“油包水”瀝青堵漏材料

1、“油包水”瀝青灌漿堵漏材料及應(yīng)用符平，王春，楊曉東中國水利水電科學(xué)研究院，北京，中國，iooo38e-m ail:fuping摘 要：對較大開度、流速的大孔隙地層進(jìn)行防滲堵漏處理目前尚沒有有效可靠、針對性的灌漿材料。 本文研究了一種“油包水”低熱瀝青的灌漿材料及其施工工藝，施工溫度小于8（rc、遇水冷卻凝固、 不沖釋，適合于開度3050cm、流速0.5m/s的大孔隙地層堵漏施工，可應(yīng)用于類似工程的堵漏施工 中。關(guān)鍵詞：防滲堵漏；低熱瀝青；大孔隙地層1概況滲漏是水利水電、地下洞室及礦山等工程中經(jīng)常 遇見的問題，不同程度的滲漏水將直接影響到工程的 經(jīng)濟(jì)效益和止常、安全運行。由大孔（裂）隙形成的 集

2、中滲漏通道造成的漏水問題更難以處理，如第四紀(jì) 地層松散塊石層中的“架空”層、基巖區(qū)存在的斷層 破碎帶和節(jié)理裂隙密集帶、石灰?guī)r地區(qū)發(fā)育的巖溶裂 隙和巖溶通道以及防滲結(jié)構(gòu)遭到破壞的土（堆）石體 等。灌漿是解決工程滲漏問題的首選技術(shù)手段，堵漏 灌漿技術(shù)的核心是灌漿材料，水泥-水玻璃雙液、水泥 砂漿、低級配混凝土、纖維砂漿、（速凝）膏漿、聚氨 酯等材料對于開度30cm以下、0. 5m/s流速的大孔隙 地層具有比較好的效果，模袋灌漿通常應(yīng)用于50cm 以上開度漏水地層的封堵，對于開度3050cm.流 速0. 5m/s的大孔隙地層冃前沒有針對性、特別有效 的灌漿材料巴多采用灌注大量的物料，依靠物料的 灌注

3、速率大于被沖走速率，逐步形成堵體，這些物料 包括廉價碎石、鋸末、木屑、黃豆、棉籽殼、水泥袋 或其它纖維等，其缺點是不易施工，費時費料，凡封 堵效果不能保證，因此研究適合于較大開度、流速的 大孔隙地層防滲堵漏的灌漿材料及施工工藝，將填補 灌漿處理大孔隙漏水地層的空白，具有十分重要的工 程價值。這種大孔隙地層對灌漿材料的要求是漿液應(yīng) 具有良好的流動性和可灌性，并保證灌入的漿液不被 水全部沖走且在較短時間內(nèi)具有相當(dāng)?shù)目箾_強度和一 定的擴(kuò)散范圍。瀝青灌漿堵漏的原理是：瀝青不與水互溶，當(dāng)瀝 青被加熱成液態(tài)時，瀝青漿液具有良好的流動性和可 灌性,瀝青漿液進(jìn)入滲漏部位后遇水將逐步冷卻凝固, 不被水稀釋、沖散

4、，因此瀝青具有良好的封堵性能。 瀝青灌漿在國內(nèi)外堵漏工程中都有應(yīng)用實例，如美國 下貝克壩、加拿大斯圖爾特維爾壩、徳國比格壩、巴 西雅布魯壩、李家峽水電站上游國堰、花山水電站導(dǎo) 流洞及公伯峽水電站土石圍堰和一些礦山、坑道封堵 工程均采用熱瀝青解決了地層漏水問題-，這些工 程中均是將瀝青加熱到工作溫度150°c以上進(jìn)行灌 注，溫度敏感性高，灌漿管路需耍保溫、施工工序多、 工藝復(fù)雜，造成灌漿處理深度淺、灌漿過程可控性差, 限制了瀝青灌漿技術(shù)的應(yīng)用。趙衛(wèi)全通過添加柴油、 石蠟等外加劑對熱瀝青進(jìn)行改性巴在80°c時改性瀝 青具有一定的流動性，但考慮瀝青在地層的擴(kuò)散，施 工溫度仍然在1

