“油包水”沥青堵漏材料

1、“油包水”沥青灌浆堵漏材料及应用符平，王春，杨晓东中国水利水电科学研究院，北京，中国，iooo38e-m ail:fuping摘 要：对较大开度、流速的大孔隙地层进行防渗堵漏处理目前尚没有有效可靠、针对性的灌浆材料。 本文研究了一种“油包水”低热沥青的灌浆材料及其施工工艺，施工温度小于8（rc、遇水冷却凝固、 不冲释，适合于开度3050cm、流速0.5m/s的大孔隙地层堵漏施工，可应用于类似工程的堵漏施工 中。关键词：防渗堵漏；低热沥青；大孔隙地层1概况渗漏是水利水电、地下洞室及矿山等工程中经常 遇见的问题，不同程度的渗漏水将直接影响到工程的 经济效益和止常、安全运行。由大孔（裂）隙形成的 集

2、中渗漏通道造成的漏水问题更难以处理，如第四纪 地层松散块石层中的“架空”层、基岩区存在的断层 破碎带和节理裂隙密集带、石灰岩地区发育的岩溶裂 隙和岩溶通道以及防渗结构遭到破坏的土（堆）石体 等。灌浆是解决工程渗漏问题的首选技术手段，堵漏 灌浆技术的核心是灌浆材料，水泥-水玻璃双液、水泥 砂浆、低级配混凝土、纤维砂浆、（速凝）膏浆、聚氨 酯等材料对于开度30cm以下、0. 5m/s流速的大孔隙 地层具有比较好的效果，模袋灌浆通常应用于50cm 以上开度漏水地层的封堵，对于开度3050cm.流 速0. 5m/s的大孔隙地层冃前没有针对性、特别有效 的灌浆材料巴多采用灌注大量的物料，依靠物料的 灌注

3、速率大于被冲走速率，逐步形成堵体，这些物料 包括廉价碎石、锯末、木屑、黄豆、棉籽壳、水泥袋 或其它纤维等，其缺点是不易施工，费时费料，凡封 堵效果不能保证，因此研究适合于较大开度、流速的 大孔隙地层防渗堵漏的灌浆材料及施工工艺，将填补 灌浆处理大孔隙漏水地层的空白，具有十分重要的工 程价值。这种大孔隙地层对灌浆材料的要求是浆液应 具有良好的流动性和可灌性，并保证灌入的浆液不被 水全部冲走且在较短时间内具有相当的抗冲强度和一 定的扩散范围。沥青灌浆堵漏的原理是：沥青不与水互溶，当沥 青被加热成液态时，沥青浆液具有良好的流动性和可 灌性,沥青浆液进入渗漏部位后遇水将逐步冷却凝固, 不被水稀释、冲散

4、，因此沥青具有良好的封堵性能。 沥青灌浆在国内外堵漏工程中都有应用实例，如美国 下贝克坝、加拿大斯图尔特维尔坝、徳国比格坝、巴 西雅布鲁坝、李家峡水电站上游国堰、花山水电站导 流洞及公伯峡水电站土石围堰和一些矿山、坑道封堵 工程均采用热沥青解决了地层漏水问题-，这些工 程中均是将沥青加热到工作温度150°c以上进行灌 注，温度敏感性高，灌浆管路需耍保温、施工工序多、 工艺复杂，造成灌浆处理深度浅、灌浆过程可控性差, 限制了沥青灌浆技术的应用。赵卫全通过添加柴油、 石蜡等外加剂对热沥青进行改性巴在80°c时改性沥 青具有一定的流动性，但考虑沥青在地层的扩散，施 工温度仍然在1

5、00°c以上，不仅加热保温工序复杂， 需要专用沥青泵，设备要求高，而且灌浆工程易出现 堵管、堵孔和崩管事故，溅岀的高温沥青对施工安全 威胁大，伏i此需要寻找施工温度更低（小于80°c）、 遇水冷却凝固、不冲释的低热沥青材料作为较大开度 和流速的大孔隙地层灌浆堵漏的主耍材料°2低热沥青的配比试验2.1乳化沥青乳化沥青是以沥青为分散相，以水为溶解相，在 适宜的温度中，在机械力作用下，使沥青以细小的微 粒（0. 110刚）均匀地分散在水中，并添加适宜的乳化 剂降低乳液表面或界面张力，形成表面或界面上的分 子定向排列和吸附，从而形成相对稳定的“水包油” 多相分散体系。乳化

