王朝強(qiáng) 譚克鋒 王培新 徐秀霞

收稿日期：2013-07-17

作者簡(jiǎn)介：王朝強(qiáng)（1990-），男，碩士研究生。研究方向：高性能混凝土。E-mail：wcq598676239@126.com。

摘要：闡述了灌漿材料的發(fā)展、定義及分類，以及目前在工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀和使用過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。并對(duì)我國灌漿材料的具體應(yīng)用所存在的問題，提出改進(jìn)建議，以及對(duì)灌漿材料的未來發(fā)展做了展望。

關(guān)鍵詞：灌漿材料；現(xiàn)狀；注意事項(xiàng)

中圖分類號(hào)：TQ437+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2013）11-0087-05

灌漿是將具有充填膠接性能的材料配成漿液，利用灌漿設(shè)備將其注入到地層的裂隙或孔洞中，待漿液凝結(jié)、硬化后形成強(qiáng)度高、防水抗?jié)B性能強(qiáng)和化學(xué)穩(wěn)定性良好的“結(jié)石體”[1]，達(dá)到填充、加固、防滲及堵漏的目的。隨著我國公路、隧道、橋梁、礦山、堤壩等工程的大規(guī)模建設(shè)，灌漿材料以其實(shí)用性強(qiáng)、施工方便等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[2]。

1 灌漿技術(shù)的發(fā)展

灌漿技術(shù)是目前最有效的加固和堵漏方法，迄今已有近200年的歷史，分4個(gè)階段：第一：原始黏土漿液階段（1802-1857）。1802年法國人查理斯·貝爾格尼修理沖刷閘的時(shí)候，向地層擠壓黏土漿夜，之后用于建筑物地基加固，又傳入英國、埃及等地。第二：初級(jí)水泥漿液灌漿階段（1858-1919）。1845年，美國沃森第1次在溢洪道陡槽基礎(chǔ)下灌注水泥砂漿；1856-1858年，英國基尼普爾水泥灌漿試驗(yàn)成功；1864年，巴洛利用水泥漿液進(jìn)行隧道襯砌壁后，充填灌漿，并應(yīng)用于倫敦巴黎地鐵的灌漿。第三：中級(jí)化學(xué)漿液灌漿階段（1920-1969）。1920年荷蘭采礦工程師尤斯登首次采用水玻璃、氧化鈣雙液雙系統(tǒng)二次壓注法灌漿，直至20世紀(jì)40年代，仍在使用。1969年，美國研制了丙烯酰胺漿液等10余種性質(zhì)各異的化學(xué)漿液。第四：現(xiàn)代灌漿階段（1969年至今）。以60年代末期出現(xiàn)的高壓噴射灌漿技術(shù)為標(biāo)志，使灌漿結(jié)石體由散體發(fā)展為結(jié)構(gòu)體。灌漿材料向超細(xì)水泥方向發(fā)展，逐步取代化學(xué)漿液，以減少環(huán)境污染和降低工程造價(jià)。已廣泛應(yīng)用于城市地下工程、地基、礦山、路橋、隧道、邊坡、水利等工程領(lǐng)域。

2 灌漿材料的定義及分類

2.1 定義

漿體是在一定壓力作用下，注入到地層的裂隙、孔隙或孔洞中，凝結(jié)硬化后起到增強(qiáng)加固、防漏防滲等效果的流體材料。

2.2 分類

一般分為固體灌漿材料和化學(xué)灌漿材料2大類。固體灌漿材料是由固體顆粒和水組成的灌漿體，常用的有水泥基漿、黏土漿、水泥黏土漿、水泥固廢物漿等?；瘜W(xué)灌漿常用的有水玻璃漿、環(huán)氧樹脂漿等。

