应急自动堵漏材料的设计制备及模拟实验

张意，欧忠文，曾宪光，刘晋铭，邓伟

（1.重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015；2.四川理工学院，四川 自贡 643000；3.解放军陆军勤务学院，重庆 401331）

堵漏材料是指通过物理作用或与介质发生化学作用堵塞盛放容器或设施发生油水介质泄漏的工程材料。目前，针对地下水堵漏、大坝堵漏、污水井堵漏、地下工程堵漏、矿井堵漏、房屋堵漏等开发的堵漏材料名目繁多[1-4]，采用合适的堵漏材料和技术，就能很好地处理普通的渗漏问题。对于因发生重大自然灾害或重大安全事故造成的高放射性废水，有毒有害水体盛放容器或设施的在线、带水带压的无人自动堵漏来说，常规堵漏材料和堵漏技术并不合适[5-6]。

2011年3月11日，日本发生9.0级地震并引发海啸，致使福岛第一核电站的2号反应堆取水口附近出现了长约20 cm的裂缝（其位置如图1所示），用于反应堆冷却的高放射性污水从该裂缝漏出，并经取水口电缆竖井下方的碎石层流入大海，最后造成1.14万t高浓度（其浓度是法定限度的1.3亿倍）放射性污水泄漏。泄漏发生后，抢修人员先后用水泥类堵漏材料、快凝吸水膨胀聚合物和“超级胶”等平时堵漏效果非常好的材料均未堵漏成功，最后，使用水玻璃和其他阻水化学试剂组成的堵漏材料才将裂缝完全堵住，整个堵漏过程持续近一个月。这段时间内泄漏的放射性污水对周围海域生态环境造成了不可逆转的破坏，影响时间将达几十年之久。日本作为一个工程材料较为发达的国家，在处理福岛第一核电站污水泄漏的过程中，仍然暴露出了较大的问题。究其原因，可能在于日常情况下使用的堵漏材料绝大部分是在有人操作、借助机具、干态无水条件下施工完成的，而在当时的条件下，污水泄漏的位置位于核辐射区域内，如果安排施工人员进行堵漏抢险作业，将使施工人员遭受严重的辐射，即使采取严格的防护措施，单次作业的时间也有严格限制。在这种完全不具备堵漏施工条件的情况下，要发挥这些常规堵漏材料相应的堵漏效果显然是不可能的。

基于以上分析，针对此类对堵漏施工条件严格限制的特殊水体的堵漏，若能将堵漏材料投放到水体后，堵漏材料通过水流自动带到漏口位置，并在此处固化，堵塞渗漏通道，达到堵漏的目的，将具有重要的工程应用价值[7-8]。普通堵漏材料在对无任何施工条件或施工条件受到严格限制，不允许对漏水处做任何处理，甚至是任何施工器械、施工装备都难以发挥作用的前提下，需要一次性带水、带压、快速、自动完成应急堵漏，是很难实现的[9-11]。因此，研究一种具有自动堵漏、快速堵漏功能的材料十分必要，有利于应急处理放射性污水、有毒有害废水泄漏等环境问题。

1 试验

1.1 凝结时间

按照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行，采用截锥圆模（上口直径为65 mm，下口直径为75 mm，高度为40 mm）制备试样，在标准养护条件下，利用水泥标准稠度凝结时间测定仪对堵漏材料初凝时间和终凝时间进行测定。

1.2 流动度

按照 GB/T 50448—2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》进行，测定堵漏材料在无扰动情况下的自由流动度。操作方法为：将制备好的堵漏材料迅速倒满放在玻璃板上的截锥圆模（上口内径为70 mm，下口内径为100 mm，高度为60 mm）内，堵漏材料与截锥圆模上口平齐。缓慢提起截锥圆模，待堵漏材料自由流动停止后，测出最大扩散直径及与其垂直方向直径，取二者平均值作为流动度。

1.3 密度

取制备好的堵漏材料 100 g，加入盛有 800 mL水的1000 mL量筒中，观察并记录量筒液面的高度变化，作为100 g堵漏材料的体积。用堵漏材料质量除以体积即得到堵漏材料密度，重复3次试验，取其平均值作为堵漏材料密度。

