肖 振，楊志全，隆季原，熊 昊

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093;2.云南省高校高烈度地震山區(qū)交通走廊工程地質病害早期快速判識與防控重點實驗室，云南 昆明 650093;3.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，云南 昆明 650093)

0 引言

注漿是巖土工程建設中的重要環(huán)節(jié)之一，該技術可對地層和開挖環(huán)境起到加固補強、堵水防漏等作用[1-4]。

注漿技術至今已有200多年歷史[5]。據文獻記載，最早的注漿應用可追溯到1802年，法國人查理土貝里尼(Charles Berigny)用沖擊泵注入黏土和石灰加固港口砌筑墻[6]。1826年，英國人Joseph Aspdin發(fā)明了硅酸鹽水泥，并在1864年用硅酸鹽水泥漿液實施了井下注漿加固[7]。1864年，巴羅(P. W. Barlow)獲得了第一個用于盾構的注漿專利[8]。1880-1905年，英國又相繼研制了各類注漿機器用于工程注漿施工[9]。

1905年，美國人對注漿設備進行了持續(xù)改進，為不同種類注漿材料的工程應用創(chuàng)造了條件[10]。1920年，荷蘭采礦工程師尤斯登(E.J.Joosten)首次采用水玻璃、氯化鈣雙液注漿，這標志著注漿材料從物理材料到化學材料的轉變[10]。到1930年，美國已有19座水庫大壩采用了注漿方法處理基礎[8]。

20世紀40年代，注漿技術研究進入了一個鼎盛時期，新興技術不斷涌現，為現代注漿技術打下了堅實的基礎[11]。1949年，蘇聯人提出了黏土漿液和混合漿液的配比在工程應用中的問題。

1950-1975年是化學漿液的大發(fā)展時期， 20世紀50年代初美國就建立了研究化學漿液材料的注漿實驗室[9]。此后美國研制出了丙烯酰胺漿液(AM-9)，但1974年由于AM-9在工程灌漿中發(fā)生中毒事件，隨后眾多國家開始禁用有毒灌漿材料[12]。20世紀60年代初美國研制出了硅酸鹽和鉻木質素，后續(xù)又研發(fā)了酚醛材料。Shimoda與Clarke分別于1982年和1984年用超細水泥對微裂隙巖土進行了加固[13]。近年來，國外超細水泥的發(fā)展比較迅速，德國的P.Noske及瑞典的P.Borchardt等對超細水泥制備方法作出了改進[14-15]，并認為其應用范圍與化學材料基本一致[16]。

我國對漿液的研究相對較晚，1964年在廣州化學研究所葉作舟的帶領下，完成了丙烯酰胺注漿材料的研究[13]。

20世紀80年代后，黏土水泥的發(fā)展較快，并被應用于實際工程中。1985年，東北工學院開始研究應用于建井工程中的黏土水泥[17]。

近年來，武漢理工大學對工業(yè)廢渣-CS(Cement Silicate)注漿支護材料進行了研究。程紅等[18]研制出了HK-KG-10灌漿材料，其不同于常用的糠醛-丙酮漿液體系；李國建等[19]研制的改性環(huán)氧樹脂材料中添加的固化劑既包含親水基團又包含憎水基團；張翰聲等[20]將聚氨酯材料與環(huán)氧樹脂材料聚合，得到了一種物理性能指標較好的新材料；李憲軍等[21]基于分磨-混磨體系提出了一種高性能凝膠材料；霍世金[22]研制了硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和石膏三元復合凝膠材料。

我國的化學注漿材料主要有硅酸鹽、丙烯酰胺、脲醛樹脂、木質素、丙烯酸鹽、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、甲基丙烯酸酯、不飽和聚酯、水泥化學漿材等10個系列[11]。

1 注漿支護材料分類及性質

1.1 無機類注漿支護材料

1.1.1 單液水泥類漿液

單液水泥類漿液是以水泥為基礎原料，添加一定量的附加劑，再用水調劑而成的一種漿液，采用單液的方式注入巖土層。實際施工中常需要摻入一些附加劑用以調節(jié)漿液的性能，主要有早強劑、速凝劑、塑化劑、懸浮劑等[23]。

單液水泥漿液具有來源廣、價格低廉、固結強度高、防滲性能好、工藝簡單等優(yōu)點，是目前工程中應用最為廣泛的注漿支護材料。但因其為顆粒性材料，可注性較差，難以注入較細小的裂隙巖層，且固結時間長、強度增長緩慢、結石率低，所以也具有一定的局限性。為此，學者們在改善單液水泥漿液性能方面做了大量研究，研發(fā)出了超細水泥漿液[13]。

