水下环氧树脂灌浆材料 技术领域
本发明涉及土木建筑工程基础固结、防渗和混凝土裂缝补强的灌浆材料，具体地指一种主要用于大型工程岩石基础固结、防渗、补强水泥灌浆材料不足和混凝土建筑物裂缝处理的水下环氧树脂灌浆材料。
背景技术
灌浆就是将特定材料配制而成的浆液，用压送设备将其灌入地层孔隙或混凝土构件裂缝内，使其扩散、充填、胶凝或固化，以达加固或防渗堵漏的目的，保证工程安全。由于水泥灌浆具有结石体强度高、材料来源广、价格低廉、贮运方便、以及灌浆工艺比较简单等优点，迄今为止，水泥仍是灌浆工程中应用最广泛的基本灌浆材料。但因水泥属颗粒材料，对裂缝开度小于其颗粒粒径3～5倍以下的处理对象无法灌入。同时，对于重要建筑物的大体积混凝土构件裂缝，不仅其开度细小，面积大，而且还要求具有很高的力学强度和良好的粘接性能，水泥灌浆材料由于作为其载体的水部分析出，不可能达到粘接密实、强度高、恢复建筑物整体性的目的。因此，非颗粒且粘接强度高的环氧树脂真溶液化学灌浆材料的使用就成为必然。
环氧树脂具有牢固的粘接力，在常温下可以固化，反应收缩率小，有较高的力学强度和优良的耐老化性能。因而其在土木建筑工程中得到了广泛应用，特别是在各发达国家都将其应用在混凝土裂缝补强灌浆中，但应用在基础处理中则比较少见。目前，国内外生产的环氧树脂牌号很多，而作为化学灌浆材料的环氧树脂其牌号也不尽相同，但一般都是采用比较普通的双酚A型环氧树脂和可以进行室温固化的胺类固化剂如乙二胺、二乙烯三胺等进行组配，再在以上两组份中适当加入促进剂、改性剂、增韧剂、稀释剂等，以适应不同灌注对象的要求。
但已有的国外环氧树脂浆材只适用于于燥或潮湿状态的处理对象，不适用于有水状态，如美国地LPL、德国的sika等产品皆特别标明只适用于干燥、潮湿状态。美国LPL产品的初始粘度为350mPa·s，德国sika产品的初始粘度为150～180mPa·s，由于其粘度较大，反应时间较短，故只能灌注≥0.5mm以上的浅层裂隙，多用于处理一般建筑物的板、梁、柱结构，对大型工程结构的处理效果并不理想，且其材料单价较高，在我国售价达130元/公斤左右，性价比不高。
而已有的国内环氧树脂浆材同样存在上述问题。据有关资料介绍，国内此类环氧树脂浆材在有水情况下灌注的粘接强度比在干燥环境下使用时低50％左右，且在某些情况下甚至泛黄、起皮、浆材不固化。
归纳起来，目前已有的环氧树脂灌浆材料还存在下述问题：(1)浆材不能应用于有水条件。某些浆材为了适应有水条件下使用，仅片面追求浆材亲水性的改善，因通用的双酚A型环氧树脂是不溶于水的，但胺类固化剂溶于水而被稀释，则将影响固化反应的正常进行；(2)浆液表面张力和接触角较高，其湿润和浸润能力较低，不适应渗透性低的岩石基础断层破碎带、泥化夹层及混凝土细微裂缝的处理、大坝基础防渗帷幕的补强；(3)浆液粘度较高，粘度增长过快，初凝时间过长，早期发热量过大，强度增长过慢，操作较为复杂；(4)浆材中含有毒性、刺激性、腐蚀性的乙二胺、二乙烯三胺等原料；(5)性价比较低。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种水下环氧树脂灌浆材料，该浆材渗透性好、固化物强度高，对岩石和混凝土粘接牢固、固化后抗渗性能好、且施工工艺简单，并可在干燥、潮湿、有水，特别是有压流动水的条件下常温固化，能广泛应用于建筑物基岩断层破碎带、泥化夹层、混凝土裂缝特别是微细裂缝处理及大坝基础防渗帷幕补强。
为实现此目的，本发明所研制的水下环氧树脂灌浆材料，按重量由100份环氧值为0.51～0.54的液态环氧树脂、5～50份丙酮、10～60份糠醛、10～60份苯酚甲醛己二胺缩合物或苯酚甲醛间苯二胺缩合物、0.5～5份硅烷偶联剂组成。其中液态环氧树脂为主剂；丙酮、糠醛为反应性稀释剂；苯酚甲醛己二胺缩合物或苯酚甲醛间苯二胺缩合物为憎水性固化增韧剂；硅烷偶联剂为表面湿润、渗透、粘接增强剂。
