非水反应高聚物注浆防渗加固技术(2015-4)

1非水反应高聚物注浆防渗加固技术非水反应高聚物注浆防渗加固技术郑州大学重大基础设施检测修复国家地方联合工程实验室河南省水利与交通基础设施安全防护协同创新中心王复明2015年4月19日2014年度国家技术发明奖成果2主要内容一注浆技术发展概况二道路与铁道非开挖维修高聚物注浆技术三堤坝防渗高聚物注浆成套技术及装备四隧道与地下管道非开挖修复技术五推广应用情况六结语3一、注浆技术发展概况一、注浆技术发展概况注浆技术的发展1802年，法国，粘土石灰浆，悬浊液注浆1838年，英国，水泥浆，悬浊液注浆1884年，印度，化学浆液，真溶液注浆20世纪60年代，有机高分子材料为基础化学浆材20世纪80年代，各类环保型化学浆材相继问世4化学注浆材料的分类①水玻璃类②丙烯酰胺类（丙凝）③木质素类④脲醛树脂类⑤聚氨酯类⑥环氧树脂类⑦糠醛树脂类⑧聚乙烯醇类5聚氨酯类高聚物注浆材料分类非水反应类双组份弹性体双组份发泡体水敏感型水不敏感型聚氨酯注浆材料水反应类亲水型疏水型开孔材料闭孔材料6水反应聚氨酯类高聚物注浆材料单组份材料：水作为另一种组份参与反应亲水性高聚物材料：反应完成后仍继续吸收水分。反应速度快，稳定性较差。疏水性高聚物材料：反应完成后不再吸收水分。耐久性好。主要用于接缝和裂隙防渗，不适用于土体注浆7水反应高聚物注浆技术难以封堵大流量涌水2011年日本福岛核电站竖井涌水，采用遇水反应高聚物材料封堵未取得成功。核电站竖井开裂漏水8非水反应高聚物注浆技术逐步成为国际上的前沿方向目前在材料研发方面取得较大进展关于此类新材料的注浆机理、防渗加固技术工法及施工装备尚需突破9新型非水反应高聚物注浆材料10非水反应高聚物注浆材料工程特性环保特性耐腐蚀性抗渗性力学特性11环保特性未检出0.01234-190-37789-12-0,10588-01-9重铬酸钠14未检出0.01215-481-41327-53-3三氧化二砷13未检出0.01215-116-91303-28-2五氧化二砷12未检出0.01231-589-47646-79-9二氯化钴11未检出0.01200-268-056-35-9氧化双三丁基锡10未检出0.005427-700-215606-95-8三乙砷酸酯9未检出0.005201-329-481-15-2二甲苯麝香8未检出0.01287-476-585535-84-8短链型C10～C13氯化石蜡7未检出0.005202-974-4101-77-94,4’-二氨基二苯基甲烷6未检出0.005247-148-4/221-695-925637-99-4and3194-55-6(134237-51-7,134237-50-6,134237-52-8)六溴环十二烷及其非对映异构体5未检出0.005204-211-0117-81-7邻苯二甲酸二(2-乙基已基)酯4未检出0.005201-557-484-74-2邻苯二甲酸二丁酯3未检出0.005201-622-785-68-7邻苯二甲酸丁苄酯2未检出0.0005204-371-1120-12-7蒽1检测结果检出限EC号CAS号检测项目序号高聚物注浆材料中欧洲化学品管理署高关注物质检测结果（单位：%）12环保特性高聚物注浆材料中欧洲化学品管理署高关注物质检测结果（单位：%）序号检测项目CAS号EC号检出限检测结果15砷酸氢铅7784-40-9232-064-20.01未检出162,4-二硝基甲苯121-14-2204-450-00.005未检出17蒽油90640-80-5292-602-70.050未检出18蒽油，蒽糊，轻油91995-17-4295-278-519蒽油，蒽糊，蒽馏分91995-15-2295-275-920蒽油，含蒽量少90640-82-7292-604-821蒽油，蒽糊90640-81-6292-603-222邻苯二甲酸二异丁酯84-69-5201-553-20.005未检出23硅酸铝，耐火陶瓷纤维——IndexNo.650-017-00-80.01未检出24锆硅酸铝，耐火陶瓷纤维——IndexNo.650-017-00-80.01未检出25铬酸铅（铬黄）7758-97-6231-846-00.005未检出26钼铬红（C.I.