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在化灌工程中合理選用漿材與施灌工藝

發布時間：2014-08-09

一、前言
    化學灌漿材料為真溶液，與顆粒性石灰、粘土和水泥灌漿材料相比，可灌性好、膠凝時間可按工程需要調節、粘結強度高，因此，某些用水泥灌漿不能解決的工程問題，采用化學灌漿材料處理或進行復合灌漿，基本上都可以獲得滿意的解決。隨著我國經濟建設的發展，化學灌漿在水利水電、交通、采礦、建筑行業和文物保護方面的應用越來越廣泛。

    化學灌漿是一項專業性較強的技術，它包括了漿材、施灌工藝和灌漿設備。目前，運用化灌技術解決工程中防滲堵漏與加固補強兩大方面的工程問題卓有成效。隨著我國政策開放近30年來經濟建設的高速增長，建設工程中急需解決的上述兩大方面的問題也急劇增長；雖然促進了化灌行業的發展，但是，在化灌技術的推廣應用過程中，政府對多個行業應用的化灌技術的推廣進行政策引導、支持，組織制定材料標準、設計規范、施工規范、驗收規范，對施工人員的培訓與認證、施工企業的認證等工作都嚴重滯后，市場無序競爭，因而導致一些化灌工程質量低下甚至失敗，這使人們對化灌的可靠性和耐久性產生了不良影響，這是化灌同行值得關注的。對此，我們的學會、協會應加強與政府有關部門的聯系和呼吁，作為化灌工作者，現僅就化灌工程中在技術上應當注意的幾個問題與同行進行探討和交流。
二、正確選用化灌漿材是保障化灌工程效果和耐久性的關鍵
    成功的化灌處理工程應是能滿足設計或使用要求與保證化灌處理工程的耐久性兩個方面。水利水電行業是我國應用化學灌漿技術最早的行業，由于工程的重要性，對化灌漿材施灌效果和耐久性的要求十分重視，尤其是對水電大壩基礎加固的工程，都必須經過現場試驗、施工性試驗并進行各項檢測，對同類材料還往往選用幾家的材料進行現場試驗后選出性能效果最好的材料進行工程應用，在選材上相對比較嚴格和規范，所以，工程質量相對有保障。但在交通和建筑行業方面，混凝土結構裂縫補強和防滲堵漏的工程較多，基礎加固工程用化灌的相對較少，設計和施工隊伍在選材和施灌工藝方面相對水電和采礦方面而言經驗少一些，而要做處理的工程情況和要求又不盡相同，因此，如何針對這方面的工程實際情況和對處理的要求正確選用化灌漿材是必須要認真考慮的問題。
    化灌漿材按其功能與用途可分為防滲堵漏型和加固補強型。（見表1）
表1  常用的兩大類型化灌漿材
類型防滲堵漏型加固補強型
常用漿材丙烯酰胺（現已禁用）改性環氧
丙烯酸鹽甲基丙烯酸甲酯
聚氨酯油性聚氨酯（非混凝土結構裂縫）
水玻璃酸性水玻璃（臨時性或半永久性）
木質素

