化工原理——堵漏材料综述

1、第第5 5章章 堵漏材料堵漏材料u发展史 修补堵漏技术的发展至今已有一百多年的历史。 1964年，德国首先用水泥浆对井壁进行加固处理，其后各种水泥修补堵漏材料相继出现。 由于水泥颗粒较粗，只能用于宽度为0.5毫米 的裂缝修补（一般认为裂缝宽度应为材料颗粒直径的 35倍）。 采用震动磨细或筛分办法提高颗粒细度使水泥浆液的可灌裂缝宽度下降到0.050.09毫米，但其粘度随之增大，可灌性下降。 我国自六十年代采用化学灌浆技术，虽然研究应用的时间不长，但目前已成为修补混凝土构筑物裂缝和堵漏的重要措施。堵漏材料分类 刚性快凝快硬堵漏材料 用于抹面防水工程快速堵漏止水。 在普通水泥中掺入一定的促凝剂或采用

2、快凝快硬水泥，利用其快速硬化的特点。 灌浆材料 对岩体或结构裂缝和孔洞进行压力灌注，堵塞裂缝和孔洞所使用的有机或无机材料。用于岩体及结构等堵漏、加固 。5.1 5.1 刚性快凝快硬堵漏材料刚性快凝快硬堵漏材料u 刚性快凝快硬堵漏材料分类（按调节凝结时间的方式） 硅酸钠系堵漏剂 粉状堵漏剂 凝结时间对刚性快凝快硬堵漏材料施工操作及堵漏止水效果有很大影响。凝结时间过长 材料未凝结硬化前被水带走 堵漏效果差;凝结时间过短 难施工 掺以水玻璃为主要成分的促凝剂 或使用快凝快硬水泥，可缩短凝结时间，为其施工创造条件 。 u 硅酸钠系堵漏剂 指以普通水泥为基材，掺入以水玻璃（硅酸钠）为主要成分的硅酸钠系防

3、水剂，拌制而成的刚性堵漏材料。u 硅酸钠系堵漏剂分类 硅酸钠系防水剂是用一定量硅酸钠、适量水和数种矾类配制成而的一种促凝防水剂。 根据硅酸钠系防水剂命名，常用的有二矾、三矾、四矾、五矾及快燥精等品种。5.1.1 5.1.1 硅酸钠系堵漏剂硅酸钠系堵漏剂五矾防水剂表5.1 五矾防水剂的配合比化学名称俗称化学式颜色配合比（质量）硫酸铜蓝矾CuSO45H2O蓝色1重铬酸钾红矾K2Cr2O7橙红色1硫酸铝钾明矾KAl(SO4)212H2O白色1硫酸铬钾黑矾KCr(SO4)212H2O深紫红色1硫酸亚铁绿矾FeSO4H2O淡蓝绿色1硅酸钠水玻璃Na2OnSiO2无色400水H2O无色60硅酸钠系防水剂据

4、配制时采用的矾类多少，防水剂被定名为二矾、三矾、四矾、五矾防水剂。 五矾防水剂配制 按表5.1中比例取水，并加热到100，把除水玻璃以外的其它材料放入热水中，不断搅拌并继续加热，直至全部固体材料溶解，冷却至55左右，再倒入水玻璃中搅拌均匀，约半小时后即成草绿色的五矾防水剂。 注意l 配制时蓝矾和红矾必不可少。采用矾类越多，防水剂性能越稳定，堵漏止水效果越好。l 水玻璃：模数为2.42.6，相对密度1.391.4 水玻璃模数对堵漏材料凝结时间影响较大。 模数过大 与水泥拌合后凝结硬化快 难操作 模数过小 速凝效果差，凝结时间长 应用 以水泥:五矾防水剂1：0.50.6或1：0.80.9配比将水泥