颜料红104）12656-85-8235-759-90.005未检出27铬酸铅（C.I.颜料黄34）1344-37-2215-693-70.005未检出28三（2-氯乙基）磷酸酯115-96-8204-118-50.005未检出29煤沥青，高温65996-93-2266-028-20.050未检出13环保特性高聚物材料浸出性毒性试验和探索性模拟试验检测结果检测结果（mg/L）生活饮用水标准限值（mg/L)检测项目原蒸馏水浸出性毒性试验探索性模拟试验24小时48小时24小时48小时PH值6.26.36.26.26.2六价铬Cr6+＜0.05＜0.05＜0.05＜0.05＜0.050.05砷As＜0.005＜0.005＜0.005＜0.005＜0.0050.05镉Cd＜0.0001＜0.0001＜0.0001＜0.0001＜0.00010.005铜Cu＜0.0010.0070.006＜0.001＜0.0011.0汞Hg＜0.00005＜0.00005＜0.00005＜0.00005＜0.000050.001铅Pb＜0.005＜0.005＜0.005＜0.005＜0.0050.01铬Cr＜0.005＜0.005＜0.005＜0.005＜0.005硒Se＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.010.01铁Fe＜0.0010.0040.004＜0.001＜0.0010.3锰Mn＜0.0010.0070.0050.0010.0010.1铝Al3+＜0.0010.0050.005＜0.001＜0.0010.2锌Zn＜0.0010.0020.0020.0110.0091.014耐化学腐蚀性优良0水优良2.3机油良好3.6汽油良好3.5煤油良好3.9乙醇良好4.1甲醇优良2.6氢氧化钠（浓）优良1.1氢氧化钠（10%）良好5.6硫酸（10%）良好4.2盐酸（10%）良好3.4氢氧化铵（10%）评价等级体积损失率（%）溶液名称15抗渗性能0.00.20.40.60.81.01.20.00.10.20.30.40.50.60.7密度/g.cm-3渗水压力/Mpa起渗压力/MPa抗渗性能随密度变化，可以根据工程实际灵活设计16膨胀力15111213141611098765432膨胀力试验装置示意图脱模后高聚物试件y=7.8858x2.1570.01.02.03.04.05.06.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9密度ρ/g.cm-3最大膨胀力P/MPa17抗压强度强度随密度变化，可以根据工程实际灵活设计试样破坏形态带高低温试验箱的电子万能试验机y=41.565x2+5.4341x-0.30650.05.010.015.020.025.030.035.040.000.10.20.30.40.50.60.70.80.91材料密度/g·cm-3压缩强度/MPa18抗拉强度抗拉强度/MPa装入试验机的试件破坏后试件y=35.115x1.7446051015202530350.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0密度/g·cm-3抗拉伸强度/Mpa19二、道路与铁道非开挖维修高聚物注浆技术二、道路与铁道非开挖维修高聚物注浆技术高速公路10.44万公里，每年10%大中修，维修面积超过1亿m2高速铁路1.1万公里，路基沉降问题凸显高速公路与高速铁路发展迅速，养护维修任务繁重高速铁路里程（公里）高速公路里程（公里）020004000600080001000012000200820092010201120122013020000400006000080000100000120000200120032005200720092011201320传统的开挖维修方法工期长、造价高、对交通和环境影响大。