堵漏灌浆材料AC.pdf

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1、第 8卷 2 002在 第 4期 1 2月 Vo I 8 No 4 De c，20 02 堵漏灌浆材料 AC MS的研究与应用 赵 卫全，郑亚平，杨 晓东(1 西 北 农林 科 技 大学 水 利 与建筑 工 程学 院，陕 西杨 凌7 1 2 1 0 0；2 中 国水 利水 电科 学研 究 院，北 京 1 0 0 0 4 4)摘要：文 中主要对堵 漏灌浆 材料 A C MS浆液(主剂 为丙烯酸镁)的性质，特别 是 AC MS浆液与水 泥浆 混合 使用 情况进 行 了试验 研究，并 进 行 了 AC MS浆 液和水 泥浆 混 合使用 在动 水条 件下 的 室 内模似 堵漏 灌浆 试验 和 AC M

2、S 水泥浆 液在贵州 某水电站基 坑溶洞漏水处 理中的应用。试验结果 表明 A C MS是一种性能 良好的堵 漏灌 浆 材料，其凝胶 体具有 较好 的粘结 性、弹性 和水 中膨 胀性；AC MS浆 液与 水泥浆 混合使 用 可使水 泥浆速 凝，凝胶 体 粘结强度和抗 冲性能较好，可 以用于封堵较 高流速和较 大流量的涌 水，适合 溶洞地层 的灌浆堵 漏。关键词：堵漏灌浆材料；AC MS；应用 中图分类号：T V5 4 3 2 文献标识码：A 文 章编号：1 0 0 8 9 8 2 9(2 0 0 2)O 4 0 0 1 1 一O 5 Re s e a r c h a nd Appl i c a

3、 t i o n o f Gr o u t i ng M a t e r i a l AC M S ZHAO W e i q ua n ，ZHENG Ya pi ng 。YANG Xi a o do ng (1 No r t h we s t S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Un i v e r s i t y o f A g r i c u l t u r e a n d F o r e s t r y，Y a n g l i n g 7 1 2 1 0 0，C h i n a；2 Ch i n a I n s t i t u t e o f W

4、a t e r Re s o u r c e s a n d Hy dr o p o we r Re s e a r c h，Be i j i n g 1 0 0 0 4 4，Ch i n a)Ab s t r a c t：Thi s p a pe r ma i nl y di s c us s e s t h e pr op e r t i e s o f a c h e m i c a l g r ou t i ng ma t e r i a l AC M S(t h e m a i n c o mp o n e n t i s t h e a c r y l i c ma g n e s

5、 i u m)，e s p e c i a l l y t h e p r o p e r t i e s o f AC MS c o mb i n g wi t h t h e c e me n t I t a l S O di s c u s s e s t h e s i m ul at i on t e s t of AC M S a n d c e me n t gr ou t i ng i n t he f l owi n g wa t e r a n d t he a pp l i c a t i on o f AC M S a nd c e m e nt gr ou t i n

6、g i n on e hy dr o po we r s t at i on i n Gui z h ou Pr ov i nc e The r e s ul t s i nd i c a t e t ha t AC M S i s a go od a nd u s e f ul m a t e r i al f or pr e v e n t i ng s e e pa g e a nd bl o c ki n g up l e a ka g eI t s g e l ha s f i ne a dhe s i t i v i t y，e l a s t i c i t y a nd e x

7、p a ns i bi l i t yI f AC M S i s mi x e d wi t h c e m e n t，t he c e m e nt wi l l s ol i d i f y qu i c kl y And t he g e l ha s hi gh gl ue-i nt e ns i t y a nd hi gh a g a i ns t-s c o ur，whi c h c a n be us e d f o r hi gh s p e e d a n d l a r ge f l o w I t i s s u i t a bl e f o r bl o c ki

