丙烯酸盐灌浆材料在混凝土伸缩缝中的堵水防渗作用修订稿

丙烯酸盐灌浆材料在混凝土伸缩缝中的堵水防渗作用WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-丙烯酸盐灌浆材料——在混凝土伸缩缝中的堵水防渗作用张维欣1，邝健政1，胡文东1，盛乔灵2(中科院广州化灌工程有限公司，广东广州市，510070；华南师范大学，广东广州市，510631)摘要：本文概括了当前堵水防渗材料的优缺点，重点介绍了一种新型的环境友好防渗堵漏灌浆材料——丙烯酸盐灌浆材料的基本性能，详细阐述了该种材料在各种地下工程中作为堵水防渗材料方面的优势，并以地下室伸缩缝堵水为工程实例进行了施工工艺、施工注意事项、施工效果等方面的探讨。

关键词：丙烯酸盐、环境友好、伸缩缝、堵水防渗、灌浆材料混凝土中存在相互连通的裂缝、蜂窝、孔洞、孔隙等缺陷时，会形成渗漏通道产生渗漏，渗漏水将混凝土中的CaO成分溶化析出,变成Ca(OH)2,沿渗漏通道流出，在CO2的作用下结晶生成白色的CaCO3，并最终导致混凝土强度降低甚至破坏。

混凝土产生渗水析钙现象,标志着混凝土已发生病变,严重的渗水析钙将降低混凝土的耐久性。

有资料指出,若混凝土中CaO被溶出25%时,混凝土强度将降低60%,当CaO被溶出33%时,混凝土将变得疏松而失去强度[1]。

地下工程如地铁、隧道、巷道、涵洞、基坑、地下室等永久性混凝土结构设计寿命一般大于50年，渗漏水的长期破坏会严重的降低混凝土的设计寿命，因此渗漏水的治理就显得尤为重要。

而灌浆法无疑是当前处理这种工程难题的最好方法，因为灌浆法对整体结构的破坏程度较低，且注入的浆液在压力下进入渗漏通道，固化后填塞通道堵住渗漏水，解决了以往那种“堵排结合”不能从根本上消除渗漏水的对混凝土侵蚀破坏的难题，是一种从根本上解决各种混凝土渗漏问题的方法。

当前能够在有水的条件下用于堵水防渗的灌浆材料主要有水泥-水玻璃、丙凝、聚氨酯、丙烯酸盐等。

水泥-水玻璃属于无机速凝注浆材料，丙凝、聚氨酯、丙烯酸盐属于高分子类的速凝灌浆材料。

1.当前防渗堵漏材料的优缺点水泥-水玻璃其特点是颗粒大，固化速度快，可以暂时封堵大的涌水或者把涌水量有效的降低，缺点是颗粒大不能注入细小的裂缝或渗漏点，与混凝土界面的融合性较差，存在界面问题，无法彻底解决渗漏水的问题；丙凝丙凝的特点是低粘度和高渗透性能，沿着渗漏通道固结后，凝胶体与混凝土的融合性好，能够较牢固的粘附在混凝土面上，且固结体为不溶于水的弹性体，能够较好的起到封堵渗漏水的效果，缺点是丙烯酰胺是一种中等毒性的亲神经毒物，可通过未破损的皮肤、粘膜、肺和消化道吸收入人体，分布于体液中，长期职业接触丙烯酰胺表现为四肢麻木、乏力、手足多汗、头痛头晕、远端触觉减退等，另外大量的实验动物数据证实了丙烯酰胺具有一定的致癌作用[2]。

已经被许多国家禁止使用，如美国环保局对自来水中丙烯酰胺的限量制定了非常严格的标准，规定不得高于0.5g/kg。

而在当前的施工条件下，丙烯酰胺溶液在施工过程中难免会溅到地面上污染渗漏水，进而污染人类用水；同时沿着渗漏通道进入地下的丙烯酰胺溶液如果遇到地下水的稀释，可能不固化或者固化不完全，在这种情况下，丙凝就会污染地下水，威胁人们的生命健康安全。