1.4 抗分散性

参照DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土实验规程》对新拌水下不分散混凝土抗分散性测试的方法，对堵漏材料的抗分散性进行测定。《水下不分散混凝土实验规程》中包含称重法测水泥流失量、悬浊物含量测定和pH值测定三种方法。文中采用pH值测定法，将500 g堵漏材料均分成10份，将每份堵漏材料缓慢加入到盛有 800 mL水的1000 mL烧杯中，操作时间不超过20 s，静置3 min。用吸管在1 min内轻轻吸取600 mL烧杯中的水，作为pH值测定试验样品，然后测定pH值，并根据DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土实验规程》中附录 A的规定评价堵漏材料的抗分散性。

1.5 力学强度

按照 GB/T 17671—2005《水泥胶砂强度检验方法》进行搅拌，采用40 mm×40 mm×160 mm试模成型，脱模成型后进行标准养护。对养护不同龄期的试件进行抗折、抗压强度测试。应急自动堵漏材料的粘结强度用抗折强度进行反映。试验步骤为：将前期浇筑的40 mm×40 mm×160 mm尺寸普通砂浆试块，标准养护至28 d龄期后从中间折断，将得到的两个试块分别与应急自动堵漏材料浇筑成 40 mm×40 mm×160 mm尺寸的试块，标准养护至规定天数后测试其抗折强度，以测得的抗折强度作为应急自动堵漏材料的粘结强度。

2 结果及分析

2.1 应急堵漏材料基础配方确定

通过单掺试验进行材料遴选[12-13]，以磷酸镁水泥为参比对象，确定应急堵漏材料中，选择掺量为0.4%～0.6%的800万分子量 PAM作为应急自动堵漏材料的抗分散组分，核桃壳颗粒的掺量固定为60%，膨润土掺量为 5%，掺加 3%～4%的 SAP作为膨胀组分，漂珠掺量为 40%～100%，纤维掺量 1%～5%，减水剂掺量为 0.4%，水灰比为 0.35。为调整磷酸镁水泥凝结时间，掺入硼砂，掺量为3%～4%。

以PAM掺量、核桃壳颗粒级配、SAP掺量作为正交试验的设计因素，每个因素取三个水平，开展三因素三水平正交试验，其适用的正交表是L9（33）。所进行正交试验的影响因素及水平值见表1，试验中堵漏材料体系组成为：m(MPC)︰m (核桃壳颗粒)︰m(膨润土)︰w (水)=1︰0.6︰0.05︰0.35。

表1 应急堵漏材料正交试验方案的因素水平表

正交试验结果见表2，以抗分散效果为评价依据，选用pH值作为评价指标，采用极差分析法进行分析。应急堵漏材料pH值试验结果极差分析见表3。

表3 应急堵漏材料pH值试验结果极差分析

由表3可知，PAM掺量的极差R最大，SAP掺量次之，核桃壳颗粒级配（粗︰细）最小，因此该次试验中，影响应急自动堵漏材料pH值的主次关系为：A＞C＞B。在确定各因素对抗分散性的优水平时，由于抗分散性越好，pH值越小，故从表3 K1、K2、K3中选取值最小的水平作为优水平。三个因素的优水平分别为A3，B1，C1，优水平组合A3B1C1即为保证最小pH值、亦即抗分散性最好的最优水平组合，此时的配比为：PAM掺量0.6%，核桃壳颗粒中粗、细颗粒质量比为1.5︰1，SAP掺量3%。该组配比在表3中无对应试验，补充试验，测得pH值为8.2。应急堵漏材料基础配方见表4。

2.2 室内模拟实验

漏口的实际情况极其复杂，在试验中难以模拟所有的漏口情况。通过查阅文献，从漏口的位置、选择、大小出发，设计了8种典型的漏口，具体参数特征见表5。考虑到岩石材质的漏口加工比较困难，试验中漏口的材质均为混凝土材质。