3 我國灌漿材料的研究現(xiàn)狀

3.1 純水泥基灌漿材料及應(yīng)用

李國忠[3]等針對(duì)水泥混凝土路面裂縫，制備了水泥基聚合物灌漿材料。在水泥漿液中摻入適量的VAE乳液可改善灌漿材料的可灌性，提高材料的粘接性能及抗?jié)B性能，降低其收縮率。王江峰[4]等將成本低廉的超細(xì)水泥注漿材料應(yīng)用于煤壁注漿加固，在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，漿液凝結(jié)時(shí)間短，結(jié)石體強(qiáng)度達(dá)到9.6 MPa，漿液擴(kuò)散半徑大于3 m，煤體粘接強(qiáng)度達(dá)到3.6 MPa，證明超細(xì)水泥注漿材料對(duì)控制煤壁片幫具有良好效果。劉鑫[5]等根據(jù)山西平朔煤業(yè)公司2號(hào)主暗斜井轉(zhuǎn)載硐室火災(zāi)的情況及現(xiàn)狀，研究了一種新型水泥灌漿材料。試驗(yàn)表明，水泥與水的比例在1 000～1 200∶1 000時(shí)，能起到封堵裂隙、隔絕空氣、防止地層塌陷的良好作用。

3.2 純黏土灌漿材料

羅振敏[6]等針對(duì)粉煤灰漿液懸浮效果較差的狀況，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黏土灌漿材料自懸浮性、流動(dòng)性、膠凝性均較好，且成本低。陳曉明[7]等探討了改性黏土漿加促進(jìn)劑前后的流變性能和漿液固結(jié)機(jī)理。結(jié)果表明，改性黏土漿的塑性強(qiáng)度受黏土原漿濃度、促進(jìn)劑用量和結(jié)構(gòu)劑用量的影響。此外，時(shí)間、結(jié)構(gòu)劑材質(zhì)、溫度等亦有影響；改性黏土漿液的流變性能和形成的結(jié)石體的堵水性能，明顯優(yōu)于水泥漿。劉學(xué)山[8]針對(duì)巖溶大水礦山，研制出廉價(jià)的改性黏土注漿材料，開發(fā)了高速高效輸料粉碎制漿系統(tǒng)，采用超聲波CT、地質(zhì)分析及數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化帷幕設(shè)計(jì)，指導(dǎo)帷幕注漿施工，堵水率達(dá)77.96%，取得了顯著的防治水效果。

3.3 水泥黏土（黏土礦物）灌漿材料

張世寶[9]等通過試驗(yàn)確定了符合工程要求且易于施工的水泥黏土復(fù)合灌漿料的配合比。水泥黏土復(fù)合漿液結(jié)石率高，收縮率小。隨著水泥和結(jié)構(gòu)劑摻量的增加，漿液結(jié)石體無側(cè)限壓縮強(qiáng)度增加，收縮率減少，初凝時(shí)間縮短。配漿過程簡(jiǎn)易可控、穩(wěn)定性好，漿液的初始黏度較低，灌漿施工操作方便。張貴金[10]等研究出一種改性黏土水泥膏漿。該膏漿具有抗水沖蝕、凝膠時(shí)間可調(diào)、漿材擴(kuò)散范圍可控等優(yōu)點(diǎn)，還可降低造價(jià)、提高工效，其性能指標(biāo)也能滿足工程要求。陳洪令[11]等在硫鋁酸鹽基高水材料中引入了黏土礦物對(duì)其進(jìn)行改性。結(jié)果表明，原料配比是影響高水材料結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度的主要因素，硫鋁酸鹽水泥熟料∶石膏∶石灰 =1∶0.4∶0.15，另摻10%的膨潤土，水化形成以鈣礬石為主的結(jié)構(gòu)體，28 d壓縮強(qiáng)度達(dá)到6.5 MPa，可用作優(yōu)良的充填材料。

3.4 水泥固廢物灌漿材料

賈雪麗[12]制備出一種綜合性能優(yōu)良的灌漿材料。研究表明，水膠比越大、粉煤灰摻量、減水劑摻量越高，灌漿材料流動(dòng)性能越好。當(dāng)水膠比為0.32、粉煤灰摻量為15%、減水劑摻量為0.5%時(shí)灌漿材料具有最佳流動(dòng)性能和力學(xué)性能?；衾麖?qiáng)[13]以粉煤灰、礦渣、普通硅酸鹽水泥為主要原料，摻入自制外加劑，制備出大摻量粉煤灰、礦渣高性能綠色灌漿材料。研究表明，漿材中粉煤灰、礦渣的最佳摻量分別為16%和8%；該綠色高強(qiáng)高性能灌漿料早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度能夠持續(xù)增長，28 d強(qiáng)度達(dá)到80 MPa以上，流動(dòng)性優(yōu)良，并具有很好的耐久性，是一種綠色建材產(chǎn)品。劉元正[14]等以電廠固體廢棄物流化床固硫灰作為水泥基灌漿材料的摻合料。灌漿材料的最佳配比為：水膠比 0.24，固硫灰細(xì)度 8.4 μm，減水劑摻量 0.23%，膠砂比 1∶1，固硫灰摻量為 40%。在水泥基灌漿中使用固硫灰能使其產(chǎn)生微膨脹，且在有水的情況下膨脹性更大一些。

