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环氧树脂灌浆材料的种类及其在工程中的应用

2009-01-02汪在芹

长江科学院院报 2009年7期
关键词:稀释剂糠醛丙烯酸

魏 涛,汪在芹,韩 炜,邹 涛

(长江科学院水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,武汉 430010)

环氧树脂灌浆材料的种类及其在工程中的应用

魏 涛,汪在芹,韩 炜,邹 涛

(长江科学院水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,武汉 430010)

阐述了国内外环氧树脂灌浆材料的种类、配方及主要性能,简单介绍了国内外环氧灌浆材料部分生产厂家及型号,概括了环氧树脂灌浆材料在水利工程中的断层破碎带、泥化夹层、溶蚀带和裂缝处理中的典型应用情况。考虑到目前我国广泛采用的是糠醛 丙酮混合稀释剂的环氧树脂灌浆材料,这种体系由于糠醛的添加往往会产生环境问题,因此,今后国内环氧灌浆材料的研究应向着低毒、无气味方向发展,大力开发水性和无有机溶剂环氧灌浆材料。

环氧灌浆材料;水利工程;应用情况

1 概述

环氧树脂灌浆材料是用得最多的补强灌浆材料,具有黏接力高,在常温下可以固化、且固化后收缩小、以及有机械强度和耐热性与稳定性好等优点。该浆材是由A,B两组分组成,A组分是由环氧树脂和稀释剂组成,B组分一般为固化体系。以环氧树脂为主剂的化学灌浆,发达国家二战后期即开始研究。我国1959年,根据三峡工程建设基础加固和混凝土裂缝处理的需要,经国家科委批准立项,把以环氧树脂为主剂的浆材用于三峡固结灌浆作为一个重要的研究课题。几十年来,随着化学工业的发展,研制出了许多配方,目前已能够成批供应黏度可调、渗透性好且可在低温、有水潮湿条件下固化的系列环氧树脂灌浆材料[1]。

这些灌浆材料在我国的水利工程(如三峡、葛洲坝、龙羊峡、丹江口、陈村、凤滩、万安、龙滩、溪落度、锦屏等水利枢纽)中得到了广泛的应用,解决了许多工程中的难题。在处理软弱夹层及断层破碎带的化学灌浆材料方面,广东化学研究所、中国水利水电科学研究院和长江科学院作了大量的研究工作,并取得了可喜的成绩。如CW系灌浆材料是在原长江科学院环氧 糠醛 丙酮等化学灌浆材料的基础上,结合目前我国化学工业的发展水平,优选了国内最新的产品。在环氧树脂方面,选择了低黏度的环氧;在稀释剂方面,对稀释剂进行了预反应和改性,从而改善了浆材的稳定性;在固化剂方面,优选了目前适合于水中固化的高分子胺类,增加了固化剂的韧性,使固化体系无毒;在表面活性剂方面,选择了能够提高浆液渗透性的反应性表面活性剂,使浆液有更好的渗透性。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,堪称国际上处理低渗透性软弱岩土地层的先进技术。中国科学院广州化学所先后成功研制了三代高渗透性的环氧系列灌浆材料。青海龙羊峡大坝采用中化798环氧浆材处理G4伟晶岩劈裂带也堪称国际上处理低渗透性软弱岩土地层的先进技术[2]。

2 环氧类灌浆材料

环氧树脂作为灌浆材料,首先要求其浆液具有较小的黏度和适宜的操作时间,常用的环氧树脂本身黏度较大,因此关键的问题是尽可能地降低其黏度,同时又必须使固化物具有所需的各种性能。可把环氧灌浆材料分为如下6大类[3]。

2.1 非活性稀释剂体系的环氧灌浆材料[4]

这种环氧灌浆材料的组分简单,一般由丙酮、二甲苯等非活性稀释剂和环氧树脂混合组成。这类浆液配制简单,而且黏度较低,但由于加入了大量不参与反应的溶剂,造成物理力学性能下降,固化物收缩大,因此,目前一般不采用。其代表性的配方如表1。

表1 非活性稀释剂体系的环氧灌浆材料的典型配方Table 1 Typical formulas of epoxy-resin grouting materials with non-active diluents