表4 应急自动堵漏材料配方

表5 漏口位置及形状

为了便于观察堵漏材料在水中的运动路径，盛水容器除漏口所在的部位应为混凝土材质外，其余部分均可用透明的材料进行制作。试验中，用透明的有机玻璃管和混凝土试块制作了如图2所示的盛水容器。有机玻璃管的尺寸：底部直径为 100 mm，长为1200 mm，管壁厚为2 mm；混凝土试块的尺寸：底部直径为150 mm、高为50 mm。使用环氧树脂将有玻璃管粘接固定在混凝土试块上，经盛水测试容器不存在漏水现象。

为了模拟容器底部漏水的情形，在混凝土试块中心制作了相应参数的漏口。以制作5 mm圆孔漏口为例，在混凝土试块模具中心竖直放置高为60 mm、直径为5 mm的铁棒，将其与混凝土仪器浇筑呈现，1 d后将铁棒从混凝土试块中取出，混凝土试块自然养护至28 d，此时便得到了一个直径5 mm贯通孔的混凝土试块。对贯通孔表面用砂纸进行打磨，增加其表面粗糙度，然后将其与有机玻璃管粘接固定，即完成了漏口位于底部的漏水装置制作，如图 3a所示。在制作其他位于容器底部的漏口时，只需在浇筑混凝土试块时放入相应尺寸的铁棒或铁片，其他步骤与制作5 mm圆孔漏口的步骤完全相同。

在制作漏口位于侧部的简易漏水装置时，要将包含漏口的混凝土试块固定在有机玻璃管侧壁上是非常困难的。试验中采用了在其他材料表面涂刷水泥砂浆来模拟混凝土材料的方法，选用直径为40 mm的橡胶塞作为漏口的制作材料。以制作位于容器侧壁的5 mm圆孔漏口为例，首先，利用冲击钻在橡胶塞上钻取直径5 mm的贯通孔，用砂纸对贯通孔表面进行打磨，使其具有一定的粗糙度，然后在贯通孔表面涂刷聚合物改性砂浆，待砂浆凝结后备用。用冲击钻在有机玻璃管侧壁上钻取直径为40 mm的圆孔，然后用之前制作好漏口的橡胶塞塞住有机玻璃管侧壁的圆孔，并用环氧树脂进行粘接固定。待环氧树脂固化后，即制作完成了漏口位于容器侧壁的漏水装置，示意图如图3b所示。其他漏口的制作方法与此相同，仅漏口大小和形状有相应变化。

用自制的简易漏水装置对应急自动堵漏材料的堵漏效果进行评价，其堵漏效果的评价指标包含以下指标：堵漏时间，即应急自动堵漏材料从加入水中到漏口停止漏水的时间；漏水量，即装置中的水在应急自动堵漏材料从加入水中到漏口停止漏水的这段时间内，经漏口流出的水的体积。根据漏口大小选择不同尺度和种类的纤维[16-17]，见表6。

表6 用于不同漏口堵漏的纤维长度

由于漏口位置和尺度不一，对应急堵漏材料进行针对性地调整[14-15]，配方、性能参数和堵漏效果见表7。

堵漏材料中包含有核桃壳颗粒、漂珠组成的填料，膨润土和 SAP组成的吸水膨胀组分，复配纤维等多种材料。它们在堵漏材料中充当了不同的角色：填料为堵漏材料提供强度，将其称为刚性颗粒；吸水膨胀组分吸水后体积发生变化，称为弹性粒子；纤维在堵漏时形成网状结构。纤维首先在漏口形成网架结构[18]，实现对刚性填料颗粒和弹性膨胀组分的拦阻，填料在漏口内部狭窄处进行架桥，提供封堵层骨架，膨胀组分吸水使堵漏材料密实地填充漏口。三类材料共同作用、共同影响，形成稳定的封堵层。

3 结论

1）堵漏材料中加入的硬纤维横架于漏口端面处，可形成纤维网架结构，网架结构能使后续到来的刚性颗粒与弹性粒子停留，刚性颗粒在漏口内部狭窄处起到架桥作用，形成封堵层骨架。

2）堵漏材料密度至关重要，过大会导致堵漏材料不受水流控制直接沉底，无法达到漏口处，过小容易浮在液体表面，恰好悬浮在需堵漏液体中效果最佳。

3）对于堵漏材料的凝结时间和分散性的调节也是完成堵漏的关键。

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