一种新型注浆材料在水库渗漏止水中的应用研究

朱 俊

(安徽省龙河口水库管理处，安徽 舒城 231360)

1 工程概况

龙河口水库位于安徽省舒城县巢湖水系支流杭埠河上游，始建于1958年，竣工于1969年，库区控制流域总面积约为1100km2，防洪保护面积为53万亩，总库容9.03亿m3，底库容0.502亿m3。主坝全长600m，采用黏土心墙砂壳坝，坝顶高程为75.8m，坝顶宽度为6.45m，溢洪道最大泄洪量为3820m3/s。自建成以来，经过除险加固施工，目前水库防洪标准已提高到万年一遇，但水库工程的安全隐患一直未得到根本消除：防洪标准和调蓄能力低，泄洪过于频繁，由于受到白蚁侵害，大坝的渗漏问题一直比较严重，因此有必要寻求一种新技术来解决水库大坝长期渗漏问题[1-3]。

聚氨酯是由异氰酸酯与多元醇反应而成的一种通用聚合物，具有质量轻、机械性能、耐化学性能以及耐磨性能良好等特点，在建筑、鞋类、汽车等诸多领域得到广泛应用。通过将聚氨酯与水泥等胶凝材料进行拌和，可产生大量的CO2气体，这些气体会产生0.5～1.0MPa的压力，使得材料发生膨胀变形，对周围裂缝进行填充，从而达到止水堵漏和补强加固的效果，可将其应用到建筑、水利、交通等复杂地质下的堵水止漏加固施工。但是聚氨酯注浆材料的性能受原材料和配比的影响较大，如何提升聚氨酯注浆材料的综合性能，改善止水堵漏和补强效果成为当下一大热点问题。

本文利用最新型的聚氨酯高分子材料和水泥对龙河口水库大坝土体进行改良试验，以期获得最佳的聚氨酯注浆材料配比，为指导水库的止水堵漏施工提供借鉴。

2 试验概况

2.1 试验材料

试验土：取自龙河口水库大坝，密度为2.63g/cm3，天然含水率为2%，最大干密度为1.65g/cm3，最小干密度为1.34g/cm3，最大孔隙率0.97，最小孔隙率0.59，内摩擦角为18°，体积模量为8MPa，剪切模量为5.3MPa，黏聚力为0.045MPa。

水泥：选用R.SAC42.5型快硬硫铝酸盐水泥，初凝时间为25min，终凝时间为180min，标准稠度用水量为27.6%，28天抗压和抗折强度分别为45MPa和7MPa，主要化学成分为CaO、Al2O3和SiO2，占比分别为44.4%、23%和10.8%。

聚氨酯：它是由聚醚多元醇、异氰酸酯以及各种功能材料在特殊时间、温度和配比下经聚合得到的亲水性聚氨酯复合功能材料，简称W-OH，呈浅黄色或者黄褐色，固含量为85%，密度为1.18g/cm3，黏度为500～800Pa·s，是一种无毒环保的新型材料，具有固化凝聚时间短、适用范围广(固定沙土、止水、防尘等均可)、安全性高、附着力强、耐久性好等诸多特点[4-6]。

2.2 试验方案

试验分为两类：第一类是对聚氨酯水泥浆液基本性能进行测试；第二类则是对聚氨酯水泥改性土的力学性能进行测试。在第一类试验中，分别设计7组配合比的浆液进行对比分析，见表1。第二类试验中土与聚氨酯溶液的掺量(质量比)为4 ∶1，即聚氨酯浓度=聚氨酯质量/(聚氨酯+水)质量，设计9组配合比进行试验，见表2。

表1 聚氨酯水泥浆液配合比

表2 聚氨酯水泥改性土配合比

2.3 试验内容

聚氨酯水泥浆液性能：主要对浆液的流动性、初凝时间和终凝时间进行测试。聚氨酯水泥改性土性能：主要进行不同龄期下的抗压强度试验、浸水试验、冻融循环试验以及抗水渗透性试验。微观结构：主要对不同配合比下聚氨酯水泥改性土进行SEM 扫描电镜试验。