5、00°c以上，不僅加熱保溫工序復(fù)雜， 需要專用瀝青泵，設(shè)備要求高，而且灌漿工程易出現(xiàn) 堵管、堵孔和崩管事故，濺岀的高溫瀝青對施工安全 威脅大，伏i此需要尋找施工溫度更低（小于80°c）、 遇水冷卻凝固、不沖釋的低熱瀝青材料作為較大開度 和流速的大孔隙地層灌漿堵漏的主耍材料°2低熱瀝青的配比試驗2.1乳化瀝青乳化瀝青是以瀝青為分散相，以水為溶解相，在 適宜的溫度中，在機(jī)械力作用下，使瀝青以細(xì)小的微 粒（0. 110剛）均勻地分散在水中，并添加適宜的乳化 劑降低乳液表面或界面張力，形成表面或界面上的分 子定向排列和吸附，從而形成相對穩(wěn)定的“水包油” 多相分散體系。乳化

6、瀝青在常溫狀態(tài)中表現(xiàn)為液體， 具有良好的流動性。從熱力學(xué)的觀點分析，任何乳狀 液都不是穩(wěn)定的，隨著時間的推移、環(huán)境溫度的變化 或接觸介質(zhì)的變化，將導(dǎo)致乳化瀝青的破乳。破乳之 后，水分被析出，瀝青乂將恢復(fù)自身的原有狀態(tài)：遇 水凝固、不分散，但其流動性同時變差，不能在孔內(nèi) 和地層內(nèi)擴(kuò)散°為了解決這個問題，可以釆用以下兩 個辦法，（1）將乳化瀝青的破乳過程放在孔內(nèi)完成， 要求破乳過程在瞬時完成,破乳后瀝青由于溫度較低, 流動性差，適宜于大開度、高流速地層的堵漏，類似 于雙液灌漿c破乳材料可以采用聚氨酯等高吸水材料, 該法沒冇利用瀝青遇水冷卻凝固的性質(zhì)，本文不予討 論。（2）乳化瀝青的破乳過

7、程在攪拌機(jī)中完成，將破 乳完成后的漿液灌入漏水處，利用破乳出的瀝青遇水 凝固的特點進(jìn)行堵漏，該法的關(guān)鍵是如何快速、可控 的破乳和破乳出的瀝青在較低的溫度下（6080°c） 仍具有相當(dāng)?shù)牧鲃有?，以利于其在地層中的擴(kuò)散，本 文重點研究這種方法。2.2乳化瀝青的穩(wěn)定性乳化劑使瀝青和水兩不相溶的物質(zhì)界面相溶，并 且發(fā)生吸附，使各個瀝青微粒形成單個的懸浮物，這 就是乳化瀝青體系，具有天然的不穩(wěn)定性，主要表 現(xiàn)為三種形式：絮凝、聚結(jié)和沉降。乳化瀝青微粒沖 破雙電層的靜電斥力聚集到一起，稱為絮凝，這時如 果進(jìn)行機(jī)械攪拌，可以使瀝青微粒重新分開，是一個 可逆的過程，此時瀝青漿液處于“水包油”狀態(tài)，表

8、 現(xiàn)出良好的牛頓流體性質(zhì)，瀝青完全被水包裹住，遇 水（低溫）不凝固，也容易被水流沖散。隨著乳化瀝 青不斷絮凝，聚集到一起的瀝青微粒逐漸增多，逐漸 結(jié)合成為大粒徑的瀝青顆粒稱為聚結(jié)，瀝青微珠間相 互融合，瀝青恢復(fù)原有狀態(tài)，發(fā)生聚結(jié)的瀝青微粒無 法通過簡單的機(jī)械攪拌將其分開，該過程是不可逆的。 此時瀝青漿液處于“油包水”狀態(tài)，表現(xiàn)出塑性流體 性質(zhì)，破乳形成的瀝青薄膜將水分包裹在其中，提高 了破乳后混合物的流動性，同時瀝青遇水（低溫）凝 固、不易沖釋的固有性質(zhì)也表現(xiàn)出來。隨著聚結(jié)微粒 的不斷增多，瀝青顆粒粒徑逐漸增大，大粒徑的瀝青 顆粒在重力作用下發(fā)牛沉降，此時的瀝青漿液將油水 分離，分別表現(xiàn)出瀝青

