摘  要：针对三峡工程混凝土渗水裂缝的实际情况，通过多个部位混凝土渗水裂缝的灌浆试验、施工，比选合适的施工材料、工艺和设备，提出三峡混凝土渗水裂缝补强的一般处理原则和方式。长江科学院CW系化学灌浆材料及配套裂缝灌浆工艺以其独特的技术优势，在三峡工程渗水混凝土裂缝处理工程中得到广泛应用。

关键词：三峡工程  混凝土  裂缝  化学灌浆  CW材料

 

   混凝土裂缝是水工混凝土建筑物较普遍、常见的病害之一，特别是渗水混凝土裂缝，可能造成结构失效、渗漏加剧，对大坝的安全运行构成直接危害。混凝土渗水裂缝往往会伴生大量析钙、缝面杂质较多等现象，对这类裂缝的处理在关键部位除应满足防渗要求外，还同时要求恢复部分甚至全部结构强度。我院自1959年起，针对三峡工程开展了较为系统全面的化灌技术研究，几十年来，连续不断地在室内和三峡及其他工程工地进行试验，为三峡工程混凝土裂缝防渗补强积累了宝贵的经验。

   三峡工程高度重视混凝土质量缺陷的调查、处理工作，对常见的混凝土裂缝产生的原因、分类等作了详尽的规定，并对不同部位、不同性质的裂缝进行了大量现场材料、工艺比选试验，裂缝化学灌浆试验特别针对微细渗水混凝土裂缝的防渗补强方案进行了多次试验探讨。对于微细渗水混凝土裂缝（缝宽<0.3mm），特别是关键工程部位的混凝土裂缝，不仅要求处理后能有效防渗，而且要求混凝土裂缝缝面粘接强度恢复到满足结构安全的数值（通常设计要求粘接强度>1MPa）。微细裂缝在缝面不断有压力水涌出条件下，水泥灌浆难以达到有效灌入并恢复强度的目的，一般选用化学灌浆来处理。这对化灌材料及工艺提出较高要求：化灌材料及配套施工工艺保证在混凝土微细裂缝中有效灌入；化灌材料对混凝土有浸润能力，保证浆液对混凝土的粘接；能够以浆赶水，带水灌浆；在缝面存在一定量杂质条件下，仍能提供设计要求的粘接强度；化灌材料可操作时间及配套化灌设备连续工作能力满足施工要求。

 

    根据三峡工程混凝土微细渗水裂缝的处理设计要求，化学灌浆材料应具备以下特点：粘度较低、裂缝中渗透性较好、浆材固化物强度及其与混凝土粘接强度满足大于混凝土强度要求，以恢复其结构强度。适应裂缝灌浆要求的化灌材料有多种，我们在众多的化灌材料中选择了甲凝和改性环氧类灌浆材料作为室内及现场试验的比选材料，而丙烯酸盐、聚氨酯等化灌材料虽可灌性及防渗性能较好，但对混凝土无恢复结构强度性能，未列入现场化灌材料试验范围。

1.1  甲凝化灌材料的特性

甲凝是以甲基丙烯酸甲酯（MMA）为主剂的化学灌浆材料，它具有以下优点：粘度低，表面张力小，有很强的渗透力，可灌性好，特别适用于微细裂缝；易于聚合硬化，聚合时对大多数物质有很大的粘接强度，且聚合物物理力学性能良好；亲水性甲凝配方对有水裂缝也具有良好的粘接性能。甲凝浆材也存在一定缺点：聚合时会产生20%左右的体积收缩，在裂缝中易产生脱空现象；配方中除氧剂会产生浆液稳定性较差、不宜存放的问题；同时，浆材硬化时间虽可调控，但调控余地较小，硬化时间偏短，施工操作中易产生浆液爆聚等现象，造成灌浆事故。