8、 ng up ka r s t l e a ka g e Ke y wor ds：c he m i c a l g r o ut i n g ma t e r i a l；AC M S；a ppl i c a t i o n 0前 言 堵漏灌浆材料按浆 液的状态可分为两类：以水 泥为主的粒状灌浆材料和化学灌浆材料 1 。水泥灌 浆材 料 由于具有结 石体强 度高、材料来源 广、价格 低、运输、贮存方便 以及灌浆工艺 简单等优点，是灌 浆工程 中应用最广泛的基本灌浆材料。但纯水泥浆 凝 结 时 间 长、易 被 水 流 稀 释，用 于堵 漏 受 到 了 限制。化学灌浆材料 比水泥浆有较好 的可灌性

9、，浆液的胶 凝 时 间 可 以根 据 工 程 需 要 进 行 调 节，且 有 的 材 料 如 聚氨酯可以和水直接反应产生凝 胶，适用于有 流动 水部位 的防渗堵漏。但化学灌浆材料价格较贵，施工 工艺要求较高。研究水泥化学复合灌浆材料和灌浆 工艺，发挥二者的优点，将是防渗堵漏灌浆材料的发 展方向。目前常用的化学灌浆材料有：水玻璃、环氧 树 脂、聚 氨酯、丙 烯酯 胺、沥青 等。水 玻璃(硅 酸 钠)价 收 稿 日期：2 0 0 2 1 O 一 2 O 作者 简介：赵卫 全(1 9 7 8 一)，男(汉族)安徽寿县人，在读硕士 研究方 向地基处理。O 眦 术(3 技 渗 e 防 C 维普资讯 ht

10、tp:/ 1 2 防渗技术 第 8卷 格低廉且无污染，是使用最广泛的化学灌浆材料之 一 水泥一 水玻璃浆材具有水泥 的全部优点，而且胶 凝 时 间可 以从 几 秒 到 几 十 分 钟 调 节，已广 泛 应 用 于 地 基 处 理 和 防 渗堵 漏 工 程 中，有 些 溶 洞 地 层 的 堵 漏 已采用L 2 ，证明能够适应动水下堵漏要求。但水泥一 水玻璃浆液终凝时间长，初凝时粘结强度低、抗 冲性 差，水流较大时，易被冲走，不能满足较大水流下 的 堵漏要求。并且，水玻璃耐久性还有待进一步研究，使其在永久 性工程中的推广应用受到 了限制。聚氨 酯类灌浆材料分 为水溶性聚氨酯和油溶性聚氨酯。水溶性聚

11、氨酯能够和水泥混合，但在压力水下 固化 性能差；油溶性 聚氨酯粘度大，价格 昂贵，且和水泥 的和易性较差，灌浆工艺复杂，胶凝时 间不宜控制，易被水 流冲走L 3 。丙烯酰胺因单体有毒，目前 已禁止 使用。热沥青灌浆应用在堵水工程，效果显著，但施 工工艺复杂，很难推广。丙烯酸盐类灌浆材料具有粘 度低、毒性小、和水及水泥有很好 的互溶性，凝胶 时 间可调等特点，非常适用于防渗堵漏工程。丙烯酸盐 与水泥浆混合使用，能够产生瞬时凝胶，且凝胶体具 有较高 的抗压强度和粘结强 度，可 以和其他材料如 模袋等 一起作为大流量、高流速溶洞地层的堵 漏材 料。意大利 曾用丙烯酸盐类灌浆材料成功的处理了 卡波卡那

12、 瓦隧道中毒气 体的渗漏 问题，日本矿业公 司丰羽矿业所用水泥浆和 A一4 2(一种丙烯酸盐类 材 料)浆 液 混 合 使 用，成 功 的 堵 住 了 渗 漏 量 为 0 6 m。h 温泉涌水L 4 。我 国 目前应用丙 烯酸盐堵漏 灌浆的工程还较少，对 于大流量、高流速动水条件下 的岩溶 堵 漏，也 没有非 常 有效 的材 料。近 年来，随着 丙烯酸的大量生产，研究和应用丙烯酸盐类浆材，特 别是丙烯酸盐类浆液和水泥浆混合使用，在动水条 件 下 的 堵 漏 灌 浆 情 况 很 有 现 实 意 义。作 者 主 要 对 AC MS(主剂为丙烯酸镁)浆 液的性质、AC MS浆 液和水 泥浆混合使用在

