注浆支护材料应用现状与发展趋势*

肖 振，杨志全，隆季原，熊 昊

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093;2.云南省高校高烈度地震山区交通走廊工程地质病害早期快速判识与防控重点实验室，云南 昆明 650093;3.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093)

0 引言

注浆是岩土工程建设中的重要环节之一，该技术可对地层和开挖环境起到加固补强、堵水防漏等作用[1-4]。

注浆技术至今已有200多年历史[5]。据文献记载，最早的注浆应用可追溯到1802年，法国人查理土贝里尼(Charles Berigny)用冲击泵注入黏土和石灰加固港口砌筑墙[6]。1826年，英国人Joseph Aspdin发明了硅酸盐水泥，并在1864年用硅酸盐水泥浆液实施了井下注浆加固[7]。1864年，巴罗(P. W. Barlow)获得了第一个用于盾构的注浆专利[8]。1880-1905年，英国又相继研制了各类注浆机器用于工程注浆施工[9]。

1905年，美国人对注浆设备进行了持续改进，为不同种类注浆材料的工程应用创造了条件[10]。1920年，荷兰采矿工程师尤斯登(E.J.Joosten)首次采用水玻璃、氯化钙双液注浆，这标志着注浆材料从物理材料到化学材料的转变[10]。到1930年，美国已有19座水库大坝采用了注浆方法处理基础[8]。

20世纪40年代，注浆技术研究进入了一个鼎盛时期，新兴技术不断涌现，为现代注浆技术打下了坚实的基础[11]。1949年，苏联人提出了黏土浆液和混合浆液的配比在工程应用中的问题。

1950-1975年是化学浆液的大发展时期， 20世纪50年代初美国就建立了研究化学浆液材料的注浆实验室[9]。此后美国研制出了丙烯酰胺浆液(AM-9)，但1974年由于AM-9在工程灌浆中发生中毒事件，随后众多国家开始禁用有毒灌浆材料[12]。20世纪60年代初美国研制出了硅酸盐和铬木质素，后续又研发了酚醛材料。Shimoda与Clarke分别于1982年和1984年用超细水泥对微裂隙岩土进行了加固[13]。近年来，国外超细水泥的发展比较迅速，德国的P.Noske及瑞典的P.Borchardt等对超细水泥制备方法作出了改进[14-15]，并认为其应用范围与化学材料基本一致[16]。

我国对浆液的研究相对较晚，1964年在广州化学研究所叶作舟的带领下，完成了丙烯酰胺注浆材料的研究[13]。

20世纪80年代后，黏土水泥的发展较快，并被应用于实际工程中。1985年，东北工学院开始研究应用于建井工程中的黏土水泥[17]。

近年来，武汉理工大学对工业废渣-CS(Cement Silicate)注浆支护材料进行了研究。程红等[18]研制出了HK-KG-10灌浆材料，其不同于常用的糠醛-丙酮浆液体系；李国建等[19]研制的改性环氧树脂材料中添加的固化剂既包含亲水基团又包含憎水基团；张翰声等[20]将聚氨酯材料与环氧树脂材料聚合，得到了一种物理性能指标较好的新材料；李宪军等[21]基于分磨-混磨体系提出了一种高性能凝胶材料；霍世金[22]研制了硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和石膏三元复合凝胶材料。

我国的化学注浆材料主要有硅酸盐、丙烯酰胺、脲醛树脂、木质素、丙烯酸盐、环氧树脂、聚氨酯、甲基丙烯酸酯、不饱和聚酯、水泥化学浆材等10个系列[11]。

1 注浆支护材料分类及性质

1.1 无机类注浆支护材料

1.1.1 单液水泥类浆液

单液水泥类浆液是以水泥为基础原料，添加一定量的附加剂，再用水调剂而成的一种浆液，采用单液的方式注入岩土层。实际施工中常需要掺入一些附加剂用以调节浆液的性能，主要有早强剂、速凝剂、塑化剂、悬浮剂等[23]。

