聚氨酯防水材料与施工技术-灌浆材料种类

指在压力作用下注入地层、岩石或构筑物的缝隙、孔洞中，达到增加承载能力、防止渗漏及提高构筑物整体性能等效果的流体材料。灌浆材料灌浆材料由主剂、溶剂(水或其它溶剂)及外加剂（固化剂，稳定剂等）混合而成。通常所说的灌浆材料是指浆液中的主剂。灌浆材料必须是能固化的材料灌浆材料主剂加入溶剂加入助剂浆液固结结石体一定温度和压力灌浆材料固结过程示意图(1)浆液的初始粘度低、流动性好、可注性强，能渗透到细小的裂隙或孔隙内；(2)凝胶时间可以在几秒—几十分钟范围内任意调整，并能准确控制；(3)稳定性好，在常温、常压下较长时间存放不改变其基本性质，存放受温度的影响小；(4)无毒、无臭、不污染环境；理想灌浆材料的具备条件(5)浆液对注浆设备、管道、混凝土结构物等无腐蚀性，并容易清洗；(6)浆液固化时无收缩现象，固化后与岩体、混凝土等有一定的粘结力；(7)结石体具有一定的抗压、抗拉强度，抗渗性好，抗冲刷及耐老化性能好；(8)材料来源丰富，价格便宜；(9)配制方便、操作简单。理想灌浆材料的具备条件灌浆材料种类灌浆材料水泥浆粘土浆水泥粘土浆粒状材料化学材料水玻璃类丙烯酰胺类环氧树脂类聚氨酯类木质素类脲醛树脂类丙烯酸树脂类粉煤灰浆粒状浆材由固体颗粒和水组成的悬浮液。由于固体颗粒悬浮在液体中，所以这种浆液容易离析和沉淀，沉降稳定性差，结石率低。另外，浆液中含固体颗粒尤其是较大颗粒，使浆液难以进入土层细小裂隙和孔隙中。由于这种浆液具有来源丰富、成本较低、工艺设备简单、操作方使等特点，在各类工程中仍广泛使用。注浆工程中最常用的是普通硅酸盐水泥。水泥浆在各种灌浆材料中使用最广,多用于岩石、基础或构筑物的加固及防渗堵漏、堤坝的接缝处理、后张法预应力混凝土的孔道灌浆以及制作压浆混凝土等。主要性能如下：（1）材料来源广泛，成本较低，无毒性，施工工艺简单方便。（2）黏度随水灰比而变，可小至16s，大至139s。（3）凝结时间随水灰比的增加而延长，从数小时到数十小时。（4）抗压强度可达22.0MPa。（5）结石率可达99%·（6）稳定性差，易沉淀析水，在地下水流速较大的条件下注浆时，浆液易受水的冲刷和稀释。水泥浆液纯水泥浆是指不包括附加剂，只有水泥和水调制而成的浆液，随着水灰比的增大，水泥浆的粘度、密度、结石率、抗压强度等明显降低，初凝、终凝时间逐步延长。纯水泥浆的基本性能为了满足实际工程需要，一般都要加入外加剂来调节水泥浆的性能。（1）水泥的速凝剂，是一种能够缩短水泥凝固时间的化学药剂。水泥速凝剂的种类很多，有氯化钙、食盐、水玻璃、纯碱、石膏、硫酸钠、碳酸钾、漂白粉等。复合特效速凝剂有红星一号、阳泉Ⅰ形和“711”型速凝剂。在一般情况下，水泥浆还是采用古老的办法，即是在水泥浆中加入占水泥重量5%以下的氯化钙或占水泥重量3%以下的水玻璃（水玻璃也是一种常用的速凝剂，加入量为2%～3%时，凝固期可缩短30%～40%。但如果加入量少于2%，则有延长初凝时间的作用）。711”型速凝剂起速凝作用的主要成分是铝酸钠，它是氧化铝与碳酸钠在高温作用下的产物。外加剂为了控制水泥浆的扩散范围，缩短注浆工程的时间和提高注浆堵水效果，加入速凝早强剂将起到很好的效果。一般水泥的速凝早强剂是复合附加剂，品种如水玻璃、三乙醇胺加氯化钠及二水石膏加氯化钙等，其对浆液的影响见表8-7。三乙醇胺可用与二乙醇胺混合液代替，成本可大大降低。（2）水泥的速凝早强剂纯水泥浆由水和水泥按一定的比例混合而成，常用的水灰比变化在0.5∶1～5∶1之间，高水灰比仅对提高浆液的可灌性有利，而对岩土加固意义不大。为了降低水泥浆的粘度，提高浆液的流动性，增加浆液的可注性，往往要加入分散剂。另外单液水泥浆易沉淀析水，为了使水泥颗粒能较长时间悬浮于水中，就需要加入悬浮剂。实际上分散剂跟悬浮剂很难严格区别开来，有些药剂加入水泥浆之后，既能起到分散作用，又能起到悬浮作用。悬浮剂有膨润土、高塑粘土。分散剂（塑化剂）常用亚硫酸盐纸浆废液、食糖、硫化钠等，以增加浆液的可注性。