城镇排水管道非开挖修复预处理注浆材料研究

摘要：排水管道非开挖修复技术正在兴起，非开挖修复技术在遇到坍塌和变形缺陷等问题时，需要通过预处理进行填埋层土体加固。针对此类问题，本文通过研究几种注浆材料的初凝时间和终凝时间、注浆结实体抗折和抗压强度、浆液的渗透性、注浆液对环境的影响，选出合适浆液，为排水管道非开挖修复的注浆加固提供了建议。

关键词：排水管道，非开挖预处理，水泥-水玻璃，注浆材料

中图分类号： S276文献标识码： A

0 引言

目前，国内很多城市面临着排水管道系统不完善，排水管道缺乏检测与维修，呈现出结构性缺陷与功能性缺陷严重的情况，从而使城市内涝等安全性问题频频引发。仅在2010年“5·7”、“5·14”广州市两场时降雨量超过100毫米的大暴雨中，不少街道、商铺、停车场等遭遇水淹，经济损失超10亿元。2010年10月至2011年12月，广州市排水设施管理中心对广州市各区市和广州市污水治理有限责任公司所管辖的排水设施进行了监督检测工作，市中心城区目前已建管道总长度约为10000km，检测管渠长度800余公里，共发现中心城区排水管渠存在71处重大结构性缺陷。调查区域内结构性缺陷情况如图0-1：

图0-1：调查区域内结构性缺陷情况

目前，排水管道的修复处理技术可分为开挖修复技术与非开挖修复技术。开挖修复方法施工对交通影响较大，占用场地较多，在人口稠密的城市建成区，开挖施工对社会和环境造成的影响不可忽视。由于传统技术的弊端，使得非开挖技术逐步发展。非开挖修复技术（trenchless repair/rehabilitation/renewal technique)，是解决地下管道损坏难题的微创技术，可在不开挖或少开挖地表条件下，对管道进行修复。

1 非开挖修复技术预处理—注浆法简介

排水管道非开挖修复预处理技术是排水管道非开挖修复的基础。在国内，排水管道预处理方面，管道预处理分为管道清洗、管道疏通、内部注浆修复、坍塌预修复等。在进行排水管道非开挖修复之前，存在一些管道破坏较严重，不能直接进行非开挖修复，需对管道进行预处理。例如，修复排水管道存在坍塌的缺陷时，修复之前需要加固其周围土层，防止产生流沙，提供安全作业空间。由于没有成熟的预处理技术，导致目前很多管道至今无法修复。国内已开始采用注浆法进行试点工程，注浆分为土体注浆和裂缝注浆，土体注浆可选用水泥注浆和化学注浆两种，裂缝注浆则选用化学注浆。在针对工程地质和水文地质较为复杂的地下工程和地基基础工程中，注浆工艺的应用是一种可以保证质量和安全的相对经济的新型技术。注浆法具有设备和工艺简便灵活、施工占地空间小、施工对市政环境影响小、工期短、见效快以及适应性广的特点。

2 部分注浆材料性能研究

根据排水管道非开挖修复技术预处理的注浆目的和对注浆效果的要求，以及广东地区排水管道填满土质为石屑的情况，本文选取水泥浆液、环氧树脂、水溶性聚氨树脂、水泥-水玻璃等材料做了初凝时间和终凝时间、注浆结实体抗折和抗压强度、注浆液对水体与环境的影响、渗透能力、粘合性等基本性能研究分析。

2.1 水泥浆液

本实验采用的水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，新标准法维卡（GB/T1346-200）进行测定初凝时间和终凝时间；根据实验目的测定不同比例水灰比抗折、抗压强度。试验采用小型电动搅拌机将上述材料搅拌均匀，采用40mm*40mm*160mm模型浇筑；试件于12h后脱模，然后于（20±2）℃水中养护，每组取三个试件，测定其12h、3d、7d抗压、抗折强度，取其算数平均值为试验结果。抗折采用型号DKZ-5000型电动抗折试验机，抗压采用型号YAW-300B电液控制电液式水泥压力试验机。

纯水泥浆液的基本性能见表2-1。

表2-1 泥浆液的基本性能/温度（20±2）℃

表2-1中数据显示，水泥浆液的初凝时间和终凝时间较长，但短时间内形成抗折、抗压强度较小，无法满足排水管道预处理技术快速施工的要求，可考虑加入外加剂如氯化钙、硅酸钠、铝酸钠等加速其凝结与硬化。水泥注浆材料的优点是：材料来源广、价格低，凝固后对地下水和环境影响小无毒性，施工工艺简单。缺点是：水泥浆液稳定性差、易沉降，初凝与终凝时间过长，并且浆液颗粒大、可注性与渗透性差。

2.2聚氨酯

聚氨酯类浆液采用多异氰酸酯和聚醚树脂等为主要原材料，掺入各种外加剂配制而成。聚氨酯的特点：胶凝时间短、浆液粘度低，可注性与渗透性极好，结实体强度较高，固砂强度也较高，一般在0.6~1.0MPa之间，安全可靠，不污染环境，耐久性好，采用单浆液系统注浆，工艺设备简单，经济效益高。

