国内外环氧树脂灌浆材料的种类及其在水利工程中的应用

国内外环氧树脂灌浆材料的种类及其在水利工程中的应用

魏 涛^1，2   汪在芹^1，2   韩炜^1，2  邹涛^1，2

(1长江科学院，2水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉430010)

    摘要：本文介绍了国内外环氧树脂灌浆材料的种类和在水利工程中应用情况，认为今后环氧灌浆材料的研究应向着低毒、无气味、价廉的方向发展，同时为满足变形缝的要求，还应开发具有弹性的环氧树脂灌浆材料。

关键词：环氧灌浆材料   水利工程     应用情况

前言

环氧树脂灌浆材料是用得最多的补强灌浆材料，具有粘接力高、在常温下可以固化、固化后收缩小、有很高的机械强度和耐热性、稳定性好等优点。该浆材是由A、B两组分组成，A组分是由环氧树脂和稀释剂组成，B组分一般为固化体系。以环氧树脂为主剂的化学灌浆，发达国家二战后期即开始研究，我国1959年，针对三峡工程建设基础加固和混凝土裂缝处理的需要，经国家科委批准立项，把环氧树脂为主剂的浆材用于三峡固结灌浆作为一个重要的研究课题。几十年来，随着化学工业的发展，研制出了许多配方，目前已能够成批供应粘度可调、渗透性好且可在低温、有水潮湿条件下固化的系列环氧树脂灌浆材料。

这些灌浆材料在我国的水利部门（如三峡、葛洲坝、龙羊峡、丹江口、陈村、凤滩、万安、龙滩、溪落度、锦屏等水利枢纽）得到了广泛的应用，解决了许多工程中的难题。在处理软弱夹层及断层破碎带的化学灌浆材料方面，广东化学研究所、水科院和长江科学院作了大量的研究工作，并取得了可喜的成绩。如CW系灌浆材料是在原长科院环氧—糠醛—丙酮等化学灌浆材料的基础上，结合目前我国化学工业的发展水平，优选了国内最新的产品。在环氧树脂方面，选择了低粘度的环氧；在稀释剂方面，对稀释剂进行了预反应和改性，从而改善了浆材的稳定性；在固化剂方面，优选了目前适合于水中固化的高分子胺类，增加了固化剂的韧性，使固化体系无毒；在表面活性剂方面，选择了能够提高浆液渗透性的反应表面活性剂，使浆液有更好的渗透性。三峡大坝采用CW环氧浆材处理F1096软弱夹层及断层破碎带的水泥一化学复合灌浆技术，堪称国际上处理低渗透性软弱岩土地层的先进技术。中国科学院广州化学所先后成功研制了三代高渗透性的环氧系列灌浆材料。青海龙羊峡大坝采用中化798环氧浆材处理G4伟晶岩劈裂带也堪称国际上处理低渗透性软弱岩土地层的先进技术。

1、环氧类灌浆材料

环氧树脂作为灌浆材料，首先要求其浆液具有较小的粘度和适宜的操作时间，常用的环氧树脂本身粘度较大，因此关键的问题是尽可能的降低其粘度，同时又必须使固化物具有所需的各种性能。按稀释剂的种类可把环氧灌浆材料分为四大类。

1.1非活性稀释剂体系的环氧灌浆材料

这种环氧灌浆材料的组分简单，一般由丙酮、二甲苯等非活性稀释剂和环氧树脂混合组成。这类浆液配制简单，而且粘度较低，但由于加入了大量不参与反应的溶剂，造成物理力学性能下降，固化物收缩大。目前一般不采用。

1.2糠醛—丙酮稀释体系的环氧树脂灌浆材料

我国目前比较广泛采用的是用糠醛—丙酮混合稀释剂的环氧树脂灌浆材料。它是根据糠醛和丙酮在一定条件下能进行反应的原理考虑的。在固化终结时糠醛、丙酮反应生成呋喃树脂且与环氧树脂形成互穿网络结构，它兼具环氧树脂和呋喃树脂的优良性能，机械强度高，与岩石和混凝土粘接牢固，耐水、耐酸、耐碱、耐盐腐蚀，耐老化性能特优。随着改革开放以来和我国高分子化工的发展，环氧固化剂的种类不断增多，目前所研究的环氧树脂灌浆材料具有更优良物理力学性能和高的渗透性，既使在水下（含有压流动水）裂缝中灌注，在适宜的工艺条件下也能获得良好的力学性能和粘接强度。这种体系由于糠醛的添加往往会产生环境问题。

因此，人们在研究无毒副作用环氧固化剂的同时，也展开了无溶剂型环氧浆材的研制，无溶剂型环氧浆材的研究将得益于环氧树脂工业的发展。

1.3低分子的环氧活性稀释剂体系(无溶剂型)的环氧灌浆材料，

这种环氧灌浆材料，一般由低分子的环氧活性稀释剂和环氧树脂混合组成。用低分子的环氧活性稀释剂克服了溶剂的挥发，浆材可以得到较好的性能。现有活性稀释剂本身的粘度一般都比较大，稀释效果不太理想，故浆液的可灌性受到一定限制，且加量太多将影响固化物的交联密度。但是用活性稀释剂体系做环氧树脂灌浆材料，这是一个合理且有前途的发展方向，可以期望能使用粘度更小、无毒、无气味价廉的活性稀释剂，使国内环氧树脂灌浆材料达到一个新的水平。国外主要是这种体系的环氧树脂灌浆材料。