（3）水泥的分散剂和悬浮剂根据工程需要，往往在水泥浆中加入其他一些外加剂，如缓凝剂、流动剂、加气剂、膨胀剂、防析水剂等（表8-8），以满足注浆工程的特殊需要，值得注意的是由于具体使用的水泥品种和牌号、出厂日期以及各种添加剂的质量不尽相同，故使用之前应根据施工条件的具体情况，先进行小型实验，以确定切实可行的配方。（4）水泥的其他外加剂使用最早的灌浆材料。粘土的颗粒细,亲水性好，易分散，制成的浆液稳定性好，价格低廉，但其结石强度和粘结力都很低，抗渗压的能力也弱，仅用于低水头的临时性防渗工程中。粘土浆粘土是一种重要的矿物原料。由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质,其矿物成分主要为高岭石、蒙脱石及伊利石。粘土矿物的颗粒细小，常在胶体尺寸(1nm－1000nm)范围内，呈晶体或非晶体，大多数是片状，少数为管状、棒状。膨润土是一种水化能力极强、膨胀性大和分散性很高的活性粘土，在国内外工程中被广泛采用。粘土浆水泥黏土浆液是由水泥黏土按一定比例混合而成。作为加固注浆时，黏土掺量一般为5%~15%。由于黏土的分散性高，亲水性好，因而沉淀析水性较小。水泥黏土浆液的稳定性大大提高。综合了水泥浆的结石强度高和粘土浆的浆液稳定性好、价格便宜等优点，使用范围比较广，并可根据不同要求选择不同的水泥-粘土配合比。浆液凝胶体主要性能如下：（1）黏度随水灰比及黏土用量而变，从0~65s之间可调。（2）凝结时间较长。（3）结石率比纯水泥浆液高，可达100%。（4）抗压强度可达13.6MPa。（5）浆液无毒性，对地下水和环境无污染，较之使用化学药剂为添加剂的浆液更安全。（6）浆液材料来源丰富，价格低廉，采用单液注入工艺，设备简单，操作方便；水泥粘土浆水泥浆中加入水玻璃有两个作用，一是作为速凝剂使用，掺量较少，约占水泥重的3%～5%；另一是作为主材料使用，掺量较多，即是将要讨论的水泥-水玻璃浆液，俗称CS浆液（C代表水泥，S代表水玻璃）。CS浆液克服了水泥浆液凝胶时间长，难以控制，注入地层后易被地下水稀释，无法保持其原有凝胶化性能的缺陷。CS浆液的出现是水泥注浆的大发展，提高了效果，扩大了适用范围。这种浆液不仅具备水泥浆的全部优点，而且兼备化学浆液的某些优越性，例如凝胶时间快，可以从几秒到几十分钟内准确控制，结石率高达95%～98%，可用于防渗和加固灌浆，在地下水流速较大的地层中，采用这种混合型浆材还可达到快速堵漏的目的。结石体强度高，特别是早期（1d、3d、7d）强度高，抗压强度增长率快。可灌性也明显提高，除在基岩裂隙和较大含水层中使用外，还能在中粗砂中灌注。水泥水玻璃浆材的可灌性介于水泥和水玻璃之间，材料来源丰富，价格相对较低，对地下水和环境无污染。水泥-水玻璃类浆液（1）浆液可控性好，凝胶时间可准确控制在几秒至几十分钟的范围内；（2）浆液结石体强度高，可达10～20MPa；（3）浆液的结石率高，可达100%；（4）结石体的渗透系数小，为10-3cm/s；（5）该浆液适宜于0.2mm以上裂隙及1mm以上粒径的砂层使用；（6）材料来源丰富，价格便宜，浆液对地下水和环境无污染。水泥-水玻璃浆液的特点化学浆材溶液型。化学浆液较粒状浆材配成的浆液不易出现颗粒的离析，一般粘度较低，易于进入土体的细小裂隙或孔隙之中，浆液注入能力较强。常见化学浆材种类及其特点水玻璃注浆浆液是注浆中最早使用的一种化学浆液，具有价格低廉、渗入性较好等优点，且无毒、操作简便、易于掌握，是目前使用最广的化学浆液之一，广泛应用于地基、水坝、隧道、桥梁、矿井等工程施工，但力学强度不够理想（脆性大，弹性差）。这类浆液是以含水硅酸钠(水玻璃)为主剂，另外加入胶凝剂以形成凝胶体。常见种类:硅酸钠(Na2O•nSiO2最为常用)水玻璃、硅酸钾(K2O•nSiO2)水玻璃等，无机胶凝剂有氯化钙、铝酸钠、氟硅酸、磷酸、草酸、硫酸铝等，有机胶凝剂有醋酸、酸性有机盐、有机酸酯、醛类（乙二醛类）、聚乙烯醇等。。