单液水泥浆液具有来源广、价格低廉、固结强度高、防渗性能好、工艺简单等优点，是目前工程中应用最为广泛的注浆支护材料。但因其为颗粒性材料，可注性较差，难以注入较细小的裂隙岩层，且固结时间长、强度增长缓慢、结石率低，所以也具有一定的局限性。为此，学者们在改善单液水泥浆液性能方面做了大量研究，研发出了超细水泥浆液[13]。

1.1.2 水泥-水玻璃类浆液

水泥-水玻璃浆液也称CS浆液，是用水泥与水玻璃作为主剂，按照一定的配比以双液的方式注入，实际施工中需视情况添加一些附加剂[24]。该类浆液弥补了单液水泥浆液固结时间长与结石率低等缺点，改善了注浆效果且扩大了适用范围。在地下工程中当地下水流速较大时采用此混合型浆液可达到速凝止水的目的，这是一种效果较好且用途极为广泛的注浆支护材料。

隧道开挖过程中不可避免地受到地下水的冲刷与侵蚀，注浆材料多选用有堵水作用且能快速凝结的CS浆液[25]。

1.1.3 水玻璃类浆液

水玻璃类浆液亦是以水作为主剂，外加固化剂而形成凝胶。在酸性固化剂的催化下，水玻璃可以快速凝结，所以也能作为注浆支护材料。常用的几种效果较好的水玻璃类浆液有：水玻璃-氯化钙浆液、水玻璃-铝酸钠浆液、水玻璃-硅氟酸浆液和水玻璃-乙二醛浆液[26]。其优点为黏结力强、具有抗热性和抗酸性、污染小、价格低廉和渗透力强，缺点是耐久性差并会产生碱污染[4]。此类浆液常用于城市轨道交通、垃圾处理场、污水处理场、水库大坝、围堰等工程的防渗施工。

1.1.4 水泥-黏土类浆液

水泥-黏土类浆液比较特殊，作为附加剂的黏土有时其掺入量甚至会高于水泥[27]。在水泥浆液中掺入膨润土可大大改善其稳定性及流动性，但也会延长浆液的固结时间，并且降低固结体的强度与耐久性。此类浆液常用于漏水大坝的修补以及孔隙度较大的砂砾层防渗[28]。

1.1.5 高水速凝材料

高水速凝材料[4]是以石膏、石灰与铝矾土为主要材料，外加无机原料及附加剂，经过均化等工艺配制而成，其具有高水、速凝及可注性强等特点，近年来广泛应用于采矿工程中的巷道支护、采空区充填、壁后支护及锚喷支护等，在建筑、水利及公路等领域也有应用[29]。

1.2 有机类注浆支护材料

1.2.1 丙烯酰胺类浆液

丙烯酰胺类浆液是以有机化合物丙烯酰胺为主剂，辅以其他药剂而制成的浆液，与水的黏度接近，且黏度在其凝结前保持不变。将其注入岩土裂隙后，从水溶液状态固结为具有弹性且不溶于水的化学聚合物。其优点是凝胶时间可精准控制在几秒至几个小时，可达到速凝止水的效果，并且因其在凝胶前黏度维持不变而具有良好的渗透性，固结体抗渗性较好；缺点是价格昂贵，固结体抗压强度较低，仅为0.4～0.6 MPa，且具有一定的毒性，受温度、pH及地下水中的化学离子影响较大[30]。此类浆液一般用于二类围岩隧道的止水防渗[31]。

1.2.2 丙烯酸盐类浆液

丙烯酸盐类浆液与丙凝浆液的性能类似，但毒性要远远低于丙凝浆液。丙烯酸盐类浆液具有黏度低、毒性弱、凝固点低、凝胶时间可控、凝胶体具有一定强度及弹性等优点，多用于岩体与混凝土等的细微裂隙止水防渗[32]。

1.2.3 木质素类浆液

木质素类浆液是以纸浆废液作为助剂，辅以一定量的固化剂而制成的浆液。目前仅有铬木质素浆液与硫木质素浆液两种。其获取难度低且价格低廉，是一种发展前景较好的注浆支护材料。铬木质素的应用因其固化剂为剧毒的重铬酸钠而受到限制，从而被固化剂为无毒的过硫酸铵的硫木质素完全取代[33]。此类浆液在湖南某制药厂的污水净化处理井及江西某矿10号坝的防渗止水工程中取得了较好的成果[34]。

