水利工程化学灌浆监理手册

化学灌浆是紧密结合生产实际的一门边沿科学,是20世纪40年代之后,随着石油化工的发展而发展起来的高分子化学的一个应用领域。化学灌浆的理论和实践是在土力学、岩石力学、工程地质、流体力学和材料科学的基础上建立和发展起来的。灌浆技术是通过钻孔埋管将某些可以凝结固化的化学材料注入地层或建筑物的孔隙或裂隙,以改善被灌体的物理力学性能——提高其强度和抗渗性能的一种岩土工程施工新技术。灌浆材料分两大类：一是悬浮固体颗粒溶液,如黏土浆和水泥浆；二是真溶液,亦化学浆。黏土水泥浆是较早使用的灌浆材料,这类材料的灌入能力明显地受到粒径尺寸的限制。一般认为浆材粒径必须小于被灌体孔隙或裂隙尺寸的1/10～1/3,才能在合理的压力和速度条件下渗入地层,而不破坏地层结构。因此,早期的粒状浆材只能灌入K＞10-1 cm/s的粗砂地层和宽度大于3mm的裂缝(K为地层渗透率),而化学浆能渗入更细小的空隙裂缝,继水泥浆之后化学灌浆已成为基础工程、水工大坝基础防渗加固处理和地下工程施工处理的重要手段,是水泥灌浆的补充和发展。

化学灌浆是在水泥等粒状灌浆材料应用基础上发展起来的。据文献记载,1802年法国人查理士·贝里尼(Charles Berrigny)在港口城市Dieppe采用黏土石灰浆灌注法修补损坏的砌筑墙,这是最早的灌浆法。1924年英国出现了新建筑材料水泥。1938年英国人第一次把水泥浆作为灌浆材料用于汤姆逊隧道。1880～1905年间法国人和比利时人在煤矿开挖中使用水泥灌浆控制岩层裂隙中的地下潜流和承压水。20世纪初美国大规模应用水泥灌浆于大坝工程处理,大量的水泥和水泥黏土浆被用于坝基岩层加固和建造防渗帷幕。化学灌浆的历史较短,1886年德国人切撤尔斯基(Jeziorsky)创造性地采用一个孔灌入硅酸盐溶液、相邻孔灌入氯化钙固化剂的土壤硅化法,并获得专利,这是最早的化学灌浆工程实例。1909年比利时的勒马尔和塔蒙特发明了灌注稀硅酸盐和酸溶液混合液的一步法。1914年法国的阿伯特·弗兰科伊斯使用硫酸铝与硅酸盐同时灌注的方法。1925年荷兰工程师尤斯登(E.J.Joosten)论证了硅酸盐化学灌浆的可靠性,并获得专利,化学灌浆显示出明显的效果。20世纪50年代以前化学灌浆材料基本上是不同的硅酸盐。硅酸盐灌浆即化学灌浆的同义语。

20世纪50年代后随着有机化学的发展,美国于1951年研制出了丙烯酰胺浆材(AM-9),日本于1963年研制出同类产品(日东-ss),我国于1965年投产(丙凝)。20世纪50～80年代的30多年是化学灌浆发展最快的时期,先后开发出丙凝、丙强、甲凝、木质素、尿醛树脂、聚氨酯、水溶性聚氨酯、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸盐、酸性水玻璃等数十种化学灌浆新材料。

化学灌浆的应用范围较广,主要用于防渗堵漏和补强加固,大致有如下几方面：

(1)大坝基础防渗帷幕和基础加固。

(2)混凝土坝及混凝土建筑物裂缝补强灌浆及加固处理。

(3)铁路隧道开凿中动水堵漏和软弱带处理。

(4)矿井建设中的止水和加固。

(5)地下建筑物的防水和加固。(www.xing528.com)

(6)石油钻井中灌浆堵水驱油。

(7)桥基加固及桥体裂缝补强。

(8)文物保护及修复等。

我国的化学灌浆起步较晚,1954～1956年中国科学院化学所和有关部门开始土壤硅化电化学加固的研究工作。1958年为三峡工程做准备,建立了岩基专题研究组,提出深覆盖层防渗补强和坝体混凝土裂缝补强加固两大课题,并列入了我国《十二年科学发展规划》。中国科学院广州化学研究所、中国水利水电科学研究院、长江科学院、华东勘测设计研究院等单位进行了高分子化学灌浆材料和灌浆技术的系统研究。1959年5月在京召开了有关专家灌浆座谈会,随后提出的研究报告中指出：木质素磺酸钙对水泥浆有分散作用,硅酸盐、环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯等材料有灌浆应用前景。由于青铜峡、丹江口等大型水电工程的建设,迫切需要化学灌浆,各方面加强了研究工作,60年代研制出了丙凝、甲凝和环氧树脂浆材,并用于大坝基础和混凝土裂缝灌浆处理；70年代开发了聚氨酯系列浆材；80年代开发了丙烯酸盐和酸性水玻璃。为了总结化学灌浆的成果,交流经验,从1968年起水电系统举办过七次全国性的化学灌浆学术交流会。近几年岩石锚固与灌浆工程协会还组织过大型的国际学术交流会,这些交流会的文献资料全面总结了各种化学灌浆材料及其在水电、煤炭、冶金、交通、建筑和石油等方面的工程应用。目前基本上国外使用的材料国内都有相应的产品。在水电系统中许多大的水电工程坝基帷幕灌浆,均进行了先水泥灌浆、后化学灌浆：规模较大的如丹江口、陈村的丙凝灌浆,葠窝水库除险加固坝体施工缝的防渗聚氨酯灌浆,凤滩坝基聚氨酯灌浆,龙羊峡断层破碎带G4劈裂带的环氧灌浆处理,青铜峡大坝、东江大坝的裂缝处理等,其工程规模和技术水平在世界化学领域都称得上先进水平。

化学灌浆技术的应用和发展已有近百年的历史。近40年来飞速发展,取得了明显的成就。化学灌浆技术的发展是生产力发展的客观需要,是石油化工及相关科学技术基础上发展起来的,有它自己的优势,已解决了许多别的技术难以解决的工程疑难问题,显示出它的发展潜力。

从事化学灌浆的人很多,已形成了一个初具雏形的产业。混凝土裂缝处理,基础工程防渗加固处理等都在应用化学灌浆。但是,目前还缺乏行业的标准和技术规范,使设计和质量检查都感到无章可循,这是发展中急需解决的问题。

我国是发展中的大国,基础工程规模很大,已建和在建工程都存在许多问题需要化学灌浆技术。为了满足市场的需要,我们应深入研究把像水玻璃这样料源广、价格便宜又无毒性污染的材料推向市场,把有特殊性能的材料和工艺技术推向市场,使我们的化学灌浆技术和理论的提高发展到一个新的水平。

随着我国基础工程建设的发展,各种工程疑难问题对灌浆技术的要求,必将更有力地推动化学灌浆材料与工艺技术的发展。