基础工程非开挖修复技术的发展20160525(13版)

1基础工程防渗与非开挖修复技术的发展王复明郑州大学重大基础设施检测修复国家地方联合工程实验室2016年4月2主要内容一、研究背景二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理三、基础工程非开挖修复技术及应用四、结语江河堤防：27.68万公里水库：9.77万座高速公路：12.5万公里机场：206个，计划未来五年新建66个高速铁路：1.9万公里公路隧道：1075.67万米地铁：3529公里地下管道：仅供水、排水管线长度超110万公里一、研究背景我国水利与交通基础工程设施建设发展迅速，规模巨大，安全形势十分严峻344一、研究背景堤防、土坝、尾矿坝数量众多，渗漏隐患普遍存在决堤、溃坝事故多发，造成重大损失和社会影响1998年洪水长江堤防出现渗漏、管涌险情4000多处，九江干堤溃决溃坝3600多座，渗漏破坏约40%2008年山西襄汾尾矿坝溃决，281人遇难5隧道渗漏隧道涌水基坑涌水坍塌基坑涌水涌沙渗漏涌水对基坑、隧道等地下工程危害极大一、研究背景6每年有数千公里高速公路进行大中修水损害是导致路面过早破坏的主要原因之一开挖维修浪费资金资源，影响交通和环境一、研究背景唧泥翻浆是沥青路面顽疾开挖修补开挖重铺脱空导致水泥路面断板7高铁运营里程达1.9万公里，占全世界60%以上路基沉降是设计、施工和运营管理面临的主要难题之一一、研究背景返修路段停运沉降路基返工沉降路基加固沉降路基开挖修复8机场达到206个，计划未来五年新建66个主要病害、隐患：脱空、开裂、沉陷，修复困难一、研究背景开挖换板开挖维修沉陷断裂99一、研究背景地下管道渗漏问题突出，造成水资源浪费和环境污染城市道路坍塌事件频发，严重影响人们出行安全北京：2007年54起、2008年94起、2009年129起深圳：2013年5月20日路面坍塌造成5人死亡哈尔滨：2012年9天7塌郑州：2014年西三环18塌兰州：2015年8月西站十字附近路面7天7塌……10意大利佛罗伦萨地下给水管道发生爆裂导致路面塌陷长度达183米，数十辆汽车陷入水中一、研究背景基础工程坝道工程土质堤坝水坝、尾矿坝、截污坝隧道及地下管道道面工程(道路、铁道、机场道面)共性问题：涉及多种基础工程设施全寿命安全维护影响重大：严重影响国民经济运行和人民生活质量亟待解决：随着工程规模及服役年限增加日益严峻11研究意义与主要难题水引发的工程灾害防治多学科交叉新材料新技术非水反应土工高聚物无损检测两大难题：水土耦合作用渗漏涌水防治结构局部渗漏隐蔽病害诊治（脱空、积水等）非开挖防渗修复“3N”系统技术No-digrepairingNon-waterreactedgeopolymerNon-destructivetesting121、常用的修复材料12二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理国内外关于防渗修复常用材料：水反应材料原理：材料（必须）与水混合发生化学反应针对水反应材料应急抢险方面存在的不足提出基于非水反应材料的防渗修复技术理念——材料不需要水参与反应水泥类材料：常用的防渗材料，抢险抢修时效性差水反应高聚物：遇水反应、膨胀，常用于堵漏难以封堵涌水或射流1313二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理异氰酸酯多元醇发泡聚氨酯发现普通非水反应高聚物：在有水环境下耐久性差(强度及韧性明显降低，体积收缩)组织多学科团队联合攻关，制定满足不同需求的材料特性指标改性预聚体的亲水组份，研制不受水影响的新型防渗修复材料2、非水反应高聚物材料特性重点研究发泡聚氨酯类非水反应高聚物142、非水反应高聚物材料特性14二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理141414对普通高聚物进行改性研制适合多种需求的水不敏感新型系列材料非水反应类双组份弹性体双组份发泡体水敏感型水不敏感型（聚氨酯类）高分子聚合物水反应类亲水型疏水型开孔材料闭孔材料水敏感型水不敏感型152、非水反应高聚物材料特性15二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理151515对普通高聚物进行改性研制适合多种需求的水不敏感新型系列材料162、非水反应高聚物材料特性16二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理16161616环保特性耐腐蚀性抗渗性力学特性172、非水反应高聚物材料特性17二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理17171717具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性高聚物注浆材料中欧洲化学品管理署高关注物质检测结果（单位：%）序号检测项目CAS号EC号检出限检测结果1蒽120-12-7204-371-10.0005未检出2邻苯二甲酸丁苄酯85-68-7201-622-70.005未检出3邻苯二甲酸二丁酯84-74-2201-557-40.005未检出4邻苯二甲酸二(2-乙基已基)酯117-81-7204-211-00.005未检出5六溴环十二烷及其非对映异构体25637-99-4247-148-40.005未检出64,4’-二氨基二苯基甲烷101-77-9202-974-40.005未检出7短链型C10～C13氯化石蜡85535-84-8287-476-50.01未检出8二甲苯麝香81-15-2201-329-40.005未检出9三乙砷酸酯15606-95-8427-700-20.005未检出10氧化双三丁基锡56-35-9200-268-00.01未检出11二氯化钴7646-79-9231-589-40.01未检出12五氧化二砷1303-28-2215-116-90.01未检出182、非水反应高聚物材料特性18二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理18181818具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性高聚物注浆材料中欧洲化学品管理署高关注物质检测结果（单位：%）序号检测项目CAS号EC号检出限检测结果13砷酸氢铅7784-40-9232-064-20.01未检出142,4-二硝基甲苯121-14-2204-450-00.005未检出15蒽油90640-80-5292-602-70.050未检出16蒽油，蒽糊，轻油91995-17-4295-278-517蒽油，蒽糊，蒽馏分91995-15-2295-275-918蒽油，含蒽量少90640-82-7292-604-819蒽油，蒽糊90640-81-6292-603-220邻苯二甲酸二异丁酯84-69-5201-553-20.005未检出21硅酸铝，耐火陶瓷纤维——650-017