最新化学灌浆介绍

一. 概述

　　灌浆是把各类工程浆材(悬浮分散颗粒浆或化学真溶液) 通过压力传输系统(泵和传输装置) 压入地层或构筑物的裂隙或缺陷部位，使之固化或凝胶， 从而对地层或构筑物起到加固补强或防渗堵漏作用的一种近代工程技术。 分水泥灌浆和化学灌浆两大类。 水泥灌浆己有163年历史， 化学灌浆也有77年的记录。在现代水电和建筑工程中灌浆技术是不可或缺的。

　　长江科学院(长科院)灌浆专业始建于1958年。40多年来紧密结合长江水利委员会(长江委)承担设计的大中型水电工程项目，围绕三峡工程需要研究解决的各类灌浆课题， 开展科研创新， 逐渐发展壮大。 现己拥有浆材和灌浆技术研究、 设备和仪器开发、 施工组织和管理、 物化和力学分析检测的工程技术力量40余人，约占全院职工的5%。其中教高5人， 高工9人， 博士1人， 硕士10人。 分布在下属的岩基、材料结构、仪噐及自动化三亇研究所和武汉长江工程技术公司之中，已成为水电系统颇具实力的一支灌浆技术研究开发力量. 他们在40多年的灌浆技术研究中,为我国的水利水电事业做出了重要贡献.

　　40多年来长科院在灌浆材料、 设备仪器、 工艺技术上荣获国家和省部级奖7项， 其中全国科学大会奖1项; 湖北 省科学大会奖1项; 水利部科技进步奖5项(二等奖2项， 三等奖1项， 四等奖2项)。 研究发展水泥和化学灌浆材料共20余种， 其中有5种浆材研究成果获奖。开发研制灌浆设备仪器10余项， 其中有5项已产品化，3项获奖。 研究开发灌浆工艺技术10余项， 其中有2项达到国际先进水平。 申报浆材和设备专利3项。 发表灌浆论文100余篇。主编或参编专著、 专辑、 大型丛书、 论文集、 译文集、史 志等正式出版物共10余册。 提出了浆材拮抗理论和潮湿有水面浆材粘接理论。 受水利部委托编写了丙凝和环氧树脂两种化学灌浆施工技术规范(报批稿)。主持全国性灌浆专业会议3次。 长科院现己是中国水利学会地基与基础工程专业委员会副主任委员单位， 化学灌浆分会挂靠单位， 在国内灌浆界享有较高的声誉。

　　多年来,长科院灌浆专业研究开发工作始终贯彻既解决当时长江委承担设计的工程项目灌浆问题，又为三峡工程需要解决的灌浆问题作技术准备。 三峡工程灌浆重大技术课题是: 处理少数规模较大的断层破碎带以提高岩石整体性和力学性能; 改善断层交汇带软弱物质渗透稳定性;提高岩石和混凝土细微裂隙的抗渗性和探索弱风化花岗岩下部可利用性。研究解决这些技术问题对通常的水电建筑工程也有普适性。 通过以下简介， 可以认为我们对这些问题的研究和实践上都做出了重大贡献。

二.灌浆材料的研究发展

　　从20世纪50年代中期成立灌浆专业开始， 浆材研究就分为水泥和化学两大部分。在水泥浆材研究上可概括为六类，即干、湿磨细水泥浆材、外加剂改性水泥浆材、水泥-化学混合浆材、粘土水泥浆材、矾土水泥浆材和水泥锚固浆材， 共有10余种。

