丙烯酸鹽灌漿材料研究進展

王瀟，袁乙平，李璽，龔雨笙，李佳鑫

(成都工業(yè)學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院，四川 宜賓 644000)

0 引言

伴隨著我國社會發(fā)展的需要，大批基礎(chǔ)設(shè)施的不斷興建，裂紋、蜂窩、空洞、孔隙等問題難免出現(xiàn)在工程中，最終形成通道導(dǎo)致滲漏，造成工程壽命的縮短，對滲漏治理尤為重要。在滲漏防治過程中，利用注漿的方法進行堵漏，一直以來都是一個行之有效的措施。注漿漿液包括無機及有機高分子材料兩大類型，前者主要包含水泥類注漿漿液、水玻璃類注漿漿液、水泥-水玻璃類注漿漿液、黏土類注漿漿液等等；后者包括聚氨酯類注漿漿液、糠醛樹脂類注漿漿液、丙烯酰胺類注漿漿液、木質(zhì)素類注漿漿液、脲醛樹脂類注漿漿液、丙烯酸鹽類注漿漿液[1]。

丙烯酸鹽灌漿類化工材料的研發(fā)與使用始于20 世紀40 年代，當(dāng)時因為丙烯酸鹽還沒有大規(guī)模制備，且物質(zhì)來源比較困難，所以并沒有獲得廣泛應(yīng)用[2]。1974 年，在大量使用丙烯酰胺化學(xué)灌漿材料并造成污染后，丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材料的研發(fā)與使用再次受到重視[3]。國外首先用丙烯酸鹽AC-400 來取代丙烯酰胺漿材[4]。中國企業(yè)在20 世紀80 年代中后期成功研制了丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材料，并在建設(shè)長江三峽等工程項目上進行了推廣使用。2005 年以后，比利時迪尼夫等外國企業(yè)在地下交通建設(shè)方面推廣并應(yīng)用丙烯酸鹽灌漿材料[5]。如今，丙烯酸鹽灌漿材料已經(jīng)具備了黏度較低、能灌注微小縫隙、可調(diào)節(jié)凝膠成型時間、低滲透系數(shù)和較強的耐擠壓力并且價格低廉等特點，其凝膠材料危害性較小，具備了良好的穩(wěn)定性，能滿足干濕循環(huán)要求，在失水環(huán)境下體積減小，在水分充盈狀況下也會快速膨脹，處理過程中也不會損壞凝膠材質(zhì)。目前，在巷道、堤壩止水以及建筑物的防水滲漏等許多領(lǐng)域都出現(xiàn)了其身影，并逐漸成為一種價值可觀可用于滲漏治理的灌漿材料[6]。

1 丙烯酸鹽灌漿料組成及成膠特點

1.1 丙烯酸鹽灌漿料的組成

丙烯酸鹽灌漿料的組成[7]如表1 所示。

表1 丙烯酸鹽灌漿料的組成

1.2 丙烯酸鹽灌漿料成膠及其特點

丙烯酸鹽灌漿料成膠過程：取丙烯酸與蒸餾水按一定比例均勻混合，連續(xù)攪拌加入堿性物質(zhì)得到丙烯酸鹽(主劑)，根據(jù)工程需求不同向主劑加入交聯(lián)劑、促進劑和緩凝劑，混合得到A 組分，引發(fā)劑和蒸餾水組成B 組分，將A 組分與B 組分按相應(yīng)體積比混合均勻，靜置后成膠。在膠凝過程中產(chǎn)生游離的基團進行聚合反應(yīng)會有熱能釋放，同時在當(dāng)漿液越來越趨于穩(wěn)定之后的一段時間中，溫度不斷提高。主劑的主要組成成分為丙烯酸鈣以及丙烯酸鎂，在其中定量加入促進劑以及引發(fā)劑之后，反應(yīng)物中的基團相互作用，得到了線性大分子化合物，在加入的化學(xué)交聯(lián)劑的影響下，與線性分子進行化學(xué)交聯(lián)得到了網(wǎng)狀大分子的凝膠體。