    然而兩種類型的化灌漿材的功能并非絕然分開。第一種類型中的水玻璃，亦可單獨或與水泥混合用于強度要求較低的土基的半永久性補強材料，聚氨酯中強度較高的油溶性聚氨酯也可用于非結構性混凝土裂縫補強，也有用于非地下或水下混凝土結構中活動性裂縫的補強。而少數親水性較好且固化較快的改性環氧漿材對滲流量小的混凝土結構裂縫具有排水補強功能，但出水量較大的工程不能用作堵水材料。所以，在實際應用中應根據工程情況合理的選用漿材。對于混凝土裂縫化灌處理的合理選擇原則一般應考慮以下幾個方面：
1、要滿足工程使用要求選擇漿材
    首先應考慮工程要求是防滲堵漏還是補強加固，亦或是既要防滲堵漏又要求進行加固補強；要根據滲漏量大小和補強的要求在上述兩類材料中進行選擇，補強要求不高，可選擇聚氨酯，對滲漏量小而補強要求高的可選擇親水性的改性環氧漿材。對伸縮縫、變形縫、活動性裂縫的化灌應選擇聚氨酯材料。
2、要考慮工程應用的環境情況選擇漿材
    考慮化灌工程所處的環境條件是正確選擇漿材的重要因素。對于在高寒地區使用的材料，其抗凍融性要好，溫差變化大，其韌性或彈性要好。對處于腐蝕介質環境中的工程，要求耐腐蝕性要好，如化工車間、污水處理池、地下工程處于有腐蝕性地下水地段的混凝土結構裂縫等，可選擇改性環氧中韌性好、無溶劑或使用活性溶劑而收縮性更小的環氧漿材。
3、要考慮工程應用中的具體情況選擇漿材
    混凝土裂縫化灌選材還應分析裂縫產生的原因，了解是否是活動性裂縫、了解混凝土結構受力與變形情況、運行中的載荷情況、特別是受震動載荷的影響情況，如橋面板的裂縫、地鐵二襯結構裂縫，還要考慮化灌處理允許的施工時間限制條件（如運營中地鐵的維修）等來合理的選擇材料，必要時可選擇水泥加化灌材料混合灌漿來滿足工程需要。
    以上三點是化灌設計和施工必須綜合考慮的選材原則。另外，對于加固灌漿而言，關鍵是要選濕粘接強度高、韌性好、可灌性好的漿材。廣州地鐵1號線公園前站，是兩條線路的交換站，分上下兩層，主體結構完成后混凝土結構多處出現裂縫和滲漏，當時使用了聚氨酯、一般改性環氧和高滲透改性環氧三種化灌漿材進行化灌止水補強，均于1997年底前灌完并進行了驗收；投入運行后，使用聚氨酯化灌的裂縫三年多后開始陸續出現復漏，一般改性環氧漿材5年多后出現復漏，而使用高滲透改性環氧漿材中化-798所灌的裂縫使用至今無一處滲漏。這三種材料在同一工程中的耐久性大不相同，其原因分析認為：聚氨酯雖有較好的堵水效果，但強度低，不具備對混凝土補強作用。廣州氣候大致分為雨季和旱季，因而地下水位的變化形成壓力差，使聚氨酯的泡沫破裂而收縮，而聚氨酯對混凝土的裂縫壁之間的粘接強度低，部分脫離而形成新的進水通道故出現復漏。而一般改性環氧雖然強度較高，具有補強功能，但在有水裂縫中對濕縫壁的粘接強度也較低，僅2個多兆帕，而稀釋劑丙酮未活化，韌性較差，在地下水位壓差每年交替變化下久而久之也會與裂縫壁脫離而形成新的滲漏通道。而高滲透改性環氧之所以11年多無復漏，一是灌入后漿液能往裂縫壁兩邊滲入一定深度，形成一個過渡層，起到植根的作用；二是在潮濕混凝土基面的粘接強度高，大于4MPa；第三是因為丙酮的活化不僅進一步減少了收縮性，也提高了固結體的韌性，不僅補強度效果好，耐久性也好。由此，可看出漿材選擇的重要性。所以，廣州地鐵2號線大修時，通過對上述情況的總結，最后選用了高滲透改性環氧“中化-798-Ⅲ化學灌漿材料（KH-3）”即第三代中化-798漿材作為大修的化灌漿材。上海地鐵黃陂路站站廳層頂板為密肋鋼梁填充混凝土，不設變形縫，1993年建成至今10多年以來，對頂板的貫通性滲漏水裂縫年年修堵，見效甚微[1]，專家認為這是在化灌漿材的選擇及修堵工藝的欠缺造成的，這也說明了正確選材是化灌成功的關鍵。

三、化灌工藝和正確選用化灌設備是化灌工程成功的保障
    化學灌漿技術，關鍵是合理選擇高性能的漿材，而制定正確的化灌工藝和選用合適的化灌設備則是化灌成功的保障。
1、根據裂縫實際狀況和處理要求正確制定施灌工藝
    對化灌工藝而言，水電大壩基礎防滲帷幕與大壩基礎斷層破碎帶及低滲性軟基的化灌工藝與混凝土裂縫化灌的工藝是有所不同的，這里僅就混凝土裂縫化灌工藝中應注意的問題供同行探討。
1）灌漿壓力的選擇
    首先應明確以不引起地層或對結構允許的壓力之下來確定灌漿壓力，在允許壓力之下灌漿時視流量控制逐步增大。第二，不同的化灌漿材使用的灌漿壓力不同，聚氨酯類粘度大，對細縫的可灌性差，在允許壓力下可逐步增大接近允許壓力值，以利于微細裂縫的灌入。但必須注意的是，增壓過快和壓力過大會導致裂縫的繼續發展，所以，并不是壓力越大越好。第三，堵水材料的灌漿壓力應依據出水壓力和漿液的凝固時間在允許壓力值之下從大于出水壓力開始盡快提高到接近允許壓力值，以利于漿液頂水并迅速凝固發揮堵水功能。有條件的地方可以引水與灌漿結合。第四，對于補強用的環氧漿液，一般粘度較小，無需太大壓力，壓力一般控制在 1MPa以內；對高滲透改性環氧漿液，不是靠壓力擠壓進微細裂縫，主要是靠自身的滲透，所以，灌漿壓力一般控制在0.2~0.3Mpa即可。
2）灌漿時間的確定與結束標準
    總的來說灌漿時間應以灌入漿液充填滿裂縫為準在結束壓力下按所灌漿液的凝固時間確定閉漿時間。對于堵水型的漿液無需在結束壓力下打循環閉漿，否則可能在進漿管內凝固而堵死管道。但對于補強用的環氧類漿材，即可在進漿量為零時繼續灌注10min結束。
3）根據工程實際和漿液特點確定施灌工藝
    雖然對于混凝土裂縫的防滲堵漏或補強加固進行化灌各有其共性的灌漿工藝，但每項工程情況不盡相同，應根據現場實際和漿液特點并結合經驗制訂合理、有效、簡便的施工工藝，滿足工程的效果要求。如某單位一樓地面（無地下室）粘貼的瓷磚磚縫間填封的白水泥漿材料出現裂縫并有微量水滲出，施工單位即采用堵漏靈先對裂縫進行封縫處理，然后在四塊面磚相接的十字交叉點鉆約30mm深的小孔，然后用大針筒灌入高滲透改性環氧漿液，漿液即在磚下面的水泥砂漿層滲透，到灌不進去時封閉該孔灌下一個孔，就這么簡單的處理好了地面地磚裂縫滲漏的問題。
2、化灌設備的選用

