.然而我国至今还没有一部全国性行业标准和化灌施工规程、规范,这是很不正常的现象,应立即着手进行制订.希望政府相关部门能给于大力支持.
2.8.化学灌浆理论的研究、探索
   化学灌浆对象一般都具有隐蔽性和特殊性,实验室摸拟比较困难, 故化学灌浆理论研究一直是化灌技术发展的薄弱环节,举步维艰.化学灌浆施工和不少施工参数的确定以往都是靠经验,缺乏理论指导.为了促进化学灌浆技术在多个工程领域科学的推广应用,今后很有必要加强在实验室中对灌浆理论的研究、探索.
参考文献:
1. 蒋硕忠、薛希亮, 水电工程中环氧树脂的开发应用[J], 人民长江,1997,(4):40-42.
2. 叶铭勋, MU无溶化学灌浆材料的性能与应用[J], 南京水利科学研究院水利水运科学研究, 1998,(1):1-7.
3. 肖田元、邢京萍, 化学灌浆的发展与应用[A], 98水利水电地基与基础工程学术交流会论文集[C], 天津:天津科学技术出版社,1999,299-306.
4. 谭日升、蒋硕忠、薛希亮, 三峡大坝化学灌浆研究[J], 长江科学院院报,2000,(6):4-8.
5. 蒋硕忠、谭日升、薛希亮, 化学灌浆与环境保护[J], 长江科学院院报,2000,(6):45-46.
6. 邝健政、昝月稳、王杰等, 岩土注浆理論与工程实例[M], 北京:科学出版社, 2001.
7. 熊厚金、林天健、李宁, 岩土工程化学[M], 北京: 科学出版社, 2001.
8. 蒋硕忠, 灌浆材料与灌浆工艺研究[J], 水利水电技术,2001,(9):55-58.
9. Mona Weideborg, Torsten Kallqvis, Knut E.Fdegard等, Environmental risk assessment of acryamide and methyloacryamide from a grouting agent used in the tunnel construction of Romeriksporten[J], Norway.  Water Research.  2001,35(11) :2645-2652.
10. 孙志恒、鲁一晖, 混凝土大坝水下裂缝修补技术[J], 水力发电,2002, (11):65-67.              
11. 蒋硕忠、谭日升, 三峡工程泄洪坝段上游面混凝土竖向裂缝的修剂补处理[J], 广州化学,2002,(vol.27):71-74.                                                                  
12. 谭日升、蒋硕忠, 三峡工程的防排水措施与材料[J], 中国建筑防水,2004,(2):4-7.
 
The development and prospect of the chemical
grouting technique in our country
 
                             JIANG Shuo-zhong
 
(Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)
 
Abstract: A brief introduction about development of the chemical grouting technique in our country in 50 years is represented in this paper. A future prospect of the chemical grouting technique is pointed out.
 
Key word: Chemical grouting; hozard-free; epoxy resion; polyurethane; acrylate; acidic water glass, chemical grouting pump.
 
作者简介:蒋硕忠(1939~),,湖北应城人,教授级高级工程师,中国水利学会化学灌浆分会主任委员.
 
刊登于:长江科学院院报,第五期, 2003
 
 
 
 
 
 
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