5、与五矾防水剂搅拌均匀即可使用。 快燥精防水剂u 快燥精防水剂 以硅酸钠为基本原料，掺入适量硫酸钠、荧光粉（硫化锌）和水即成。 表5.2 快燥精防水剂的配合比组分水玻璃（波美度40。）硫酸钠硫化锌水质量比20020.00114表5.3 快燥精配合比与凝结时间（25）配合比凝结时间水泥(g)砂(g)水(g)快燥精(g)11 min内1005025 min内1002030330 min内1003515460 min内500100028070快燥精配制和应用u 水的处理 配制快燥精防水剂的水需要经过处理方可使用。 将明矾10kg、氨水9kg倒入380kg水中，搅拌至明矾颗粒完全溶解为止，将水反复澄清成

6、清水备用。u 快燥精防水剂应随配随用u 应用 快燥精配制的堵漏材料，适用于地下室等构筑物防水堵漏及抢修小型不受荷载的混凝土工程。但不能掺入混凝土内作防水混凝土承重结构使用。u 硅酸钠系堵漏材料的特性 施工不便，促凝组分一般需单独加工，在现场与水泥拌合后方可使用。 快凝快硬，凝结时间夏季约为35s，冬季约为1min。凝结太快，往往拌合不均，质量难以保证； 收缩性较大，堵水后周边常渗水，需二次堵漏，防水效果差（目前这类材料使用不多）。u 硅酸钠系堵漏剂应用 适用于地下室、水池、基础坑、沟道等构筑物的孔洞修补、较宽裂缝渗漏水及大面积漏水的修补。u 按其生产方式不同，粉状堵漏剂分 合成堵漏剂 普通水泥

7、中掺无机防水组分混合而成。 合成堵漏剂近年来使用较广，如堵漏灵、堵漏停、防水宝、901速效堵漏剂、水不漏等。 快速堵漏水泥：特种水泥类。 如双快水泥等。5.1.2 粉状堵漏剂一、合成堵漏剂u 组成 以普通水泥为基材，加入一种或多种无机防水基材混合而成,与水拌和后具有防水防渗的性能。u 特性 无需现场配制，只需加入20%30%的水拌合后即可使用。 粘结能力强，耐高、低温性较好，不易老化。 施工简便，迎（背）水面、潮湿基面施工，带水堵漏，可达立刻止水效果。 金汤水不漏 粉末状无机高效抗渗堵漏防水材料。 由主料、石英粉、多种外加剂以及高标号特种水泥，混合均匀而成。具有无毒、无味、耐久性好、耐燃、耐碱

8、、耐腐蚀等特性，只需与水调和后即可使用。二、快速堵漏水泥u 品种 快凝快硬硅酸盐水泥、快凝快硬氟铝酸盐、硫铝酸盐水泥等。u 组成 快速堵漏水泥是特种水泥类的新型堵漏材料。它是用特定原料经高温煅烧，生成含有水化硬化时具有膨胀特性矿物组分的烧结料，经粉磨而成。u 特性 除具有合成堵漏剂的特性外： 集快凝快硬和膨胀抗收缩于一体。具有凝结硬化快、小时强度高、膨胀不收缩等特性。 抗渗性好，粘结强度高。堵水耐久性可靠。5.2 灌浆材料一、作用 灌浆材料就是将一定的无机材料或有机高分子材料配制成具有特定性能要求的浆液，用压送设备将其灌入构筑物、地层或围岩等的裂缝及孔洞内，浆液以填充、渗透、挤压等方式将裂缝中

9、水及空气排除，填充其空隙，浆液通过凝结、固化使原来较松散的结构胶结在一起，形成一个强度高、抗渗性好的整体，达到防渗堵漏的目的。二、分类 按其浆液的颗粒分类分： 水泥类（颗粒型）灌浆材料 化学类（非颗粒型）灌浆材料u对灌浆材料的性能要求 应具有较好的可注性、良好的粘接性、抗渗性、耐久性和化学稳定性，固结收缩小，无毒，对环境污染小。 1838年科林首次用波特兰水泥作灌浆材料加固法国鲁布斯（Grosbois）大坝，国内用水泥系灌浆材料已有几十年历史，至今仍是应用较广泛的灌浆材料之一。u 水泥类浆液分类 普通水泥浆液 掺入外加剂改性的水泥浆液 超细水泥浆液 5.2.1 5.2.1 水泥系灌浆材料水泥系