开发快速检测非开挖维修技术具有重要意义。公路开挖维修传统开挖维修方法21道路与铁道非开挖维修高聚物注浆技术解决的关键学术技术问题路基路面材料特性反演理论高速公路病害识别与非开挖修复技术高速铁路无砟轨道下沉快速修复技术22发射信号I0面层基层A1A2A3路基ε2ε1ε3反射信号介电特性反演理论厚度、压实度、含水量电磁检测(探地雷达)W6荷载传感器落锤W1W2W3W4W5E1W7W8W9E2E3E4动力检测(落锤弯沉仪)力学特性反演理论刚度、强度、承载能力23半刚性基层沥青路面主要特点中国的高速公路以半刚性基层沥青路面为主，基层开裂、脱空、唧泥翻浆是养护维修的主要难点。24施工较快表层修复，不能根治深层病害施工慢，需要养生周边施工缝容易产生次生病害路面再生开挖换填25施工较快表层修复，不能根治深层病害施工慢，需要养生周边施工缝容易产生次生病害路面再生开挖换填26道路隐含病害非开挖维修高聚物注浆技术研究揭示了高聚物材料对路基路面的作用机理，提出了无损检测与高聚物注浆相结合的隐含病害快速处治新方法高聚物材料多层填充基层脱空高聚物材料多层填充基层脱空27道路隐含病害非开挖维修高聚物注浆技术PRP无损检测诊断隐含病害高聚物注浆针对性修复28水泥混凝土路面板底注浆技术29半刚性基层沥青路面基底注浆技术多层修复，填充脱空，排除积水积泥30高铁无砟轨道抬升高聚物注浆技术高速铁路无砟轨道沉降高聚物膜袋注浆抬升示意图31高铁无砟轨道抬升高聚物注浆技术高速铁路无砟轨道沉降高聚物导管注浆抬升示意图32三、堤坝防渗高聚物注浆技术及装备三、堤坝防渗高聚物注浆技术及装备已建成的8.7万座水库中，有4万多座属于病险水库现有堤防29万多公里，约2/3达不到防洪标准病险尾矿坝有2000余座垃圾填埋场截污坝普遍存在渗漏问题大量的火电厂储灰坝存在安全隐患我国水利基础设施安全形势严峻2013年8月我国东北的洪灾导致黑龙江干流堤坝接连溃口，85人死亡，105人失踪，直接经济损失161.4亿元。33现行的以水泥类材料为基础的堤坝防渗技术，施工条件要求高，对坝体破坏较大，防渗体的抗震抗裂性能较差。开发新型堤坝防渗技术对堤坝安全保障具有重要意义。现行主要堤坝防渗技术混凝土防渗墙技术34堤坝防渗高聚物注浆成套技术及装备解决的关键学术技术问题非水反应高聚物注浆材料扩散机理堤坝柔性防渗体高聚物注浆技术高聚物注浆施工系列化成套装备35堤坝防渗高聚物注浆技术及装备注浆材料注浆技术施工装备扩散理论提出了柔性防渗理念，研发了堤坝除险加固新型高聚物注浆材料揭示了高聚物材料在土体中的片状扩散机理，建立高聚物定向劈裂与流动填充理论研制了堤坝防渗加固成套施工装备开发了堤坝防渗加固技术，形成了成套施工工法36堤坝防渗高聚物定向扩散注浆方法发现非水反应高聚物材料在土体中呈片状扩散，不符合传统的球形扩散或柱状扩散基本假定按传统注浆理论构想的防渗体形式高聚物材料高聚物材料呈片状扩散37基于断裂土力学理论，建立了高聚物片状扩散理论模型（未破坏粘结区）注浆孔裂缝开度已扩展裂缝端理论缝端尖端浆液浆液压力粘结区裂缝尖端浆液充满裂缝（破坏粘结区）裂缝扩张区38提出了静压成槽、开缝引导、片状搭接高聚物定向扩散注浆新方法39现场开挖结果表明，高聚物在坝体中沿着引导方向形成相互搭接的片状防渗体注射高聚物材料现场开挖定向劈裂搭接形成防渗体40建立了高聚物在土体槽模中的流动填充理论，并进行了试验验证高聚物在槽模中流动填充数值模拟高聚物在槽模中流动填充模型试验柔性连续防渗墙高聚物注浆技术41提出了套孔压槽、提注同步、无缝连接柔性防渗墙高聚物注浆新方法42现场开挖和灌水试验结果表明，高聚物连续墙防渗效果良好43静力压槽施工装备解决了套孔导向、提杆与注浆同步施工关键技术难题。定向劈裂注浆“双翼型”