若要控制膠凝時間，可通過控制促進劑、緩凝劑、引發(fā)劑等組分用量來控制。若要膠凝時間減小，可加入促進劑和引發(fā)劑，若持續(xù)時間要拉長可加入緩凝劑。但引發(fā)劑的用量不能太低，也不能用減少引發(fā)劑用量的方法來增加膠凝時間，不然膠凝持續(xù)時間較差，并造成凝膠的品質(zhì)較差[8]。交聯(lián)劑濃度較低時，凝膠的保水性較差，析水也較多。漿液在膠凝過程中的黏度變化規(guī)律一般為：從漿液制備好后到聚合過程前，其黏度和狀態(tài)基本恒定，而反應(yīng)一進行，黏度就迅速增加，因此很快膠凝[9]。丙烯酸鹽凝膠是二相體型凝膠，固相結(jié)構(gòu)為丙烯酸鹽分子間彼此結(jié)合的連續(xù)相，其中含有大量水分子。這一分子結(jié)構(gòu)也使得凝膠具有干縮特性，具體表現(xiàn)為干燥幾天后凝膠尺寸減小，黏度上升，此時其與混凝土試件抗壓強度、木質(zhì)素凝膠體及表面的黏結(jié)性能很好。置于潮濕條件時，凝膠體也會吸濕膨脹，卻不能恢復(fù)到原來尺寸[10]。

以曾娟娟團隊研發(fā)的HG301 丙烯酸鹽灌漿材料為例[7]，隨著交聯(lián)劑濃度的提高，HG301 凝膠的固砂體耐壓性能先增加后降低，遇水膨脹的能力也逐步增加。另外由于引發(fā)劑濃度、促進劑濃度的提高以及溫度增加，HG301 丙烯酸鹽灌漿材料的凝膠時間也相應(yīng)減少。而由于促進劑的濃度對凝膠時間的調(diào)節(jié)作用效果最為明顯，主要原因是促進劑呈堿性，因此通過反應(yīng)體系pH 值，可以更合理地控制凝膠時間。

1.3 丙烯酸鹽灌漿材料的防滲堵漏機理

通過灌漿方式處理細小縫隙的滲漏，一般可分成以下三種工作原理：(1)粘接原理，利用漿材將縫隙界面粘接起來，即利用注漿方法材料將縫隙界面粘合起來，可類似于玻璃器皿通過玻璃膠進行封口；(2)填充原理，使用漿材對裂縫空隙加以填充，從而堵塞滲漏途徑；(3)脹塞防滲原理，利用膠體遇到水膨脹的特性，將裂隙封堵展開系統(tǒng)性防滲堵漏，令其存在較為明顯的過盈作用，把滲水路徑有效阻斷[11]。

丙烯酸鹽注漿材料具有諸多優(yōu)勢，具體來說如黏度低、滲透系數(shù)高等，在施工過程當(dāng)中，能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)縫隙有效浸潤填充，當(dāng)混凝土固化之后，其裂縫可以被此物質(zhì)充分充填，殘余水分也會被其全部吸走。同時，隨著時間的推移，丙烯酸鹽注漿材料會進一步膨脹，繼而令空隙填滿，滲水路徑被有效阻斷。另外，對混凝土結(jié)構(gòu)表面來說，丙烯酸鹽固化物的粘結(jié)力處于較高水平，即使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形情況，脫落現(xiàn)象也不會出現(xiàn)。