本发明的优点在于：所研制的浆材中摒弃溶解于水的常用脂肪胺如乙二胺、二乙烯三胺等，选择憎水性的苯酚甲醛己二胺缩合物或苯酚甲醛间苯二胺缩合物作为固化剂，其与憎水性的液态环氧树脂混合均匀后，形成与水的稳定界面，则浆材内部的固化反应不受外部水的影响。这种憎水性强的浆液，在灌浆压力的推动下，以浆驱水，用浆液取代处理范围的自由水和毛细水，浆液中又存在能与水极好互溶的糠醛、丙酮组合物，通过分子扩散而破坏裂缝两侧及微粒表面附着水和结合水所形成的薄水膜，而这部分亲水性单体又能自聚、与憎水部分交联或形成互穿网络固化物，在所需处理范围固化后具有理想的力学性能，并能和被灌体牢固结合。并且，苯酚甲醛己二胺缩合物或苯酚甲醛间苯二胺缩合物的长链既具有增韧作用，又具有丰富的增强环氧树脂固化作用的促进基团，还具有挥发性低毒性小、固化收缩率低、粘接性好、固化强度高等特点。
同时，除通过糠醛、丙酮与水互溶将薄层水膜破坏外，还选择硅烷偶联剂作为表面处理剂，它将依赖分子扩散的作用迁移至界面处，使浆材的表面张力变低，接触角变小，除使浆液具有特优的湿润和浸润性能外，还经水解与无机物表面和环氧树脂分别形成化学键，有效地提高界面的胶接强度和对水解的稳定性。
从而，本发明的浆材粘度适度、可调，表面张力、接触角低，湿润、浸润性能优异，渗透性好，可操作时间长，适应性广，在干燥、潮湿、水下环境均能应用，且浆材在处理对象内固化物密实性好，力学强度高，与被灌体粘接牢固。
具体实施方式
以下结合具体实施例和实验数据对本发明的水下环氧树脂灌浆材料作进一步的详细描述：
实施例1(配方编号CW1)：
环氧值为0.52的双酚A型液态环氧树脂 100重量份
丙酮 40重量份
糠醛 40重量份
苯酚甲醛己二胺缩合物 20重量份
硅烷偶联剂 2重量份
实施例2(配方编号CW2)：
环氧值为0.53的双酚A型液态环氧树脂 100重量份
丙酮 40重量份
糠醛 40重量份
苯酚甲醛间苯二胺缩合物 40重量份
硅烷偶联剂 3重量份
将上述配方混合均匀即得本发明的水下环氧树脂灌浆材料。
表1～4示出了本发明的水下环氧树脂灌浆材料的实验结果，通过这些实验结果的分析可知：
本浆材与国内同类浆材相比，以憎水性为主，兼具亲水性，以浆排水，摒弃了丙酮先导灌浆，省工、省料，有利环保，保证工程质量。三峡工程F215断层破碎带水泥化学复合灌浆试验中与本浆材相同条件下试验的国内同类产品，在断层部位未取得岩芯，同时其模拟试验强度也比本浆材低，初凝时间太长。据介绍其在李家峡应用，裂隙充填率74.6％，国外资料也认为灌浆的充填率达70～80％属理想。而本浆材灌浆后取芯填充率趋近完全，浆液固化物充填密实是被灌体长期使用的重要保证条件。
本浆材与国外同类浆材相比：1)适用范围广，干、潮湿、饱含流动水的状态下均适用，而国外同类浆材如LPL、sika产品均不能用于有水条件；2)初始粘度低，在20℃条件下14mPa·s左右，而sika产品粘度150～180mPa·s，只能灌入≥0.5mm以上裂隙，LPL产品粘度350mPa·s；3)灌注干燥和潮湿对象的力学性能亦比国外相应产品高一倍以上；4)价格较低，国外同类产品售价高出本浆材一倍以上。
本浆材原材料全部国产，货源广，配制工艺简单，单液灌注，易于推广。
