环氧树脂在岩心钻探施工中护壁和堵漏可行性初探
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[摘 要]根据环氧树脂固化的化学物理特性，考虑应用于岩心钻探中对于不稳定地层的漏失和坍塌的防治。
[关键词]环氧树脂、稀释剂和固化剂、初凝和终凝时间、化学试验、处理剂配方比例、试验数据和结论
一、化学简介
环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。
二、广泛应用
作为一种特殊的化学材料，环氧树脂广泛地应用在如下行业：（1）汽车工业（与之配套的电泳漆和维修用漆均需环氧树脂，随着汽车工业的发展用量巨大）；（2）船舶海洋工业（船舶、码头设施、海上建筑、钻井平台、输油管道、海水养殖设施等等，需要大量的环氧涂料用于防腐、防海洋生物污染）；（3）电力工业（从发电、输变电到用电都需要环氧树脂，如绝缘材料、干式变压器、开关、互感器、水利、水电工程）；（4）电子工业（为我国四大支柱产业之一，仅溴化环氧一项，每年即需2万多吨）；（5）集装箱工业（我国已成为世界主要集装箱生产基地，占世界总量的10～15%，集装箱用环氧树脂涂料每年需3～4万吨）；（6）食品罐工业（食品罐头、食品贮存容器制造业持续高速发展，也需要越来越多的环氧树脂）。因此，随着国民经济的纵深发展，环氧树脂的开发应用存在着巨大的空间和潜在市场。
三、主要化学和物理特性
（1）力学性能高。环氧树脂具有很强的内聚力，分子结构致密，所以它的力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚酯等通用型热固性树脂。
（2）附着力强。环氧树脂固化系中含有活性极大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基团，赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝士、木材等极性基材以优良的附着力。
（3）固化收缩率小。一般为1～2%是热固性树脂中固化收缩率最小的品种之一（酚醛树脂为8～10%；不饱和聚酯树脂为4～6%；有机硅树脂为4～8%）。线胀系数也很小，一般为6×10-5/℃。所以固化后体积变化不大。
（4）工艺性好。环氧树脂固化时基本上不产生低分子挥发物，所以可低压成型或接触压成型。能与各种固化剂配合制造无溶剂、高固体、粉末涂料及水性涂料等环保型涂料。
（5）优良的电绝缘性。环氧树脂是热固性树脂中介电性能最好的品种之一。
（6）稳定性好抗化学药品性优良。不含碱、盐等杂质的环氧树脂不易变质。只要贮存得当（密封、不受潮、不遇高温），其贮存期为1年。超期后，若检验合格仍可使用。环氧固化物具有优良的化学稳定性，其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。因此，环氧树脂大量用作防腐蚀底漆。又因环氧树脂固化物呈三维网状结构，能耐油类等的浸渍，大量应用于油槽、油轮、飞机的整体油箱内壁衬里等。
（7）环氧固化物的耐热性一般为80～100℃。环氧树脂的耐热品种可达200℃或更高。
四、固化步骤
环氧树脂、稀释剂、固化剂以及其他添加剂按一定比例混合搅拌，经过胶状流体、初凝膏状、凝胶、固化而成固体，详细过程如下：
（1）液体―操作时间
操作时间（也是工作时间或使用期）是固化时间的一部分。混合之后，树脂、固化剂混合物仍然是液体，可以按要求进行工作及适合应用。为了保证可靠的粘接，后续施工和定位工作应该在固化操作时间内做好。
（2）凝胶―进入固化
混合物开始进入固化相（也称作熟化阶段），这时它开始凝胶或“突变”。这时的环氧没有长时间的工作可能，也将失去粘性。它将变成硬橡胶似的软凝胶物，你用大拇指将能压得动它。因为这时混合物只是局部固化，新使用的环氧树脂仍然能与它化学链接，因此该未处理的表面仍然可以进行粘接或反应。无论如何，接近固化的混合物这些能力在减小。
（3）固体―最终固化
环氧混合物达到固化变成固体阶段，这时能砂磨及整型。这时你用大拇指已压不动它，在这时环氧树脂约有90%的最终反应强度，因此可以除去固定夹件，将它放在室温下维持若干天使它继续固化。这时新使用的环氧树脂不能与它进行化学链接，因此该环氧表面必须适当地进行预处理如打磨，才能得到好的粘接机械强度。
五、环氧胶粘剂在土木建筑上的主要用途
（表1）
工程类别 粘接对象 典型用途 主要组成
基础结构 岩石―岩石
金属―石或混凝土
金属―混凝土
金属―金属 疏松岩层的补强、基础加固、预埋螺栓、底脚等，柱子、桩头、接长、悬臂梁加粗、桥梁加固、路面设施敷设 环氧―稀释剂―改性胺
环氧―填料―改性胺
双酚S环氧―缩水甘油胺树脂―丁基橡胶―改性胺
地面 瓷、花岗石―混凝土
金属―混凝土
砂石―混凝土
PVC―橡胶―金属 耐腐蚀地坪制造中粘结构及勾缝；地面防滑和美化、净化；地板的铺设 环氧―填料―改性胺
环氧―聚硫橡胶―改性胺
丙烯酸酯―环氧共聚乳液