当前由于缺乏监管，还有很多地区在使用丙凝进行堵水，这是潜在的安全隐患。

聚氨酯聚氨酯堵水灌浆材料又分为油溶性和水溶性灌浆材料。

油溶性聚氨酯是由低分子量的聚氧化丙烯多元醇与多异氰酸酯( TDI、MDI、PAPI) 反应制得的预聚体为基料,以有机溶剂为稀释剂制备的溶剂型单组分或双组分浆材。

粘度在几十到几千mPa·s之间，固结后可形成坚固的弹性体，体积可膨胀至数倍,由于-NCO含量较高，所以固结物的弹性较差[3]。

浆液中含有游离的TDI单体，TDI是一种挥发性较强的物质，具有明显的刺激和致敏作用，它的蒸气对人体的毒害较大，如刺激眼粘膜与呼吸系统，引发咳嗽、头痛、哮喘等，TDI的实际危害在于它的慢性毒性，即长期接触对人体造成很大的危害[4]。

浆液不溶于水，所以在潮湿面和有水的条件下对混凝土面的粘接性能较差，无法实现完全堵水，一般用来临时封堵大的涌水通道，少量的渗漏无能为力。

而且含有大量的有机溶剂，固化后有机溶剂挥发，固结体易收缩，会导致重新渗漏。

如五强溪大坝1995年3月至1996年6月,对5#～28#坝段间的15条漏水横缝进行防渗处理时, 根据五强溪工地现场动水灌注试验资料和其他一些工程动水堵漏的经验或教训，最终优选出SM-1聚氨酯TPT浆液配方，供五强溪工程大坝横缝动水堵漏使用[5]。

采取以钻孔注浆为主、嵌缝注浆为辅的方法,从坝顶和廊道内对横缝灌入化学材料，处理后初期止漏效果明显,但1998年1月检查发现,经过化学灌浆处理的横缝又全线滴水，经分析,该坝横缝止漏处理方法考虑得比较周到，而化灌材料耐久性较差,仅仅2年时间已经失去止漏的作用[6]。

水溶性聚氨酯灌浆材料是由多异氰酸酯与亲水性的聚醚多元醇反应生成-NCO封端的预聚体，与一些添加剂所组成的单液型化学浆液。

该浆液具有良好的亲水性能，水做固化剂，灌浆后对水质无污染，依靠浆液二次发泡的压力推动浆液在裂缝中充填。

当前，隧道、地铁、大坝等都大量采用水性聚氨酯灌浆材料进行裂缝或各种施工缝的堵水，但是往往持续不长时间就会重新出现渗漏水，暂时堵水效果较好，但永久防渗效果差，需要大量返工，浪费了大量的资源，这主要是因为水溶性聚氨酯存在如下缺点：①水溶性聚氨酯的粘度一般大于，浆液本身存在的内聚力大于对混凝土表面的铺展作用力（属于宾汉体），这就决定了聚氨酯浆液在混凝土表面的铺展能力较差，对混凝土界面的渗透能力有限，因此粘接强度较小；聚氨酯灌浆材料凝胶体主要是由如下基团组成：这些基团与混凝土的表面接触时主要依靠分子间作用力和氢键，因为聚氨酯的粘度大，浆液无法渗透到混凝土表面的微小孔隙和毛细管中，不能形成“锚索”，水溶性聚氨酯凝胶体对混凝土的粘接强度一般低于自身的抗拉强度，因此凝胶体在干湿循环的条件下，会因为本体的收缩导致凝胶体和混凝土的表面的粘接面遭到破坏，被破坏的接触面又会形成新的渗漏通道，出现渗水现象，如图1所示。

图1 聚氨酯固结体收缩后示意图②对于混凝土裂缝来说粘度偏大，只能灌注宽度较大的裂缝，但是地下工程的渗水裂缝一般都较小，因此要加入丙酮、甲苯等稀释，这些惰性的有机溶剂不参与反应，挥发后固结体收缩会导致重新渗漏；③由于浆液遇水反应，凝胶时间难以调节，浆液沿裂缝通道渗透的深度往往不够，为了调节固化时间，通常加入某些酸性物质作缓凝剂，但这类物质遇混凝土、基岩中的碱性物质立即反应，对混凝土结构和钢筋造成腐蚀破坏。

④聚氨酯在发泡的过程中如果遇到混凝土表面的水，气泡会破裂形成开孔的发泡体，因此在压力下注入裂缝的聚氨酯浆液形成的发泡体开孔率比较高，在长期的水压下聚氨酯气泡会破裂，重新出现渗漏。

2、丙烯酸盐的特点丙烯酸盐的组成及性能丙烯酸盐堵漏灌浆材料是一种由过量的金属氧化物、氢氧化物和丙烯酸反应生成的丙烯酸盐混合物的水溶液，加入各种所需的组分生成的一种低粘度的灌浆材料。