6、沥青在常温状态中表现为液体， 具有良好的流动性。从热力学的观点分析，任何乳状 液都不是稳定的，随着时间的推移、环境温度的变化 或接触介质的变化，将导致乳化沥青的破乳。破乳之 后，水分被析出，沥青乂将恢复自身的原有状态：遇 水凝固、不分散，但其流动性同时变差，不能在孔内 和地层内扩散°为了解决这个问题，可以釆用以下两 个办法，（1）将乳化沥青的破乳过程放在孔内完成， 要求破乳过程在瞬时完成,破乳后沥青由于温度较低, 流动性差，适宜于大开度、高流速地层的堵漏，类似 于双液灌浆c破乳材料可以采用聚氨酯等高吸水材料, 该法没冇利用沥青遇水冷却凝固的性质，本文不予讨 论。（2）乳化沥青的破乳过

7、程在搅拌机中完成，将破 乳完成后的浆液灌入漏水处，利用破乳出的沥青遇水 凝固的特点进行堵漏，该法的关键是如何快速、可控 的破乳和破乳出的沥青在较低的温度下（6080°c） 仍具有相当的流动性，以利于其在地层中的扩散，本 文重点研究这种方法。2.2乳化沥青的稳定性乳化剂使沥青和水两不相溶的物质界面相溶，并 且发生吸附，使各个沥青微粒形成单个的悬浮物，这 就是乳化沥青体系，具有天然的不稳定性，主要表 现为三种形式：絮凝、聚结和沉降。乳化沥青微粒冲 破双电层的静电斥力聚集到一起，称为絮凝，这时如 果进行机械搅拌，可以使沥青微粒重新分开，是一个 可逆的过程，此时沥青浆液处于“水包油”状态，表

8、 现出良好的牛顿流体性质，沥青完全被水包裹住，遇 水（低温）不凝固，也容易被水流冲散。随着乳化沥 青不断絮凝，聚集到一起的沥青微粒逐渐增多，逐渐 结合成为大粒径的沥青颗粒称为聚结，沥青微珠间相 互融合，沥青恢复原有状态，发生聚结的沥青微粒无 法通过简单的机械搅拌将其分开，该过程是不可逆的。 此时沥青浆液处于“油包水”状态，表现出塑性流体 性质，破乳形成的沥青薄膜将水分包裹在其中，提高 了破乳后混合物的流动性，同时沥青遇水（低温）凝 固、不易冲释的固有性质也表现出来。随着聚结微粒 的不断增多，沥青颗粒粒径逐渐增大，大粒径的沥青 颗粒在重力作用下发牛沉降，此时的沥青浆液将油水 分离，分别表现出沥青

9、和水的性质，在低温时流动性 很差。2.3破乳方法的选取根据乳化沥青的稳定性分析，乳化沥青破乳后形 成的“油包水”状态不仅具有一定的流动性，在温度 较高时（6080°c）具有一定的流动性和可灌性，且 破乳后沥青的性质己完全表现出来，遇水不会被冲释, 且在低温水的作用下凝固，迅速具有一定的抗冲强度, 适用于较大开度、流速的大孔隙地层灌浆堵漏。影响乳化沥青破乳的主要因素有两个：乳化沥青 中的水分析出导致乳液的扩散层厚度变薄，§电位降 低，乳化被破坏；负电荷将乳化沥青周国扩散层中的 反离子挤进吸附层，使扩散层厚度变薄，c电位降低, 导致乳化被破坏。根据乳化沥青破乳机理，选择了 添加

10、水泥、膨润土、聚氨酯、砂石、加热等方法进行 乳化沥青的破乳试验，试验结果如表1所示。表1乳化沥青的破乳试验结果表破乳方法破乳时间/s破乳效果备注加水泥30%284形咸油包水状态，流动性较好，粘性校差乳化沥青选用中裂中凝加膨润土 20%162形成油包水状态，流动性较差，粘性较好阳离子乳化沥育；试验加幾氨酯號38混合物呈整依胶状，粘性好，流动性差温度为室温；攬拌采用 低速搅拌加砂石100%1842形成油水分离，混合物流动性差，无粘性加热9（rc>3000油水分离，粘性好，流动性差水泥的§电位为负值，掺入乳化沥青后能与阳离 子乳化沥青产生较强的电荷吸附，同时，水泥颗粒具有 较强的亲水