3.5 化學(xué)灌漿材料

向陽[15]等以甲酰胺為固化劑，制備出一種抗高溫、可灌性好、固化體壓縮強(qiáng)度高的化學(xué)灌漿材料，基本對(duì)環(huán)境和人體無害，可用于氣體欠平衡鉆井中復(fù)雜地層的護(hù)壁堵漏。賀文[16]等為解決煤礦深部基巖段微裂隙和孔隙性含水地層注漿困難的問題，對(duì)溶液型水玻璃化學(xué)注漿材料進(jìn)行了研究。試驗(yàn)表明，采用乙二醇二乙酸酯作為水玻璃的膠凝劑可以得到結(jié)石體強(qiáng)度較高（1 Mpa）、膠凝時(shí)間可調(diào)（5～30 min）、黏度較低（6 mPa·s）的新型水玻璃漿液。肖尊群[17]等研究了碳酸鈣-酸性水玻璃注漿材料。結(jié)果表明，漿液的膠凝時(shí)間并非隨著碳酸鈣質(zhì)量的減少而均勻增加，而會(huì)突然增長。純膠凝體隨著時(shí)間的延長，強(qiáng)度相應(yīng)增加，同時(shí)隨著碳酸鈣質(zhì)量的增加，純膠凝體的強(qiáng)度也相應(yīng)增加。漿液固砂體強(qiáng)度與碳酸鈣加入量的變化關(guān)系不大。王永珍[18]等采用十八胺與乙二醇縮水甘油醚為原料，制備出了低模量高彈性環(huán)氧灌漿材料。研究表明，采用潛伏型柔性環(huán)氧固化劑制備的環(huán)氧灌漿材料具有高韌性和低模量的優(yōu)點(diǎn)，糠醛丙酮稀釋劑和促進(jìn)劑最佳添加量分別為20%～30%和1.6%～2.0%。

3.6 聚合物及聚合物改性灌漿材料

石明生[19]等研制了一種高聚物注漿材料。研究表明，注漿材料的最大彎曲力隨著密度的增加而增大，破壞時(shí)的最大形變則相反。在密度較小時(shí)，高聚物的破壞呈塑性屈服形態(tài)，而密度較大時(shí)，破壞則呈脆性斷裂形態(tài)。石明生[20]還研究了高聚物注漿材料的吸水特性及溫度變化對(duì)材料體積的影響。試驗(yàn)表明，試樣的吸水性及吸水后的體積變化率均隨材料密度的增大而減小。溫度變化時(shí)，干燥試樣的體積變化符合熱脹冷縮的規(guī)律，并且高溫時(shí)體積的增大比較明顯。浸水飽和試樣在溫度降至-40 ℃時(shí)體積仍然收縮，但體積收縮率明顯小于干燥試樣的收縮率。朱建輝[21]等研究了聚合物對(duì)超細(xì)水泥漿體工作性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)P/C=15%時(shí)，聚合物本身具有的自分散性能和表面活性減小了改性超細(xì)水泥漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度，使得流動(dòng)速率和灌入量增加，從而顯著改善了超細(xì)水泥漿體的可灌性。張水[22]等研究了摻加醋酸乙烯/乙烯共聚乳液（VAE）對(duì)水泥灌漿材料性能的影響。結(jié)果表明，聚合物改性水泥灌漿材料各組分的最佳配比：VAE乳液10%，減水劑0.7%，消泡劑 0.7%，水泥100%，水灰比0.30。VAE乳液摻量為10%，與基準(zhǔn)試樣相比，其28 d彎曲強(qiáng)度增加了24.20%，抗?jié)B性能提高了21.61%，28 d壓縮強(qiáng)度降低了22.50%。

