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绿色化学灌絮技雍

三峡工程丙烯酸盐灌浆材料研究

陈昊王坦

（长江科学院湖北武汉４３００１０）

援娶

本文介绍了专门为三峡工程帷幕灌浆研究的丙烯酸盐化学灌浆材料，测试了浆液胶凝性能。

研究表明，丙烯酸盐浆液的胶凝性能受引发剂、促进剂和缓凝剂的浓度以及环境温度影响较大。凝胶体的渗透系数均极低（Ｋ＜１０。ｏｍ／ｓ），可以认为属于不透水材料。凝胶体具有很强的抗挤出能力，能承受较高的水头压力，是一种防渗效果很好的灌浆材料。荚键镯

丙烯酸盐；化学灌浆；三峡工程；材料研究

１前言

三峡大坝基础岩石裂隙细微，由于水泥是颗粒材料，可灌性受粒径大小的限制，对于微细裂隙，如断层破碎带，水泥灌浆往往灌不进，达不到帷幕要求，因此提出并开展了化学灌浆材料的研究。２０世纪６０年代中期开始，丙烯酰胺类化学灌浆材料先后解决了丹江口、葛洲坝、陈村等许多水电工程中水泥灌浆不能解决的部位的帷幕问题。但是，丙烯酰胺是一种具有中等毒性的化合物，丙烯酰胺类化学灌浆材料的应用范围在许多国家受到限制，而代之以实际无毒的丙烯酸盐类化学灌浆材料。丙烯酸盐材料毒性较低，有的资料认为丙烯酸盐浆液的毒性只相当于丙烯酰胺浆液的ｌ％。为了满足三峡工程坝基防渗工作的要求需要，还研制出了实际无毒的丙烯酸盐化学灌浆材料。在化学灌浆设计与施工中，浆材的胶凝时间是一个很重要的因素。如果胶凝时间过短，浆液来不及渗透到必需的范围，出现漏灌部位，会影响施工质量，造成帷幕达不到要求的防渗效果；如果胶凝时间过长，浆液渗透到要求范围以外，会造成浆液的浪费和延长工期，影响施工进度和经济效益。通过研究各种因素对丙烯酸盐灌浆材料胶凝时间的影响、测试材料的渗透系数和抗挤出强度，证明丙烯酸盐作为帷幕防渗材

料的可行性和优越性。

２丙烯酸盐材料性能试验

２．１

丙烯酸盐浆液的基本组成和主要性质

丙烯酸盐浆液的基本组成如表１所示。

表１丙烯酸盐浆液的基本组成

作者简介：陈昊（１９７２一），男，高级工程师，长江科学院岩基所环境岩石力学与工程技术研究室副主任，主要从事基础加固材料与工程技术研究。

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其中，丙烯酸盐通过一定配比的复合金属氧化物与丙烯酸在一定条件下反应合成。浆液的主要性质：外观为淡黄色溶液（与合成丙烯酸盐所用的原材料的纯度、颜色相关），密度为Ｉ．０５～Ｉ．１２９／ｃｍ３，粘度为１２～３０ｍＰａ ｓ，ｐＨ值为６－７。

２．２丙烯酸盐浆材胶凝时间的研究

配制一定配比的浆液，配好后在１７℃温度下用旋转粘度计测量浆液在不同时间的粘度，直到浆液完全胶凝固化。主要研究不同浓度的主剂、交联剂、引发剂、促进剂、缓凝剂以及环境温度对浆液胶凝时间的影响。结果如表２所示。