13、动水条件下的室 内模拟灌浆 试验和 AC MS 一 水泥浆液在贵州某水电站基坑溶洞 漏水处理 中的应用进行 了初步探讨。1 AC MS浆液性质 1 1 AC MS浆 液粘 度 对 2 5 的 AC MS浆液在 2 6 C时 的粘度进 行 测试，结 果 如表 1和 图 1。表 1 AC MS浆液粘度与 时间关 系 时 间 S 1 0 3 0 8 0 1 0 0 1 5 0 1 8 0 粘度 CP 3 3、4 4 4 2 5 3 3 4【)0 U 一 20 1 0 5()l()0 l 5【)时间(s)图 1 AC-M S浆 液 粘 度 与 时 间关 系 由试 验 曲线 可 以看 出：AC MS浆

14、液在 聚合 反应 开始前，粘度基本保持不变，聚合反应一旦开始，粘 度急剧变化，并能很快达到最终凝胶。AC MS胶凝 时粘度急剧增 大即凝胶迅速的特点，特别适合封堵 涌水。1 2 AC MS浆 液胶凝 时 间 AC MS浆 液的胶凝 时间可在数秒到数小 时内 控制。温度、单体浓度和引发剂含量对浆液胶凝时间 均有显著影响。试验表明 A C MS浆液胶凝时间受 温度影 响特别 明显，温度越高，胶凝时间越短。如果 把 AC MS浆液放在太 阳下直 晒，在不加任何外 加 剂的情况下便能 自聚。所以现场灌浆前要进行试 配，并 防止浆液在太 阳下直晒。AC MS浆液单体浓度 提高，浆液胶凝 时间会 随之缩短

15、。当单体浓度较小(小于 1 O )时，浆 液胶凝时间均在 3 0 mi n以上，从 开始胶凝到凝胶体变硬还要经过很长一段时间，且 析水较 多，粘性也 较低。如果单 体浓度过 高(大于 3 O )，浆液粘度增大，可灌性降低，且浆液胶凝 时温 度较高，反应非常剧烈，胶凝 瞬间，凝胶体急剧膨胀，有劈裂声。试验还表明随着引发剂含量增大，浆液胶 凝时间也不断缩短，但 引发剂含量过大时，凝胶体的 粘 结性 和 强度 变 差，且施 工难 于控制。由于影 响 A C MS浆液胶凝 时间的因素较多，在配制浆液时要综 合考虑，既能使 浆液在规定时间内胶凝，又能使凝胶 体具有较高的抗压强度和粘结强度，满足防渗堵漏

16、的需 要。1 3 AC MS浆 液与水 泥 浆混 合 使用 浆 AC MS浆液与水泥浆混合，不仅可 以提高 水泥的可灌性，并对水泥浆有促凝作用，固化时间能 控制到几秒，固结体抗压强度可达数十公斤，是封堵 大量涌水的一种有效灌浆材料。1 3 1 水 泥掺 量 对胶 凝 时间和 粘 结强度 的 影响 对不同水泥掺量的浓度为 2 5 的 AC MS浆液 维普资讯 http:/ 第 4期 赵卫全等堵 漏灌浆材料 AC MS的研究与应用 进行 了几 组 试验，结果 如 图 2。，、3 三 2 量 盏l 0 0 5 0 l 00 l 5 0 2 0 0 2 5 0 水泥对A c M s 的掺量()图 2

17、水 泥掺量对胶 凝时 间的影响 水泥浆 中加入 AC MS浆液，浆液的凝结 时间 大大缩短，且 随着水泥掺 量的改变，凝胶体 的强度、弹性和粘结性均有所改变。对上述配方浆液固结后 2 8 d的粘 结 强 度 进行 试 验，粘 结 强度 与 水 泥掺 量 关 系 如 图 3。从 中 可 以看 出，AC MS溶 液 中水 泥 掺 量 为 5 o 左右时，粘结 强度较高，当超过 5 0 时，粘结强 度则 下降。但水 泥对 AC MS浆 液 的掺 量不超过 1 0 0 时，粘接强度仍较高，并且 由于水泥用量增加，凝胶体抗压强度和抗 冲性能提高，对封堵较大流量、较高流速的涌水会更有利。l 0 一 8 0

