張意，歐忠文，曾憲光，劉晉銘，鄧偉

（1.重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000；3.解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401331）

堵漏材料是指通過物理作用或與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用堵塞盛放容器或設(shè)施發(fā)生油水介質(zhì)泄漏的工程材料。目前，針對地下水堵漏、大壩堵漏、污水井堵漏、地下工程堵漏、礦井堵漏、房屋堵漏等開發(fā)的堵漏材料名目繁多[1-4]，采用合適的堵漏材料和技術(shù)，就能很好地處理普通的滲漏問題。對于因發(fā)生重大自然災(zāi)害或重大安全事故造成的高放射性廢水，有毒有害水體盛放容器或設(shè)施的在線、帶水帶壓的無人自動堵漏來說，常規(guī)堵漏材料和堵漏技術(shù)并不合適[5-6]。

2011年3月11日，日本發(fā)生9.0級地震并引發(fā)海嘯，致使福島第一核電站的2號反應(yīng)堆取水口附近出現(xiàn)了長約20 cm的裂縫（其位置如圖1所示），用于反應(yīng)堆冷卻的高放射性污水從該裂縫漏出，并經(jīng)取水口電纜豎井下方的碎石層流入大海，最后造成1.14萬t高濃度（其濃度是法定限度的1.3億倍）放射性污水泄漏。泄漏發(fā)生后，搶修人員先后用水泥類堵漏材料、快凝吸水膨脹聚合物和“超級膠”等平時堵漏效果非常好的材料均未堵漏成功，最后，使用水玻璃和其他阻水化學(xué)試劑組成的堵漏材料才將裂縫完全堵住，整個堵漏過程持續(xù)近一個月。這段時間內(nèi)泄漏的放射性污水對周圍海域生態(tài)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的破壞，影響時間將達幾十年之久。日本作為一個工程材料較為發(fā)達的國家，在處理福島第一核電站污水泄漏的過程中，仍然暴露出了較大的問題。究其原因，可能在于日常情況下使用的堵漏材料絕大部分是在有人操作、借助機具、干態(tài)無水條件下施工完成的，而在當(dāng)時的條件下，污水泄漏的位置位于核輻射區(qū)域內(nèi)，如果安排施工人員進行堵漏搶險作業(yè)，將使施工人員遭受嚴(yán)重的輻射，即使采取嚴(yán)格的防護措施，單次作業(yè)的時間也有嚴(yán)格限制。在這種完全不具備堵漏施工條件的情況下，要發(fā)揮這些常規(guī)堵漏材料相應(yīng)的堵漏效果顯然是不可能的。

基于以上分析，針對此類對堵漏施工條件嚴(yán)格限制的特殊水體的堵漏，若能將堵漏材料投放到水體后，堵漏材料通過水流自動帶到漏口位置，并在此處固化，堵塞滲漏通道，達到堵漏的目的，將具有重要的工程應(yīng)用價值[7-8]。普通堵漏材料在對無任何施工條件或施工條件受到嚴(yán)格限制，不允許對漏水處做任何處理，甚至是任何施工器械、施工裝備都難以發(fā)揮作用的前提下，需要一次性帶水、帶壓、快速、自動完成應(yīng)急堵漏，是很難實現(xiàn)的[9-11]。因此，研究一種具有自動堵漏、快速堵漏功能的材料十分必要，有利于應(yīng)急處理放射性污水、有毒有害廢水泄漏等環(huán)境問題。

1 試驗

1.1 凝結(jié)時間

按照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》進行，采用截錐圓模（上口直徑為65 mm，下口直徑為75 mm，高度為40 mm）制備試樣，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，利用水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度凝結(jié)時間測定儀對堵漏材料初凝時間和終凝時間進行測定。

1.2 流動度

按照 GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進行，測定堵漏材料在無擾動情況下的自由流動度。操作方法為：將制備好的堵漏材料迅速倒?jié)M放在玻璃板上的截錐圓模（上口內(nèi)徑為70 mm，下口內(nèi)徑為100 mm，高度為60 mm）內(nèi)，堵漏材料與截錐圓模上口平齊。緩慢提起截錐圓模，待堵漏材料自由流動停止后，測出最大擴散直徑及與其垂直方向直徑，取二者平均值作為流動度。

1.3 密度

取制備好的堵漏材料 100 g，加入盛有 800 mL水的1000 mL量筒中，觀察并記錄量筒液面的高度變化，作為100 g堵漏材料的體積。用堵漏材料質(zhì)量除以體積即得到堵漏材料密度，重復(fù)3次試驗，取其平均值作為堵漏材料密度。