9、和水的性質(zhì)，在低溫時流動性 很差。2.3破乳方法的選取根據(jù)乳化瀝青的穩(wěn)定性分析，乳化瀝青破乳后形 成的“油包水”狀態(tài)不僅具有一定的流動性，在溫度 較高時（6080°c）具有一定的流動性和可灌性，且 破乳后瀝青的性質(zhì)己完全表現(xiàn)出來，遇水不會被沖釋, 且在低溫水的作用下凝固，迅速具有一定的抗沖強度, 適用于較大開度、流速的大孔隙地層灌漿堵漏。影響乳化瀝青破乳的主要因素有兩個：乳化瀝青 中的水分析出導(dǎo)致乳液的擴(kuò)散層厚度變薄，§電位降 低，乳化被破壞；負(fù)電荷將乳化瀝青周國擴(kuò)散層中的 反離子擠進(jìn)吸附層，使擴(kuò)散層厚度變薄，c電位降低, 導(dǎo)致乳化被破壞。根據(jù)乳化瀝青破乳機(jī)理，選擇了 添加

10、水泥、膨潤土、聚氨酯、砂石、加熱等方法進(jìn)行 乳化瀝青的破乳試驗，試驗結(jié)果如表1所示。表1乳化瀝青的破乳試驗結(jié)果表破乳方法破乳時間/s破乳效果備注加水泥30%284形咸油包水狀態(tài)，流動性較好，粘性校差乳化瀝青選用中裂中凝加膨潤土 20%162形成油包水狀態(tài)，流動性較差，粘性較好陽離子乳化瀝育；試驗加幾氨酯號38混合物呈整依膠狀，粘性好，流動性差溫度為室溫；攬拌采用 低速攪拌加砂石100%1842形成油水分離，混合物流動性差，無粘性加熱9（rc>3000油水分離，粘性好，流動性差水泥的§電位為負(fù)值，摻入乳化瀝青后能與陽離 子乳化瀝青產(chǎn)生較強的電荷吸附，同時，水泥顆粒具有 較強的親水

11、性，會將乳化瀝青中的水分吸附于其表面, 作為水化所需的反應(yīng)用水，水泥的水化作用使乳化瀝 青中的水相缺失，加速了乳液破乳以及乳液微滴的凝 聚。水泥水化放熱，使泯合物局部溫度升高，也促進(jìn) 了乳液顆粒破乳以及乳液顆粒的凝聚，而h加入水泥, 能明顯提高乳化瀝青混合物的抗沖強度、后期抗壓強 度、抗折強度等力學(xué)性能。根據(jù)試驗結(jié)果，水泥的破 乳時間滿足灌漿施工的耍求，破乳后的混合物性能滿 足堵漏的需耍，再加上水泥材料容易得到，因此選擇 水泥作為乳化瀝青的主要破乳材料。2.4低熱瀝青的配比試驗作為堵漏灌漿材料的低熱瀝青性質(zhì)應(yīng)滿足：破乳 時間合適可控，破乳后混合物形成“油包水”狀態(tài)， 具冇良好的流動性、粘性和抗

12、水流沖釋能力，具有足 夠的抗壓強度等力學(xué)性能。為此，進(jìn)行了大量多組分 的配比試驗，獲得滿足上述要求的低熱瀝青配比，其 配比及混合物性能指標(biāo)如表2所示。編號i2(rc熱瀝青/g乳化瀝青 /g乳化劑/g水泥/g石蠟/g809熱水/ml比重809表觀粘度/pa. s抗壓強度/mpa備注id7d28d11001002551.065. 171.262. 062.62210034051201. 110. 762. 643. 897.0631003011222. 761.322.375.21加熱至80°c表2低熱瀝青配比及其性能指標(biāo)表注：乳化劑經(jīng)配比實驗，選用中裂中凝陽離子型；瀝青選用90號水工瀝