1.1.2 水泥-水玻璃類漿液

水泥-水玻璃漿液也稱CS漿液，是用水泥與水玻璃作為主劑，按照一定的配比以雙液的方式注入，實際施工中需視情況添加一些附加劑[24]。該類漿液彌補了單液水泥漿液固結時間長與結石率低等缺點，改善了注漿效果且擴大了適用范圍。在地下工程中當地下水流速較大時采用此混合型漿液可達到速凝止水的目的，這是一種效果較好且用途極為廣泛的注漿支護材料。

隧道開挖過程中不可避免地受到地下水的沖刷與侵蝕，注漿材料多選用有堵水作用且能快速凝結的CS漿液[25]。

1.1.3 水玻璃類漿液

水玻璃類漿液亦是以水作為主劑，外加固化劑而形成凝膠。在酸性固化劑的催化下，水玻璃可以快速凝結，所以也能作為注漿支護材料。常用的幾種效果較好的水玻璃類漿液有：水玻璃-氯化鈣漿液、水玻璃-鋁酸鈉漿液、水玻璃-硅氟酸漿液和水玻璃-乙二醛漿液[26]。其優(yōu)點為黏結力強、具有抗熱性和抗酸性、污染小、價格低廉和滲透力強，缺點是耐久性差并會產生堿污染[4]。此類漿液常用于城市軌道交通、垃圾處理場、污水處理場、水庫大壩、圍堰等工程的防滲施工。

1.1.4 水泥-黏土類漿液

水泥-黏土類漿液比較特殊，作為附加劑的黏土有時其摻入量甚至會高于水泥[27]。在水泥漿液中摻入膨潤土可大大改善其穩(wěn)定性及流動性，但也會延長漿液的固結時間，并且降低固結體的強度與耐久性。此類漿液常用于漏水大壩的修補以及孔隙度較大的砂礫層防滲[28]。

1.1.5 高水速凝材料

高水速凝材料[4]是以石膏、石灰與鋁礬土為主要材料，外加無機原料及附加劑，經過均化等工藝配制而成，其具有高水、速凝及可注性強等特點，近年來廣泛應用于采礦工程中的巷道支護、采空區(qū)充填、壁后支護及錨噴支護等，在建筑、水利及公路等領域也有應用[29]。

1.2 有機類注漿支護材料

1.2.1 丙烯酰胺類漿液

丙烯酰胺類漿液是以有機化合物丙烯酰胺為主劑，輔以其他藥劑而制成的漿液，與水的黏度接近，且黏度在其凝結前保持不變。將其注入巖土裂隙后，從水溶液狀態(tài)固結為具有彈性且不溶于水的化學聚合物。其優(yōu)點是凝膠時間可精準控制在幾秒至幾個小時，可達到速凝止水的效果，并且因其在凝膠前黏度維持不變而具有良好的滲透性，固結體抗?jié)B性較好；缺點是價格昂貴，固結體抗壓強度較低，僅為0.4～0.6 MPa，且具有一定的毒性，受溫度、pH及地下水中的化學離子影響較大[30]。此類漿液一般用于二類圍巖隧道的止水防滲[31]。

1.2.2 丙烯酸鹽類漿液

丙烯酸鹽類漿液與丙凝漿液的性能類似，但毒性要遠遠低于丙凝漿液。丙烯酸鹽類漿液具有黏度低、毒性弱、凝固點低、凝膠時間可控、凝膠體具有一定強度及彈性等優(yōu)點，多用于巖體與混凝土等的細微裂隙止水防滲[32]。

1.2.3 木質素類漿液

木質素類漿液是以紙漿廢液作為助劑，輔以一定量的固化劑而制成的漿液。目前僅有鉻木質素漿液與硫木質素漿液兩種。其獲取難度低且價格低廉，是一種發(fā)展前景較好的注漿支護材料。鉻木質素的應用因其固化劑為劇毒的重鉻酸鈉而受到限制，從而被固化劑為無毒的過硫酸銨的硫木質素完全取代[33]。此類漿液在湖南某制藥廠的污水凈化處理井及江西某礦10號壩的防滲止水工程中取得了較好的成果[34]。