10、灌浆材料普通水泥灌浆材料的特点u 优点 凝结强度高； 材料来源广泛、价格低； 环保（化学类灌浆材料普遍有毒） 运输贮存方便、施工工艺简单。u 缺点 浆液颗粒较粗，渗透性能比化学浆液差，向微细裂隙体灌浆时，其防渗固结加固效果很差； 凝结固化时间较长，在有一定流速的渗漏水部位灌浆时很容易在其凝结硬化前被水稀释或带走，只适宜灌注不存在流动水条件的混凝土裂缝和其它较大缺陷的修补。 适合于围岩注浆、回填注浆、衬砌内注浆和宽度大于2mm的混凝土裂缝注浆。 项项 目目 普通硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥 磨细水泥磨细水泥 湿磨细水泥湿磨细水泥 平均粒径（平均粒径（D D5050，mm） 202025 25 8 8

11、 6 6 比表面（比表面（cmcm2 2/g/g） 3250 3250 6300 6300 8200 8200 裂缝注浆水泥的细度裂缝注浆水泥的细度 超细水泥灌浆材料及速凝剂、早强剂、塑化剂等外加剂的掺加赋予了水泥系灌浆材料新特性，使水泥系灌浆材料获得了新的发展。 一、超细水泥灌浆材料1生产 o 为克服普通水泥灌浆材料对微小裂缝处理效果不良的缺点，超细水泥灌浆材料应运而生。o 超细水泥灌浆材料其颗粒细化，颗粒平均粒径为210m，比表面积600m2/kg。o 施工实践表明：超细水泥灌浆材料具有与化学浆液大致相同的渗透能力，其浆液的可灌性主要决定于浆液的流动性和粒子的粒径。o 根据国内外灌浆经验，

12、水泥粒子粒径与可灌性的关系为： NR = B / D95 式中：B裂隙宽度； D9595%的水泥粒子粒径小于该值。o 一般认为NR 35时，浆液的可灌性好。我国生产的超细水泥灌浆材料能灌入0.45mm的微细裂隙。u 特点 超细水泥颗粒粒径小，需水量非常大。 常加入高效减水剂降低其颗粒吸附水量，改善浆液流动性。 硬化体收缩较大。 通常掺入微膨胀组分，使浆液在凝结硬化过程产生微膨胀。 凝结时间长。 掺入硅酸钠溶液混合灌注可调节凝结时间。根据浆液所需凝结时间的长短，掺入适量硅酸钠溶液，两种浆液在灌注点混合后立即进行灌注，浆液能迅速凝结硬化。 良好的可灌性，价格相对低廉，经久耐用，结石强度高，对环境无

13、污染等。u 应用 适于建造地下建筑的防水帷幕、抗渗堵漏、截断渗水源和整体抗渗堵漏等，在水电、地铁、隧道等工程中将会得到较广泛的应用。 随着超细水泥生产成本的降低和人类环保意识的增强，具有一定毒性的化学灌浆材料将逐渐为超细水泥灌浆材料所代替。二、水泥水玻璃灌浆材料u 水泥水玻璃灌浆材料 是将水玻璃溶液与水泥浆液按一定比例配制的灌浆材料。u 特性（与水泥灌浆材料比） 凝结时间调节方便：根据需要在数秒至数十分钟之间调节。 强度（高于纯水泥灌浆材料）和凝结硬化率提高（可达100）。 既具有颗粒灌浆材料的优点，又兼有化学灌浆材料的特色，用途较广、使用效果较好。 u 配制 主要考虑满足凝结时间和硬化体强度