表1 水下环氧树脂灌浆材料主要性能配方编号 CW1 CW2浆液粘度(20℃，mPa·s) 14 14浆液比重 1.06 1.06浆液的PH值 加固化剂前 6 6 加固化剂后 9 9聚合物密度 1.12 1.10胶凝时间(h) 26 65浆液界面张力(环法)(20℃，mN/m)** 配浆毕 34.38 1h 36.11浆液接触角(20℃，°)(接触物均为花岗岩)** 配浆毕 7.1 配浆毕 00(接触面湿) 1h 10.6砂浆“8”字模粘接抗拉强度(MPa)(龄期两个月) 干养护 ＞3.5 ＞3.5 湿养护 ＞3.5 ＞3.5三峡花岗岩试块劈拉强度(MPa)(龄期一个月) 干养护 3.5 4.7纯聚合体的抗压强度(MPa) 龄期：一个月 47.8 33.0 龄期：三个月 70.0 49.0 龄期：六个月 72.2 60 5标准砂固结体抗压强度(MPa)(龄期一个月) 干养护 59.2 36.2 湿养护 44.0 32.2纯聚合体的变形模量(GPa)(龄期三个月) 干养护 0.93；0.83；0.67 水下养护 0.81；0.87；0.88石英粉固结体抗压强度(MPa)(龄期一个月) 干养护 124 水下养护 116石英粉固结体变形模量(GPa)(龄期一个月) 干养护 10.64；9.47；9.07 水下养护 8.79；8.24；8.07F215断层破碎带纯浆体模拟灌浆 变模Ed(GPa) 2.63 弹模Ee(GPa) 4.23*模拟灌注0.3mm裂缝的劈拉强度(MPa)(龄期三个月) 干燥 2.6 2.7 有水 2.5 2.6*模拟灌注0.15mm裂缝的劈拉强度(MPa)(龄期三个 干燥 2.8 3.0 有水 2.5 2.6
*：表示灌注15×15×15m3立方体混凝土试块后的劈拉强度；
**：相同条件下水的表面张力72.53mN/m，接触角39.4°。
表2 LPL产品与水下环氧树脂灌浆材料成果对照表
德国sika可灌性差，未予采用。
表3 三峡工程F215断层破碎带水下环氧树脂灌浆材料室内模拟灌浆成果表浆材名称 试件编号 抗压强度 (MPa) 抗拉强度 (MPa) 模量 泊松比 μ 抗剪强度 块体灌前密度 (g/cm3) 块体灌后密度 (g/cm3) 变模Ed 弹模Ee c(MPa) fCW1 3-1 6.18 0.66 1.52 2.09 3-2 2.24 3-3 22.2 2.00 4-1 1.61 1.9 4-2 24.8 2.63 4.23 0.39 2.23 4-3 2.12中化-798 1-1 4.94 1.22 1.55 1.86 1-2 13.2 1.66 1.82 4.03 0.4 1.68 1-3 1.47 2.15 2-1 13.1 1.04 2.75 0.43 1.62 2.15 2-2 9.93 1.91 2-3 16.1 1.82 4.03 0.43 2.16
注：将F215断层已出露部分取出的原样充填在长50cm、直径5cm的模拟灌浆钢筒中，试样饱和水。CW浆液从下部灌入，上部排水。设备为HGB-2型高压泵，灌浆压力为0～8.0MPa，经8h灌注后始将水排尽出纯浆，灌浆和屏浆共12h。CW组直接用浆材排水；中化-798组用丙酮作先导灌浆、排水。上述成果龄期半年。
表4 水下环氧树脂灌浆材料在现场应用时所达到的性能指标 地点灌浆目的 抗压强度 (MPa) 抗剪强度 (MPa) 劈拉强度 (MPa) 变形模量 (GPa) 透水率 (Lu) 备注灌前灌后灌前 灌后灌前 灌后灌前灌后 灌前 灌后 三峡F215断层基础加固呈疏松—半疏松状25.9- C＝0.6 f＝1.2- 1.39-12.5 ＞5占35％ ＜0.18水泥化学复合灌浆，J5检查孔 三峡f1096断层呈疏松—半疏松状-- C＝1.49 f＝1.91- 2.11-大于8.91水泥化学复合灌浆，J2检查孔 江垭7、8坝段 坝基溶蚀带基础防渗 1.7～5.1 ＜0.616 三峡永久船闸 层面缝 江汉航线新城船混凝土建筑防渗补强--- - 大于1.07-- ＜0.1 闸上下闸首裂缝 处理--- - 1.7～3.1-- 0