1.2.4 聚氨酯类浆液

聚氨酯类浆液是一种主要原料为多异氰酸酯与聚醚树脂，辅以各种附加剂而制成的浆液。浆液中的异氰基团遇水发生化学反应而生成不溶于水的聚合体，具有加固地基与防渗止水的作用，且在反应中释放二氧化碳而使得浆液二次扩散，增大了固结体体积与扩散范围[35]。此类浆液常用于隧道开挖中地下水量较大时的注浆止水[36]。

1.2.5 脲醛树脂类浆液

脲醛树脂是一种高分子聚合物，由尿素与甲醛缩合而成。以其作为主剂的注浆支护材料的黏度不大但强度较高，且抗渗能力较强，价格低廉[37]。

1.2.6 其他有机类材料

其他有机类注浆支护材料[38]主要有以下4类：

a.环氧树脂类浆液：其内聚力比混凝土的大，常用于恢复混凝土结构的整体性。

b.糠醛树脂类浆液：其可注性强、价格低廉，但固化时间长且不可控。

c.甲基丙烯酸甲酯浆液(简称“甲凝”)：可注性强、固结体强度高，但遇水难以聚合，只能用于干燥情况下的混凝土细微裂隙的补强。

d.聚酯树脂类浆液：一般用于岩石及混凝土的补强加固，环境干燥的情况下固结强度极高，固化后的收缩率达6%。

2 新型注浆材料

传统的水泥及黏土类注浆支护材料由于颗粒大、可灌性低，难以注入具有细微裂隙的介质中；传统的水玻璃类浆材固结体强度低，且固结的凝胶产物会对环境产生一定污染；目前的高分子化学浆材成本较高，耐用性也偏低，且具有一定毒性[39]。郑受仁院士[40]指出，注浆支护材料的环保、耐久性与适应不同工程环境而开发出的新材料为今后注浆材料的研究方向。

黏土体大量存在于施工周边环境，是性能良好的填充体，从黏土作为矿山采空区充填材料到黏土-水泥浆液的出现及大量应用表明了黏土的广泛适用性。将黏土作为混合浆液中的组成部分[41]，主要优点如下：

a.抗稀释性好，黏土与水作用不易离析，配制成黏土-水泥浆液可降低浆液析水性。

b.流变性好，可控程度高，凝结时间可从几秒到数十分钟。

c.防渗能力强，黏土的渗透性弱，水泥-黏土类浆液是优良的工程防渗材料。

红黏土作为土的种类之一，从开始研究至今已有近50年的历史[42]。在我国，红黏土主要分布在南部地区，其中云贵高原是我国红黏土分布最为广泛的区域之一[43]。红黏土的孔隙较大，且含水量高，因此红黏土的液塑限较高,塑性指数较大。但红黏土的抗渗透性能较好，是优良的防水抗渗添加剂。红黏土的主要矿物成分为具有良好惰性的硅氧四面体和铝氧八面体，对不良环境的抗性强。在红黏土资源丰富的地区，常用红黏土作为工程开挖后采空区的填充材料，如：曲靖花山水库、新平黄草坝水库等均采用红黏土作防渗材料[44-45]。目前，还少有工程将红黏土作为浆液添加材料使用，原因可能是对以红黏土作为水泥掺料的黏土-水泥浆液的性质研究尚不充分，其理论依据落后于工程实践，且国内外尚无统一的配比标准及施工工艺。各种注浆材料的综合技术经济指标的比较结果见表1。

表1 各种注浆材料的综合技术经济指标评分结果[4]

由表1可知，黏土水泥在常用注浆材料中的综合指标评分最高，因此很有必要深入研究红黏土-水泥浆液在工程中的适用性。

3 结语

我国注浆技术在发展过程中已形成了较为完备的理论体系，但在注浆支护材料性能优化、注浆理论与实践相结合等方面仍有很大的提升空间。本文对注浆支护材料的发展及工程常用注浆支护材料进行了概述，对红黏土-水泥浆液的综合性能进行了分析，认为红黏土-水泥浆液是一种极具发展前景的注浆材料。