无机灌浆材料应用技术研究

方　乔　高莎莎　方晓填（广州大学土木工程学院）



无机灌浆材料应用技术研究

方乔高莎莎方晓填
（广州大学土木工程学院）

【摘要】无机灌浆材料因其高性能、无污染、低成本等优势广泛应用于桥梁、矿井、隧道、大坝等建筑工程中。但水泥基灌浆材料本身还存在流动性差、后期倒缩、与基体粘结力不够等一些问题。本文结合国内外现状分析了无机灌浆料的现有问题并提出了拟解决方案，推动无机灌浆行业的进一步发展。

【关键词】无机灌浆材料；建筑工程；水泥基；无机灌浆技术

1　前言

早在50年代灌浆技术就已经出现，数百年来灌浆技术越来越成熟，广泛应用于地基处理、结构加固和建筑修补等方面。灌浆技术逐步成为一种有效且不可缺少的工程地质灾害防治措施，在灌浆技术得到了广泛运用和较大发展的同时，灌浆技术中的核心—灌浆材料的发展也日益加快。［1］无机灌浆材料因其高性能、无污染、低成本等优势，成为大多数工程处理的首选材料。目前使用的普通水泥基灌浆材料还存在一些问题，如流动性差、后期倒缩、与基体粘结力不够等。流动性差，灌浆料无法自流平，需要二次灌注，费工费力。体积收缩会产生微裂纹，降低砂浆强度，影响基材本身的力学性能。与基体粘结力不够导致基材与灌浆料之间不密贴，强度发展慢，甚至导致灌浆料从基础中脱落，影响使用寿命。实际工程中遇到的问题更多，环境、气候、降水量等都会影响灌浆料的性能，从无机灌浆料的现状分析，目前的无机灌浆材料很难满足一些要求较高的特殊工程。社会的发展使人们的安全意识逐渐提高，对灌浆质量的要求更是一大挑战。因此，我们需要提高无机灌浆料的流动性、增大其早期强度、减少后期收缩、增强材料与基体的粘结力。

2　国内外研究现状

灌浆材料目前有固粒灌浆材料、化学灌浆材料和精细矿物灌浆材料三类。本文主要分析水泥浆类灌浆料（固粒灌浆材料的一种），这也是迄今为止运用最为广泛的一种灌浆材料。化学灌浆材料有流动性好、能灌入细微的缝隙中、可调节凝结时间等优点，但对环境有污染，不环保，所以在灌浆行业有明显的劣势。精细矿物灌浆材料作为一类新型灌浆材料，对一些关键性能如浆液性能、固结性能、长期耐久性等都有很大的突破。与此同时，成本方面也有所提高，结合经济、环保的原则考虑无机灌浆材料在今后的发展前景很广阔。

2.1国外研究现状

美国是无机灌浆材料的起源地，最早是为了加固军事设施而研制，具有高强、快凝等性能。早在1995年人们就意识到化学灌浆对环境的污染，德国的P.Noske将超细水泥制成悬浮液应用于岩土灌浆工程来替代化学灌浆材料。［2］加拿大的K.Salen和.TMirzx指出200年以来灌浆浆液的特性己发生很大变化，由简单泥浆悬浮液到水泥浆悬浮液、化学浆液、超细水泥新品种。对于有特殊要求的灌浆工程，如浮动裂隙、低温条件下工作，则推荐使用超细水泥。［3］M.Jamal Shannag通过试验配制出掺加了天然火山灰、硅灰、粒化高炉矿渣和粉煤灰等矿物掺合料和超塑化剂的具有高流动性、高抗渗性、高强度、抗侵蚀性、抗冻耐久性、体积稳定等性能的水泥基灌浆材料。［4］印度也有人研究过超早强的复合水泥体系，在普通硅酸盐水泥与铝酸盐水泥复配的基础上，添加一些外掺料，这种粉料在15分钟内即可完成终凝，1h抗压强度为10MPa，2h可达到20MPa。B.elekolu和B.Baradan等人在水泥基灌浆料中加入超细石灰粉进行试验，试验结果表明加了石灰石粉的灌浆材料，可以提高结构的密实度，从而起到改善浆体硬化强度和耐久性的作用。［5］二十世纪八十年代以后，由于日本福冈化学灌浆中毒事故，无机灌浆料又进入了一轮新的快速发展时期。在欧美、日本等西方发达国家中，产生了一大批研究和灌浆施工技术实力强大的科研院所和公司。他们每年都在世界各地举办与灌浆技术相关的各类学术交流活动，各科研院所通力合作为灌浆技术的发展做出了巨大的贡献。