13、青；乳化瀝青選用中裂中凝陽離子乳化瀝青；水泥選用p. 012.5；石蠟選用 工業(yè)石蠟；水為自來水。3低熱瀝青的特性低熱瀝青的基本特征是在具有瀝青遇水凝固、不 沖釋等特殊性質(zhì)的同時，在80°c以下仍然具有良好的 流動性和可泵性。(1) 抗水流沖釋性能破乳后低熱瀝青遇到低溫的水流后，與水接觸的 表面部分由于溫度降低，逐漸凝i古1,在表面形成一層 硬殼，此硬殼具有良好的相互粘結(jié)和抗?jié)B透作用，使 灌入的瀝青能自成整體，水不能進(jìn)入瀝青混合物的內(nèi) 部，因此低熱瀝青具有抗水稀釋的能力。低熱瀝青的 抗水稀釋能力使灌入瀝青漿液作為一個幣體來抗擊水 流的沖擊，因此要使瀝青體產(chǎn)生流動，水流必須克服 瀝青混

14、合體的內(nèi)聚強度或者瀝青與壁面的粘接強度， 低熱瀝青的內(nèi)聚強度通?？梢赃_(dá)到200pa以上，瀝青 與壁面的粘接強度更高，且隨著時間的增加，瀝青混 合體的內(nèi)聚強度或者瀝青與壁面的粘接強度逐步增 大，故低熱瀝青具有相當(dāng)?shù)目箾_能力。(2) 流動特性低熱瀝青是典型的賓漢流休，賓漢休的流變特性可以用下式表示：dvm+加)忑 式中，可&)、”)分別為賓漢流體的內(nèi)聚強度、塑性 粘滯系數(shù)。低熱瀝青“油包水”結(jié)構(gòu)含有大量流動性良好的 水分，因此其流動性要遠(yuǎn)好于同溫度下的純?yōu)r青。低 熱瀝青的流動類似于高塑性液體流動，影響低熱瀝青 在地層中擴(kuò)散距離最重要的因素是灌漿壓力打溫度。 低熱瀝青在飽含地下水環(huán)境下，雖然

15、瀝青漿團(tuán)表而被 冷卻，但因瀝青比熱值較高，導(dǎo)熱系數(shù)低，瀝青內(nèi)部 溫度降低速度緩慢，在灌入的幾分鐘內(nèi)，仍具有相當(dāng) 高的溫度，保持一定的流動性，如對瀝青混合體施以 適當(dāng)?shù)耐茢D壓力(灌漿壓力)，具流動性的內(nèi)部瀝青將 推動表血的冷凝殼向外整體流動，并有可能突破瀝青 混合體表面的冷凝殼，形成新的流動前沿，向前擴(kuò)散, 直至由于溫度降低導(dǎo)致瀝青漿液的內(nèi)聚強度大于灌漿 壓力的推動力。因此，低熱瀝青無論是在管路內(nèi)、孑l 內(nèi)還是地層孔隙內(nèi)都具有良好的可灌性，在灌漿壓力 作用下，可擴(kuò)散至一定的距離。低熱瀝青的流動性隨 溫度變化的規(guī)律如圖1所示。6050 -1#瀝青2#瀝青3#瀝青100 505 5606 57 07

16、 58 08 5909 5 100 105 110 115 120圖1低熱瀝青表觀粘度隨溫度變化圖從圖1中可以看出2#低熱瀝青在60°c低溫時仍然 具有較好的流動性，可以采用灌漿施工中常用的螺桿 泵進(jìn)行泵漿作業(yè)，以保證灌漿時低熱瀝青的灌入速度 和灌漿壓力，有利于漿液的封堵和擴(kuò)散。1#和3#低熱 瀝青在80°c時具有較好的流動性，較高的溫度對螺桿 泵的膠套會造成損害，故應(yīng)采用專用瀝青泵（需能泵 送水泥等顆粒型材料）進(jìn)行泵送。（3）擴(kuò)散特性低熱瀝青與高含水量水泥懸膠體漿液灌漿相比， 漿液擴(kuò)散形式完全不同。在使用高含水量水泥懸膠休 的情況下，孔隙的填充是由水泥顆粒在流動的路途中,

