我国灌浆材料的研究现状

我国灌浆材料的研究现状

收稿日期：2013-07-17

阐述了灌浆材料的发展、定义及分类，以及目前在工程中的应用现状和使用过程中应注意的事项。并对我国灌浆材料的具体应用所存在的问题，提出改进建议，以及对灌浆材料的未来发展做了展望。

标签：灌浆材料；现状；注意事项

灌浆是将具有充填胶接性能的材料配成浆液，利用灌浆设备将其注入到地层的裂隙或孔洞中，待浆液凝结、硬化后形成强度高、防水抗渗性能强和化学稳定性良好的“结石体”[1]，达到填充、加固、防渗及堵漏的目的。随着我国公路、隧道、桥梁、矿山、堤坝等工程的大规模建设，灌浆材料以其实用性强、施工方便等特点，得到了广泛的应用和发展[2]。

1 灌浆技术的发展

灌浆技术是目前最有效的加固和堵漏方法，迄今已有近200年的历史，分4个阶段：第一：原始黏土浆液阶段（1802-1857）。1802年法国人查理斯·贝尔格尼修理冲刷闸的时候，向地层挤压黏土浆夜，之后用于建筑物地基加固，又传入英国、埃及等地。第二：初级水泥浆液灌浆阶段（1858-1919）。1845年，美国沃森第1次在溢洪道陡槽基础下灌注水泥砂浆；1856-1858年，英国基尼普尔水泥灌浆试验成功；1864年，巴洛利用水泥浆液进行隧道衬砌壁后，充填灌浆，并应用于伦敦巴黎地铁的灌浆。第三：中级化学浆液灌浆阶段（1920-1969）。1920年荷兰采矿工程师尤斯登首次采用水玻璃、氧化钙双液双系统二次压注法灌浆，直至20世纪40年代，仍在使用。1969年，美国研制了丙烯酰胺浆液等10余种性质各异的化学浆液。第四：现代灌浆阶段（1969年至今）。以60年代末期出现的高压喷射灌浆技术为标志，使灌浆结石体由散体发展为结构体。灌浆材料向超细水泥方向发展，逐步取代化学浆液，以减少环境污染和降低工程造价。已广泛应用于城市地下工程、地基、矿山、路桥、隧道、边坡、水利等工程领域。

2 灌浆材料的定义及分类

2.1 定义

浆体是在一定压力作用下，注入到地层的裂隙、孔隙或孔洞中，凝结硬化后起到增强加固、防漏防渗等效果的流体材料。

2.2 分类

一般分为固体灌浆材料和化学灌浆材料2大类。固体灌浆材料是由固体颗粒和水组成的灌浆体，常用的有水泥基浆、黏土浆、水泥黏土浆、水泥固废物浆等。

化学灌浆常用的有水玻璃浆、环氧树脂浆等。

3 我国灌浆材料的研究现状

3.1 纯水泥基灌浆材料及应用

李国忠[3]等针对水泥混凝土路面裂缝，制备了水泥基聚合物灌浆材料。在水泥浆液中掺入适量的VAE乳液可改善灌浆材料的可灌性，提高材料的粘接性能及抗渗性能，降低其收缩率。王江峰[4]等将成本低廉的超细水泥注浆材料应用于煤壁注浆加固，在实际工程中发现，浆液凝结时间短，结石体强度达到9.6 MPa，浆液扩散半径大于3 m，煤体粘接强度达到3.6 MPa，证明超细水泥注浆材料对控制煤壁片帮具有良好效果。刘鑫[5]等根据山西平朔煤业公司2号主暗斜井转载硐室火灾的情况及现状，研究了一种新型水泥灌浆材料。试验表明，水泥与水的比例在1 000～1 200∶1 000时，能起到封堵裂隙、隔绝空气、防止地层塌陷的良好作用。