甲凝灌浆材料的主要配方和性能如表1、表2所示。

表1  甲凝浆液主要配方

甲基丙烯酸甲酯	引发剂	促进剂	除氧剂	阻聚剂	改性剂
100	0.8~1	0.5~1	0.5~0.8	0~0.05	5~8

表2  甲凝浆液主要性能

项     目	试 验 结 果	备  注
比  重	0.94~1	无色透明的液体，具有类似醚类的特殊气味
粘  度（Pa·s）	0.69~1.0
抗压强度（MPa）	60~85
抗拉强度（MPa）	13.5~17.5
弹性模量（MPa）	2.75~3.30×103
混凝土裂缝粘接 抗拉强度（MPa）	2.0~2.8	干  缝
	1.76~2.55	湿  缝
浆液聚合时体积收缩	21%

 

1.2  改性环氧类灌浆材料

   改性环氧类灌浆材料，采用了我院开发研制的CW系化学灌浆材料，CW系化学灌浆材料是在原环氧—糠醛—丙酮化学灌浆材料的基础上，结合水电工程，特别是三峡工程特点研制的系列新型灌浆材料，CW系化学灌浆材料基本配方、主要性能如表3、4所示。CW系化灌材料配制简便、粘度适中可调、渗透性好、可操作时间长、适应性广（干燥、潮湿、水下），通过独具特色的工艺措施灌注，浆材在处理对象内固化物密实性好、力学强度高、与被灌体粘接牢固。除具有国内环氧—糠醛—丙酮类浆材可灌性好等特点外，CW系化学灌浆材料兼具憎水性与亲水性特色，并以憎水性为主。新型环氧树脂和憎水性固化剂的使用，进一步降低了浆液粘度，简化了操作，克服了同类浆材早期发热量大，粘度增长过快，初凝时间过长，强度增长过慢等问题。

我院自1996年针对三峡工程开展裂缝防渗补强化灌材料研究以来，进行了大量化灌材料、施工工艺、设备的试验工作，并且于1999年初开始将这些试验成果通过现场化灌试验，不断调整材料配比及配套工艺试验设备，逐步在三峡工程应用推广。

 

 

表3  CW系化学灌浆材料基本配方

组分名称	作    用	用量（重量比）
新型环氧树脂	主 剂	100
糠  醛	反应性稀释剂	5~50
丙  酮		5~50
憎水性改性胺	固化剂	20~40
表面处理剂	表面湿润、渗透，粘接增强剂	微量
其它添加料	根据处理对象及用户要求	适量

表4  CW系化学灌浆材料主要性能^[2]

项   目	试验结果	备  注
20℃浆材初始粘度（mPa·s）	8~3000
浆液比重	1.05~1.07
聚合物密度	1.10~1.12
胶凝时间(h)	4~72
砂浆“8”字模粘接抗拉 强度(MPa)(龄期两个月)	＞3.5	干养护
	＞3.5	湿养护
纯聚合体的抗压强度(MPa)	28.6~54.8	龄期:一个月
	34.6~75.4	龄期:三个月
	43.5~84.2	龄期:六个月
纯聚合体的变形模量(GPa) (龄期三个月)	0.93；0.83；0.67	干养护
	0.81；0.87；0.88	水下养护
模拟灌浆纯浆体变模Ed(GPa)	2.63
模拟灌浆纯浆体弹模Ee(GPa)	4.23
固结石英粉强度(MPa) (龄期一个月)	124	干养护
	116	水下养护
固结石英粉变形模量(GPa) (龄期一个月)	10.64；9.47；9.07	干养护
	8.79；8.24；8.07	水下养护

注：CW浆材聚合体变形模量、弹模、固结石英粉强度、变模测试数据值采用配比为同一裂缝灌浆采用的典型配比。

2.1 甲凝化灌现场试验

   1999年2月至4月，我院分别在三峡左厂房安II段I_11-1与I_12-1块及左厂1-2甲基础廊道上游对两条混凝土裂缝进行了甲凝化灌现场试验，裂缝情况如表5所示，化灌现场试验成果如表6所示。