2.2 糠醛 丙酮稀释体系的环氧树脂灌浆材料[4]

我国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。它是根据糠醛和丙酮在一定条件下能进行反应的原理考虑的。其典型配方和性能如表2和表3所示。

表2 糠醛 丙酮稀释体系的环氧树脂灌浆材料的典型配方Table 2 Typical formula of epoxy-resin grouting materials with furfural-acetone diluents

表3 糠醛 丙酮稀释体系的环氧树脂灌浆材料的主要性能[5]Table 3 Properties of epoxy-resin grouting materials with furfural-acetone diluents

在固化终结时,糠醛、丙酮反应生成呋喃树脂且与环氧树脂形成互穿网络结构。该网络结构兼具环氧树脂和呋喃树脂的优良性能,机械强度高,与岩石和混凝土黏接牢固,耐水、耐酸、耐碱、耐盐腐蚀,以及耐老化性能。随着改革开放和我国高分子化工的发展,环氧固化剂的种类不断增多,目前所研究的环氧树脂灌浆材料具有更优良的物理力学性能和更高的渗透性,即使在水下(含有压流动水)裂缝中灌注,在适宜的工艺条件下也能获得良好的力学性能和黏接强度。

人们特别关心高分子化灌材料的耐老化性能。据国际耐老化研究权威专著介绍环氧树脂和呋喃树脂耐老化性能优良,环氧树脂只怕紫外线照射,在裂缝和地下不存在此问题。长江科学院从30余年前即开始将纯浆材固结体和混凝土坝体裂缝灌浆后取出的芯样,分别在水中或空气中保存,长者已达32年,至今完好,且黏接牢固。这种体系由于糠醛的添加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。

2.3 低分子的环氧活性稀释剂体系(无溶剂型)的环氧灌浆材料[4]

这种环氧灌浆材料,一般由低分子的环氧活性稀释剂和环氧树脂混合组成。用低分子的环氧活性稀释剂克服了溶剂的挥发,浆材可以得到较好的性能。现有活性稀释剂本身的黏度一般都比较大,稀释效果不太理想,故浆液的可灌性受到一定限制,且加量太多将影响固化物的交联密度。但是用活性稀释剂体系做环氧树脂灌浆材料,这是一个合理且有前途的发展方向,可以期望能使用黏度更小、无毒、无气味价廉的活性稀释剂,使国内环氧树脂灌浆材料达到一个新的水平。国外主要是这种体系的环氧树脂灌浆材料。其典型配方和性能如表4和表5所示。

表4 活性稀释剂体系的环氧灌浆材料典型配方Table 4 Typical formulas of epoxy-resin grouting materials with active diluents

表5 活性稀释剂体系的环氧灌浆材料的主要性能[5]Table 5 Properties of epoxy-resin grouting materials with active diluents

2.4 水性环氧树脂灌浆材料[4]

这种环氧灌浆材料是以水作为稀释体系,使用安全,亦可用水清洗,符合环保要求。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,但应用还不多。

2.5 丙烯酸环氧树脂灌浆材料[2]

丙烯酸环氧树脂是环氧树脂和不饱和一元酸反应的产物,它是在环氧树脂分子链两段引入不饱和双键,又称乙烯基酯树脂,是六十年代出现的一种新型热固性树脂。它结合了环氧树脂和不饱和聚酯树脂的优点,可以进行游离基聚合而快速固化,也可用紫外线、电子束固化,其应用比较广泛,成为一种有发展前途的新型树脂。丙烯酸环氧树脂可用烯类或丙烯酸酯类单体稀释,以调节黏度,可以研究出用于混凝土裂缝和基岩加固处理的灌浆材料。由于烯类单体和丙烯酸环氧树脂交联共聚,因此,这种浆液实际上是无溶剂体系,机械性能好。其典型配方和性能如表6和表7所示。

表6 丙烯酸环氧树脂灌浆材料的典型配方Table 6 Typical formula of acrylic epoxy-resin groutingmaterials

表7 丙烯酸环氧树脂灌浆材料的主要性能Table 7 Properties of acrylic epoxy-resin groutingmaterials

2.6 丙烯酸环氧树脂与聚氨酯互穿聚合物网络灌浆材料[2]