3.2 纯黏土灌浆材料

罗振敏[6]等针对粉煤灰浆液悬浮效果较差的状况，实验发现黏土灌浆材料自悬浮性、流动性、胶凝性均较好，且成本低。陈晓明[7]等探讨了改性黏土浆加促进剂前后的流变性能和浆液固结机理。结果表明，改性黏土浆的塑性强度受黏土原浆浓度、促进剂用量和结构剂用量的影响。此外，时间、结构剂材质、温度等亦有影响；改性黏土浆液的流变性能和形成的结石体的堵水性能，明显优于水泥浆。刘学山[8]针对岩溶大水矿山，研制出廉价的改性黏土注浆材料，开发了高速高效输料粉碎制浆系统，采用超声波CT、地质分析及数值模拟技术优化帷幕设计，指导帷幕注浆施工，堵水率达77.96%，取得了显著的防治水效果。

3.3 水泥黏土（黏土矿物）灌浆材料

张世宝[9]等通过试验确定了符合工程要求且易于施工的水泥黏土复合灌浆料的配合比。水泥黏土复合浆液结石率高，收缩率小。随着水泥和结构剂掺量的增加，浆液结石体无侧限压缩强度增加，收缩率减少，初凝时间缩短。配浆过程简易可控、稳定性好，浆液的初始黏度较低，灌浆施工操作方便。张贵金[10]等研究出一种改性黏土水泥膏浆。该膏浆具有抗水冲蚀、凝胶时间可调、浆材扩散范围可控等优点，还可降低造价、提高工效，其性能指标也能满足工程要求。陈洪令[11]等在硫铝酸盐基高水材料中引入了黏土矿物对其进行改性。结果表明，原料配比是影响高水材料结构体强度的主要因素，硫铝酸盐水泥熟料∶石膏∶石灰 =1∶0.4∶0.15，另掺10%的膨润土，水化形成以钙矾石为主的结构体，28 d压缩强度达到6.5 MPa，可用作优良的充填材料。

3.4 水泥固废物灌浆材料

贾雪丽[12]制备出一种综合性能优良的灌浆材料。研究表明，水胶比越大、粉煤灰掺量、减水剂掺量越高，灌浆材料流动性能越好。当水胶比为0.32、粉煤

灰掺量为15%、减水剂掺量为0.5%时灌浆材料具有最佳流动性能和力学性能。霍利强[13]以粉煤灰、矿渣、普通硅酸盐水泥为主要原料，掺入自制外加剂，制备出大掺量粉煤灰、矿渣高性能绿色灌浆材料。研究表明，浆材中粉煤灰、矿渣的最佳掺量分别为16%和8%；该绿色高强高性能灌浆料早期强度高，后期强度能够持续增长，28 d强度达到80 MPa以上，流动性优良，并具有很好的耐久性，是一种绿色建材产品。刘元正[14]等以电厂固体废弃物流化床固硫灰作为水泥基灌浆材料的掺合料。灌浆材料的最佳配比为：水胶比 0.24，固硫灰细度 8.4 μm，减水剂掺量 0.23%，胶砂比 1∶1，固硫灰掺量为 40%。在水泥基灌浆中使用固硫灰能使其产生微膨胀，且在有水的情况下膨胀性更大一些。3.5 化学灌浆材料

向阳[15]等以甲酰胺为固化剂，制备出一种抗高温、可灌性好、固化体压缩强度高的化学灌浆材料，基本对环境和人体无害，可用于气体欠平衡钻井中复杂地层的护壁堵漏。贺文[16]等为解决煤矿深部基岩段微裂隙和孔隙性含水地层注浆困难的问题，对溶液型水玻璃化学注浆材料进行了研究。试验表明，采用乙二醇二乙酸酯作为水玻璃的胶凝剂可以得到结石体强度较高（1 Mpa）、胶凝时间可调（5～30 min）、黏度较低（6 mPa·s）的新型水玻璃浆液。肖尊群[17]等研究了碳酸钙-酸性水玻璃注浆材料。结果表明，浆液的胶凝时间并非随着碳酸钙质量的减少而均匀增加，而会突然增长。纯胶凝体随着时间的延长，强度相应增加，同时随着碳酸钙质量的增加，纯胶凝体的强度也相应增加。浆液固砂体强度与碳酸钙加入量的变化关系不大。王永珍[18]等采用十八胺与乙二醇缩水甘油醚为原料，制备出了低模量高弹性环氧灌浆材料。研究表明，采用潜伏型柔性环氧固化剂制备的环氧灌浆材料具有高韧性和低模量的优点，糠醛丙酮稀释剂和促进剂最佳添加量分别为20%～30%和1.6%～2.0%。