14、要求。 水泥浆液浓度（水灰比）：水泥是主要强度来源。 水玻璃浓度：主要调节水泥凝结硬化过程。 水玻璃浓度太低，调节凝结时间能力有限，硬化强度低；浓度太高，浆液粘度大，可灌性差。 水泥浆液与水玻璃溶液的配比 分别进行水泥浆液配制和水玻璃稀释，然后按比例混合配分别进行水泥浆液配制和水玻璃稀释，然后按比例混合配制。根据施工需要，还可在水泥水玻璃灌浆材料中掺入一制。根据施工需要，还可在水泥水玻璃灌浆材料中掺入一定的定的速凝剂速凝剂或或缓凝剂缓凝剂，以缩短或延长凝结时间。，以缩短或延长凝结时间。 水灰比越小，水玻璃浓度越大，水玻璃的比例越高，则其凝结时间越短，凝结固化体强度发展越迅速，早期强度越高。表表

15、5.6 5.6 水泥水玻璃灌浆材料的配合比水泥水玻璃灌浆材料的配合比原材料原材料品质要求品质要求作用作用用量用量灌浆材料性能灌浆材料性能水泥水泥普硅水泥或矿渣硅酸普硅水泥或矿渣硅酸盐水泥盐水泥主剂主剂1 1凝结时间数秒凝结时间数秒到数十分钟；到数十分钟；抗压强度抗压强度5 520 MPa20 MPa水玻璃水玻璃模数：模数：2.42.43.43.4，密，密度：度：1.261.261.45g/cm1.45g/cm3 3主剂主剂0.50.51 1氢氧化钙氢氧化钙工业品工业品速凝剂速凝剂0.050.050.200.20磷酸氢二钠磷酸氢二钠工业品工业品缓凝剂缓凝剂0.010.010.030.035.2.

16、2 5.2.2 化学灌浆材料化学灌浆材料u 化学灌浆材料（采用化学溶液配制） 又称无颗粒灌浆材料，是将化学药品制成的浆液，采用一定压送设备灌入构筑物的缝隙中，凝结硬化后可起到防水堵漏作用。u 品种 聚氨酯类灌浆材料 环氧树脂类灌浆材料 丙稀酰胺类灌浆材料 甲基丙烯酸甲脂灌浆材料等u 按其性能与用途大致分 防渗止水型包括水玻璃、丙烯酸盐、聚氨酯和木质素浆材 补强加固型 包括环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯浆材。o 水玻璃浆材又分：碱性、酸性o 聚氨酯浆材又分：油溶性、水溶性o 环氧树脂浆材又分：非活性稀释剂、活性稀释剂 及呋喃树脂。品牌研发单位SK-1北京中国水科院JX天津基础公司科研所HK杭州华东院科

17、研所中化798广州中科院化学所CW武汉长江委长江科学院表1 国内常用环氧浆材品牌及研发单位表2 国内常用聚氨酯浆材品牌及研发单位品牌研发单位PM天津大学LW华东院科研所HW华东院科研所TZS上海隧道公司u 特点（与水泥灌浆材料比） 它是溶液，而且是真溶液，永不分层，无沉淀； 粘度很低，有些浆材粘度甚至接近于水； 固化或胶凝时间可人为控制； 可用泵灌入裂缝，充填裂隙，堵截渗漏水，具有原位修复止水结构或单独构建防渗帷幕之功能，特别适用于地下隐蔽工程； 固化或胶凝时体积收缩很小； 固化物或胶凝体本身不渗水、耐久性良好。大坝、水库、涵闸等基础防渗帷幕和地基加固；大堤、渠道、渡槽等的防渗堵漏及加固；核电

18、站等的封闭止水防渗和地基加固；地下建筑物（如地铁、人防、隧道等）的防渗、堵漏止水、地基加固和裂缝补强加固；矿山、工厂有毒废渣、废水和城市垃圾场等截渗工程的防渗帷幕；应用应用矿井建设中的涌水堵漏、流沙治理及对软弱地层加固、稳定的预灌浆；石油钻井开采中的堵漏止水、钻孔护壁加固和驱油；桥基加固及桥体裂缝补强；机场和停机坪、公路和铁路特殊路段的软弱地层加固、防渗和混凝土裂缝补强加固；江河海港港工建筑物（如码头、船闸、防波堤等）的基础防渗和加固。 能用水泥浆材解决工程防渗加固问题的绝不用化灌浆材；在满足工程防水基本要求的前提下，选用化学灌浆材应首选无环境污染的水玻璃浆材；选用其它防水化学灌浆材应选用无公