2 丙烯酸鹽類灌漿材料的應(yīng)用、研究進展

2.1 丙烯酸鹽類灌漿材料應(yīng)用進展

丙烯酸鹽灌漿材料的應(yīng)用最早起源于20 世紀40 年代，美國海軍陸戰(zhàn)隊與馬薩諸塞工科大學(xué)組建的研究團隊富于創(chuàng)造性地利用丙烯酸鹽漿液材料對軍事建筑地基展開有效加固，20 世紀中期，日本相關(guān)領(lǐng)域研究者對丙烯酸鹽注漿手段展開深入系統(tǒng)探索[2]。到20 世紀70 年代，在日本地區(qū)，丙烯酸酯獲得工業(yè)化的批量生產(chǎn)，年產(chǎn)量高達數(shù)萬噸，基于此，丙烯酸鹽灌漿材料的成本進一步顯著下降，應(yīng)用范圍也日益廣泛。中國目前也進行了大量丙烯酸鹽注漿方法材料的研發(fā)與使用[12]，在20 世紀80 年代初期從美國引進AC-400 丙烯酸鹽注漿方法材料來取代丙烯酰胺材料，并從中受到較大啟發(fā)[8]，南京水利科學(xué)研究院科研人員首次制造出AC-MS 丙烯酸鹽材料，同時依托實踐對其代替丙烯酰胺的可能性展開了科學(xué)化、系統(tǒng)化驗證。在20 世紀90 年代，譚日陞依托拮抗理論，利用丙烯酸鈣以及丙烯酸鎂等主劑制備丙烯酸鹽注漿材料，該材料漿液具有微弱毒性，固化物無毒，在施工過程當(dāng)中可以有效應(yīng)用于壩基防滲、伸縮縫堵水注漿等，效果較為顯著[8]。

為了在實驗操作過程當(dāng)中有效測定丙烯酸鹽灌漿材料在各種條件下的使用效果，許良峰以及譚日升對促進劑以及引發(fā)劑的計量展開系統(tǒng)性調(diào)整，同時對添加緩凝劑鐵氰化鉀控制漿液的膠凝時間展開系統(tǒng)性控制，依托丙烯酸鹽材料對萬安地區(qū)水利水電壩基滲漏水情況展開有效治理[13-14]。以三峽二期工程施工為研究背景，依托兩種不同類型漿液先后注入的策略，令強風(fēng)化帶的防滲帷幕施工以及弱風(fēng)化帶壩基的防滲帷幕施工順利推進[15]。王正勝等通過大量實驗，探索出多種對漿液凝膠性產(chǎn)生一定影響的因子，具體來說如主劑濃度與配比、膠凝需要的固化時間長度、固化物抗壓強度等，并將其應(yīng)用于地面預(yù)注漿堵水[16]。沈如等利用丙烯酸鹽等物質(zhì)對地基展開科學(xué)化、系統(tǒng)化處理，獲得如下結(jié)論：丙烯酸鹽漿液可以令土體的抗剪強度有效提升[17]。在鐵路路基土的加固方面，趙滿慶通過室內(nèi)試驗，將丙烯酸鹽灌漿材料改良并應(yīng)用于其中[18]。

在地下建筑漏水的防治中，丙烯酸鹽灌漿材料因其凝膠的優(yōu)異特性，逐漸在各項工程中嶄露頭角。比如譚日升就曾把丙烯酸鹽漿液運用于船閘沉降裂縫中滲漏水的處理，地下工程當(dāng)中的“三縫”也能夠利用此材料展開系統(tǒng)化滲漏治理[14]。張金接等以丙烯酸鹽漿液為主要研究對象，對其于混凝土細微裂縫內(nèi)的滲漏治理情況展開深入系統(tǒng)剖析[19]。張維欣等運用丙烯酸鹽漿液在地下室及頂板混凝土中出現(xiàn)的裂縫進行堵漏，并且能做到起長久堵漏效果的作用[11]。張毅等采用變形縫滲漏治理技術(shù)工藝將丙烯酸鹽漿液注入縫隙中，由此取得了較好的治理效果[20]。

丙烯酸鹽灌漿材料不僅僅可以依托注漿手段對微小縫隙展開有效治理，與此同時，還可以對地基進行有效加固，或?qū)δ承┎牧细男?，使其滿足工程需要。趙衛(wèi)全等在實驗過程中把丙烯酸鹽與水泥漿液混合，獲得一種能夠在短時間內(nèi)膠凝的改性灌漿材料，該材料具有較好的粘接性和抗沖性，同時具有較高強度，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)這種灌漿材料特別適用于溶洞地層中水流湍急地帶的封堵[21]。