　　50年代三峡工程研究初期， 针对断层破碎带和微及弱风化带固结灌浆， 在现场做了525#硅酸盐水泥浆材灌浆试验，当时发现该种浆材灌不进细微裂隙，因此在室内开展了震动磨干磨细水泥浆(比表面8000cm/g) 浆材的研究工作。60年代初丹江口水电工程建设时， 继续针对岩基细微裂隙的处理， 研制了震动磨和雷蒙磨细水泥浆材; 现场试验可灌入0.2mm细缝， 在缝面张开度小的大坝接缝灌浆施工中得到了应用，且 满足设计要求。为了快速堵水, 还研究了两种水泥--化学速凝灌浆材料(水泥水玻璃浆材和丙凝水泥浆材), 并在工程中得到应用.60年代中期乌江渡电站建设时， 针对岩溶现象研究了添加外加剂(塑性剂+表面活性剂) 的 低水灰比(W/C=0.8) 速凝水泥砂浆(S/C≤1) 灌浆材料; 现场试验该浆材流动性好，大于3cm的裂隙水泥砂浆充填密实， 结石强度高，为以后工程采用。80年代初期， 针对葛洲坝17#---21#机组坝段基岩强透水带地下水流速达400m3/d，应用了两种水泥--化学速凝灌浆材料(丙凝水泥浆材和水泥水玻璃浆材)和研究出一种添加速凝剂的普通水泥浆材，解决了上述工程施工问题. 针对万安水电站地下水对水泥帷幕具有溶蚀性，属碳酸型，研究出矾土水泥浆材， 该浆材具有抗酸性侵蚀性。80年代中后期， 为提高万安工程岩石细裂隙的可灌性和帷幕密实性和改进隔河岩水电工程岩溶发育但透水性弱地段帷幕的可灌性，研究出掺膨润土的粘土水泥浆材， 并在万安坝基主帷幕线上进行了施工性现场试验， 效果捡查达到了设计要求。80年代未， 我院与国家建材院协作， 研制出灌浆水泥(干磨细水泥加调节剂)，其最大粒径小于40µm， 平均粒径为7µm， 可灌入0.2mm的裂隙。90年代初，针对即将开工的三峡工程基岩微细裂隙固结灌浆， 用自制的GSM型水泥湿磨机研制出湿磨细水泥灌浆材料。浆材中水泥最大粒径D95<40µm， 平均粒径D50=10µm， 结石强度高， 在解决基岩微细裂隙的固结和帷幕灌浆技术问题上前进了一大步。由于其成夲较干磨细水泥低很多, 现己在三峡和其它水电工程中广泛应用。90年代中后期，对干磨细水泥进一步做了研究， 终因成夲太高， 尚未得到推广应用。90年代末期，配合三峡工程永久船闸高边坡加固，研究出水泥基早强锚固灌浆材料，对三峡高边坡加固工作发挥了良好作用, 已申请了专利。1998年长江中下游特大洪水后， 为建造连续薄层防渗墙， 研究出深层搅拌成墙灌浆材料， 现己在长江堤防隐蔽工程中得到了推广应用。此外， 为地方水电工程和环保工程研究出丙烯酸盐水泥浆材、粘土水泥浆材和水泥水玻璃浆材等,都对解决相关工程灌浆技术难题起到了良好作用。

　　由于悬浮分散颗粒状水泥浆材从理论上讲只能灌入比其粒径大3--5倍以上的缝隙， 就是目前超细水泥充其量也只能灌入0.1mm以上的缝隙。而化学浆材是真溶液， 从理论上讲， 若粘度较小，可灌入任何细缝隙。 因此， 我们灌浆专业成立之初就一手抓水泥浆材及其灌浆技术研究， 另一手抓化学浆材及其灌浆技术的研究。

　　在化学浆材研究上可概括为六类， 即环氧树脂浆材(环氧浆材) 、甲基丙烯酸甲酯浆材(甲凝浆材) 、丙烯酰胺浆材(丙凝浆材) 、聚氨酯浆材(包括油溶性和弹性三种浆材) 、丙烯酸盐浆材和水玻璃浆材(包括酸性水玻璃浆材)， 共有10余种， 现概述如下:

　　50年代末， 我院三峡工程灌浆专业成立初期， 考虑到水泥分散悬浮颗粒浆材灌细微裂隙将会受到，因此在研究细水泥浆材的同时， 又开展了环氧浆材和甲凝浆材研究。 这两类化学浆材都是真溶液， 粘度又小(甲凝粘度甚至比水还小), 分别能灌入0.1mm和0.05mm裂隙，比细水泥浆材更易灌入岩体细微裂隙。60年代为丹江口大坝防渗帷幕研究出丙凝浆材，其粘度与水相当, 所形成的帷幕渗透系数为10-8cm/s,为不透水,在9#-11#坝段等水泥浆材难于灌进的基础防渗中得到了应用, 且获很成功。这是我国用化学灌浆建造大型基础灌浆帷幕的首次工程实践. 其后又在葛洲坝工程坝基主帷幕推广应用. 构筑了8000m的封闭化学帷幕, 并对基岩泥化夹层起到保护作用.与研究丙凝浆材同时还进一步研究了甲凝浆材和研究出用糠醛丙酮做活性稀释剂的改性环氧浆材，甲凝与改性环氧浆材在丹江口工程基础加固和混凝土裂缝补强灌浆中发挥了良好作用。70年代初， 研究出一步法和予聚法两种油溶性聚氨酯液浆材料， 在武钢07工程和一些水电工程防渗和补强加固灌浆中得到应用，起到较好作用。由于上述一系列化学灌浆研究与工程应用成果,1978年我院化学灌浆浆材与工艺荣获全国科学大会奖.70年代末， 为解决葛洲坝水电工程二江泄水闸封闭式护坦伸缩缝止水因施工不当而造成的严重渗漏，根据聚合物弹性理論,设计和研究出弹性聚氨酯灌浆材料， 葛洲坝工程前后两期共用该浆材22T， 灌缝总长1.2万m以上， 使伸缩缝止水达到了设计要求。为此, 弹性聚氨酯灌浆材料及其工艺研究项目经部级鉴定获1984年水利部四等奖. 与此同时， 研究提出潮湿面粘接理論, 据此研制出掺有丙烯酸等亲水剂的改性甲凝浆材， 该浆材可使湿粘接强度提高1倍， 达2.38MPa。 另外改性环氧浆材研究也得到提高.在葛洲坝工程混凝土裂缝补强加固灌浆中, 共耗用上述环氧和甲凝改性浆材浆10.9m3, 灌了814条裂缝, 对该工程混凝土裂缝处理起了良好作用。80年代为解决丙凝防渗浆材的环境污染问题，研究出与丙凝浆材性能相当但毒性比丙凝低得多的丙烯酸盐浆材， 并在万安水电工程帷幕灌浆中做了现场试验，得到了应用， 取得与丙凝浆材相同的防渗效果, 1991年评为能源部电力科技成果四等奖。90年代初，为隔河岩工程和三峡工程研究出非糠醛丙酮活性稀释剂的环氧浆材。 随后应用拮抗理論为三峡工程化学帷幕灌浆研究出无毒型丙烯酸盐浆材， 并使之实现工业生产。90年代末期，为解决三峡工程基岩断层破碎带交汇区及岩石细微裂隙加固补强技术问题， 在原有改性环氧浆材研究的基础上，应用表面活性理論, 研究出具有很高渗透性的CW环氧系列浆材. 该浆材粘度仅10MPa.s(20 0C),在5MPa压力下可渗入0.001mm的细微裂隙.灌入F215断层变形模量为0.2-0.5GPa的疏松构造带, 可使变形模量提高到8GPa以上, 这使三峡工程灌浆技术难题得到基夲解决， 现已在三峡工程中推广使用。 此外， 还为地方环境工程研究出SB酸性水玻璃浆材， 己在有关工程中得到了应用，取得成效。