3 试验结果分析

3.1 聚氨酯水泥浆液性能

聚氨酯水泥浆液流动性和凝结特性试验结果见表3。从表3可知：当水灰比一定时(J1～J4)，随着聚氨酯浓度的增加，聚氨酯水泥浆液的扩散半径逐渐减小，初凝时间和终凝时间也逐渐降低，且随着聚氨酯浓度的增加，对扩散半径和凝结时间的影响程度逐渐减小，这是因为聚氨酯浓度越大，与水生成的凝胶物质越多，使得聚氨酯水泥浆液的黏度增大，因而浆液的扩散半径(流动性)越小。聚氨酯浓度越高，溶液中所包含的活性分子越多，分子之间的运动速率和碰撞概率也就越大，因而凝结速度加快。当聚氨酯浓度一定时(J3、J5～J7)，随着水灰比的增大，聚氨酯水泥浆液的扩散半径越大，流动性越好，这是因为当聚氨酯浓度一定时，溶液中所掺水分越多，凝胶物质的黏度就越小，因而扩散半径越大；聚氨酯水泥浆液的凝结时间随着水灰比的增大而逐渐增大，这主要是因为当水灰比增大时，溶液中的分子碰撞剧烈程度会降低，水化反应速度随之减小，因而凝结速度变慢。

表3 聚氨酯水泥浆液性能

以上分析可知：聚氨酯水泥浆液初凝时间和终凝时间较短，可用于防水止漏等快速抢修工程施工，在实际运用时，应根据现场情况制定合理的堵漏方案，确定最佳的施工配合比，从而达到最佳的防渗止水效果[7-8]。

3.2 聚氨酯水泥改性土强度特征

聚氨酯水泥改性土在不同龄期下的强度特性见图1。由图1可知：当水泥掺量一定时，随着聚氨酯浓度的增加(T2、T4～T6)，聚氨酯水泥改性土的强度呈逐渐增大的变化特征，龄期越久，强度越高，这是因为随着聚氨酯浓度的增大，与水聚合反应生成的凝胶物质越多，这些物质具有很强的附着力，并包裹在土颗粒周围，在土颗粒之间形成很强的黏结强度，使土体的抗压缩能力显著提升，因而抗压强度得到增强；在早期，聚氨酯水泥改性土还具有较强的弹性变形、塑性变形和保水能力，但是随着龄期增长，弹性变形和保水能力会逐渐弱化，使得土体的强度进一步提升，因此，聚氨酯水泥改性土后期的强度改善效果明显优于前期。

图1 聚氨酯水泥改性土抗压强度

在试验过程中，还发现了一个现象：掺入水泥后，对改良土早期的强度有一定改善作用，但是对后期的强度反而有一定的抑制作用，相同聚氨酯浓度下，不掺入水泥试验组(T1、T7～T8)的后期强度明显高于掺入水泥组(T2、T5～T6)，这主要还是与聚氨酯材料早期具有较好的保水能力有关，由于其早期较好的保水能力，使得土体中维持着较高的含水率，当掺入水泥后，可促进水化反应进行，在凝胶体和颗粒间隙中生成并填充结石体，从而使得强度有所提高，但是随着时间增长，聚氨酯材料的保水性能在后期基本消失，此时聚氨酯生成的凝胶体与土颗粒包裹在一起，形成一个良好的整体，如果再加入水泥，就会破坏凝胶体与土颗粒之间的既有结构，因而造成在聚氨酯浓度一定的情况下，水泥掺量越多，后期强度越低的情况，基于此，在实际操作中应严格控制聚氨酯水泥改性土中的水泥掺量[9-10]。

3.3 聚氨酯水泥改性土水稳定性

试验得到的聚氨酯水泥改性土浸水试验结果见表4。由表4可知：将聚氨酯水泥改性土完全浸入水中后，T4试验组底部出现大量散土并随即发生崩解，而其他试验组无明显变化，这说明单纯的水泥处理，水泥产生的胶结力无法抵御水引起的侵蚀破坏；当浸水48h后，T5试验组也发生崩解破坏，而其他试验组无明显变化，这说明当聚氨酯浓度较低(4%)时，水泥对既有结构的破坏程度大于聚氨酯本身的凝结力，使得试件发生崩解；当浸泡1个月后，除了T4、T5试验组崩解外，其他试验组仍没有发生明显变化，这说明采用聚氨酯处理的试件具有良好的水稳性能，这主要得益于聚氨酯材料与土颗粒之间较强的既有结构，可以很好地抵御水的侵蚀破坏，同时也再次说明，聚氨酯水泥改性土中的水泥掺量不宜太高，或者掺入水泥时可适当提高聚氨酯溶液的浓度。

表4 水稳定性试验现象

3.4 聚氨酯水泥改性土抗冻融循环特性

聚氨酯水泥改性土经过25次冻融循环(冻结温度-17℃，融化温度17℃)的试验结果见表5。从表中可以看到：经过25次冻融循环之后，T4试验组在放入水中时已发生崩解，而T5试验组有轻微的颗粒脱落，但结构的整体稳定性较好，这说明经聚氨酯处理后的试件，抗冻性能更佳。这主要是因为聚氨酯可以与水反应在土颗粒表面形成一层薄而坚韧的膜状物质，这些膜状物质作为颗粒的连接纽带，最终在试件中形成三维交联网络结构，从而能够起到很好的传递应力的作用，使土壤的整体性得到增强，胶结力大大提升，因而耐久性明显提升，从而有效抑制江水和地下水对大坝内部的侵蚀破坏。