聚氨酯遇水即反应，并产生气体，使得浆液产生膨胀，向四周渗透扩散，直到反应结束为止。由于膨胀产生了“二次扩散”现象，因而有较大的扩散半径和凝固体积比。基于以上的特点，在应用于预处理时，可考虑使用在地下水不多及管道漏水量不大的情况下，防止反应过于剧烈从而使得重管道结构性破坏更加严重。

2.3 环氧树脂

环氧树脂是一种高分子材料，应用非常广泛，具有强度高、粘结性强、收缩性小、化学稳定性好、能在常温下固化等特点。

作为一种注浆材料，其也存在一些问题。浆液的粘度较大、流动性差、浆液为憎水材料，在潮湿裂隙中粘结力较差。另外，浆液在常温密封条件下，胶凝固化时间较长，达到数天以上。目前国内很多研究机构研究出了多种改性环氧，这些材料在许多混凝土结构加固防渗中得到了应用。

本试验采用台实TS-11型环氧固化效果如图2-1。

图2-1 环氧树脂结实体图

2.4 丙烯酰胺类浆液

丙烯酰胺类浆液，国内简称丙凝浆液，国外称为AM-9。它主要是以有机化合物丙烯酰胺为主机，配合其他药剂而制成的浆液。各成分分别为：主剂丙烯酰胺(简称A)；交联剂N-N/-甲基双丙烯酰胺（简称M）；以及促进剂DAP、缓凝剂KFe等。

丙烯酰胺类浆液及胶凝体的其特点是：粘滞性与水接近，通常为1.2*10-3Pa·s，其胶凝前维持基本不变，具有良好的可注性与渗透性；胶凝时间可准确控制在几秒至几十分钟之间，以水溶液状态注入水土中，发生聚合反应后形成具有弹性的不溶于水的聚合物。但胶体形成的强度较低，约为0.2~0.6MPa，且在较大压强时，胶体容易被挤出原来渗透的较大裂隙中。且具有一定毒性，对人体神经系统由毒害，具有一定的腐蚀性等。图2-2为丙烯酰胺类浆液胶凝前与胶凝后的对比实验。

图2-2 丙烯酰胺类浆液胶凝前与胶凝后的对比实验

2.5 水泥-水玻璃浆液

水泥-水玻璃浆液又称CS浆液，以水泥和水玻璃为主要成分，两者以一定的比例混合或者采用双浆液的形式注入在地层中再混合，同时配合一定量的速凝剂或缓凝剂所组成的浆液。其性能取决于水泥浆液水灰比、水玻璃加入量、浆液的缓凝剂量、以及养护条件。这种浆液克服了纯水泥浆液的一些弊端，如凝结时间长不便于控制、结实率低、可注性差的特点，扩大了水泥浆的使用范围。

本实验为水泥-水玻璃注浆材料的研究，采用的水泥为42.5R普通硅酸盐水泥；水玻璃模数3.0浓度为35°Be′；缓凝剂为磷酸氢二钠（）。初凝时间和终凝时间的测定试验结果见表2-2。

表2-2 不同配比水泥-水玻璃浆液初凝时间和终凝时间/温度（20±2）℃

从表2-2可以得出水泥-水玻璃浆液的初凝时间、终凝时间与水灰比以及水玻璃的体积含量有着一定的关系，得出的试验结论如下：

在水玻璃占用水泥浆体积率一定的情况下，随着水泥浆液的水灰比（W：S）增加，水泥含量减小，其初凝时间和终凝时间都延长；在水灰比一定的情况下，随着水玻璃加入量占水泥浆液体积比率的增加，即水玻璃投入量增加，其初凝时间与终凝时间亦延长。

CS浆液的胶凝时间和固化时间的相比纯水泥浆液得到很大缩短，且凝固时间的可控性空间增大，这使得CS浆液成为处理这类工程的重要考虑对象。

3 结论及应用前景

针对预处理工程，胶凝时间影响着浆液的扩散半径（或距离）以及施工时间，是注浆液及其重要的一个物理参数。浆液应具备良好的可注性，并在短时间内能形成足够的强度为管道的非开挖修复提供安全可靠的操作空间。CS浆液的胶凝时间可控性强，渗透性比水泥浆液相对提高，形成的结石体强度时间短，且比化学浆液的强度要高。基于这些考虑，这使得CS浆液成为目前处理这类工程的重要考虑对象。

未来的发展，新材料的研究是一个重点方向，渗透性强、形成结实体强度高、无污染、要求设备简单的材料会受非开挖修复领域的青睐。另外，先进的注浆设备也是一个发展方向，注浆设备将自动化，并结合材料的研究进步，针对管内注浆会引入机器人注浆设备。

参考文献：

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[2]刘文永，王新刚，冯春喜，刘洪波.注浆材料与施工工艺[M].中国建材工业出版社.2008. [3]李国亮.双液注浆加固边坡的应用研究[D].中南大学，2011.

作者简介：

周 利（1987-），男，广东工业大学市政工程专业，硕士研究生，学术型.