應(yīng)急自動(dòng)堵漏材料的設(shè)計(jì)制備及模擬實(shí)驗(yàn)

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(duì)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(duì)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(dòng)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(jí)地震并引發(fā)海嘯，致使福島第一核電站的2號(hào)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(jí)膠”等平時(shí)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(gè)堵漏過程持續(xù)近一個(gè)月。這段時(shí)間內(nèi)泄漏的放射性污水對(duì)周圍海域生態(tài)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的破壞，影響時(shí)間將達(dá)幾十年之久。日本作為一個(gè)工程材料較為發(fā)達(dá)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(jī)具、干態(tài)無水條件下施工完成的，而在當(dāng)時(shí)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(jìn)行堵漏搶險(xiǎn)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(hù)措施，單次作業(yè)的時(shí)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(duì)此類對(duì)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(dòng)帶到漏口位置，并在此處固化，堵塞滲漏通道，達(dá)到堵漏的目的，將具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值[7-8]。普通堵漏材料在對(duì)無任何施工條件或施工條件受到嚴(yán)格限制，不允許對(duì)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(dòng)完成應(yīng)急堵漏，是很難實(shí)現(xiàn)的[9-11]。因此，研究一種具有自動(dòng)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(yàn)

1.1 凝結(jié)時(shí)間

按照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)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(hù)條件下，利用水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度凝結(jié)時(shí)間測定儀對(duì)堵漏材料初凝時(shí)間和終凝時(shí)間進(jìn)行測定。

1.2 流動(dòng)度

按照 GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行，測定堵漏材料在無擾動(dòng)情況下的自由流動(dòng)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(dòng)停止后，測出最大擴(kuò)散直徑及與其垂直方向直徑，取二者平均值作為流動(dòng)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(yàn)，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(shí)驗(yàn)規(guī)程》對(duì)新拌水下不分散混凝土抗分散性測試的方法，對(duì)堵漏材料的抗分散性進(jìn)行測定?！端虏环稚⒒炷翆?shí)驗(yàn)規(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(shí)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(yàn)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(shí)驗(yàn)規(guī)程》中附錄 A的規(guī)定評(píng)價(jià)堵漏材料的抗分散性。

1.5 力學(xué)強(qiáng)度

按照 GB/T 17671—2005《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行攪拌，采用40 mm×40 mm×160 mm試模成型，脫模成型后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。對(duì)養(yǎng)護(hù)不同齡期的試件進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度測試。應(yīng)急自動(dòng)堵漏材料的粘結(jié)強(qiáng)度用抗折強(qiáng)度進(jìn)行反映。試驗(yàn)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(hù)至28 d齡期后從中間折斷，將得到的兩個(gè)試塊分別與應(yīng)急自動(dòng)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(hù)至規(guī)定天數(shù)后測試其抗折強(qiáng)度，以測得的抗折強(qiáng)度作為應(yīng)急自動(dòng)堵漏材料的粘結(jié)強(qiáng)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(yàn)進(jìn)行材料遴選[12-13]，以磷酸鎂水泥為參比對(duì)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(dòng)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(shí)間，摻入硼砂，摻量為3%～4%。

以PAM摻量、核桃殼顆粒級(jí)配、SAP摻量作為正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)因素，每個(gè)因素取三個(gè)水平，開展三因素三水平正交試驗(yàn)，其適用的正交表是L9（33）。所進(jìn)行正交試驗(yàn)的影響因素及水平值見表1，試驗(yàn)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(yàn)方案的因素水平表

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

表3 應(yīng)急堵漏材料pH值試驗(yàn)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(jí)配（粗︰細(xì)）最小，因此該次試驗(yàn)中，影響應(yīng)急自動(dòng)堵漏材料pH值的主次關(guān)系為：A＞C＞B。在確定各因素對(duì)抗分散性的優(yōu)水平時(shí)，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(gè)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(shí)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(duì)應(yīng)試驗(yàn)，補(bǔ)充試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)

漏口的實(shí)際情況極其復(fù)雜，在試驗(yàn)中難以模擬所有的漏口情況。通過查閱文獻(xiàn)，從漏口的位置、選擇、大小出發(fā)，設(shè)計(jì)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(yàn)中漏口的材質(zhì)均為混凝土材質(zhì)。

表4 應(yīng)急自動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行制作。試驗(yàn)中，用透明的有機(jī)玻璃管和混凝土試塊制作了如圖2所示的盛水容器。有機(jī)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(hù)至28 d，此時(shí)便得到了一個(gè)直徑5 mm貫通孔的混凝土試塊。對(duì)貫通孔表面用砂紙進(jìn)行打磨，增加其表面粗糙度，然后將其與有機(jī)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(shí)，只需在澆筑混凝土試塊時(shí)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(shí)，要將包含漏口的混凝土試塊固定在有機(jī)玻璃管側(cè)壁上是非常困難的。試驗(yàn)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(duì)貫通孔表面進(jìn)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(jī)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(jī)玻璃管側(cè)壁的圓孔，并用環(huán)氧樹脂進(jìn)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(duì)應(yīng)急自動(dòng)堵漏材料的堵漏效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，其堵漏效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)包含以下指標(biāo)：堵漏時(shí)間，即應(yīng)急自動(dòng)堵漏材料從加入水中到漏口停止漏水的時(shí)間；漏水量，即裝置中的水在應(yīng)急自動(dòng)堵漏材料從加入水中到漏口停止漏水的這段時(shí)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(duì)應(yīng)急堵漏材料進(jìn)行針對(duì)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?cè)诙侣┎牧现谐洚?dāng)了不同的角色：填料為堵漏材料提供強(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行架橋，提供封堵層骨架，膨脹組分吸水使堵漏材料密實(shí)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(huì)導(dǎo)致堵漏材料不受水流控制直接沉底，無法達(dá)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(duì)于堵漏材料的凝結(jié)時(shí)間和分散性的調(diào)節(jié)也是完成堵漏的關(guān)鍵。

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