    化學灌漿的主要設備是灌漿泵，相對水泥灌漿泵而言落后很多，可選擇余地小，也少有與之配套的自動記錄儀。對混凝土裂縫化灌來說，目前許多還在使用手搖泵，亦能滿足灌漿要求。目前，武漢昌輝科技公司生產的CHDB-9.0/0.2-IB單液化學灌漿泵對混凝土裂縫補強是較好的一款化灌泵，重量也只有 11Kg；而近年來國外引進的路德、臺灣等生產的小型化灌泵，重量更輕，對混凝土裂縫用聚氨酯類材料的化灌是很好的一種灌漿泵，但不適合環氧類漿材的灌漿。
四、高滲透改性環氧化灌漿材（KH-3）的灌漿工藝特點
    高滲透改性環氧化灌漿材（KH-3）具有粘度低、可灌性能優異、力學強度高等特點，特別是粘接強度，干粘接強度達5.5～6.7MPa、濕粘接強度達 4.3～5.3MPa，遠高于同類改性環氧漿材的粘接強度（見下表2）；還因能在生產過程中將非活性溶劑的丙酮活化預聚并與糠醛反應，不僅化解了糠醛的毒性，而且更因丙酮分子通過反應連接到固結體的網絡中，使固結體收縮性減小，也提高了固結體的韌性和耐老化性能。（KH-3）針對不同用途設計了固化時間不同而力學性能相近的三種配方型號：在15～20℃條件下，L型約8～12小時初凝，7型為52～68小時初凝，Y型為82小時以上初凝；前兩種型號適于大壩基巖裂縫和混凝土裂縫的加固補強灌漿，Y型適用于壩基低滲透軟弱地層的滲入固結灌漿。在對混凝土裂縫灌漿時，使用L型和7型漿材在混凝土裂縫壁兩邊會沿著其毛細管道和微孔隙滲入裂縫壁內一定深度，形成一個植根式的過渡固結層，這一層的強度比原混凝土高，由于混凝土自身的不均質性，使漿液滲入的深度不一致，滲入的界面是一個很不規則的界面，這反而對消除溫度或載荷造成的變形與應力集中非常有益。所以，將丙酮活化提高固結體韌性、對裂縫壁濕粘接強度高、漿液滲透性能優異能部分滲入裂縫壁兩邊形成植根式的過渡固結層，這都是高滲透改性環氧化灌漿材（KH-3）不同于一般改性環氧漿材的特點，也是對混凝土濕裂縫灌漿補強取得良好效果和灌后耐久性遠高于一般環氧的原因所在。
正因為KH-3的初凝時間較長和對裂縫壁兩邊有滲透性，因而施灌工藝亦有相應的特點：第一，應采用低壓慢灌，壓力選擇在0.1～0.4MPa即可灌入 0.01～0.1mm的微裂紋中，對于0.2mm以上的裂縫更能灌入。對于條件較差的小公司來說，是用手搖泵即可灌好。第二，為了提高灌漿效果應在第一次灌漿結束后相隔3～4小時進行第二次補灌，這是因為第一次灌入縫中的漿液往裂縫壁兩邊的滲入消耗了一部分縫內的漿材，3～4小時后原配置的漿液粘度雖增大并未初凝，再補灌一次使縫內漿液充滿是保證最佳灌漿效果所必需的。