3.6 聚合物及聚合物改性灌浆材料

石明生[19]等研制了一种高聚物注浆材料。研究表明，注浆材料的最大弯曲力随着密度的增加而增大，破坏时的最大形变则相反。在密度较小时，高聚物的破坏呈塑性屈服形态，而密度较大时，破坏则呈脆性断裂形态。石明生[20]还研究了高聚物注浆材料的吸水特性及温度变化对材料体积的影响。试验表明，试样的吸水性及吸水后的体积变化率均随材料密度的增大而减小。温度变化时，干燥试样的体积变化符合热胀冷缩的规律，并且高温时体积的增大比较明显。浸水饱和试样在温度降至-40 ℃时体积仍然收缩，但体积收缩率明显小于干燥试样的收缩率。朱建辉[21]等研究了聚合物对超细水泥浆体工作性能的影响。结果表明，当P/C=15%时，聚合物本身具有的自分散性能和表面活性减小了改性超细水泥浆体的屈服应力和塑性黏度，使得流动速率和灌入量增加，从而显著改善了超细水泥浆体的可灌性。张水[22]等研究了掺加醋酸乙烯/乙烯共聚乳液（VAE）对水泥灌浆材料性能的影响。结果表明，聚合物改性水泥灌浆材料各组分的最佳配比：VAE乳液10%，减水剂0.7%，消泡剂 0.7%，水泥100%，水灰比0.30。VAE乳液掺量为10%，与基准试样相比，其28 d弯曲强度增加了24.20%，抗渗性能提高了21.61%，28 d压缩强度降低了22.50%。

3.7 纤维改性灌浆材料

杨绍斌[23]等采用正交试验研究了聚氨酯注浆材料相关性能的影响因素。结果表明，滑石粉含量为3%，玄武岩纤维7%（纤维长度为5 mm），聚氨酯注浆材料具有最佳的力学性能，压缩强度达25.567 MPa，冲击强度达10 189 kJ/m2，拉伸强度达10.92 MPa。王阳[24]等利用纳米SiO2和玄武岩纤维对聚氨酯注浆材料进行复合改性，制备了聚氨酯固结体。结果表明，纳米SiO2和玄武岩纤维对固结体有增强作用，当异氰酸酯指数为1.20、水的添加量为0.5%、纳米SiO2添加量为2.0%、玄武岩纤维添加量为5.0%、2种纤维长度均为3.0 mm时，材料的压缩强度达到最佳值。

3.8 纯固废物灌浆材料

张义顺[25]等基于水玻璃碱可激发工业废渣的原理，制备出工业废渣-水玻璃双液注浆材料。研究表明，随着水玻璃掺量的增加注浆材料的凝胶时间增加而结石体强度先增加后减小。钢渣与矿渣、粉煤灰两两复混时前者的效果最好；3种工业废渣掺混（m钢渣/m矿渣/m粉煤灰 =2/ 3/1）时，注浆材料的强度最大，28 d压缩强度达14 MPa。田焜[26]等采用结石体强度损失率、Na+固化率、硅酸根溶出量等方法对比研究了钢渣、钢渣+粉煤灰+矿渣、钢渣+粉煤灰+偏高岭土系列双液注浆材料的抗水溶蚀性能。结果表明，经水溶蚀作用 360 d，工业废渣类强度损失率、可溶性Na+、硅酸根溶出量、电导率、溶出物质总量都低于水泥系列。采用压汞法、X射线衍射、扫描电镜探讨了4种双液注浆材料的水化硬化、结构形成过程及抗溶蚀机理，为碱激发工业废渣类注浆材料的研究提供了理论支持。