表２试验编号

ｌ２３４５６７８９１０１１１２１３１４１５１６１７１８

不同配方丙烯酸盐浆液的胶凝时间

主剂（％）

６１０１５ｌＯ１０ｌＯｌＯｌＯ１０１０１０１０１０１０１０ｌＯ１０ｌＯ

交联剂（％）

ＩＩ１０．５Ｉ．５２Ｉ１ＩＩＩＩ’ＩＩＩＩＩＩ

引发剂（％）

１ｌｌ１１１１．５２３ｌ１ｌ１１１１１ｌ

促进剂（％）

１１ｌｌｌｌ１ｌｌ１．５２．５３１ｌ１ｌｌ１

缓凝剂（％）

ＯＯ０ＯＯ００００ＯＯ０Ｏ．０ｌ０．０２０．０４Ｏ００

溶剂（％）

９１８７８２８７．５８６．５８６８６．５８６８５８６．５８５．５８５８７８７８７８７８７８７

温度（℃）

１７１７１７１７１７１７１７１７１７１７１７１７１７１７１７１３２０２３

胶凝时间

１３６ｓ１１０８９４ｓ１２０８１０５ｓ１０１ｓ７５ｓ５７ｓ４０ｓ７５ｓ５０ｓ４１８７ｓ２１ｓ５９ｓ１３８ｓ９５ｓ８５ｓ

２．３丙烯酸盐凝胶体渗透系数的测试

在烧杯中配好丙烯酸盐浆液，待完全胶凝后得到圆柱型凝胶体试件。用渗透变型测量仪测试试件的渗透系数。测试结果如表３所示。

表３配方编号

１２

不同配方的丙烯酸盐凝胶体的渗透系数

主剂（％）

１０１５

交联剂（％）

１１

引发剂（％）

ｌ１

促进剂（％）

１１

缓凝剂

（％）

Ｏ０

溶剂（％）

８７８２

渗透系数

（ｍ／ｓ）

＜１０—１０＜１０一１０

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续色化学灌杂技雍

续表

配方编号

３４５６７８

主剂（％）

６１０１０１０１０１０

交联剂（％）

ｌ１．５Ｏ．７１１ｌ

引发剂（％）

ｌ１ｌ１．５Ｏ．５ｌ

促进剂（％）

１１１１．５Ｏ．５１

缓凝剂（％）

Ｏ００Ｏ００．０４

溶剂（％）

９ｌ８６．５８７．３８６８８８７

渗透系数（１ｎ／ｓ）

＜ｌＯ’１０＜１０—１０＜１０—１０＜１０一ｍ＜１０一１０＜１０—１０

丙烯酸盐凝胶体渗透系数的测试结果显示ｔ不同成分配比的浆液形成的凝胶体的渗透系数均极低（小于１０。ｏｍ／ｓ），可以认为属于不透水材料。

２．４丙烯酸盐凝胶体抗挤出性能的测试

材料的抗挤出强度不仅与材料本身的性能相关，还与材料所处的外界环境密切相关。由于材料在实际岩体中的直径、长度等均有很大差别，试验中采用简化模型进行测试。测试方法为：将丙烯酸盐浆液注入内径５．４ｍｍ、外径７．１ｍｍ、长６６—６７ｒａｍ的玻璃管中，胶凝后，将玻璃管一端与活塞泵相连进行加压，从０．１ＭＰａ开始，每级压力持续半小时再提高一级（０．１ＭＰａ），直到在玻璃管的另一端观察到有凝胶被挤出为止，此时的强度为极限抗挤出强度。极限抗挤出强度比试件长度为破坏比降。测试结果如

表４所示。

表４

配方１（干）２（湿）３（湿）４（湿）５（湿）６（湿）７（湿）８（湿）

不同配方的丙烯酸盐凝胶体的极限抗挤出强度和破坏比降

抗挤出强度（ＭＰａ）

１．４１．８２．２１．７５０．８５‘１．７５１．８５１．３５

破坏比降

２．１５ｘ１０３２．７６×１０３３．３８×１０３２．６９×１０３１．３１×１０３２．６９×１０３２．８４×１０３２．０７×１０３

注：（干）指胶凝后的试件直接进行测试，（湿）指试件先在水中浸泡一段时间后再进行测试。

３结果分析

３．１

丙烯酸盐浆液的胶凝固化时间受浆液中各组分浓度和环境温度的影响

试验表明，不同组分的影响作用是不一样的，以下分别说明。

９８

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（１）丙烯酸盐浆液胶凝固化时粘度一时间变化曲线，如图１所示。在试验中，丙烯酸盐浆液胶凝固化的聚合反应是采用氧化一还原引发剂体系属自由基聚合反应。测量出的粘度一时间变化曲线清楚地反映了这一点：反应开始一段时间（０～ｌＯＯｓ）浆液的粘度基本不变，这对应着自由基聚合反应的诱导期和聚合初期；然后浆液粘度在很短时间（１００—１ｌＯｓ）内迅速上升，很快胶凝固化，完成整个聚合反应，这是由于浆液部分聚合后产

生凝胶化作用，出现自动加速现象，反应速度迅速增大图１胶凝时粘度一时间变化曲线而造成的。这表明丙烯酸盐胶凝固化属于瞬间凝固类，浆液在胶凝前的较长时间内一直保持较低的初始粘度。丙烯酸盐浆液的这种性质非常适合灌浆的要求：浆液可以先在较低粘度下扩散到要求的范围，然后迅速胶凝固化。

（２）从表２可以看出，随着浆液中主剂的浓度增大，胶凝时间变短，但变化程度不大。试验中观察到，当主剂浓度低于５％时，浆液胶凝后分成两层，上层仍然保持液态（基本是水），下层凝胶体强度较低。因此应用丙烯酸盐浆液时主剂浓度不能过低，而且要充分考虑地下水对浆液的稀释作用。