表5 冻融循环试验现象

为进一步分析聚氨酯浓度对抗冻性的影响，在水灰比为0.5的情况下，统计了聚氨酯浓度分别为0、4%、6%和8%四组试件的吸水率、质量损失率和强度损失率，结果见图2。从图2可知：随着聚氨酯浓度的增加，改良土的吸水率、质量损失率、强度损失率均呈逐渐降低的变化趋势，这主要是因为聚氨酯与水反应生成的胶凝物质充填在孔隙结构中，不仅改善了浆体的孔隙结构，降低了孔隙连通性，提高了密实度，而且由于这些胶凝物质穿插在水泥水化产物中，具有很好的引气作用和胶结作用，可以阻止冻融循环下裂缝的扩展与延伸。

图2 聚氨酯浓度对抗冻性的影响

3.5 聚氨酯水泥改性土渗透性能

不同试验组28天龄期下的渗透性能试验结果见图3。由图3可知：在相同龄期下，T4试验组的渗透系数最大，达到了11.2×10-7m/s， T3试验组的渗透系数最低，仅为1.2×10-7m/s，T3与T4的渗透系数相差一个数量级，同时经聚氨酯处理后的改良土抗渗性明显优于纯水泥试验组，当混掺聚氨酯和水泥时，水泥水化反应生成的产物可以填充在土颗粒之间，从而使密实度提升，抗渗特性逐渐提高，但是水泥掺量并不能太高，这是因为水泥会破坏聚氨酯与土颗粒的既有结构，从而使孔隙率增加，因此，低掺量聚氨酯情况下，不宜掺入水泥，但是有时为了提升早期强度，在掺入水泥时，聚氨酯浓度应适当提升。

图3 抗渗性试验结果

4 聚氨酯水泥改性土体微观结构特征

为进一步解释聚氨酯水泥改性土防渗止水的微观机理，对原状土及T3、T4和T9试验组进行SEM扫描电镜试验，结果见图4。由图4可知：在原土样中，虽然孔隙率较少，但土颗粒与土颗粒之间的相互联系较少，土颗粒呈独立赋存状态，一旦遇水或受其他外界因素影响，这种平衡结构很容易被打破；当仅掺入水泥进行改良时(T4)，水泥水化反应生成的水化物质可以将土颗粒成团包裹起来，但是容易在这些团状颗粒之间留下较大的孔隙间隙，从而降低渗透性能；对于仅掺入聚氨酯的试验组(T9)，在土颗粒周围有一层坚韧的白色薄膜，这层薄膜具有很强的黏结作用，使得土样的强度和水稳性能得到有效提升，但仍会有部分孔隙没有被填充；当混掺聚氨酯水泥进行改良时，土颗粒被坚韧薄膜包裹，同时水化产物填充在空隙处，使得土样内部形成三维交联网络结构，不仅避免了应力集中现象，而且还可以起到机械支撑作用，使得改良土的各方面性能均较优。

图4 SEM扫描电镜试验结果

5 结 论

针对龙河口水库主体大坝存在长期渗漏的现象，利用新型聚氨酯材料对大坝土体进行注浆加固改良试验，得出如下结论：

a.聚氨酯水泥浆液初凝时间和终凝时间较短，可以用于大坝快速注浆补强施工，但聚氨酯浓度会影响浆液的扩散半径，因而需要在注浆时适当调高水灰比。

b.聚氨酯水泥改性土在后期的强度改善效果明显优于前期，聚氨酯浓度越高，强度提 升越明显；单纯的水泥改良土样，遇水即发生崩解，当采用聚氨酯处理后，水稳定性、抗冻性和抗渗性有明显提升；当聚氨酯浓度较低时，为避免水泥对聚氨酯改良土既有结构的破坏，应采用低掺量水泥，或者为了提升改良土早期强度特性而使用高掺量水泥时，也应该将聚氨酯浓度对应提升。

c.聚氨酯与水反应后生成薄而坚韧的聚合物膜包裹在土颗粒周围，这层薄膜具有较强的黏结性，使得土样胶结呈一个整体，同时水泥水化产物填充在空隙中，使得土样内部形成密实的三维交联网络结构，因而强度、水稳性、抗冻性、抗渗性均得到明显提升。

d.在实际注浆施工过程中，聚氨酯材料的使用不可避免地会导致水泥浆体流动性能降低，如若配合比设置不当，可能会造成注浆管道堵塞，从而影响施工效果和施工效率，因此，在注浆施工开始前，必须对聚氨酯注浆材料配比进行试验确认。