1.2.4 聚氨酯類漿液

聚氨酯類漿液是一種主要原料為多異氰酸酯與聚醚樹脂，輔以各種附加劑而制成的漿液。漿液中的異氰基團遇水發(fā)生化學反應而生成不溶于水的聚合體，具有加固地基與防滲止水的作用，且在反應中釋放二氧化碳而使得漿液二次擴散，增大了固結體體積與擴散范圍[35]。此類漿液常用于隧道開挖中地下水量較大時的注漿止水[36]。

1.2.5 脲醛樹脂類漿液

脲醛樹脂是一種高分子聚合物，由尿素與甲醛縮合而成。以其作為主劑的注漿支護材料的黏度不大但強度較高，且抗?jié)B能力較強，價格低廉[37]。

1.2.6 其他有機類材料

其他有機類注漿支護材料[38]主要有以下4類：

a.環(huán)氧樹脂類漿液：其內聚力比混凝土的大，常用于恢復混凝土結構的整體性。

b.糠醛樹脂類漿液：其可注性強、價格低廉，但固化時間長且不可控。

c.甲基丙烯酸甲酯漿液(簡稱“甲凝”)：可注性強、固結體強度高，但遇水難以聚合，只能用于干燥情況下的混凝土細微裂隙的補強。

d.聚酯樹脂類漿液：一般用于巖石及混凝土的補強加固，環(huán)境干燥的情況下固結強度極高，固化后的收縮率達6%。

2 新型注漿材料

傳統(tǒng)的水泥及黏土類注漿支護材料由于顆粒大、可灌性低，難以注入具有細微裂隙的介質中；傳統(tǒng)的水玻璃類漿材固結體強度低，且固結的凝膠產物會對環(huán)境產生一定污染；目前的高分子化學漿材成本較高，耐用性也偏低，且具有一定毒性[39]。鄭受仁院士[40]指出，注漿支護材料的環(huán)保、耐久性與適應不同工程環(huán)境而開發(fā)出的新材料為今后注漿材料的研究方向。

黏土體大量存在于施工周邊環(huán)境，是性能良好的填充體，從黏土作為礦山采空區(qū)充填材料到黏土-水泥漿液的出現及大量應用表明了黏土的廣泛適用性。將黏土作為混合漿液中的組成部分[41]，主要優(yōu)點如下：

a.抗稀釋性好，黏土與水作用不易離析，配制成黏土-水泥漿液可降低漿液析水性。

b.流變性好，可控程度高，凝結時間可從幾秒到數十分鐘。

c.防滲能力強，黏土的滲透性弱，水泥-黏土類漿液是優(yōu)良的工程防滲材料。

紅黏土作為土的種類之一，從開始研究至今已有近50年的歷史[42]。在我國，紅黏土主要分布在南部地區(qū)，其中云貴高原是我國紅黏土分布最為廣泛的區(qū)域之一[43]。紅黏土的孔隙較大，且含水量高，因此紅黏土的液塑限較高,塑性指數較大。但紅黏土的抗?jié)B透性能較好，是優(yōu)良的防水抗?jié)B添加劑。紅黏土的主要礦物成分為具有良好惰性的硅氧四面體和鋁氧八面體，對不良環(huán)境的抗性強。在紅黏土資源豐富的地區(qū)，常用紅黏土作為工程開挖后采空區(qū)的填充材料，如：曲靖花山水庫、新平黃草壩水庫等均采用紅黏土作防滲材料[44-45]。目前，還少有工程將紅黏土作為漿液添加材料使用，原因可能是對以紅黏土作為水泥摻料的黏土-水泥漿液的性質研究尚不充分，其理論依據落后于工程實踐，且國內外尚無統(tǒng)一的配比標準及施工工藝。各種注漿材料的綜合技術經濟指標的比較結果見表1。

表1 各種注漿材料的綜合技術經濟指標評分結果[4]

由表1可知，黏土水泥在常用注漿材料中的綜合指標評分最高，因此很有必要深入研究紅黏土-水泥漿液在工程中的適用性。

3 結語

我國注漿技術在發(fā)展過程中已形成了較為完備的理論體系，但在注漿支護材料性能優(yōu)化、注漿理論與實踐相結合等方面仍有很大的提升空間。本文對注漿支護材料的發(fā)展及工程常用注漿支護材料進行了概述，對紅黏土-水泥漿液的綜合性能進行了分析，認為紅黏土-水泥漿液是一種極具發(fā)展前景的注漿材料。