18、 6 一 型4 强 2 蠢 0 0 5 0 l U U l 5 0 2 00 水泥对A C M g 的掺量()图 3 水 泥掺 量对粘结 强度 的影 响 1 3 2 凝胶 体 应力 与应 变关 系 水 泥浆 中加入 AC MS浆液后，固结体不仅强 度高，而且弹性好。对不同比例水泥一 AC MS混合浆 液 固结后 2 8 d的应力一 应变进行 试验，结果如表 2、3、4及图 4、5：其 中：W AC MS浆液质量，C 一 水泥质 量，弹性模量为当前应力与前一应力间的割线模量。表 2 W C=1 5 凝胶 体应力与应 变关系 注：压缩后最 后破坏。0 5 1 0 1 5 20 25 3 0 变(0

19、 0 1)图 4 W C=1 5应力一 应 变关 系 表 3 W C=0 7 5 凝胶体 应力与应变 关系 注：压缩后最 后破坏。图 5 W c=1 0应 力 一 应 变 关 系 以上试验结果表 明，当水 泥掺量较 小时(w c 1 5)，AC MS浆液和水泥浆反应生成橡胶状弹性 体。水泥掺量在一定范围内，随着水 泥掺量的增加，凝胶体 的抗压强度也在增加。AC MS浆液和水泥 浆混合后凝胶体的变形率可达 5 0 以上，其抗压强 度 也 可 达 5 MP a。但 水 泥 掺 量 过 多 时(W C 6 一 4 3 2 0 一 日(j v u 一 4 2 0 (_ 塞 一 三 维普资讯 http:

20、/ 1 4 防渗技术 第 8卷 0 7 5)，凝胶体的抗压强度和变形率都开始降低。试验还发现，凝胶体浸泡于水 中，会保持原有的 性能，当放置空气中，凝胶体失去弹性，但强度增高，和水泥浆 固结体相似，但性能较脆。2 AC MS 一 水泥 浆材碎石级 配料堵漏 灌浆 室 内模 拟试验 动水条件下灌浆堵 漏，要求灌人的材料必须能 够速凝，浆液应具有较高的粘结强度 以及 固化后有 很好的耐冲性能。水泥一 水玻璃浆材固化后耐冲性能 较差，对 于较大流速 的灌浆堵漏得 不 到预期效果。AC MS 一 水 泥 浆 液 由 于 固 化 时 间 能 控 制 到 几 秒，且 具有较好 的粘结强度，能适合较大流速下

21、 的灌浆堵 漏。为了进一步验证 AC MS浆液和水泥浆混合使 用在动水条件下的堵漏情况，作者进行 了水泥浆和 AC MS浆液在动水条件下碎石级配料堵漏 的室 内 模 拟 试验。2 1 基本 原 理 动水条件下堵漏室 内模拟试验 主要是制作模型(这次试验为有机玻璃制成的长 1 1 T I，宽、高各 2 0 c m 的长方体模型)，里面填上碎石，让其通 过不同流量 的水流(用抽水泵调节)，模拟工程的现场情况进行 不 同 配 比的 AC MS 一 水 泥 浆 双液 灌 浆 试 验，看 其 封 堵效果。由于灌浆封堵效果和灌浆量有很大关系，采 用 流量较小 的手摇泵进行试验，灌 浆示意图如图 6 所示。

22、图 6双 液 模 拟 灌 浆 示 意 图 2 2灌 浆堵 漏效 果 分析 从灌浆过程看，灌浆效果 与双液混合段的制作 即浆 液 混合 程 度有 很 大关 系，若 混合 段 制作 不好，浆 液没有 固化就被冲走，甚至一点不留；而混合段制作 好，浆液在灌浆管 出 口，已基本形成凝胶，在水中能 很快看到凝胶体堆积，几分钟后水流即被堵住。图 7 为流速在 0 1 5 m s时，灌浆后从模型中取出的一块 固结体 形状。图 7堆 石 灌 浆 固 结 体 试验还发 现灌浆效果和水泥掺量、温度关系很 大，其主要原因可能是 AC MS浆液在温度较高时，对水 泥促 凝 作 用加 大。为 了进 一 步 了解 AC