如表6所述，甲凝灌浆试验显示，在实际施工中，甲凝的灌量较多，可灌性较好，能够有效防渗，但在缝面潮湿条件下，对混凝土的粘接力较弱；骑缝钻孔取芯，芯样多沿缝面开裂，浆材聚合物成片状起壳脱落；甲凝浆材凝结时间偏短，一般小于40min，施工中多次出现浆液爆聚现象，操作性能较差；甲凝的聚合收缩也是缝内浆材起壳的重要原因，缝面两侧混凝土未发现浆材对混凝土的浸润、渗入现象，说明甲凝浆材虽在缝面中渗透性较好，但其在施工过程中对混凝土的浸润、渗透较差，恢复混凝土结构强度能力较弱，与室内试验结果差异较大。

表5  三峡工程混凝土微细裂缝化学灌浆裂缝情况

化灌类别	三峡裂缝 化灌部位	化灌 时间	裂  缝  情  况
			成因	缝宽（mm）	缝深（m）	缝长 （m）	渗水 情况	缝面
甲凝 灌浆	左厂房安II段 I11-1与I12-1块	1999.2~ 1999.3	温度 裂缝	0.1~0.3	0.3~0.6	2.7	渗水	新浇混凝土，缝面较洁净
	左厂1-2甲 基础廊道上游	1999.3~ 1999.4	温度 裂缝	0.1~0.8	2	15	湿润
CW 灌浆	永船地下输水 隧洞北一延线	2000.2~ 2000.4	施工缝	0.06~0.3	0.8~1.0	24	涌水，涌水压力0.2MPa，大量析钙	缝面杂质较多
	右纵Ñ96廊道 38#混凝土裂缝	2000.11~ 2001.2	温度 裂缝	0.1~0.2	与冷却水系统连通	3.3	渗水随冷却水压力变化，有部分析钙	缝面较洁净

 

表6  三峡工程混凝土微细裂缝化学灌浆现场试验成果

 

微细渗水混凝土裂缝现场甲凝化灌试验效果与其室内试验结果存在巨大差异，这种差异

根据对现场情况的分析，可能来自以下原因：浆液的亲水性导致水对浆液的稀释破坏；现

场施工条件下，缝面内甲凝浆液聚合时收缩不能如同室内试验一样得到补偿；浆液渗透性较好，灌浆压力偏低，导致浆液在缝面内推进顺利而对缝面两侧混凝土渗透难以形成压力浸润；灌浆时间偏短，甲凝浆液在渗入混凝土前已聚合。以上导致灌浆效果劣化的原因部分来自材料特性如浆液的亲水性、聚合收缩、凝结时间偏短、浆液粘度偏低等，可通过对材料的改性或更换其它种类材料来解决；也有施工条件引起的，如灌浆压力偏低、灌浆采用手摇泵等传统设备，浆材采用预配而非双液法即配即灌方式，灌浆时间受甲凝凝结时间限制，灌浆时间偏短等因素，可通过升高灌浆压力、改进灌浆设备、采用双液法灌浆等途径延长灌浆时间，提高灌浆效果。

2.2 CW系灌浆材料化灌现场试验

2000年2月及2000年11月，分别在三峡永久船闸地下输水隧洞北一延线层间缝^[3]及右纵坝段96廊道38^#缝进行了现场CW系灌浆材料化灌试验，试验成果见表6。

如表6所述，CW系灌浆材料灌浆效果良好，同时达到了防渗和补强的目的，与甲凝化灌相比，CW材料化灌施工条件相对较差（压力水渗出、大量析钙且缝面有较多杂质），灌浆效果却较好，根据化灌试验相关资料、现象分析，主要存在以下几个方面原因：

（1）CW系灌浆材料可操作时间长，低粘度时间保持时间较长，施工性能好，浆材有充分时间浸润、扩散、渗透到裂缝及其两侧的混凝土中；

（2）配套施工工艺更加灵活实用：采用更高压力，化灌试验时采用高达0.8MPa的最高灌浆压力，突破了一般混凝土裂缝灌浆0.5MPa的压力限制，提高浆材在裂缝及混凝土中的渗透能力；采用小孔径、小孔距布置，设计更为符合现场实际情况；浆材自身收缩较小（3~5%），加之长时间施压灌浆措施，补偿浆材收缩，浆材在混凝土裂缝中充填更加密实，缝内浆材与混凝土的粘接更加可靠；