采用互穿聚合物网络技术,利用2种或2种以上不同品种高分子材料,可制备出一种性能优良的新材料,它能综合不同材料的优点,克服各自的局限性。互穿聚合物网络技术是国内外高分子材料共混改性领域中近几十年发展很快的一种新技术,它是两种或多种聚合物在聚合过程中相互贯穿形成网络互锁结构,从而使聚合物具有优于任何单一组份的性能,丙烯酸环氧树脂与聚氨酯互穿聚合物网络灌浆材料就是以丙烯酸环氧树脂为主体,利用聚氨酯预聚体含有的 NCO能与水反应的特点,而将其引入到浆液中,此材料综合了不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯、甲凝等材料的的多种优良性能。既具有较好的强度,又有适度的韧性,且可在低温和水中固化,是一种值得开发的多用途的互穿聚合物网络灌浆材料。其典型配方和性能如表8和表9所示。

表8 丙烯酸环氧树脂与聚氨酯互穿聚合物网络灌浆材料的典型配方Table 8 Typical formula of grouting materials based on acrylic epoxy-resin and polyurethane interpenetrating polymer

表9 丙烯酸环氧树脂与聚氨酯互穿聚合物网络灌浆材料的主要性能Table 9 Properties of grouting materials based on acrylic epoxy-resin and polyurethane interpenetrating polymer

3 国内外环氧灌浆材料部分生产厂家及型号[2]

目前,国内外环氧灌浆材料部分生产厂家及型号如表10。

表10 国内外环氧灌浆材料部分生产厂家及型号Table 10 Foreign and domestic producers of epoxy-resin grouting material and products

4 环氧灌浆材料在水利工程中应用的典型实例

4.1 断层破碎带和泥化夹层加固处理的应用[5]

三峡工程永久船闸和临时船闸f1096,f1050,f215,f548断层都是属于形状相似的断层破碎带和软弱夹层,其主断层带处于疏松 半疏松状况,且变形模量在0.2~0.5 GPa之间,对建筑物基础应力传递极为不利,设计单位提出用灌浆法进行加固。其中f1096断层化学灌浆2 610.8 m,f1050化学灌浆461.05 m,f215和f548化学灌浆共有3 000多米。

4.2 溶蚀带基础防渗[2]

江垭水电站7,8坝段溶蚀融化灌前进行普通水泥、超细水泥、改性水泥多次灌浆试验,耗资约600万元,透水率仍大于1 Lu,最大达5.1 Lu,涌水压力最大达0.5 MPa。1999年6月10日发生部分排水孔喷水涌砂,成为大坝安全隐患。采用了CW环氧灌浆技术,顺利达到设计指标,保证了大坝安全和及时竣工验收。环氧树脂类浆材应用于溶蚀带防渗处理在国内外尚属首次。

4.3 裂缝处理[6,7]

汉江航线新城船闸总长236 m的13条贯穿性涌水裂缝,缝宽0.2~4 mm,经CW化灌处理后沿缝无渗水,劈裂抗拉强度1.7~3.1 MPa;三峡永久船闸输水洞层面缝宽0.06~0.3 mm的渗水缝,CW化灌后缝内固化物充填密实,劈裂抗拉强度>1.0 MPa,证明其处理微细渗水裂缝的可行性及可靠性。

5 国内环氧灌浆材料的发展方向

我国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,并在我国水利水电工程中取得可喜的成绩,但这种体系由于糠醛的添加往往会产生环境问题,为此国内环氧灌浆材料应向着低毒、无气味的方向发展,大力开发水性和无溶剂环氧灌浆材料。

[1] 魏 涛,汪在芹,薛希亮,等.CW系化学灌浆材料的研制[J].长江科学院院报,2000(6):29-31.

[2] 魏 涛,董建军.环氧树脂在水工建筑物上的应用.化学工业出版社,2007.

[3] 刘嘉材.化学灌浆技术[M].北京:中国水利水电,1980.

[4] 魏 涛,李 珍,董建军,等.化灌法[M].北京:中国水利水电,2006.