    對于水電大壩低滲性軟弱地層的加固灌漿，KH-3的灌注也有其特點：第一，必須采取水泥--化灌復合灌漿，水泥灌漿的目的不僅是充填空間減少化灌漿材用量和提高軟弱地層的彈模，更主要的是改善地層的不均一性，避免漿液從原有地層中的裂縫等大滲流通道流走而未能進入低滲性的夾泥中。要求水泥灌漿后壓水的ω值接近10-3即K值達10-5～10-6cm/s，說明水泥漿能充填的裂隙已充填好，地質的不均一性大大改善，這樣才能保證KH-3的有效復合灌注。第二，施灌中應做到高壓、穩壓、長時間灌注或間歇式灌注，這對于漿液與被灌介質的親和力大于孔隙水對被灌巖土的親和力的KH-3漿液，可發揮低滲性地層中夾泥的吸滲作用[2]，對漿液的有效灌注是合適的。第三，無需在化灌漿液灌注前以丙酮先行驅水，此做法是筆者在1981年陳村、龍羊峽、二灘現場試驗時提出并寫入后來龍羊峽施工的工藝中的，其他改性環氧漿材俱在化灌中相繼采用；但后來對滲透機理的研究發現，我們的漿材具有一定的親水性，但也具有整體的排水功能（見下圖），在夾泥中還具有自吸滲功能，無須丙酮或稀漿開路；而且這種做法有害的，因丙酮對漿液的互溶性好、對漿液會起稀釋作用、對固結體力學性能有影響，丙酮先行進入夾泥孔隙后會對漿液的進入有阻止作用[3]，特別是對Ⅲ序孔的灌漿影響更大，故而在河南固縣大壩化灌施工開始已經取消。據說正在編寫的大壩基礎化灌規范中是否寫入有不同看法，但至少KH-3的化灌工藝是不需要的，還可降低化灌成本。

    對于大壩基巖裂縫的固結灌漿，同樣需要先進行水泥灌漿改善地質的不均一性，使ω值接近10-3才好進行高滲透漿液的化灌，在施灌工藝方面應根據工程的地質情況、根據設計的要求和根據漿液自身的特性來制定有效的施灌工藝，以保證有效的灌注。例如小灣電站大壩基巖的裂縫灌漿，孔位布置如下圖（后頁附圖），共9個孔分三序灌漿Ⅰ、Ⅱ序孔孔距為2m，每孔分2m與3m兩段灌漿，孔深約15～20m，灌前壓水透水率很小，僅 0.1～0.4Lu，要求灌漿最終壓力為3.2MPa進漿量為0。2007年12月，選用中化-798-Ⅲ和CW分別在23和22壩段完成了化灌試驗，單耗中化-798-Ⅲ為13.92L/m，CW為8.19L/m。2008年4月取樣均不理想，中化-798-Ⅲ雖滲透較好，但漿液固結體發脆，經檢查，原來是漿液配比搞錯，本來正確配比應該是100:7.8，配漿時誤配成8:1（相當于100:12.5）、固化劑多加了60%，因而交鏈密度過大而導致固結體發脆，加上在化灌后僅20多天就在試區內用沖擊鉆打錨索孔，震動很厲害，必然會將初步固化而強度不高的固結體震裂；所以，這次試驗只驗證了漿材的可灌性，因而決定將4個取樣孔作為化灌孔再次進行試驗。因取樣孔為150mm孔徑，不便阻塞，故未再分段，5米段長進行全孔灌漿。考慮到1.前面分段灌漿時上下兩段進漿量差異較大；2.該地層裂縫為應力釋放型裂縫，特點是多而細、分布以水平或低傾角為主，連通性好；3.打錨索孔時的震動可能出現新的裂縫；4. 中化-798-Ⅲ在40小時內粘度變化不大的特性，我們在化灌工藝措施上作了重大調整：一是安裝回漿管，實行半循環式灌漿，壓力增大到2MPa時利用回漿管放氣、放水；二是以控制進漿量為主來調整灌漿壓力，壓力達到1MPa時以0.1MPa為一個臺階緩慢增壓，連續3個讀數點（15分鐘）進漿量均增大時，就降低壓力，保持每分鐘每米段長進漿量在10～40毫升范圍內灌注，這有別于閉合裂縫的滲入而不致因壓力增長快而壓穿一些與此連通的裂縫使漿液串遠。另外，回漿管放氣放水也有利于漿液滲入閉合的細小裂縫。在發現孔與孔之間出現串灌現象時，我們及時的暫停該孔的灌注，而對串入的孔進行施灌，并封閉未灌的其它孔，防止漿液與未灌孔串漿，回頭再對停灌孔復灌，依然可以進漿并達到要求的3.2MPa至進漿量為零。所以，上述針對地層實際情況和漿液自身特性采取的這些施灌工藝措施就能保證漿液的有效灌注。

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