内容简介：: 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 1 2期低热沥青灌浆堵漏技术研究符平，王春，杨晓东 ( 中国水利水电科学研究院，北京 1 0 0 0 3 8 ) 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，其施工温度小于 8 0、遇水冷却凝固、不冲释，适合于开度 3 0 5 0 c m、流速 0 5 m 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；大孔隙地层中图分类号：T V 4 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 6 3 0 5 S t u dy o n t e c hn o l o g y o f l e a ka g e - bl o c ki n g wi t l l l o w t h e r m a l as p ha l t F U P i n g ， WANG C h u n，YANG Xi a o d o n g ( C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ，B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：At p r e s e n t ，t h e r e n o a n y e ffe c t i v e ，r e l i a b l e a n d p e r t i n e n t g r o u t i n g ma t e r i a l s are t h e r e f o r the me a s u r e s o f t h e a n t i s e e p a g e a n d l e a k a g e b l o c k i n g f o r t h e ma c r o - p o r o u s s t r a t a w i t h l arg e o p e n i n g an d h i g h fl o w v e l o c i t y T h e r e f o r e ， a k i n d o f l o w t h e r mal a s p h alt g r o u t i n g ma t e ria l t h a t i s S O c a l l e d “ wa t e r i n o i l ” a n d i t s c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y i s r e s e a r c h e d h e r e i n；o f w h i c h t h e c o n s t r u c t i o n t e mp e r a t u r e i s b e l o w 8 0 W h e n e n c o u n t e r i n g wa t e r i t c o o l s d o wn an d s o l i d i fi e s w i t h o u t a n y d i l u t i o n s T h u s i t i s s u i t ab l e f o r t h e c o n s t ruc t i o n o f t h e l e a k a g e b l o c k i n g o f ma c r o p o r o u s s t r a t a w i t h the o p e n i n g o f 3 0 - 5 0 c m an d t h e fl o w v e l o c i t y o f 0 5 m s a n d t h e n c a n b e a d o p t e d fo r t h e c o n s t ruc t i o n o f t h e l e a k a g e - b l o c k i n g fo r t h e s i m i l a r p r o j e c t Ke y wo r d s ：an t i s e e p a g e a n d l e a k a g e b l oc k i n g ；l o w t h e r mal a s p h a l t ；ma c r o - p o r o u s s t r a t a 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正常、安全运行。由大孔 ( 裂 ) 隙形成的集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，水泥一水玻璃双液、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 3 0 c m 以下、 0 5 m s 流速以下的大孔隙地层具有比较好的效果，模袋灌浆通常应用于 5 0 c m 以上开度漏水地层的封堵，对于开度 3 0 5 0 c m、流速 0 5 m s 的大孔隙 Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o w e r En g i n e e r i n g V o 1 4 4 No ， 1 2 地层目前没有具有针对性和特别有效的灌浆材料，多采用灌注大量的物料，依靠物料的灌注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、锯沫、木屑、黄豆、棉籽壳、水泥袋或其他纤维等，其缺点是不易施工，费时费料，且封堵效果不能保证，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，并保证灌人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。收稿日期：2 0 1 3 一 O 1 2 1 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 1 2 7 9 2 1 7 ) 。作者简介：符平( 1 9 7 5 一) ，男，高级工程师，博士。符平，等低热沥青灌浆堵漏技术研究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，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、德国比格坝、巴西雅布鲁坝、李家峡水电站上游围堰、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 1 5 0 o C以上进行灌注，温度敏感性高，灌浆管路需要保温、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 J ，在 8 0 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 O 0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，溅出的高温沥青对施工安全威胁大，因此需要寻找施工温度更低 ( 小于 8 0。【 = ) 、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要材料。 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 11 0 Ix m) 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，沥青又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，不能在孑 L 内和地层内扩散。为了解决这个问题，可以采用以下两个办法，( 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。破乳材料可以采用聚氨酯等高吸水材料，该法没有利用沥青遇水冷却凝固的性质，本文不予讨论。( 2 ) 乳化沥青的破乳过程在搅拌机中完成，将破乳完成后的浆液灌人漏水处，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 ( 6 08 0 o 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，沥青微粒间相互融合，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生沉降，此时的沥青浆液将油水分离，分别表现出沥青和水的性质，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( 6 0 8 0 o C) 具有一定的流动性和可灌性，且破乳后沥青的性质已完全表现出来，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、流速的大孑 L 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围扩散层中的反离子挤进吸附层，使扩散层厚度变薄，电位降低，导致乳化被破坏_ 8 J 。根据乳化沥青破乳机理，选择了添加水泥、膨润土、聚氨酯、砂石、加热等方法进行乳化沥青的破乳试验，试验结果如水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 1 2期表 1 乳化沥青的破乳试验结果破乳时破乳方法破乳效果间 s 加水泥 3 0 2 8 4 形成油包水状态，流动性较好，粘性较差加膨润土 2 0 l 6 2 形成油包水状态，流动性较差，粘性较好加聚氨酯 3 3 8 混合物呈整体胶状，粘性好，流动性差加砂石 1 0 0 1 8 4 2 形成油水分离，混合物流动性差，无粘性加热 9 O o C 3 O 0 o 油水分离，粘性好，流动性差注：乳化沥青选用中裂中凝阳离子乳化沥青；试验温度为室温；搅拌采用低速搅拌。表 1所列。水泥的电位为负值，掺人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，使混合物局部温度升高，也促进了乳液颗粒破乳以及乳液颗粒的凝聚，而且加入水泥，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要求，破乳后的混合物性能满足堵漏的需要，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，具有良好的流动性、粘性和抗水流冲释能力，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所列。 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 8 0 o 【 = 以下仍然具有良好的流动性和可泵性。符平，等低热沥青灌浆堵漏技术研究 3 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，逐渐凝固，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，使灌人的沥青能自成整体，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整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 2 0 0 P a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。 3 2流动特性含水泥颗粒的低热沥青是典型的宾汉流体，宾汉体的流变特性可以用下式表示下= r ( )+叼 ( ) d v ( 1 ) 式中， ( t ) 、， 7 ( t ) 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与温度。低热沥青在饱含地下水环境下，虽然沥青浆团表面被冷却，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，在灌人的几分钟内，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面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、孔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，可扩表 2低热沥青配比及其性能指标 1 2 0热乳化乳化水泥 8 O热水 8 O表观抗压强度 MP a 编号石蜡 g 相对密度说明沥青g 沥青 g 剂 g g mL 粘度 P a s l d 7 d 2 8 d 1 l o o l o o _ 2 5 5 _ 1 0 6 5 1 7 1 2 6 2 O 6 2 6 2 2 l 0 o _ 3 4 0 5 1 2 O 1 1 l O 7 6 2 6 4 3 8 9 7 0 6 3 l o o ， 3 0 1 1 2 2 2 7 6 1 3 2 2 3 7 5 2 1 加热至 8 o 注：乳化剂经配比实验，选用中裂中凝阳离子型；沥青选用 9 O号水工沥青；乳化沥青选用中裂中凝阳离子乳化沥青；水泥选用 0 4 2 5；石蜡选用工业石蜡；水为自来水。水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 1 2期符平，等低热沥青灌浆堵漏技术研究散至一定的距离。低热沥青的流动性随温度变化的规律如图 1所示。羹露懈温度图 1 低热沥青表观粘度随温度变化从图 1中可以看出 2 低热沥青在 6 0 c I = 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人速度和灌浆压力，有利于浆液的封堵和扩散。 1 和 3 低热沥青在 8 O 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 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体的情况下，孔隙的填充是由水泥颗粒在流动的路途中，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塞。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人，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

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