11、性，会将乳化沥青中的水分吸附于其表面, 作为水化所需的反应用水，水泥的水化作用使乳化沥 青中的水相缺失，加速了乳液破乳以及乳液微滴的凝 聚。水泥水化放热，使泯合物局部温度升高，也促进 了乳液颗粒破乳以及乳液颗粒的凝聚，而h加入水泥, 能明显提高乳化沥青混合物的抗冲强度、后期抗压强 度、抗折强度等力学性能。根据试验结果，水泥的破 乳时间满足灌浆施工的耍求，破乳后的混合物性能满 足堵漏的需耍，再加上水泥材料容易得到，因此选择 水泥作为乳化沥青的主要破乳材料。2.4低热沥青的配比试验作为堵漏灌浆材料的低热沥青性质应满足：破乳 时间合适可控，破乳后混合物形成“油包水”状态， 具冇良好的流动性、粘性和抗

12、水流冲释能力，具有足 够的抗压强度等力学性能。为此，进行了大量多组分 的配比试验，获得满足上述要求的低热沥青配比，其 配比及混合物性能指标如表2所示。编号i2(rc热沥青/g乳化沥青 /g乳化剂/g水泥/g石蜡/g809热水/ml比重809表观粘度/pa. s抗压强度/mpa备注id7d28d11001002551.065. 171.262. 062.62210034051201. 110. 762. 643. 897.0631003011222. 761.322.375.21加热至80°c表2低热沥青配比及其性能指标表注：乳化剂经配比实验，选用中裂中凝阳离子型；沥青选用90号水工沥

13、青；乳化沥青选用中裂中凝阳离子乳化沥青；水泥选用p. 012.5；石蜡选用 工业石蜡；水为自来水。3低热沥青的特性低热沥青的基本特征是在具有沥青遇水凝固、不 冲释等特殊性质的同时，在80°c以下仍然具有良好的 流动性和可泵性。(1) 抗水流冲释性能破乳后低热沥青遇到低温的水流后，与水接触的 表面部分由于温度降低，逐渐凝i古1,在表面形成一层 硬壳，此硬壳具有良好的相互粘结和抗渗透作用，使 灌入的沥青能自成整体，水不能进入沥青混合物的内 部，因此低热沥青具有抗水稀释的能力。低热沥青的 抗水稀释能力使灌入沥青浆液作为一个幣体来抗击水 流的冲击，因此要使沥青体产生流动，水流必须克服 沥青混

14、合体的内聚强度或者沥青与壁面的粘接强度， 低热沥青的内聚强度通常可以达到200pa以上，沥青 与壁面的粘接强度更高，且随着时间的增加，沥青混 合体的内聚强度或者沥青与壁面的粘接强度逐步增 大，故低热沥青具有相当的抗冲能力。(2) 流动特性低热沥青是典型的宾汉流休，宾汉休的流变特性可以用下式表示：dvm+加)忑 式中，可&)、”)分别为宾汉流体的内聚强度、塑性 粘滞系数。低热沥青“油包水”结构含有大量流动性良好的 水分，因此其流动性要远好于同温度下的纯沥青。低 热沥青的流动类似于高塑性液体流动，影响低热沥青 在地层中扩散距离最重要的因素是灌浆压力打温度。 低热沥青在饱含地下水环境下，虽然

15、沥青浆团表而被 冷却，但因沥青比热值较高，导热系数低，沥青内部 温度降低速度缓慢，在灌入的几分钟内，仍具有相当 高的温度，保持一定的流动性，如对沥青混合体施以 适当的推挤压力(灌浆压力)，具流动性的内部沥青将 推动表血的冷凝壳向外整体流动，并有可能突破沥青 混合体表面的冷凝壳，形成新的流动前沿，向前扩散, 直至由于温度降低导致沥青浆液的内聚强度大于灌浆 压力的推动力。因此，低热沥青无论是在管路内、孑l 内还是地层孔隙内都具有良好的可灌性，在灌浆压力 作用下，可扩散至一定的距离。低热沥青的流动性随 温度变化的规律如图1所示。6050 -1#沥青2#沥青3#沥青100 505 5606 57 07