1.4 抗分散性

參照DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土實驗規(guī)程》對新拌水下不分散混凝土抗分散性測試的方法，對堵漏材料的抗分散性進行測定?！端虏环稚⒒炷翆嶒炓?guī)程》中包含稱重法測水泥流失量、懸濁物含量測定和pH值測定三種方法。文中采用pH值測定法，將500 g堵漏材料均分成10份，將每份堵漏材料緩慢加入到盛有 800 mL水的1000 mL燒杯中，操作時間不超過20 s，靜置3 min。用吸管在1 min內(nèi)輕輕吸取600 mL燒杯中的水，作為pH值測定試驗樣品，然后測定pH值，并根據(jù)DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土實驗規(guī)程》中附錄 A的規(guī)定評價堵漏材料的抗分散性。

1.5 力學(xué)強度

按照 GB/T 17671—2005《水泥膠砂強度檢驗方法》進行攪拌，采用40 mm×40 mm×160 mm試模成型，脫模成型后進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護。對養(yǎng)護不同齡期的試件進行抗折、抗壓強度測試。應(yīng)急自動堵漏材料的粘結(jié)強度用抗折強度進行反映。試驗步驟為：將前期澆筑的40 mm×40 mm×160 mm尺寸普通砂漿試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28 d齡期后從中間折斷，將得到的兩個試塊分別與應(yīng)急自動堵漏材料澆筑成 40 mm×40 mm×160 mm尺寸的試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至規(guī)定天數(shù)后測試其抗折強度，以測得的抗折強度作為應(yīng)急自動堵漏材料的粘結(jié)強度。

2 結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)急堵漏材料基礎(chǔ)配方確定

通過單摻試驗進行材料遴選[12-13]，以磷酸鎂水泥為參比對象，確定應(yīng)急堵漏材料中，選擇摻量為0.4%～0.6%的800萬分子量 PAM作為應(yīng)急自動堵漏材料的抗分散組分，核桃殼顆粒的摻量固定為60%，膨潤土摻量為 5%，摻加 3%～4%的 SAP作為膨脹組分，漂珠摻量為 40%～100%，纖維摻量 1%～5%，減水劑摻量為 0.4%，水灰比為 0.35。為調(diào)整磷酸鎂水泥凝結(jié)時間，摻入硼砂，摻量為3%～4%。

以PAM摻量、核桃殼顆粒級配、SAP摻量作為正交試驗的設(shè)計因素，每個因素取三個水平，開展三因素三水平正交試驗，其適用的正交表是L9（33）。所進行正交試驗的影響因素及水平值見表1，試驗中堵漏材料體系組成為：m(MPC)︰m (核桃殼顆粒)︰m(膨潤土)︰w (水)=1︰0.6︰0.05︰0.35。

表1 應(yīng)急堵漏材料正交試驗方案的因素水平表

正交試驗結(jié)果見表2，以抗分散效果為評價依據(jù)，選用pH值作為評價指標(biāo)，采用極差分析法進行分析。應(yīng)急堵漏材料pH值試驗結(jié)果極差分析見表3。

表3 應(yīng)急堵漏材料pH值試驗結(jié)果極差分析

由表3可知，PAM摻量的極差R最大，SAP摻量次之，核桃殼顆粒級配（粗︰細(xì)）最小，因此該次試驗中，影響應(yīng)急自動堵漏材料pH值的主次關(guān)系為：A＞C＞B。在確定各因素對抗分散性的優(yōu)水平時，由于抗分散性越好，pH值越小，故從表3 K1、K2、K3中選取值最小的水平作為優(yōu)水平。三個因素的優(yōu)水平分別為A3，B1，C1，優(yōu)水平組合A3B1C1即為保證最小pH值、亦即抗分散性最好的最優(yōu)水平組合，此時的配比為：PAM摻量0.6%，核桃殼顆粒中粗、細(xì)顆粒質(zhì)量比為1.5︰1，SAP摻量3%。該組配比在表3中無對應(yīng)試驗，補充試驗，測得pH值為8.2。應(yīng)急堵漏材料基礎(chǔ)配方見表4。

2.2 室內(nèi)模擬實驗

漏口的實際情況極其復(fù)雜，在試驗中難以模擬所有的漏口情況。通過查閱文獻，從漏口的位置、選擇、大小出發(fā)，設(shè)計了8種典型的漏口，具體參數(shù)特征見表5?？紤]到巖石材質(zhì)的漏口加工比較困難，試驗中漏口的材質(zhì)均為混凝土材質(zhì)。