（3）利用CW浆材以憎水性为主的特性，以浆赶水，浆液抗缝面流动水冲刷破坏能力较强；

（4）配套施工设备的改进：采用气压式自动化灌泵，自动稳压调压，适应长时间连续灌浆要求；

（5）采用多孔并灌方式加快施工进度，一台自动灌浆泵较3~4台手压泵灌浆效率更高，虽然单孔灌浆时间较长，但实际施工速度较快。

2.3 化灌现场试验总结

2.3.1  CW化灌材料的优势

    CW系浆材初始粘度可达10mPa·s左右，如进一步降低粘度，将以降低固化物强度和粘接力为代价。根据国外资料介绍，并非浆液粘度越低越好，只有浆液对被灌体的附着力与其自重相平衡，才能保证浆液充填密实，粘接牢固，否则会产生脱空或孔隙等现象。他们认为即使300~600mPa·s的浆体，也仅仅比水稍微有点粘性而已，仍然是同水很相近的流动性很高的液体，使用350mPa·s的低粘度树脂就可灌注缝宽0.1mm以下的裂缝。日本《土与基础》1964年5期载文称，开始用100mPa·s或稍高些粘度的化学浆液，较之更低粘度的浆液具有容易渗透的特性。叶作舟先生也指出：“甲基丙烯酸甲脂的粘度虽低到0.57mPa·s（25℃），但渗透性并不很好，由此可见，粘度是影响浆液渗透性的重要因素，但不是唯一因素。”浆液在裂缝中的渗入深度由粘度和表面张力、灌浆压力、时间、被处理对象的状况来决定。化学灌浆材料和胶粘剂使用的目的很相似，就是把两个不相连的物体或许多松散的微粒粘接成具有一定物理力学性能的整体。要把两个物体粘接成一个整体，除了胶粘剂对粘接对象具有很好的浸润性能外，对表面处理要求特别严格，要求被粘表面粗糙，不含油污、水分和松散杂质，必须通过物理、化学方法进行处理。我们利用浆材的憎水特性，在压力下将自由水和毛细水排出灌浆范围，又将有压流动水顶住，使浆液稳定于被灌区。在有压状态下，浆液中的亲水部分逐渐与残留在缝隙两侧及微粒表面附着水和结合水进行分子扩散渗透运动，破坏这个薄水膜，以增强化学浆材与被灌体的粘接。而这微量水进入浆液中，其含有—OH基，对环氧树脂固化反应有促进作用，对固化物起增韧作用。对微粒及细裂隙的渗透和与微量附着水、结合水进行分子扩散，都要在保持灌浆压力较长时间的条件下进行。故在建筑物容许的较高压力下长期缓慢灌注，并作好屏浆、闭浆工作十分重要。对灌注混凝土裂缝来说，裂缝两侧是薄弱部分，也希望能在此条件下浆液能渗入裂缝两侧，使其强度提高，同时任何由低分子单体聚合成高分子固化物时均有体积收缩，但主要产生在由液状向固状变化的过程中，故在较高压力下不断灌注，将不断补充后续浆液，使其收缩影响降至最低程度。经现场取样表明被灌部位浆液充填密实，粘接牢固，灌注的混凝土裂缝两侧附近也得到了补强，这对工程处理效果的耐久性是十分重要的。

2.3.2 灌浆工艺的优化

   裂缝灌浆施工工艺的确定应建立在一个可靠的基础上，裂缝的情况千变万化，即使是同一条裂缝，也存在不同部位裂缝宽度、深度、缝面潮湿程度、缝面杂质情况的差异，缝面压水串通情况、缝面延伸方向也各不相同，灌浆孔位布置应根据这些差异进行调整（采用斜孔或骑缝孔、孔径、孔深等），并在灌浆过程中根据灌浆量及浆材在各孔间的串通决定是否加密灌浆孔。