噴膜防水材料中也出現(xiàn)了丙烯酸鹽灌漿材料的身影，為了將丙烯酸鹽噴膜技術(shù)應(yīng)用于實際工程中，多位學(xué)者通過多次配比確定其成分[22-29]，研究成果在隧道、地下燃氣運輸管道中的防滲方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用[30]。張斌等利用了丙烯酸鹽噴膜防水工程材料在南京青奧水下項目進行應(yīng)用，并取得了良好的防水效果[31]。

2.2 丙烯酸鹽類灌漿材料研究進展

2002 年，趙衛(wèi)全等針對當(dāng)時水流流速較高環(huán)境下的巖溶堵漏處理方面，以往材料極易在湍急水流下失效，于是開發(fā)了具有很強的黏結(jié)力、強度較高、水中的膨脹率可觀、適應(yīng)在潮濕情況下的灌漿堵漏處理的AC-MS 丙烯酸鹽注漿成型料，并成功應(yīng)用于貴州某水電站廠房基坑溶洞中，且滲漏治理效果良好[21]。正是由于它與水泥漿的復(fù)合應(yīng)用，能使?jié){液快速凝結(jié)，凝膠體的粘接能力和耐沖穩(wěn)定性很強，且膠凝過后，膠體整體硬度高，因此能較好適應(yīng)大流量水域的應(yīng)用，并在實際應(yīng)用中效果顯著。

2010 年4 月，何月巍等研制了AC-II 丙烯酸鹽灌漿漿液，由于運用了符合安全要求的新型交聯(lián)劑，使得灌漿材料具有更好的環(huán)保性與可靠性，且運用于地鐵機場，滲漏部位不再存在附著水分[32]。

2010 年，白煉等有效依托直接酯化策略，獲得一種具有新性能的交聯(lián)劑，同時將其有效應(yīng)用于CWGAC 丙烯酸鹽注漿液內(nèi)，凝膠在各方面表現(xiàn)較好[33]。

2012 年，張健等制作了一種新型交聯(lián)劑，能夠在充分溶解于水中，無毒，相關(guān)研究團隊以此為基礎(chǔ)原料，進一步研制出了CW520 材料，該漿液的黏度較低，可滲入微細裂縫，且凝膠時間能靈活調(diào)節(jié)，膠體韌性大，可承受強度高，同樣符合新時代環(huán)保無污染的要求[34]。

2019 年，廖曉東通過老化試驗、凍融循環(huán)測試等一系列操作，獲得如下結(jié)論：丙烯酸鹽注漿材料可以在較長時間范圍內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，證實了丙烯酸鹽灌漿材料在地層止水作業(yè)中的適用性[35]。

2021 年，為改進中國國內(nèi)生產(chǎn)的與國外產(chǎn)品在凝膠化速率相對緩慢，伸長率相對較低，包水性差、黏結(jié)性相對欠佳等方面的缺陷。曾娟娟等利用自制的環(huán)保型交聯(lián)劑替代了XT-丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材質(zhì)中原有的傳統(tǒng)交聯(lián)劑，成功生產(chǎn)了新型的HG301 丙烯酸鹽化學(xué)灌漿材質(zhì)。該化學(xué)灌漿材料在凝膠速率、延伸率、包水性、粘接強度等特性上都有了明顯提高，并且更為綠色環(huán)保[7]。

2021 年，謝麗麗在原有固化劑的基礎(chǔ)上添加了長鏈柔性單元，使?jié){液在凝固成形后，凝膠體有良好的斷裂拉伸性，以滿足可適應(yīng)結(jié)構(gòu)裂縫中較大形變的目的[5]。

目前化學(xué)灌漿料的主要優(yōu)點在于：漿液穩(wěn)定性較高，在常溫，常壓下保存了一定期限后，其基本性能不變；黏度較小，可灌性好，滲透性高，填充緊密，解決了砂漿和粘土等粒狀物質(zhì)顆粒過大不易灌入的問題；漿液的凝膠過程必須在瞬間進行，且在規(guī)定區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定時間應(yīng)根據(jù)要求加以控制和調(diào)整；膠結(jié)體透水性低，但耐水工程性較強，漿材膠結(jié)后硬度大，并且具備較良好的耐久性，受空氣、潮濕和水分以及一些細菌的侵襲作用相對較弱；原料使用條件簡單，原材料種類廣泛，價格較低，且灌漿過程作業(yè)簡便，符合環(huán)境保護規(guī)定等[36]。