23、MS 一 水 泥浆 对 于更 大流 速 的灌 浆堵 漏 情 况，将 模 型 出水 口加 大，用水 泵 调整 流 速，测得孔隙流速 V孔 晾 一0 3 4 m s，在这种情况下，碎石在模型 中已不能站立，前端用筛网挡住，进行灌 浆，灌浆结果：1 0 rai n后有一半水流被堵住。冲出的 水 流 中 出现 了大 量 浆 液 凝 胶，其 原 因 是：流 速、流 量 较大，灌浆量较小，虽能产生凝胶，但 随水 流立刻 冲 走。这时，需要改变堆石体级配，增大灌浆量，或延 长 堆石体长度。由于物体的抗水流性能和水深、物体粒 径 有关，无 法真 正 模拟 现 场情 况。2 3 和水 泥一 水玻 璃 浆液 比较

24、 采用同样方法，用水泥一 水玻璃浆材进行同样试 验，水泥一 水玻璃浆液凝胶时间较长，需要较 长混合 段，从 出浆 口出来的浆液只是变稠，遇到水流 冲释，就被冲走，即使在 0 1 5 m s的水流下，也根本无法 形成固结体；而 AC MS 一 水泥浆液 由于固化时间短，比水泥一 水玻璃浆液有更好的耐冲性能和粘结性能，对于较大水流的堵漏有较好效果。水泥一 水玻璃双液 灌浆要有一定长的混合段，否则，浆液没有凝 固前就 被 水 流稀 释，影 响 固结；而 AC MS 一 水 泥 浆 由 于凝 胶 时 间可控性、凝胶体 的粘、弹性等 比水泥一 水玻璃 浆 液有一定的优越性，在高流速水流情况下，这种优势

25、就更 加 明显。3贵州某水 电站厂房 基坑溶洞 的堵漏处理 贵 州某 水 电站 厂 房 在基 坑 开 挖 过 程 中，出现 溶 洞 涌水，使 基 坑、发 电站 洞施 工 被迫 停 止。据有 关 测 试，涌水 流量 大 于 1 7 0 0 1T I。h，估 算流 速 为 2 6 2 8 m s。由 于该 溶 洞漏 水 量 大、流 速 急，采 用 一 般 材 料 维普资讯 http:/ 第 4期 赵卫 全等堵漏灌 浆材料 AC MS的研究 与应用 很难堵住。经研究，决定采用模袋灌浆技术、AC MS 灌浆材料及控制灌 浆技术，对基 坑进 行防渗堵 漏处 理。在 出水 口采用模袋灌浆，涌水流量减少了

26、6 0 。对小溶洞，水流流速仍较大，一般的灌浆工艺和浆材 不能达到效果。经试 验研究，采用双液控制灌 浆工 艺，浆 材分别为含纤维水泥砂 浆和 AC MS 一 水 泥浆 液。AC MS 一 水泥双液灌浆，采用孔 口混合，胶 凝时 间控制在 5 8 S，保证浆液 出口即已初凝，浆液在孔 洞 内扩散并迅速凝 固。在 AC MS 一 水泥灌浆过程 中，为保证灌浆双管压力、流量的稳定，采用稳压包进行 控制，取得了很好效果。对充填溶洞和裂 隙发育 的强 渗漏带，采用水泥一 水玻璃双液控制灌浆。最后，溶洞 漏 水 被 完 全 堵 住，基 坑 开 挖 时，在 经过 处理 的地 带，岩壁干燥，没有一点渗漏。4