[5] 陈珙新,祝 红,熊 进,等.三峡工程F215断层复合灌浆处理实验研究[J].长江科学院院报,2000(6):9-11.

[6] 廖国胜,黄良锐,魏 涛.三峡工程永久船闸砼层面缝渗水处理[J].长江科学院院报,2000,(6):25-28.

[7] 魏 涛,蔡胜华,王树清,等.新城船闸下闸首裂缝处理[J].长江科学院院报,2000,(6):56-57.

Category of Epoxy Resin Grouting Materials and Its Application

WEI Tao,WANG Zai-qin,HAN Wei,ZOU Tao

(Research Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of MWR,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

This paper gives an introduction of the kind,formula,and properties of some epoxy-resin grouting materials produced and used broadly at home and abroad,as well as their producers and types.It also gives some typical examples of application of epoxy-resin grouting materials in some special field conditions,such as in fault fractured zones,muddy intercalations,and corrosion zones,as well as in crack treatment.Considering the existence of furfural in it,the epoxy-resin grouting materials with furfural-acetone diluents can cause some environmental problems.So,it is certain that grouting materials without low-toxicity and odorless represent the direction of future research work in this grouting field,and a great effort should be made to develop waterborne and organic solvent-free epoxy-resin grouting materials.

epoxy-resin grouting material;hydraulic project;environmental effect

TV46

A

1001-5485(2009)07-0069-04

2008-08-19;

2008-11-13

魏 涛(1964-),男,河南邓县人,高级工程师,主要从事新材料开发及混凝土的修补,(电话)15972018245(电子信箱)wxt2008@163.com。

(编辑:刘运飞)

·简讯·

《长江科学院院报》被评为“RCCSE中国核心学术期刊”

由中国期刊协会、中国科学评价研究中心等多家国内权威期刊评价机构组织的“首届中国期刊质量与发展论坛”于2009年6月12-13日在武汉大学召开。来自全国期刊行业的200多个单位的300多名代表参加了会议,《长江科学院院报》编辑部主任参加了会议。

在会上,期刊界的领导、专家代表,针对期刊改革与发展、期刊的总体质量现状、中国学术期刊的国际竞争力、期刊质量评价方法及对策等问题作了精辟的报告。特别是《中国科技论文与引文数据库》、《中国科学引文数据库》、《中国人文社会科学引文数据库》和《北京大学中文核心期刊》都在会上介绍了选刊原则、期刊的质量标准、计量指标等,并与参会代表展开了互动讨论。许多代表还对期刊评价指标及评价方法提出了一些意见和建议。

《长江科学院院报》均被这几家国内著名数据库收录为统计源期刊及核心期刊(以收录社科类期刊的《中国人文社会科学引文数据库》除外)。在本次由中国科学评价研究中心(RCCSE--Research Center for Chinese Science Evaluation)作出的《中国学术期刊评价研究报告》中,《长江科学院院报》被评为“RCCSE中国核心学术期刊”。此研究报告将期刊评为5等,A+等为权威期刊(占5%);A等为核心期刊(占15%);B+等为准核心期刊(占30%);B等为一般期刊(占30%);C等为较差期刊(占20%)。

这次参会,使《长江科学院院报》编辑部详细了解了全国中文核心期刊评价指标、方法及过程;期刊评价的目的和意义;各期刊质量评价计量指标的含义;以及几大数据库收录核心期刊的标准及针对所收录期刊提供的服务事项。对院报编辑部如何提高期刊的学术质量、参与国际竞争具有明确的指导意义。如《中国科学引文数据库》CSCD(收录了中国科技期刊的1/5)与美国汤姆森科技信息集团联手在ISI Web of Knowledge的平台上向全球推出该库所收录的中国期刊,成为展现在全球的第一个非英文的数据库产品。《长江科学院院报》作为被其收录的期刊今后更应注意提高英文摘要和英文题目的水平,同时应按照国际通行的标准,考虑提供中英文的参考文献等等。还有许多优秀期刊的质量优化措施、质量与经济效益双赢的办刊经验、学术期刊利用新闻媒体提高品牌知名度的方法等,都值得我们很好地借鉴。

(摘自《长江科学院网》)

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