3.7 纖維改性灌漿材料

楊紹斌[23]等采用正交試驗(yàn)研究了聚氨酯注漿材料相關(guān)性能的影響因素。結(jié)果表明，滑石粉含量為3%，玄武巖纖維7%（纖維長度為5 mm），聚氨酯注漿材料具有最佳的力學(xué)性能，壓縮強(qiáng)度達(dá)25.567 MPa，沖擊強(qiáng)度達(dá)10 189 kJ/m2，拉伸強(qiáng)度達(dá)10.92 MPa。王陽[24]等利用納米SiO2和玄武巖纖維對(duì)聚氨酯注漿材料進(jìn)行復(fù)合改性，制備了聚氨酯固結(jié)體。結(jié)果表明，納米SiO2和玄武巖纖維對(duì)固結(jié)體有增強(qiáng)作用，當(dāng)異氰酸酯指數(shù)為1.20、水的添加量為0.5%、納米SiO2添加量為2.0%、玄武巖纖維添加量為5.0%、2種纖維長度均為3.0 mm時(shí)，材料的壓縮強(qiáng)度達(dá)到最佳值。

3.8 純固廢物灌漿材料

張義順[25]等基于水玻璃堿可激發(fā)工業(yè)廢渣的原理，制備出工業(yè)廢渣-水玻璃雙液注漿材料。研究表明，隨著水玻璃摻量的增加注漿材料的凝膠時(shí)間增加而結(jié)石體強(qiáng)度先增加后減小。鋼渣與礦渣、粉煤灰兩兩復(fù)混時(shí)前者的效果最好；3種工業(yè)廢渣摻混（m鋼渣/m礦渣/m粉煤灰 =2/ 3/1）時(shí)，注漿材料的強(qiáng)度最大，28 d壓縮強(qiáng)度達(dá)14 MPa。田焜[26]等采用結(jié)石體強(qiáng)度損失率、Na+固化率、硅酸根溶出量等方法對(duì)比研究了鋼渣、鋼渣+粉煤灰+礦渣、鋼渣+粉煤灰+偏高嶺土系列雙液注漿材料的抗水溶蝕性能。結(jié)果表明，經(jīng)水溶蝕作用 360 d，工業(yè)廢渣類強(qiáng)度損失率、可溶性Na+、硅酸根溶出量、電導(dǎo)率、溶出物質(zhì)總量都低于水泥系列。采用壓汞法、X射線衍射、掃描電鏡探討了4種雙液注漿材料的水化硬化、結(jié)構(gòu)形成過程及抗溶蝕機(jī)理，為堿激發(fā)工業(yè)廢渣類注漿材料的研究提供了理論支持。

3.9 環(huán)保型灌漿材料

張維欣[27]等制備出一種可快速固化的環(huán)保型衣康酸環(huán)氧酯樹脂灌漿材料。漿液黏度小、毒性低、滲透能力強(qiáng)，可以用水清洗，固結(jié)體透明且強(qiáng)度高，屬優(yōu)級(jí)灌漿材料。高南[28]等合成一種新的稀釋劑應(yīng)用于環(huán)氧灌漿材料。初步確定了稀釋劑3-呋喃基-2-乙基-丙烯醛（FEA）與丙酮配比為2∶1～1∶1、稀釋劑用量為20%～30%、固化劑用量為8.16%～11.76%、促進(jìn)劑用量為0.2%～0.4%時(shí)，漿材物理力學(xué)性能可滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。產(chǎn)物FHA作為稀釋劑代替糠醛可得到綜合性能優(yōu)異的環(huán)保型環(huán)氧灌漿材料。雷翅[29]等通過羥醛縮合等反應(yīng)，合成 α，β-呋喃丙烯醛代替糠醛，解決糠醛毒性大、易揮發(fā)及刺激性強(qiáng)等問題。并對(duì)制備的環(huán)氧灌漿材料性能進(jìn)行分析比較，優(yōu)選出FEA為稀釋劑制備漿材。其漿材黏度為80～97.5 mPa·s、28 d壓縮強(qiáng)度為96.76～99.98 MPa、拉伸剪切強(qiáng)度為5.07～6.06 MPa；急性經(jīng)口毒性屬于低毒級(jí)。