维修 混凝土、钢筋、灰浆 堤坝、闸门、建筑物的裂缝、缺损、起壳的修复，新旧水泥粘接 环氧―糖醇―改性胺
环氧―沥青―改性胺
环氧―活性石灰―改性胺
装璜 金属、玻璃、大理石、瓷砖有机玻璃、聚碳酸酯 墙面、门面、招牌、广告牌的安装和装潢 环氧―聚氯酯
环氧―有机硅橡胶
（1）根据表（1）中第一项、第二项所列举的粘结对象和用途考虑应用于岩心钻探施工的护壁和堵漏工序中。
（2）初始时的混合物为粘性流体适合岩心管盛载，此粘性流体不溶于水，并且可以在水中凝结固化。
（3）在初凝的状态时为膏状或絮状物，方便外压压入岩层裂隙或孔隙内，并且附着在压注管外壁或岩石上不会轻易被水流冲刷而流失。此项特性是在此工序中极大优于水泥浆液的。
（4）初凝时间和终凝时间通过组成试剂的配比调整可控。特别是初凝时间可以控制在1―3小时之内，为向孔内下入压注管、盛载管等等工序预留充足的时间；十几小时到二十几小时终凝时间可以快速实现护壁堵漏效果并且为后续的透孔和正常的钻探工作节约时间，提高工作效率。
（5）为适应一般作业机台的设备材料的配备状况，用岩心管改造为混合物盛载管，另行设计压注管，压注接头，压注活塞等，以便压注工作的顺利进行。此设计为申请技术专利项目，至于环氧树脂混合物在护壁堵漏中的具体用量、注意事项和具体的操作方法等，将在后续论文中介绍说明。本论文的重点在于试验混合物的配比和初凝时间的测试。
七、几组试验数据的对比和分析
试验试剂：一公斤铁桶包装的E-44型环氧树脂，活性稀释剂和乙二胺固化剂。
实验仪器：500g电子托盘称、计算器、烧杯、量筒、普通温度计、玻璃棒、300ml纸杯、水盆、钢锯条等。
（1）室温25bC、水温20bC，环氧树脂量100、稀释剂量12.5，固化剂用量不同，如表（2）所示纸杯盛装混合物，混合搅拌后置于水盆中凝胶固化。
（表2）
固化剂量 时间间隔 状态描述 时间间隔 状态描述 终凝样块密度
15 2小时 膏状物，适合压注 5小时 膏状物，不硬，可以压注 1.10
18 1小时 膏状物，适合压注 5小时 已无流动性，初凝状态 1.15
22 1小时 内部结块发硬 5小时 比较硬，已无法压注 1.26
（2）室温25bC、水温20bC，环氧树脂量100、稀释剂量12.5，固化剂用量不同，如表（3）所示纸杯盛装混合物，混合搅拌后置于水盆中凝胶固化。
（表3）
固化剂量 时间间隔 状态描述 时间间隔 状态描述 终凝样块密度
17.8 2小时 膏状物，适合压注 5小时 已无流动性，初凝状态 1.15
18.6 1：20 膏状物，适合压注 5小时 已无流动性，初凝状态 1.17
19.7 1：20 已发硬，絮状物 5小时 比较硬，已无法压注 1.21
23.5 1小时 内部结块发硬 5小时 比较硬，已无法压注 1.29
（3）室温28bC、冰箱冷藏室7―10bC，环氧树脂量100、稀释剂量12.5，固化剂用量不同，如表（4）所示纸杯盛装混合物，混合搅拌后置于水盆中在冰箱冷藏室内凝胶固化。
（表4）
固化剂量 时间间隔 状态描述 时间间隔 状态描述 终凝样块密度
18 2小时 凝胶状态，可以压注 5小时 无流动性，发硬 1.15
20 2小时 凝胶状态，可以压注 5小时 无流动性，发硬 1.21
22 2小时 已发硬，不可压注 5小时 比较硬，已无法压注 1.25
（4）室温28bC、冰箱冷藏室7―10bC，环氧树脂量100、稀释剂量10，固化剂用量不同，如表（5）所示纸杯盛装混合物，混合搅拌后置于水盆中在冰箱冷藏室内凝胶固化。
（表5）
固化剂量 时间间隔 状态描述 时间间隔 状态描述 终凝样块密度
17.86 1：20 膏状物，适合压注 2：20 无流动性，初凝状态 1.15
17.83 1：10 膏状物，适合压注 2：10 无流动性，初凝状态 1.15
20.26 1：05 可以压注 2：05 比较硬，已无法压注 1.22
22.00 1：00 结块发硬不宜压注 2：00 比较硬，已无法压注 1.25
（5）上述试验主要关注的是初凝时间，以掌握具体操作中的压注时机；终凝时间记录不甚确切，不同试块的终凝时间大约在12―36小时之间，基本可以满足施工需要。另有其它不成系列的试验未列入本文，但也提供了有益的启示。
八、结论
（1）通过试验可以明确环氧树脂混合物的固化胶结时间可控。这是应用在岩心钻探施工护壁堵漏环节的基本保证。
（2）在室温大气压力的平常条件下、在较低温度的条件下试验结果均可满足预期要求。
（3）初凝时间与稀释剂加量成正比，与固化剂加量成反比；试块的密度与固化剂加量成正比。这是简单的定性认识。暂无定量分析的技术能力和水平。
（4）通过以上几组试验得知，适合在岩心钻探施工中护壁堵漏需要的环氧树脂混合物的配比是：固化剂量控制在16―19之间；稀释剂量控制在10―13之间；环氧树脂量为100。
作者简介：王文忠：生于1970年11月，男、汉族；籍贯：辽宁省凌源县；1991年7月毕业于中国地质大学（北京），钻探专业，学士学位；现职称为副教授级高级工程师，从事岩心钻探技术及管理工作。