27、结 语 通过对 AC MS浆液的性能试验，AC MS浆液 与水泥浆混合使用在动水条件下 的堵漏灌浆室内模 拟试验 和在某工程 中的具体应用，可初步得出 以下 几点 结 论：(1)AC MS是性能良好的堵漏灌浆材料，有很 好的可灌性，其凝胶体具有较好 的粘结性和弹性，以 及水 中膨胀性，适合潮湿状态下的灌浆堵漏。(2)影响 AC MS浆液胶凝时间的因素较多，在 配制浆液时要综合考虑，在具 体工程堵漏灌浆前要 进 行试 配。(3)AC MS浆液和水泥有很好的混溶性，和水 泥浆混合使用，可使水泥浆速凝，凝胶体粘结强度和 抗 冲性能较好，固化强度高，可 以用于封堵较高流速 和较大流量的涌水，可 以作为

28、溶洞地层 的堵漏灌浆 材 料。(4)AC MS毒性小，价格 比聚氨酯和环氧树脂 便宜(聚氨酯：2 3万元 t；环氧树脂；3 4万元 t；AC MS：1 2 1 3万元 t，有广阔的应用前景。参 考 文 献 1 林 崇 元 岩 土工 程 治理 手册 沈 阳：辽 宁科 学技 术 出版 社，1 9 9 3 9 E 2 3田应 坤 大 小 坪溶 洼水 库 岩 溶 渗 漏原 因 分 析及 治 理技 术 防渗技 术，1 9 9 9，5(3)：2 8 3 0 3 3 B o b b y E Wi l l i a ms，Ro n Ro b i n s o n，Gr o u t i n g i n a k a

29、r s t e nv i r o nme nt，W a t e r p owe r 9 7，81 4 81 8 4 杜嘉鸿 等编译 国外化学 注浆教 程 北 京：水 利 电力 出版 社，1 9 8 6 5 I s 电力 工 业部 华 东勘 测设 计 院科 学 研 究所 化 学灌 浆 技 术 北京：水 利出版社。1 9 8 0 8 (上接 第 7页)3 3试 验 实测 结 果分 析 成桩 1 a后 从 预先 埋 置 的试 验 桩 实 测 结果 分 析 得 到 理想 的 结论。(1)桩身直径变成 3 0 c m 左右，固化度非常好，坚 硬 的象 天 然 砾石 岩 一样，内含 大量 结 晶矿 物，强

30、 度 很大，在静水中连续浸泡 1 周也基本无松动变形，实 测 桩 身 变 形 摸 量 E 一 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 k P a，相 当 于 桩间土变形摸量的 4 5 倍。(2)桩 间土 含 水 量 减 小 2 0 左 右，天 然 密 度 提 高 1 0 左右，土体孔隙比减小 7 9 6 1 3 ，液性指数 I 下降 3 0 4 5 ，土的状态明显改善。(3)桩 问土抗 剪强度 明显 提高，无侧 限抗 压强 度提高 3 0 9 6 5 0 ，土体压缩 量减小，仅相 当于加 固前天然土地基的 1 4 1 3，同时沉降过程加快。(4)加 固后 桩 间 土地基 承裁 力 比原 天 然

31、 地基 承 载 力 提 高 1 1 5倍，达 到 2 2 0 2 8 0 k P a，完 全 满 足 工程 设 计 需要。4 结 语 从 以上计算结果与试验桩实测结果分 析比较，吻合性很好，且工程使用多年未出现任何质量问题，说 明用生灰砂桩法处理高含水黄土地基可 以得到满 意的工程效果，特别是在生灰中掺干砂可 以大大提 高生灰砂桩 自身强度，改变桩中心软弱现象。同时施 工便捷，值得推广应用。参 考 文 献 1 张伯平，党进谦 编著 土力 学 西 安：西 安地 图 出版 社，2 0 0 2年 3月第 1 版 2 3 4 2 4 2 2 陈 友富 砂灰挤 密桩 在高 含水量 湿陷性黄 土地 基 中的 应用 高 等农业 教育，1 9 9 6年增 刊 5 4 5 6 3 叶书麟 编 著 地 基处 理 北 京：中 国建 筑 出版 社，1 9 8 8 年 8月第 1版 1 2 9 1 3 2 维普资讯 http:/