CW 系化学灌浆材料的研制
魏　涛, 汪在芹, 薛希亮, 蒋硕忠
(长江科学院, 湖北武汉　430010)

CW 系化学灌浆材料是在原环氧-糠醛-丙酮化学浆材的基础上, 结合三峡工程特点研制的系列灌浆材料。此浆材主要是由新型环氧树脂、稀释剂、表面活性剂等所组成的双组分灌浆材料, 实际应用时可以根据不同的处理对象和要求, 选择不同的配方。CW 系化学浆材优选了目前我国市面上的新产品,使浆材具有配制简单、可灌性好, 在干燥及潮湿条件和水中都能很好固化且毒性低的特点, 有利于保护环境及施工人员的健康。经过室内试验和工程应用,表明CW 系化学灌浆材料是处理微细裂缝和泥化夹层较好的补强灌浆材料。

1　原材料
环氧树脂由岳阳石化生产; 糠醛和丙酮采用优级品; CD 固化剂为自制; 表面活性剂由武汉大学生产。

2　试验方法
试验按电力工业部华东勘测设计院、长江科学院、广州化学研究所共同编写的《化学灌浆技术》中附录É 所介绍的“化学灌浆材料性能测试方法”执行。

3　试验结果
3. 1　环氧树脂类型的选择
环氧树脂是指分子结构中含有环氧基的高分子化合物, 是一大类树脂的总称。由于结构上的不同,有多种不同的类型。以往用作灌浆材料的环氧树脂型号为E-44 型, 它的主要优点是粘接力强、收缩性小、稳定性高, 主要缺点是低温条件下粘度很大, 需加热才能从容器中倒出, 操作不方便, 且易造成不安全的隐患。为此, 在查阅大量资料的基础上做了大量试验, 且考虑到价格因素, 选用了CYD 型环氧树脂, 它除了能保持E-44 环氧树脂的优点外, 还具有低温条件下粘度相对较低、操作简便、价格适中的特点, 简化了过去配浆时的繁琐程序。两种型号环氧树脂的主要性能指标如表1 所示。

3. 2　固化剂的选择
环氧树脂的固化剂种类很多, 如脂肪族胺类、芳香族胺类和各种胺改性物、有机酸及其酸酐、树脂类固化剂等, 化学灌浆主要要求固化剂能在室温、低温、干燥、潮湿和水下等条件下固化。过去大多采用乙二胺、多乙烯多胺、半酮亚胺等, 它们的主要缺点是刺激性气味太浓, 不利于人身健康, 且在有水条件下固化反应难以进行。为此, 我们根据环氧树脂固化原理和环氧树脂固化物脆性的特点, 通过大量试验选用了CD 固化剂。CD 固化剂是一种高分子固化剂, 它可根据不同的要求, 使分子链端带上能促进反应的官能团, 主要特性是能在低温和水中固化, 能在一定程度上改善环氧树脂的脆性, 且气味小、毒性低, 其主要指标如表2 所示。

　在保持浆材中其它组分一定的情况下, 通过改变固化剂用量来确定佳固化剂用量, 试验结果如表3 所示。

从表3 可以看出, 当固化剂含量为30% 时, 聚合体的力学强度高, 而固化剂含量偏高或偏低时,其聚合体的力学强度均较低。这是因为固化剂用量较少, 不能满足环氧树脂浆液完全固化的要求, 形成的聚合物平均分子量较低, 因此强度较低; 固化剂用量较多时, 多余的固化剂游离出来, 找不到反应对象, 固化后聚合物的分子量同样较低。因此固化剂用量过多或过少, 都会影响固化物的交联密度, 使固化物的力学性能受到影响。在实际应用时, 必须适当选取固化剂的用量。
3. 3　稀释剂选择及其用量的确定
由于环氧树脂本身粘度很大, 直接用于灌浆可灌性不好, 因此需要加稀释剂来降低环氧树脂的粘度。目前所用的稀释剂主要有3 大类, 第1 类为非活性稀释剂, 如苯、甲苯、二甲苯及丙酮等, 它们在固化过程中会挥发, 引起较大的体积收缩, 且其本身不参加环氧树脂的反应, 使用量受到限制, 因而粘度降低程度有限, 所以一般不采用; 第2 类为有1 个或1 个以上环氧基团的低分子化合物, 如环氧丙烷丁烯醚(# 501)、三烃基丙烷缩水甘油醚等, 它们能参与固化反应, 但由于这些化合物本身粘度较大, 故稀释效果较差, 使浆液的可灌性受到一定的限制; 第3 类为糠醛-丙酮稀释体系, 糠醛和丙酮都是粘度很低的有机溶剂, 在反应前可以作为环氧树脂有效的稀释剂,同时也能相互反应生成呋喃树脂, 且可以和环氧树脂一起生成交联的互穿网状结构。它的主要作用有:( 1) 降低浆液的粘度, 提高对细微裂隙的可灌性;(2) 增加固化物的韧性。稀释剂用量对粘度和胶凝时间的影响如表4 所示。

从表4 可以看出, CW 1～ CW 9 系列配方浆液粘度均较低, 具有良好的可灌性。表中所列CW 1～CW 3 用CD1 作固化剂, CW 4～ CW 6 用CD2 作固化剂, CW 7～ CW 9 用CD3 作固化剂。不同固化剂体系,在相同的条件下, 所表现出的粘度和胶凝时间有所不同。在同一固化剂体系中, 随着稀释剂用量的增加, 浆液粘度随之降低, 固化时间亦随之延长。
3. 4　Tp 表面活性剂的作用
要使化学灌浆材料能够灌入到泥化夹层及其混凝土微细裂缝中, 在浆液配方设计中要根据不同的处理对象, 大限度地提高浆液的浸透性。它的理论依据是, 自由能总是自发地向减少的方向进行。按照吉布斯吸附公式

在选择表面活性剂时一定要使dr/d c< 0, 大限度地降低浆液的表面张力, 增加浆液的可灌性。但表面活性剂的加入又会使聚合物的耐水性下降, 为此, 在表面活性剂的分子结构设计上, 使分子链的一端带上能与环氧反应的官能团(NH2)。T p 表面活性剂即是带有氨基的表面活性剂, 加入后, 在反应初期起到了降低浆液粘度和表面张力的作用, 反应后期又与环氧树脂交联在一起, 不引起聚合物耐水性的下降。3. 5　CW 1 和CW 4 配方的主要性能CW 1 及CW 4 配方的主要性能如表5 所示。

　注: 3 表示灌注15 cm ×15 cm ×15 cm 立方体混凝土试件后的劈拉强度, 龄期为3 个月。
4　CW 系化学灌浆材料的工程应用
CW 系化学灌浆材料于1998 年问世以来, 由于其材料粘度低, 可操作时间长, 可灌性好, 力学强度高, 是处理断层和混凝土微细裂缝较好的补强材料,并已在多个工程中得到应用, 如: 三峡工程F215断层破碎带的加固处理; 湖北江汉航线新城船闸上下闸首裂缝处理; 三峡工程永久船闸混凝土层面缝渗水处理; 武汉江汉五桥边墩混凝土裂缝处理; 三峡坝河口重件码头I7 钻孔灌注桩的裂缝处理。工程实践证明效果良好。