17、 逐漸沉淀形成的。這種情況的發(fā)生，是因為漿液的流 動速度隨著離鉆孔的距離增加而逐漸減小，水泥顆粒 將逐漸沉淀。經(jīng)過一段時間，在離開鉆孔一定距離處 就形成了由水泥細(xì)顆粒構(gòu)成的堵寒。而用低熱瀝青灌 漿時，低熱瀝青將形成明顯的擴(kuò)散前沿，由近及遠(yuǎn)進(jìn) 行擴(kuò)散，隨著低熱瀝青的不斷灌入，瀝青不斷凝聚并 鋪展開來，冷卻后的瀝青粘附在滲透通道的表面。隨 著瀝青吸附層的不斷加厚，滲水通道不斷縮小直至完 全堵塞。在低熱瀝青擴(kuò)散過的空隙會完全被瀝青填滿, 形成密實的堵塞體，從而達(dá)到防滲堵漏的目的。4低熱瀝青堵漏室內(nèi)模擬實驗為了檢驗低熱瀝青漿液的可灌性、抗水流沖擊性 能以及漿液在孔內(nèi)-卜沉擴(kuò)散過程，在室內(nèi)進(jìn)行了不同 流

18、速條件下的低熱瀝青漿液灌漿模擬試驗。試驗裝置 如圖2所示。圖2室內(nèi)模擬試驗布置圖圖3室內(nèi)模擬試驗成果圖灌漿孔直徑為170mm,水槽尺寸為300x400mm, 出水管直徑為100mm。瀝青加熱采用自制的導(dǎo)熱油加 熱系統(tǒng)，攪拌機(jī)采用帶保溫功能的自制強力攪拌機(jī)， 灌漿管路采用帶保溫功能的自制灌漿管，灌漿泵選用 4吋螺桿泵。通過調(diào)節(jié)進(jìn)水管的水量調(diào)整水槽中的流 速。低熱瀝青通過注漿管灌入灌漿孔后下沉至有一定 流速的水槽，觀察低熱瀝青在水槽中的封堵情況。選 擇了 2#低熱瀝青進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗，試驗結(jié)果如表3、 圖3所示。從表3中可以看出，水流流速在0. 5m/s時，低熱 瀝青的堵漏效率較高。水流流速在1.

19、 2m/s時，低熱瀝 青堵漏仍具有良好的封堵效果，漿液留存率在60%以 上。5工程應(yīng)用廣西某水電站右岸壩肩位置存在集中滲漏，滲漏 量約為77. 2l/s,為尋找滲漏通道，釆用納米（超淺 層）瞬變電磁方法進(jìn)行了現(xiàn)場探測，探測結(jié)果如圖4、 5所示。第一次探測發(fā)射線«： lomxiom,初步判斷2 號點下1015m位置存在異常。第二次探測發(fā)射線框 采用2.5x2.5m進(jìn)行詳勘，結(jié)果驗證了 2號點下10m 位置存在異常。后鉆孔過程中該處存在20cm50cm 左右的掉鉆現(xiàn)象。采用低熱瀝青進(jìn)行封堵，灌入低熱 瀝青3.6n?,并在附近補強灌入速凝膏漿12n?后，下 游無明顯漏水。表3不同流速下瀝青

20、灌漿堵漏模擬試驗結(jié)果序號水流流速/m/s堵漏時間/s灌入低熱瀝青量/l低熱瀝青留存率/%備注10.5225969121.03501637231.242024866低熱瀝青 加熱80度41.45653755651.684054345ms*0k0/>43力口31 <29 狗7x3itm043圖4第一次探測電阻率等值線圖圖5第二次探測電阻率等值線圖6結(jié)論與建議大孔隙漏水地層是水利水電等工程中經(jīng)常碰到的 問題，冃前缺少針對性的防滲堵漏材料，低熱瀝青對 該地層堵漏具有良好的適應(yīng)性、可靠的封堵效果和高 效的封堵效率，填補了系列灌漿材料技術(shù)的空白，具 有重要的工程應(yīng)用價值。(1) 低熱瀝青在80°c以下具有良好的流動性和 可泵性，同時遇水凝固、不沖釋，對大孔隙漏水地層(開度3050cm、流速0. 5m/s)堵漏灌漿效果可靠、 高效。(2) 低熱瀝青材料含有水泥等顆粒，比重略重于 水，有利于漿液在孔內(nèi)的擴(kuò)散，同時低熱瀝青施工溫 度在80°c以下，可采用螺桿泵進(jìn)行灌注作業(yè)，一fl在 60°c時仍然具有一定的可泵性，施工設(shè)備簡單、方便。(3) 由于低熱瀝青的流動性與溫度密切相關(guān)，為 保證灌漿施工的可控和高效，低熱瀝青應(yīng)在攪拌、灌 注