表4 應(yīng)急自動堵漏材料配方

表5 漏口位置及形狀

為了便于觀察堵漏材料在水中的運動路徑，盛水容器除漏口所在的部位應(yīng)為混凝土材質(zhì)外，其余部分均可用透明的材料進行制作。試驗中，用透明的有機玻璃管和混凝土試塊制作了如圖2所示的盛水容器。有機玻璃管的尺寸：底部直徑為 100 mm，長為1200 mm，管壁厚為2 mm；混凝土試塊的尺寸：底部直徑為150 mm、高為50 mm。使用環(huán)氧樹脂將有玻璃管粘接固定在混凝土試塊上，經(jīng)盛水測試容器不存在漏水現(xiàn)象。

為了模擬容器底部漏水的情形，在混凝土試塊中心制作了相應(yīng)參數(shù)的漏口。以制作5 mm圓孔漏口為例，在混凝土試塊模具中心豎直放置高為60 mm、直徑為5 mm的鐵棒，將其與混凝土儀器澆筑呈現(xiàn)，1 d后將鐵棒從混凝土試塊中取出，混凝土試塊自然養(yǎng)護至28 d，此時便得到了一個直徑5 mm貫通孔的混凝土試塊。對貫通孔表面用砂紙進行打磨，增加其表面粗糙度，然后將其與有機玻璃管粘接固定，即完成了漏口位于底部的漏水裝置制作，如圖 3a所示。在制作其他位于容器底部的漏口時，只需在澆筑混凝土試塊時放入相應(yīng)尺寸的鐵棒或鐵片，其他步驟與制作5 mm圓孔漏口的步驟完全相同。

在制作漏口位于側(cè)部的簡易漏水裝置時，要將包含漏口的混凝土試塊固定在有機玻璃管側(cè)壁上是非常困難的。試驗中采用了在其他材料表面涂刷水泥砂漿來模擬混凝土材料的方法，選用直徑為40 mm的橡膠塞作為漏口的制作材料。以制作位于容器側(cè)壁的5 mm圓孔漏口為例，首先，利用沖擊鉆在橡膠塞上鉆取直徑5 mm的貫通孔，用砂紙對貫通孔表面進行打磨，使其具有一定的粗糙度，然后在貫通孔表面涂刷聚合物改性砂漿，待砂漿凝結(jié)后備用。用沖擊鉆在有機玻璃管側(cè)壁上鉆取直徑為40 mm的圓孔，然后用之前制作好漏口的橡膠塞塞住有機玻璃管側(cè)壁的圓孔，并用環(huán)氧樹脂進行粘接固定。待環(huán)氧樹脂固化后，即制作完成了漏口位于容器側(cè)壁的漏水裝置，示意圖如圖3b所示。其他漏口的制作方法與此相同，僅漏口大小和形狀有相應(yīng)變化。

用自制的簡易漏水裝置對應(yīng)急自動堵漏材料的堵漏效果進行評價，其堵漏效果的評價指標(biāo)包含以下指標(biāo)：堵漏時間，即應(yīng)急自動堵漏材料從加入水中到漏口停止漏水的時間；漏水量，即裝置中的水在應(yīng)急自動堵漏材料從加入水中到漏口停止漏水的這段時間內(nèi)，經(jīng)漏口流出的水的體積。根據(jù)漏口大小選擇不同尺度和種類的纖維[16-17]，見表6。

表6 用于不同漏口堵漏的纖維長度

由于漏口位置和尺度不一，對應(yīng)急堵漏材料進行針對性地調(diào)整[14-15]，配方、性能參數(shù)和堵漏效果見表7。

堵漏材料中包含有核桃殼顆粒、漂珠組成的填料，膨潤土和 SAP組成的吸水膨脹組分，復(fù)配纖維等多種材料。它們在堵漏材料中充當(dāng)了不同的角色：填料為堵漏材料提供強度，將其稱為剛性顆粒；吸水膨脹組分吸水后體積發(fā)生變化，稱為彈性粒子；纖維在堵漏時形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。纖維首先在漏口形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[18]，實現(xiàn)對剛性填料顆粒和彈性膨脹組分的攔阻，填料在漏口內(nèi)部狹窄處進行架橋，提供封堵層骨架，膨脹組分吸水使堵漏材料密實地填充漏口。三類材料共同作用、共同影響，形成穩(wěn)定的封堵層。

3 結(jié)論

1）堵漏材料中加入的硬纖維橫架于漏口端面處，可形成纖維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能使后續(xù)到來的剛性顆粒與彈性粒子停留，剛性顆粒在漏口內(nèi)部狹窄處起到架橋作用，形成封堵層骨架。

2）堵漏材料密度至關(guān)重要，過大會導(dǎo)致堵漏材料不受水流控制直接沉底，無法達到漏口處，過小容易浮在液體表面，恰好懸浮在需堵漏液體中效果最佳。

3）對于堵漏材料的凝結(jié)時間和分散性的調(diào)節(jié)也是完成堵漏的關(guān)鍵。

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