以丙烯酸钙和丙烯酸镁为主体成分，在促进剂和引发剂的作用下，双键发生自由基反应生成线性高分子，在交联剂的作用下，线性分子发生交联生成网格状高分子的凝胶体，水与网格中所含的大量亲水基团相互作用，依靠氢键、分子键作用力等物理作用容纳几倍于自身体积的水。

该凝胶体仍然是以C分子为骨架的高分子聚合物，是一种不溶于水的凝胶体。

在固化过程中，浆液存在诱导期，开始时粘度保持不变，开始放热后进入加速聚合阶段，粘度上升，所以在采用丙烯酸盐灌浆的过程中，应考虑到灌浆压力下浆液的渗透深度以及浆液的凝胶时间的相互影响，调整好灌浆压力和凝胶时间应确保浆液能够渗透到缺陷部位。

丙烯酸盐的浆液和凝胶体的主要性能如表1：表1 丙烯酸盐浆液和凝胶体基本性能丙烯酸盐堵水防渗机理采用灌浆方法解决裂缝的防渗堵漏，应注重裂缝界面状况——防渗堵漏工作机理。

按照通常办法，基本可以划分为3种防渗工作机理：①粘结机理，通过浆材把裂缝界面粘合起来；②填塞机理，通过浆材对裂缝间隙进行充填；③胀塞防渗机理，利用浆材浸水膨胀特性，把裂缝胀塞起来进行防渗堵漏[7]。

一种好的灌浆材料首先应该对注入的界面具有良好的浸润粘接能力，不留有新的界面问题，同时必须具有足够的渗透能力，沿渗漏通道固化堵塞渗漏水的源头，还必须能够适应环境和被灌界面的变化比如：环境的干湿循环、被灌体的收缩变形等。

混凝土是多孔材料，主要是由水泥、砂、石子及其各种添加剂混合形成的固体材料，硅酸盐水泥熟料中的主要化学组成是氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁等，各氧化物与水接触时发生水化反应(即水合)，生成氢氧化钙、水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙和水化铁酸钙等。

所以混凝土结构中主要成分是各种Ca2+的化合物以及SIO2、钢筋等，同时含有孔隙、毛细管道、空气、水蒸气等，是一种具有高表面能的多孔固体材料。

丙烯酸盐凝胶体在混凝土的多孔表面主要存在物理吸附和化学吸附，物理吸附主要形式有毛细管作用、氢键、分子间作用力等，毛细管作用主要发生在浆液未固化前，浆液在毛细管的吸渗作用下进入混凝土的毛细管道，固化后填塞毛细管道，如一条条锚索一样牢固的嵌入混凝土的内部结为一体。

丙烯酸盐中含有-COOCa、-COOMg、-OH、-H、H2O等较大极性的基团与混凝土中的Ca2+、SI等形成大量氢键以及分子间作用力也是丙烯酸盐凝胶体与混凝土表面牢固粘接的一个重要原因。

化学吸附主要是因为丙烯酸钙、丙烯酸镁以及一些其他的丙烯酸的化合物与混凝土裂缝表面Ca2+发生络合形成化学键，牢固的粘附在混凝土的表面，这是与混凝土表面的粘接强度大于凝胶体自身的内聚力的原因；丙烯酸钙和丙烯酸镁的存在有助于改善消除了异种材料之间的差异，改善了界面之间的相互作用，丙烯酸盐的堵水原理更接近于同种材料的粘结，因此丙烯酸盐灌浆材料的堵水防渗的机理符合粘接机理。

如图2所示，丙烯酸盐在混凝土表面的粘附，该粘有丙烯酸盐凝胶体的混凝土块是施工过程中检查灌浆效果从灌浆部位打下来的，可以清楚的看到丙烯酸盐凝胶体已经完全与混凝土表面结为一体，一天后丙烯酸盐凝胶体稍有些失水，但是更牢固的与混凝土粘为一体，无法剥离。

图2 丙烯酸盐凝胶体在混凝土表面粘接图根据现代灌浆技术的研究，浆液可分为牛顿体和宾汉体两种，只有粘度而没有内聚力特性的服从牛顿定律称牛顿体；具有粘度和内聚力特性的属宾汉体。

这样可根据力的平衡表示出宽度为2t的缝中最大扩散半径Rmax[7]：Rmax= Pmax·t/C式中Pmax为最大灌浆压力(Pa)；t为1/2缝宽(m)；C为浆液内聚力(N/m2)。

上式计算的是理论值，实际的扩散距离远小于理论计算值，因为混凝土裂缝界面粗糙不平，浆液的内聚力也在随时间变化。