2.2国内研究现状

我国灌浆技术起步较晚，早前一直研究并效仿国外灌浆技术。1995年以前我国主要将灌浆料应用于大坝工程，后期才用于基础加固。直到1989年才由南京水利科学研究院的胡玉初、费玉琴等人第一次明确的分析了无机灌浆料的研究及运用，这为后来我国无机灌浆料行业的崛起和发展奠定了基础。他们通过实验分析了膨胀剂、养护条件、水泥用量对灌浆料膨胀率的影响。［6］1991年水利水电科学研究院的张金接、刘嘉材提出水灰比不超过0.7的低含水量稳定性水泥浆体的灌浆性能，只能对裂隙宽度大于0.15mm的裂缝进行灌注。［7］1993张金接又结合试验成果对浆体在裂隙中的运动规律进行了理论分析并讨论了对稳定性水泥浆体的流动能力（包括浆体的流动性和流动性维持能力）。［8］1996年，中山市全禄水厂供水管道开始采用无机灌浆技术对基础进行加固处理。［9］之后无机灌浆料开始应用于地基加固等其他工程，打破传统的大坝工程。2000年以后我国灌浆料行业飞速发展，水利部小浪底水利枢纽工程建设管理局的曹恒祥和殷保合结合理论与实际分析了超细水泥灌浆浆液组成材料和特性配置出用于裂缝修补与加固的浆液；并且结合小浪底工程深入分析了国外超细水泥灌浆技术的应用情况。研制出与国外产品性能相接近的超细水泥灌浆料。［10］这是我国灌浆技术一个质的飞越，从此国内无机灌浆技术水平已经与国外水平并列。济南大学材料科学与工程学院的杜纪锋，叶正茂等人在硫铝酸盐水泥和砂中掺入粉煤灰、减水剂配制出具有高流动性的硫铝酸盐水泥基灌浆料，表现出良好的力学性能，微膨胀、自流平、快硬早强。［11］重庆大学材料科学与工程学院的吴芳和刘小兵采用硅酸盐水泥和铝酸盐水泥及二水石膏三种胶凝材料复配出具有早强、高强、微膨胀、大流动性水泥基无收缩灌浆材料。［12］河北联合大学建筑工程学院韩佃利等人少掺量的硅灰能提高水泥基灌浆料的流动性和抗压抗折强度，还能改善砂浆的表面状态减少气泡的产生。当硅灰掺量大于10%时对砂浆的抗压抗折反倒有不利影响。［13］

3　面临问题及拟解决方法

⑴用水量的控制。现场施工时，用水量低于规定值时流动性不够，用水量大于规定值时，会发生泌水、离析、强度不够等问题，所以现场水泥基灌浆材料的流动性难以控制，达不到预期要求。

利用颗粒级配技术、矿物减水技术和有机减水剂复合，通过不断试验调整无机灌浆材料中水泥与石英砂的颗粒级配。解决水泥基灌浆料拌合物流动性能差的问题，从而归纳出级配与流动性之间的规律，同时加入减水剂，降低水灰比。加入一定量的粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废料，减少水泥用量的同时变废为宝，起到节能环保的作用，降低成本、减少收缩［14］。但加入粉煤灰等废料的同时需要加大拌合水的用量，因为粉料越细需水量越大，而且粉煤灰的二次水化也需要一定量的水。

⑵早期强度低。强度对于水泥砂浆来说是个致命的问题。早期强度高有利于工程的提前竣工，砂浆一般28天性能达到稳定，而施工现场为了节省工期一般养护不了28天就进行下一步施工。

普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的复合，可以提高硬化浆体的密实度，显著提高材料的早期强度。需要注意的是，硫铝酸盐水泥的掺入应该少于普通硅酸盐水泥的掺量，因为它会与硅酸盐水泥发生闪凝反应，或者复配缓凝剂，延长初凝时间，增大早期强度；更为直接的方法就是掺入早强剂，增大灌浆料的早期强度。