-00-80.01未检出22锆硅酸铝，耐火陶瓷——650-017-00-80.01未检出23铬酸铅（铬黄）7758-97-6231-846-00.005未检出24钼铬红12656-85-8235-759-90.005未检出192、非水反应高聚物材料特性19二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理19191919具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性环保特性检测结果（mg/L）生活饮用水标准限值（mg/L)检测项目原蒸馏水浸出性毒性试验探索性模拟试验24小时48小时24小时48小时PH值6.26.36.26.26.2六价铬Cr6+＜0.05＜0.05＜0.05＜0.05＜0.050.05砷As＜0.005＜0.005＜0.005＜0.005＜0.0050.05镉Cd＜0.0001＜0.0001＜0.0001＜0.0001＜0.00010.005铜Cu＜0.0010.0070.006＜0.001＜0.0011.0汞Hg＜0.00005＜0.00005＜0.00005＜0.00005＜0.000050.001铅Pb＜0.005＜0.005＜0.005＜0.005＜0.0050.01铬Cr＜0.005＜0.005＜0.005＜0.005＜0.005硒Se＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.010.01铁Fe＜0.0010.0040.004＜0.001＜0.0010.3锰Mn＜0.0010.0070.0050.0010.0010.1铝Al3+＜0.0010.0050.005＜0.001＜0.0010.2锌Zn＜0.0010.0020.0020.0110.0091.02020具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性耐腐蚀性测试2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理2121具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性耐腐蚀性溶液名称体积损失率（%）评价等级氢氧化铵（10%）3.4良好盐酸（10%）4.2良好硫酸（10%）5.6良好氢氧化钠（10%）1.1优良氢氧化钠（浓）2.6优良甲醇4.1良好乙醇3.9良好煤油3.5良好汽油3.6良好机油2.3优良水0优良2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理2222具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理15111213141611098765432膨胀力试验装置示意图脱模后高聚物试件膨胀特性测试2323具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性膨胀特性y=7.8858x2.1570.01.02.03.04.05.06.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9密度/g.cm-3最大膨胀力P/MPa2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理2424具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性抗压性能测试2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理试样破坏形态带高低温试验箱的电子万能试验机2525具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性抗压强度y=41.565x2+5.4341x-0.30650.05.010.015.020.025.030.035.040.000.10.20.30.40.50.60.70.80.91材料密度/g·cm-3压缩强度/MPa2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理2626具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性抗拉性能测试2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理装入试验机的试件破坏后试件2727具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性y=35.115x1.7446051015202530350.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0密度/g·cm-3抗拉伸强度/MPa抗拉强度2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理2828具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性抗渗性能测试2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理渗透试验试件顶部盲板DY-200的微控高精度抗渗仪2929具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性抗渗性能0.00.20.40.60.81.01.20.00.10.20.30.40.50.60.7密度/g.cm-3起渗压力/MPa2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理3030具有环保、早强、抗渗、耐久、不受水的影响等优良工程特性疲劳特性2、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理31312、非水反应高聚物材料特性二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理早强：反应时间数分钟→数秒高膨胀：最大可膨胀30倍多用途：防渗、堵涌、填充脱空、顶升沉降结构适应性：现场有水或无水32高聚物在不同介质中的劈裂、流动、胶结及固化机理高聚物在土体中呈片状劈裂扩散3、高聚物防渗修复材料扩散机理、劈裂流动模型二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理33高聚物在不同介质中的劈裂、流动、胶结及固化机理高聚物在道路结构层间扩散3、高聚物防渗修复材料扩散机理、劈裂流动模型二、非水反应高聚物注浆材料特性和扩散机理34高聚物在不同介质中的劈裂、流动、胶结及固化机理高聚物在管道与土体界面流动、胶结、固化3、高聚物防渗修复材料扩散机理、劈裂流动模型二