16、 58 08 5909 5 100 105 110 115 120图1低热沥青表观粘度随温度变化图从图1中可以看出2#低热沥青在60°c低温时仍然 具有较好的流动性，可以采用灌浆施工中常用的螺杆 泵进行泵浆作业，以保证灌浆时低热沥青的灌入速度 和灌浆压力，有利于浆液的封堵和扩散。1#和3#低热 沥青在80°c时具有较好的流动性，较高的温度对螺杆 泵的胶套会造成损害，故应采用专用沥青泵（需能泵 送水泥等颗粒型材料）进行泵送。（3）扩散特性低热沥青与高含水量水泥悬胶体浆液灌浆相比， 浆液扩散形式完全不同。在使用高含水量水泥悬胶休 的情况下，孔隙的填充是由水泥颗粒在流动的路途中,

17、 逐渐沉淀形成的。这种情况的发生，是因为浆液的流 动速度随着离钻孔的距离增加而逐渐减小，水泥颗粒 将逐渐沉淀。经过一段时间，在离开钻孔一定距离处 就形成了由水泥细颗粒构成的堵寒。而用低热沥青灌 浆时，低热沥青将形成明显的扩散前沿，由近及远进 行扩散，随着低热沥青的不断灌入，沥青不断凝聚并 铺展开来，冷却后的沥青粘附在渗透通道的表面。随 着沥青吸附层的不断加厚，渗水通道不断缩小直至完 全堵塞。在低热沥青扩散过的空隙会完全被沥青填满, 形成密实的堵塞体，从而达到防渗堵漏的目的。4低热沥青堵漏室内模拟实验为了检验低热沥青浆液的可灌性、抗水流冲击性 能以及浆液在孔内-卜沉扩散过程，在室内进行了不同 流

18、速条件下的低热沥青浆液灌浆模拟试验。试验装置 如图2所示。图2室内模拟试验布置图图3室内模拟试验成果图灌浆孔直径为170mm,水槽尺寸为300x400mm, 出水管直径为100mm。沥青加热采用自制的导热油加 热系统，搅拌机采用带保温功能的自制强力搅拌机， 灌浆管路采用带保温功能的自制灌浆管，灌浆泵选用 4吋螺杆泵。通过调节进水管的水量调整水槽中的流 速。低热沥青通过注浆管灌入灌浆孔后下沉至有一定 流速的水槽，观察低热沥青在水槽中的封堵情况。选 择了 2#低热沥青进行室内模拟试验，试验结果如表3、 图3所示。从表3中可以看出，水流流速在0. 5m/s时，低热 沥青的堵漏效率较高。水流流速在1.

19、 2m/s时，低热沥 青堵漏仍具有良好的封堵效果，浆液留存率在60%以 上。5工程应用广西某水电站右岸坝肩位置存在集中渗漏，渗漏 量约为77. 2l/s,为寻找渗漏通道，釆用纳米（超浅 层）瞬变电磁方法进行了现场探测，探测结果如图4、 5所示。第一次探测发射线«： lomxiom,初步判断2 号点下1015m位置存在异常。第二次探测发射线框 采用2.5x2.5m进行详勘，结果验证了 2号点下10m 位置存在异常。后钻孔过程中该处存在20cm50cm 左右的掉钻现象。采用低热沥青进行封堵，灌入低热 沥青3.6n?,并在附近补强灌入速凝膏浆12n?后，下 游无明显漏水。表3不同流速下沥青

20、灌浆堵漏模拟试验结果序号水流流速/m/s堵漏时间/s灌入低热沥青量/l低热沥青留存率/%备注10.5225969121.03501637231.242024866低热沥青 加热80度41.45653755651.684054345ms*0k0/>43力口31 <29 狗7x3itm043图4第一次探测电阻率等值线图图5第二次探测电阻率等值线图6结论与建议大孔隙漏水地层是水利水电等工程中经常碰到的 问题，冃前缺少针对性的防渗堵漏材料，低热沥青对 该地层堵漏具有良好的适应性、可靠的封堵效果和高 效的封堵效率，填补了系列灌浆材料技术的空白，具 有重要的工程应用价值。(1) 低热沥青在80°c以下具有良好的流动性和 可泵性，同时遇水凝固、不冲释，对大孔隙漏水地层(开度3050cm、流速0. 5m/s)堵漏灌浆效果可靠、 高效。(2) 低热沥青材料含有水泥等颗粒，比重略重于 水，有利于浆液在孔内的扩散，同时低热沥青施工温 度在80°c以下，可采用螺杆泵进行灌注作业，一fl在 60°c时仍然具有一定的可泵性，施工设备简单、方便。(3) 由于低热沥青的流动性与温度密切相关，为 保证灌浆施工的可控和高效，低热沥青应在搅拌、灌 注