19、害产品，并注意不要任意扩大应用范围及用量；对含有毒化合物的化学灌浆材建议停用、禁用，尽快研究寻找替代用品。 选择与应用化学灌浆材中防止污染的四条原则选择与应用化学灌浆材中防止污染的四条原则 聚氨酯类化学灌浆材料在20世纪70年代发展起来，80年代得到大量应用的一类高分子灌浆材料。 u 分类 水性聚氨酯灌浆材料 油性聚氨酯灌浆材料 弹性聚氨酯灌浆材料 弹性好、强度高、粘结能力强，适于做变形缝或在反复变形情况下混凝土裂缝的灌缝处理。一、聚氨酯类灌浆材料一、聚氨酯类灌浆材料u油性聚氨酯灌浆材料油性聚氨酯灌浆材料组成表表5.7 5.7 氰凝灌浆材料的配合比氰凝灌浆材料的配合比材料名称材料名称规格规格作

20、用作用配合比（质量比）配合比（质量比）加料加料顺序顺序预聚体预聚体主剂主剂1001001001001 1硅油硅油2012015050号号表面活性剂表面活性剂1 12 2吐温吐温8080号号乳化剂乳化剂1 13 3邻苯二甲酸二丁酯邻苯二甲酸二丁酯工业用工业用增塑剂增塑剂10101 15 54 4丙酮丙酮工业用工业用溶剂溶剂5 520205 5二甲苯二甲苯工业用工业用溶剂溶剂1 15 56 6三乙胺三乙胺试剂试剂催化剂催化剂0.70.73 30.30.31 17 7有机锡有机锡催化剂催化剂0.150.150.50.58 8 生成不溶于水的凝胶状固结体堵塞渗漏通道。 利用异氰酸基的高度活性，与多元醇

21、反应生成端NCO预聚体，一经与水接触，发生扩链、发泡、支化及交联反应，生成不溶于水的凝胶状固结体，从而堵塞渗漏通道，起到堵水和提高地层强度的作用。 反应产生CO2气体促使形成更紧密固结体。 反应产生CO2气体，在未溢出情况下，产生较大的内压力，一方面推动浆液向孔隙、裂缝内部深入扩散，密实填充，并挤压浆液使之与周围界面紧密结合，形成更紧密固结体。防水原理特性 浆液不会被水稀释或冲走 氰凝灌浆材料若不遇水是稳定的，遇水则立即反应，故浆 液不会被水稀释或冲走。 浆液具有较强的扩散填充能力 异氰酸基团遇水反应放出大量的CO2气体，产生内应力使 浆液具有较强的扩散填充能力。 聚合时间不受限制，可用单液灌

22、浆，施工较简单。 固结体化学稳定性高，耐酸、碱、盐和有机溶剂，固结体强度大，具有良好抗渗和耐久性。 应用 适于建筑物和地下混凝土工程的三缝（变形缝、施工缝、结构适于建筑物和地下混凝土工程的三缝（变形缝、施工缝、结构缝）缝）堵漏堵漏、建筑物、建筑物地基加固地基加固、电站坝基、电站坝基裂缝堵漏裂缝堵漏与补强及油井选择与补强及油井选择性性堵水堵水等。等。u水性聚氨酯灌浆材料 水性聚氨酯灌浆材料 由环氧乙烷或环氧乙烷及环氧丙烷开环共聚的聚醚与异氰酸酯合成的预聚体，掺加一定外加剂制得的不溶于水的单组分灌浆材料。 水溶性聚氨酯预聚体组成和配比 高强度浆液预聚体：将环氧乙烷聚醚与环氧丙烷聚醚和甲苯二异氰酸酯