水玻璃类浆材主要特点及性能：(1)胶凝时间从瞬间~24小时不等；(2)粘结能力良好（Si-OH），固砂体强度可达6MPa；(3)粘度从1.2~200×10-3Pa·s；(4)可灌性好，渗透系数可达10-5～10-6cm/s，可灌入0.1mm以上的土层。(5)毒副作用小，造价低。以硅酸钠（水玻璃）为主要原料的化学浆液。有双液法和单液法两种灌注方法：双液法是将硅酸钠和氯化钙两种溶液先后压入，化合后结石强度较高，但由于所用硅酸盐溶液的粘度比较大，一般用于渗透系数为2～80米/日的砂质土的加固及防渗；单液法采用比较稀的硅酸钠溶液,其粘度和强度都较低,一般用于黄土或黄土类砂质土的加固。常用的水玻璃属强碱性材料，其凝胶体有脱水收缩和腐蚀现象，这影响了它的耐久性和可能对环境造成一定的污染。为克服这些缺点，国内外开展了酸性水玻璃的研究，这种水玻璃能在中性区域内胶凝，而且胶凝体没有碱溶出，在潮湿地层中可看作是永久性浆材。酸性水玻璃浆液的起始粘度仅为1.5～2.5×10-3Pa·s，胶凝时间可以从瞬间到几十分钟内调整，凝胶体的渗透系数为10-8～10-10cm/s，固砂体的抗压强度变化在0.2～0.5MPa之间。水玻璃浆材也存在一些缺点，如胶凝时间不够稳定、可控范围较小、凝胶强度低、凝胶体耐久性不足，多应用于临时性注浆工程。聚氨酯类注浆材料（氰凝）聚氨酯类浆液分非不溶性聚氨酯浆液（简称PM）和水溶性聚氨酯类浆液（简称SPM）。(1)非水溶性聚氨酯类浆液非水溶性聚氨酯是由多异氰酸酯和多羟基化合物聚合而成。不溶于水，只溶于有机溶剂中。其浆液和凝胶体主要性能如下：①浆液相对密度1.036~1.125，是非水溶性的，遇水开始反应，最终生成不溶于水的体型结构的凝肢体，因此氰凝浆液不象其它类型的灌浆材料那样有被水冲淡而不固化或被水冲走的危险，可用于动水条件下堵漏，封堵各种形式的地下、地面及管道漏水，止水效果好。②浆液遇水反应时，放出CO2气体，使浆液产生膨胀，向四周渗透扩散，直到反应结束时止。由于膨胀而产生了二次扩散现象，所以比其它类型的化学灌浆材料有较大的渗透半径和固结体积比(形成固结体的体积与所需的浆液体积之比，以β表示)。当氰凝桨液注入标准砂中时，其固结体积比β一般为6-9。聚氨酯类注浆材料（氰凝）③浆液黏度低，可注性能好，可与水泥注浆相结合；采用单液系统注浆，工艺设备简单。④固砂体抗压强度高，一般在0.6~1MPa，其凝胶体抗压强度可达3MPa，有时可作为补强材料⑤抗渗性能好，渗透系数可达10-6~10-8cm/s，几乎不透水。⑥浆液遇水开始反应，所以受外部水或水蒸气影响较大，在存放或施工时应防止外部水进入浆液中。⑦不污染环境。⑧注浆后，管道、设备需用丙酮、二甲苯等溶剂清洗。聚氨酯类注浆材料（氰凝）⑨氰凝凝胶体有高的耐化学和生物侵蚀的能力。在一般的酸／碱、盐及有机溶剂中浸泡，其强度变化不大。它对土壤中菌类的攻击也是稳定的。以黑曲霉等十种霉菌进行试验，经28昼夜的严酷条件下的观察，认为氰凝是不长霉的。⑩氰凝灌浆材料与砂、土、岩石以及金属等被灌注的材料都有较好的粘结强度，特别是随着地层中水压的增高，形成的固结体也越坚固，强度和不透水性也随之而增高。·聚氨酯类注浆材料(2)水溶性聚氨酯类浆液水溶性聚氨酯浆液是由预聚体和其他外加剂所组成。其与PM的主要区别在于SPM所用的聚醚是环氧乙烷聚合物，而PM所用的聚醚是环氧丙烷聚合物，前者具有亲水性。浆液与凝胶体主要性能和特点：①浆液能均匀地分散或溶解在大量水中，凝胶后形成包有大量水的弹性体。②浆液相对密度1.10，黏度0.1Pa·s左右。③凝胶时间在数秒到数小时内可调。可以通过加入不同种类的催化剂和改变用量的方法来调节氰凝的凝胶时间，使其在数十秒至数小时之间变化，以适应一些工程的特殊需求。④固砂体抗压强度为0.1~5MPa，凝胶体强度可达2MPa。⑤可用于水工建筑物及地下工程的防渗堵漏。丙烯酰胺类浆液（丙凝浆液）丙烯酰胺类浆液，国内又称丙凝浆液，是