根据裂缝调查情况和浆材的渗透性能决定灌浆孔的布置方式，应成为广泛接受的原则，现在普遍采用的却是根据设计要求的孔距、孔径、孔深和孔位进行布孔，这种情况虽然方便施工，但统一的布孔灌浆模式不能适应变化多端的裂缝状况，往往导致灌浆效果难以达到设计要求的结果——　宽缝部位布孔过密导致浪费，而窄缝部位过疏，相邻孔灌浆范围难以有效搭接。裂缝灌浆的设计应更注重灌浆效果的要求和合适灌浆材料的推荐，严格要求施工方对裂缝真实全面的调查，根据裂缝调查结果和浆材特性，提出灌浆孔布置的一般原则，给予施工方更多现场调整权利。

2.3.3 灌浆设备的改进

   随着灌浆理论的发展、化灌材料的改进和灌浆工艺的不断优化，对裂缝灌浆设备提出了更高的要求，相对化灌技术的整体水平而言，化灌设备的改进远远落后于化灌材料的发展。绝大部分裂缝化灌施工目前仍采用手压泵这一传统设备，严重制约了化灌行业的技术进步：化灌材料的特性得不到充分利用、先进的施工工艺没有配套设备实现。在三峡混凝土裂缝化灌现场试验中，我们逐步放弃了传统、低效的手压泵，采用改进的气压式化灌泵，实现了裂缝灌浆的自动稳压调压，设备轻便小巧，便于移动，与手压泵相比，灌浆压力易于控制，极大地减轻了化灌施工的劳动强度，三峡工程许多施工单位目前都采用这种裂缝灌浆设备进行灌浆施工。

当然，这种气压式小型灌浆设备也存在一定缺陷：灌浆压力范围有限（一般小于1MPa）、不能实现比例配浆、不易实现灌浆参数的纪录等，有待进一步改进。

2.3.4 裂缝化灌前的嵌缝工艺

   相对化灌材料、工艺、设备而言，裂缝嵌缝材料及嵌缝工艺是容易忽略的方面，然而不当的嵌缝方式可能导致化灌的完全失败，最低限度，它会影响嵌缝施工时间、提高嵌缝工序成本、降低嵌缝施工效率。传统采用环氧砂浆凿槽嵌缝，凿槽施工速度较慢，成本较高，环氧砂浆配制相对复杂，成本也较高，但与水泥砂浆或净浆（成本低、配制方便，但固化时间较长，至少需3~7天）相比，施工时间短（嵌缝后几小时即可灌浆）。但环氧砂浆也存在潮湿面嵌缝效果差的问题，因此，在渗水裂缝化灌施工时，我们逐步放弃环氧砂浆嵌缝的方式，采用水泥砂浆或净浆嵌缝，为缩短施工时间，掺加速凝剂调节固化时间。

在灌浆施工中，我们还应根据裂缝情况、业主要求（如不能破坏混凝土表面，不得凿槽等），在满足嵌缝要求前提下，尽量简化嵌缝措施，如对较干燥微细缝面不凿槽，仅涂抹环氧浆液；对渗水裂缝表面不凿槽，沿缝堆砌速凝水泥（砂）浆等，同样也可达到封堵缝面的目的。

（1）混凝土微细渗水裂缝宜采用具有一定粘度，而非粘度过低的化灌浆材，浆材粘度应在适当长的时间内保持较低水平，以便施工操作及浆液聚合时的收缩补偿，也有利于浆液在混凝土裂缝中向裂缝两侧混凝土的浸润渗透；

（2）混凝土裂缝化学灌浆应根据裂缝调查情况、化灌材料性能确定施工参数，不宜作统一规定；

（3）混凝土裂缝化灌压力虽受避免混凝土劈裂的灌浆压力限制，对于局部微细裂缝，适当提高灌浆压力（提高到1~1.2MPa）不会导致裂缝的进一步开裂，有利于浆液在裂缝中的扩散和浆液向裂缝两侧混凝土的渗透。

（4）灌浆设备应逐步向小型轻便的自动灌浆泵发展，并研发便携式自动比例可调的配浆—灌浆一体机，满足裂缝灌浆需要，这也是促进化灌技术进步的重要手段。

（5）CW系环氧灌浆材料，性能优良，通过大量室内、现场试验，表现出处理混凝土微细渗水裂缝的优异性能，是一种理想的化灌材料