3.10 其他灌漿材料

宋雪飛[30]等采用X射線衍射譜圖定量分析、激光粒徑測(cè)試及水化熱測(cè)定等實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)比測(cè)定了鉆井廢棄泥漿和黏土漿的性能。稀釋和降黏劑改性均能降低配制漿液的黏度，使?jié){液易于泵送。胡煥校[31]等用不同的發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑，采用正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)輕質(zhì)泡沫水泥注漿材料的性能作了初步研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，從結(jié)石體密度和結(jié)石體的結(jié)石率考慮優(yōu)選出一種用于充填防滲注漿的輕質(zhì)泡沫水泥漿液的合理配比。戴銀所[32]等通過調(diào)整鋁礬土和石膏的細(xì)度、摻量，研究灌漿材料凝結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，水膠比是影響凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度的關(guān)鍵因素。在滿足灌漿施工流動(dòng)度前提下，鋁礬土和石膏物質(zhì)的量比為3，總摻量（粒徑0.08 mm）在10%～15%時(shí)，灌漿材料的初凝時(shí)間為0.5～1 h，終凝時(shí)間為1～2 h，而其膨脹率1個(gè)月后穩(wěn)定在0.2%以內(nèi)。袁進(jìn)科[33]等制備的新型灌漿料原料來源廣，性能可調(diào)，流動(dòng)性好，易于泵送；在水灰比達(dá)到1.0時(shí)，不僅流動(dòng)性好、凝結(jié)時(shí)間適當(dāng)，而且早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度還持續(xù)增長。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌漿的要求，新型固結(jié)灌漿材料可以結(jié)合外加劑使用，更好地發(fā)揮新型灌漿材料的性能。

4 灌漿材料在使用過程中存在的問題及建議

1）雖然目前水泥基灌漿材料在灌漿工程中使用較為廣泛，但其保水性等性能不理想，且灌漿范圍有限，一般只能灌注到直徑大于0.2 mm的孔隙、裂縫中。故需進(jìn)一步研究通過添加礦物摻合料及外加劑等措施加以改進(jìn)。另外，國內(nèi)超細(xì)水泥的品種、性能比較單一，所以應(yīng)進(jìn)一步研發(fā)適合各種灌漿工程的超細(xì)水泥品種。

2）黏土類灌漿材料由于耗費(fèi)大量土地資源，加上黏土漿體的凝結(jié)時(shí)間較長，固結(jié)強(qiáng)度不高等原因，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到了一定局限。

3）化學(xué)灌漿的優(yōu)點(diǎn)是易灌注到細(xì)小縫隙中，且凝結(jié)時(shí)間可調(diào)，但其配方復(fù)雜，含較多的有毒化學(xué)物質(zhì)，不僅污染環(huán)境，而且價(jià)格較貴。需繼續(xù)研發(fā)多種低廉、無毒、性能優(yōu)良的化學(xué)灌漿材料。

4）環(huán)保型酯類等灌漿材料因其制備過程較復(fù)雜等問題，尚未推廣使用，需進(jìn)一步深入研發(fā)制備工藝簡(jiǎn)單、無毒、性能優(yōu)異的漿材。

5）目前我國研究熱點(diǎn)之一是新型粉煤灰、礦渣、鋼渣等固廢物灌漿材料，主要因其成本低廉，既利廢又節(jié)能環(huán)保。雖然這些固廢物在宏觀性能上尚可滿足工程要求，而對(duì)其加到水泥基或其他灌漿材料中之后，其早期適應(yīng)性、后期耐久性等問題應(yīng)加大研究力度。

筆者認(rèn)為除了研究粉煤灰、礦渣、鋼渣等工業(yè)廢棄物，還可以對(duì)建筑廢棄物，如廢棄水泥混凝土、玻璃、陶瓷、鉆井廢泥、淤泥等的可用性加以研究。其次，希望能盡快制定出固廢物灌漿材料的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，便于指導(dǎo)生產(chǎn)和施工。

5 結(jié)語

今后，研制高性能綠色灌漿材料無疑是可持續(xù)發(fā)展的新型灌漿材料研究方向之一。中國工程院鄭守仁院士在2000年就已經(jīng)指出[34]：灌漿材料的環(huán)保問題、耐久性問題以及環(huán)境適應(yīng)性問題是今后灌漿材料研究的重要方向。

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