23、同时反应制得的预聚体。 低强度浆液预聚体：先制得环氧丙烷、环氧乙烷的混合聚醚，然后再与甲苯二异氰酸酯反应生成预聚体。 水性聚氨酯灌浆材料的两种预聚体组成见表5.8。水性聚氨酯灌浆材料的组成、配合比及主要性能见表5.9所示。表表5.9 5.9 水性聚氨酯灌浆材料浆液组成水性聚氨酯灌浆材料浆液组成原原 料料作作 用用用量用量（质量比）（质量比）凝结凝结时间时间（minmin）压缩强度压缩强度（MPaMPa）甲苯二异氰酸酯甲苯二异氰酸酯制成预聚体，为制成预聚体，为主剂主剂1 122，可，可调节调节1.01.0聚醚聚醚邻苯二甲酸二丁酯邻苯二甲酸二丁酯溶剂溶剂0.150.50.150.5丙酮丙酮溶剂溶剂

24、0.510.512 2，4 4二氨基甲苯二氨基甲苯催化剂催化剂适量适量水水溶剂兼参与反应溶剂兼参与反应510510特性 粘度较小，可灌性好（浆液能均匀地分散或溶解在大量水中）。 有良好的变形能力，止水性好，具有一定粘结强度（凝胶后形成含水的弹性固体）。 抗压强度和抗渗能力略小于油性聚氨酯灌浆材料。 易溶于水，亲水性好（远高于其它化学灌浆材料） 堵流动水性能优（流动的水不会将浆液冲散，反而可增大固结物的面积）。 应用 适于动力地层堵涌水、地质表面防护、松软地层加固等。o 葛洲坝电站一期工程护坦止水系统渗漏事故的修复 一次用弹性聚氨酯浆材20余t;o 上海地铁4号线塌方冒水事故 仅止水一项用聚氨酯

25、浆材就达102 t；o 三峡工程近几年防渗堵漏和地基加固应用各种化学灌浆材料570多t；o 广东一家化灌企业，去年仅在桂、粤、湘公路修复工程的路基加固防渗中就用了水玻璃浆材2 000 t以上。 环氧树脂类灌浆材料 由环氧树脂、固化剂、稀释剂等配制的一类灌浆材料。 固化剂：能使环氧树脂在低温和潮湿环境下固化。 稀释剂：降低环氧树脂浆液粘度，提高其可灌性。 稀释剂掺入会引起固结环氧树脂物理力学性能的下降。非活性稀释剂掺量过多会引起固化环氧树脂的收缩，降低其粘结能力。 稀释剂的选择和用量应根据灌浆时所需的浆液粘度、渗透性、灌浆时间等来确定。 环氧树脂类灌浆材料环氧树脂类灌浆材料常用的稀释剂l 活性类

26、稀释剂 能和环氧树脂直接发生反应。如甘油环氧树脂等。l 非活性稀释剂 不能和环氧树脂反应，固化后随时间推移慢慢挥发出来。如丙酮、糠醛等。 增塑剂 可提高固化环氧树脂的韧性、抗冲击强度及抗冻性。常用的增塑剂：l 低分子酯类：磷酸三苯酯、邻苯二甲酸酯类等。l 大分子类：既具有固化剂的作用，又有一定亲水 性，可提高环氧树脂在潮湿环境中的粘结能力。如聚酰胺树脂、液态聚硫橡胶等。 亲水剂 高湿度环境中的灌浆材料需具有一定亲水性，才能与潮湿环境中的构筑物形成较好的粘结。 加入适量三聚氰酸环氧树脂和潜性酮亚胺固化剂，可改善普通环氧树脂灌浆材料的亲水性。酮亚胺 ：干燥状态下对环氧树脂无固化作用，仅在潮湿条件下才发生固化反应，可预先配制成浆液，便于施工操作。 由酮亚胺与混合树脂（三聚氰酸环氧树脂、普通环氧树脂）等配制的环氧树脂灌浆材料在潮湿环境具有较好的固化性能，