⑶收缩开裂。浆体在水化过程中及硬化以后会产生不同程度的收缩，不能精确控制产品的收缩量，导致膨胀不稳定，会产生微裂缝，强度下降、影响使用。

灌浆料的体积收缩主要由：⑴水分蒸发引起的失水收缩；⑵温度的变化，如气温升高，受热膨胀；温度降低，受冻收缩；⑶水泥水化后固相体积大于水化前固相体积引起的自收缩。［15］利用均匀设计等实验方法对所获得的砂粉配方进行优化，并且向其中引入适当的外加剂，从而获得性能稳定、收缩较小的水泥基灌浆料配方。解决膨胀补偿误差大，后期体积倒缩等问题。搅拌过程中，搅拌均匀后立即成型，过度搅拌对硬化和膨胀都有不利影响。

⑷水泥基浆料与所接触的基质之间的亲和性不足，导致硬化后的灌浆料与基体粘结强度不高，达不到加固修补的作用效果。

加入可再分散乳胶粉进行界面活化，提高水泥基浆料与所接触的基质之间的亲和性，提高浆料对基质的润湿能力，使浆料能顺利进入基质缝隙，增强硬化后的浆料与基质的粘结力。解决本体强度与界面拉伸强度的不平衡问题，在灌浆前对基体进行表面处理，清除裂缝表面污物，必要时候进行凿槽和钻孔，保证基体表面达到最佳灌浆水平。

⑸灌浆料中有气泡的出现。气泡的出现会降低砂浆的强度，影响灌浆料的正常使用。

掺入的膨胀剂应该是非引气型的；必要时加入消泡剂，作为细骨料砂浆一般不需要加入消泡剂。灌浆技术对气泡产生的多少也有一定影响，保证施工工人的工艺要过关。

4　结语

作为灌浆材料，保证其具有高流动性、高强度、高粘结力是极其重要的，对于有特殊要求的基体可能还应具备早强或缓凝等要求。只有不断加强灌浆技术、不断调整灌浆材料的配合比设计才能更好更快地推动无机灌浆行业的发展。同时，要响应绿色能源的号召，合理利用粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废料，减少环境污染、充分利用资源、降低生产成本。为满足我国建筑结构可靠度设计统一标准，无机灌浆料的耐久性将会成为近来的灌浆料行业的新突破口。●

【参考文献】

［1］马哲，庞浩，杨元龙，徐宇亮.化学灌浆材料的研究进展综述［J］.广州化学，2014（01）：9-13.

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［3］K.aslen，TiMrz.aoPlrtand水泥和超细水泥为主的灌浆浆液的选择原则［C］.岩石与混凝土灌浆译文集，1995.65-74.

［4］M. Jamal Shannag. High-performance cement grouts for structural repair［J］. Cement and Concrete Research，2002（32）：803-808.

［5］B.eleko lu，B.Baradan.Utilisation of limestone powder in self-levelling binders［C］.Proceedings of the International Symposium on Advances in Waste Management and Recycling，2003.475-484.

［6］胡玉初，费玉琴.高强度微膨胀无机灌浆材料的研究和应用［J］.混凝土及加筋混凝土，1989（02）：55-60.

［7］张金接，刘嘉材.低含水量稳定性水泥浆体灌浆性能研究［J］.水利水电技术，1991（04）：52-56.

［8］张金接.稳定性水泥浆体在岩体裂隙中的流动性能及其灌浆技术［J］.水利学报，1993（07）：69-74

［9］张海，招云韬.中山市全禄水厂供水管道软基压力灌浆加固工程［J］.建材地质，1996（01）：40-41

［10］曹恒祥，殷保合.超细水泥修补与加固混凝土裂缝技术的应用与开发［J］.水利水电科技进展，2000（06）：45-49.

［11］杜纪锋，叶正茂，芦令超，常钧.高性能水泥基灌浆料试验研究［J］.济南大学学报，2008（01）：11-14.

［12］吴芳，刘小兵.水泥基无收缩灌浆料试验研究［J］.粉煤灰，2010（02）：7-10.

［13］韩佃利，徐国强，张静.硅灰掺量对水泥基灌浆料早期性能的影响研究［J］.混凝土，2014（08）：71-73.

［14］王朝强，谭克锋，王培新，徐秀霞.我国灌浆材料的研究现状［J］.粘接，2013（11）：87-91.

［16］俞锋，朱华.早强微膨胀水泥基灌浆料的性能研究［J］.混凝土与水泥制品，2012（11）：6-9.

*基金项目：广州市科委2015年产学研专项资助（156500058）；广州市科技创新平台资助项目（15180005）