3 丙烯酸鹽漿液存在的問題

運用丙烯酸鹽漿液防滲堵漏，可以從源頭解決滲漏問題。但在工程管理思想和技術(shù)(包括材料、工藝)等層面上尚存在一些缺陷，因此一些地下工程“年年修，年年漏”的局面沒有得以完全改變，還面臨著一些技術(shù)困難和值得研究的問題[6]。

3.1 安全環(huán)保仍需提高

綠色化學(xué)灌漿基本要求：“漿液各組分(溶劑、主劑、固化劑、其他輔助劑)無公害不含致癌物和有毒化合物及有毒基團”[37]。但如今丙烯酸鹽漿液中，由于丙烯酸鎂與丙烯酸鈣之間的相互拮抗效應(yīng)，已使得漿液微毒，其凝固物實際無毒的效果，但漿液中仍具有相應(yīng)的有毒單體，尚不滿足綠色化工灌漿的要求，因此應(yīng)當(dāng)力研發(fā)各組分毒性輕微(甚至無毒)，且價格相對低廉的新材料。

3.2 性能方面

粘結(jié)性能不足，如果粘結(jié)性差，會極大降低水穩(wěn)性和耐久性?，F(xiàn)有丙烯酸鹽灌漿材料多采用單分子層吸附，吸附能力不夠?qū)е掠H和裂縫表面強度不夠，封堵持續(xù)時間不夠長久。

適應(yīng)裂縫力不足，目前國內(nèi)產(chǎn)品上所用的丙烯酸鹽灌漿材料大多延展率低，不能很好地適應(yīng)裂紋與接縫之間的變形。導(dǎo)致這一問題的主要原因是目前國內(nèi)市場上所常用的丙烯酸鹽灌漿材料普遍使用化學(xué)交聯(lián)，加之在雨季、旱季的水分變化明顯時，裂縫中的凝膠在溶脹-失水過程中化學(xué)鍵容易受到破壞而失效，影響凝膠耐久性，最終導(dǎo)致建筑復(fù)漏。

3.3 經(jīng)濟方面

在大的防水工程中往往需要的灌漿材料總量巨大(工程造價在數(shù)百萬至上千萬元)[38]，但丙烯酸鹽灌漿材料成本仍然高于目前傳統(tǒng)灌漿材料，目前丙烯酸鹽灌漿材料缺乏自修復(fù)能力且凝膠與基材形成的系統(tǒng)易發(fā)生早期損害，使得滲漏壽命降低，養(yǎng)護工作也隨之而來，使得工程養(yǎng)護資金增加。

3.4 注漿工藝研究有待加強

注漿技術(shù)不但與漿液本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與注漿時所采用的注漿方法和技術(shù)同樣有關(guān)。迄今為止市場上各類注漿工藝仍待繼續(xù)深入研究，且注漿工藝檢測體系建設(shè)尚未健全，對注漿工藝的各項參數(shù)、注漿工藝性能評估還沒有完整、合理的檢測方法與技術(shù)[6]。

4 結(jié)語與展望

中國滲漏治理材料行業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，總量已持續(xù)幾年位居全球第一，但滲漏治理材料相關(guān)項目的探索研究還有很大進步空間?；诖?，優(yōu)質(zhì)的丙烯酸鹽灌漿材料若能被研發(fā)出來，必然會獲得廣闊的市場應(yīng)用空間。目前來說，水利工程、橋梁、隧道等大型建筑滲漏治理的材料市場仍需要一種大幅度提高堵漏效果，且經(jīng)濟效益可觀的材料。若能改善丙烯酸鹽灌漿的膠狀延展性不足、無法較好適應(yīng)惡劣環(huán)境下的裂紋和接縫變形，反復(fù)溶脹-失水的環(huán)境下耐久能力變差，成本較高等問題，則填補滲漏治理行業(yè)內(nèi)的巨大空缺指日可待。