1.4水性环氧树脂灌浆材料

这种环氧灌浆材料是以水作为稀释体系，使用安全，可用水清洗等，符合环保要求。环氧树脂灌浆材料的水性化将有很大的发展前景，目前国内已有多家机构在研究水性环氧树脂，但应用还不多。

1.5丙烯酸环氧树脂灌浆材料

丙烯酸环氧树脂是环氧树脂和不饱和一元酸反应的产物，它是在环氧树脂分子链两段引入不饱和双键，又称乙烯基酯树脂，是六十年代出现的一种新型热固性树脂。它结合了环氧树脂和不饱和聚酯树脂的优点，可以进行游离基聚合而快速固化，也可用紫外线、电子束固化，其应用比较广泛，成为一种有发展前途的新型树脂。丙烯酸环氧树脂可用烯类或丙烯酸酯类单体稀释，以调节粘度，可以研究出用于混凝土裂缝和基岩加固处理的灌浆材料。由于烯类单体和丙烯酸环氧树脂交联共聚，因此，这种浆液实际上是无溶剂体系，机械性能好。

1.6丙烯酸环氧树脂与聚氨酯互穿聚合物网络灌浆材料

采用互穿聚合物网络技术，利用两种或两种以上不同品种高分子材料，可制备出一种性能优良的新材料，它能综合不同材料的优点，克服各自的局限性。互穿聚合物网络技术是国内外高分子材料共混改性领域中近几十年发展很快的一种新技术，它是两种或多种聚合物在聚合过程中相互贯穿形成网络互锁结构，从而使聚合物具有优于任何单一组份的性能，丙烯酸环氧树脂与聚氨酯互穿聚合物网络灌浆材料就是以丙烯酸环氧树脂为主体，利用聚氨酯预聚体含有的—NCO能与水反应的特点，而将其引入到浆液中，此材料综合了不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯、甲凝等材料的的多种优良性能。既具有较好的强度，又有适度的韧性，且可在低温和水中固化，是一种值得开发的多用途的互穿聚合物网络灌浆材料。

2国内外环氧灌浆材料部分生产厂家及型号

目前，国内外环氧灌浆材料部分生产厂家及型号如表1

表1 国内外环氧灌浆材料部分生产厂家及型号

3环氧灌浆材料在水利工程中应用的典型实例

3.1断层破碎带和泥化夹层加固处理的应用。

三峡工程永久船闸和临时船闸f1096、f1050、f215、f548断层都是属于形状相似的断层破碎带和软弱夹层，其主断层带为疏松—半疏松、变形模量在0.2~0.5GPa之间，对建筑物基础应力传递极为不利，设计单位提出用灌浆法进行加固。其中f1096断层化学灌浆2610.8m，f1050化学灌浆461.05m，f215和f548化学灌浆共有3000多米。

3.2溶蚀带基础防渗

江垭水电站7、8坝段溶蚀融化灌前进行普通水泥、超细水泥、改性水泥多次灌浆试验，耗资约600万元，透水率仍大于1Lu，最大达5.1Lu，涌水压力最大达0.5Mpa。1999年6月10日发生部分排水孔喷水涌砂，成为大坝安全隐患。采用了CW环氧灌浆技术，顺利达到设计指标，保证了大坝安全和及时竣工验收。环氧树脂类浆材应用于溶蚀带防渗处理在国内外尚属首次。

3.3裂缝处理

汉江航线新城船闸总长236m的13条贯穿性涌水裂缝，缝宽0.2~4mm，经CW化灌处理后沿缝无渗水，劈裂抗拉强度1.7~3.1Mpa；三峡永久船闸输水洞层面缝宽0.06~0.3mm的渗水缝，CW化灌后缝内固化物充填密实，劈裂抗拉强度＞1.0Mpa，。证明其处理微细渗水裂缝的可行性及可靠性。

3国内环氧灌浆材料的发展方向

   国内环氧灌浆材料应向着低毒、无气味、价廉的方向发展，同时为满足变形缝的要求，还应开发具有弹性的环氧灌浆材料。

参考文献：

[1] 魏 涛，汪在芹，薛希亮等.CW系化学灌浆材料的研制[J].长江科学院院报，2000（6）.

[2] 陈珙新，祝红，熊进等.三峡工程F215断层复合灌浆处理实验研究[J].长江科学院院报，2000（6）.

[3] 廖国胜，黄良锐，魏涛.三峡工程永久船闸砼层面缝渗水处理[J]，长江科学院院报，2000（6）

[4]魏 涛，蔡胜华，王树清等.新城船闸下闸首裂缝处理[J].长江科学院院报，2000（6）.

[5]魏涛，董建军.环氧树脂在水工建筑物上的应用.化学工业出版社.2007.

[6]魏涛,李珍,董建军等.化灌法.水利电力出版社.

[7]《化学灌浆技术》，水利电力出版社.

作者简介：魏 涛（1964-），男，河南邓县人，长江科学院材料结构所新材料室高级工程师，从事新材料开发及混凝土的修补工作，430010。