随着浆液中交联剂的浓度增大，胶凝时间变短，但变化程度不大。试验中观察到，随着交联剂浓度的增大，形成的凝胶体由黄色透明体向白色不透明体转变，强度变大，但同时脆性增大，柔韧性降低。交联剂的浓度对浆液胶凝时间的影响较小，对凝胶体的性能影响较大，实际工作中一般不能采用改变交联剂浓度的方法改变胶凝时间。

随着浆液中引发剂、促进剂浓度增大，胶凝时间变短，变化曲线基本为双曲线型。引发剂的浓度增大，氧化一还原反应的速度加快，聚合反应的速度也加快，浆液胶凝

时间缩短。

Ｏ

３０

６０

９０

１２０

譬

罡Ｉ＼魁１舞

量

时间／ｓ

随着浆液中缓凝剂浓度增大，胶凝时间变长，变化曲线基本为线形上升。少量缓凝剂对形成的凝胶的性能基本没有影响，但对胶凝时间的影响非常明显，可以用以改变浆液的胶凝时间。缓凝剂不能加过量，不然可能会使浆液不能胶凝。

浆液聚合时温度升高，胶凝时间变短，变化曲线基本为线形下降。

３．２丙烯酸盐凝胶体抗挤出性能

通过试验结果可以看出：对于相同配方的试件，如果测试前先在水中浸泡一段时

问，测试结果比未在水中浸泡过的试件测试结果更高。主要原因是由于丙烯酸盐凝胶体浸泡在水中一段时间后，体积会发生一定程度的膨胀，凝胶体对玻璃管壁产生一定的压力，增大了凝胶体与玻璃管壁间的作用系数造成的。考虑到实际中灌浆后形成的防渗帷幕在运行过程中肯定会与水接触，所以试件先在水中浸泡一段时间更符合实情。

主剂浓度对凝胶体抗挤出性能影响较明显，主剂浓度越大，凝胶体的抗挤出性能越好。引发剂和交联剂的浓度变化对凝胶体的抗挤出性能影响不大。缓凝剂的使用会部分降低凝胶体的抗挤出性能。测试结果显示，丙烯酸盐凝胶体在玻璃管中的抗挤出性能达到较高的标准（有的配方超过２００ｍ水头），考虑到凝胶体在实际岩体裂隙中会有更好的抗挤出性能，可以确定即使在较高水头压力下，防渗帷幕中的凝胶体也不会

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被挤出。

４结语

我们通过详细的试验，研究了低毒性的丙烯酸盐化学灌浆材料浆液胶凝时间的受影响和变化情况，测试了凝胶体的渗透系数和抗挤出性能，得出了以下结论。

丙烯酸盐浆液的胶凝时间受浆液中各组分浓度和环境温度的影响。主剂和交联剂的浓度对凝胶时间影响较小；引发剂、促进剂和缓凝剂的浓度对凝胶时间影响较大，对凝胶体性能影响较小。因此，在实际工作中，一方面主要通过改变浆液中主剂和交联剂的浓度来调节凝胶体本身的化理性能，另一方面主要通过改变浆液中引发剂、促进剂和缓凝剂的浓度来调节浆液的胶凝时间。同时也要考虑到环境温度对胶凝时间的影响因素。

丙烯酸盐是一类阴离子为丙烯酸根的盐类，随阳离子种类的不同分为很多种，通过大量的试验，选择了以两种丙烯酸盐按一定比例混合得到的复合型丙烯酸盐溶液作为新型实际无毒化学灌浆材料的主要成分。一方面利用一种毒性稍大的丙烯酸盐溶液聚合后凝胶保水能力强的优点，另一方面也利用另一种毒性很小的丙烯酸盐对前者毒性的拮抗作用，抵消前者的毒性。当两种丙烯酸盐按一定比例混合时，浆液已实际无毒。并且聚合后得到的凝胶体的综合性能优越。

参考文献

１

Ｗｉｌｌｉａｎ。Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ；ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡｃｒｙｌａｔｅＰｏｌｙｍｅｒＧｒｕｔｅ，Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅ

ｏｎ

ＡＳＣＥＳｐｅｃｉａｌｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ

ＧｒｏｕｔｉｎｇｉｎＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰｕｂｌｉｓｈｅｄｂｙｔｈｅＡｍｅｒ－

ｉｃａｎ

ＳｏｃｉｅｇｏｆＣｉｖｉｌｅｎｇｉｎｅｅｒｓ．１９８２，Ｐ．４１８—４３２

２谭日升等．丙烯酸盐化灌材料的试验研究，长江科学院院报，１９８８３谭日升．丙烯酸盐化学灌浆材料的研究及其应用．长江科学院院报，１９９０４陈昊等．低毒化学灌浆材料研究．长江科学院院报，１９９８