3.9 环保型灌浆材料

张维欣[27]等制备出一种可快速固化的环保型衣康酸环氧酯树脂灌浆材料。浆液黏度小、毒性低、渗透能力强，可以用水清洗，固结体透明且强度高，属优级灌浆材料。高南[28]等合成一种新的稀释剂应用于环氧灌浆材料。初步确定了稀释剂3-呋喃基-2-乙基-丙烯醛（FEA）与丙酮配比为2∶1～1∶1、稀释剂用量为20%～30%、固化剂用量为8.16%～11.76%、促进剂用量为0.2%～0.4%时，浆材物理力学性能可满足行业标准要求。产物FHA作为稀释剂代替糠醛可得到综合性能优异的环保型环氧灌浆材料。雷翅[29]等通过羟醛缩合等反应，合成 α，β-呋喃丙烯醛代替糠醛，解决糠醛毒性大、易挥发及刺激性强等问题。并对制备的环氧灌浆材料性能进行分析比较，优选出FEA为稀释剂制备浆材。其浆材黏度为80～97.5 mPa·s、28 d压缩强度为96.76～99.98 MPa、拉伸剪切强度为5.07～6.06 MPa；急性经口毒性属于低毒级。

3.10 其他灌浆材料

宋雪飞[30]等采用X射线衍射谱图定量分析、激光粒径测试及水化热测定等实验方法，对比测定了钻井废弃泥浆和黏土浆的性能。稀释和降黏剂改性均能降低配制浆液的黏度，使浆液易于泵送。胡焕校[31]等用不同的发泡剂和稳泡剂，采用正交实验，对轻质泡沫水泥注浆材料的性能作了初步研究，根据实验结果分析，从结石体密度和结石体的结石率考虑优选出一种用于充填防渗注浆的轻质泡

沫水泥浆液的合理配比。戴银所[32]等通过调整铝矾土和石膏的细度、掺量，研究灌浆材料凝结时间的变化规律。结果表明，水胶比是影响凝结时间和流动度的关键因素。在满足灌浆施工流动度前提下，铝矾土和石膏物质的量比为3，总掺量（粒径0.08 mm）在10%～15%时，灌浆材料的初凝时间为0.5～1 h，终凝时间为1～2 h，而其膨胀率1个月后稳定在0.2%以内。袁进科[33]等制备的新型灌浆料原料来源广，性能可调，流动性好，易于泵送；在水灰比达到1.0时，不仅流动性好、凝结时间适当，而且早期强度高，后期强度还持续增长。根据现场灌浆的要求，新型固结灌浆材料可以结合外加剂使用，更好地发挥新型灌浆材料的性能。4 灌浆材料在使用过程中存在的问题及建议

1）虽然目前水泥基灌浆材料在灌浆工程中使用较为广泛，但其保水性等性能不理想，且灌浆范围有限，一般只能灌注到直径大于0.2 mm的孔隙、裂缝中。故需进一步研究通过添加矿物掺合料及外加剂等措施加以改进。另外，国内超细水泥的品种、性能比较单一，所以应进一步研发适合各种灌浆工程的超细水泥品种。

2）黏土类灌浆材料由于耗费大量土地资源，加上黏土浆体的凝结时间较长，固结强度不高等原因，导致其应用范围受到了一定局限。

3）化学灌浆的优点是易灌注到细小缝隙中，且凝结时间可调，但其配方复杂，含较多的有毒化学物质，不仅污染环境，而且价格较贵。需继续研发多种低廉、无毒、性能优良的化学灌浆材料。

4）环保型酯类等灌浆材料因其制备过程较复杂等问题，尚未推广使用，需进一步深入研发制备工艺简单、无毒、性能优异的浆材。

5）目前我国研究热点之一是新型粉煤灰、矿渣、钢渣等固废物灌浆材料，主要因其成本低廉，既利废又节能环保。虽然这些固废物在宏观性能上尚可满足工程要求，而对其加到水泥基或其他灌浆材料中之后，其早期适应性、后期耐久性等问题应加大研究力度。

笔者认为除了研究粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废弃物，还可以对建筑废弃物，如废弃水泥混凝土、玻璃、陶瓷、钻井废泥、淤泥等的可用性加以研究。其次，希望能尽快制定出固废物灌浆材料的规范和标准，便于指导生产和施工。

5 结语

今后，研制高性能绿色灌浆材料无疑是可持续发展的新型灌浆材料研究方向之一。中国工程院郑守仁院士在2000年就已经指出[34]：灌浆材料的环保问题、耐久性问题以及环境适应性问题是今后灌浆材料研究的重要方向。

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