　　通过上述一系列水电工程建设的研究应用实践， 最终我院给正在建设中的三峡工程提供了湿磨细水泥、CW环氧、丙烯酸盐、改性甲凝、弹性聚氨酯、水玻璃和水泥基锚固灌浆等7种浆材，可供工程在固结补强、防渗堵漏、伸缩缝止水和岩石锚固等各项施工中选用。

三.灌浆设备仪噐的开发研制

　　灌浆设备仪器先后开发研制了10余种， 都是紧密结合工程需要而进行研制的， 且满足了浆材性能要求。1978年改革开放以来，特别是市场经济发展后， 促使灌浆设备仪器的开发研制迅速走上产品化。 这些设备仪器也可分水泥灌浆和化学灌浆设备两大类， 重要的有以下几种。

　　水泥灌浆设备仪器60年代末虽有研制，但较重要的设备仪器均在80年代之后. 如80年代中与长江委陆水工程管理局自动化设备厂等单位合作使之形成产品的GZJ水泥高速搅拌制浆机，其转速可达1440r/min， 可使水泥颗粒悬浮分散均匀，并使水泥结石强度提高。80年代末研制出GSM系列水泥高速湿磨机， 其可使水泥颗粒平均细度达10µm，可使水泥浆灌入0.2mm的细裂隙中， 并且结石强度也提高。该设备1993年经部级鉴定为国际先进水平,获1994年部科技进步二等奖。 其在获奖之前己实现产品化，至今己生产了100余台，且 很受施工单位欢迎。90年代初研制出GJY系列水泥灌浆自动记录仪， 使水泥灌浆记录实现了全电脑自动控制， 从而改变了人工记录不及时、不准确，有时甚至不真实的状况。 该记录议经部级鉴定为国际先进水平, 并于1992年实现产品化， 现己售出200余台。1995年荣获长江委科技进步一等奖。90年代末又研制出CKG水泥高速搅拌制浆机，它是GJZ制浆机的改进型，已在三峡工地试用。 现在水泥浆材--水泥高速搅拌制浆机--水泥高速湿磨机--水泥灌浆自动记录仪业已形成一条龙、一整套先进的水泥灌浆设备，己在三峡和其它水电建设工程中起到了显著作用。1998年长江特大洪水后， 我们与武汉工程机械研究所共同研制出PH—5G系列双动力多头深层搅拌灌浆桩机， 它克服了现常用的单头和双头灌浆桩机的不足，可在土层中形成一道连续的薄层防渗墙; 其配套的垂直度、桩位监控仪及自动记录仪使桩位偏差、墙体偏斜、深度和水泥浆用量等参数可一目了然。

　　化学灌浆设备仪器有70年代研制的便携式手揺泵; 结合油溶性聚氨酯浆材开发应用所研制的聚氨酯灌浆阻塞器; 为葛洲坝工程化学灌浆需要而研制的HGB化学灌浆稳压齿轮泵，曾进行过批量生产。90年代末， 为解决三峡工程断层破碎带交汇区和软弱泥化夹层及基岩细微裂隙采用CW环氧浆材进行长时间高压持续灌浆的需要， 研制出HGB新系列稳压调速变量化灌泵。该泵可在10MPa以内的压力下连续作业72h以上， 灌浆量可在0—20L/min内稳压定量或变量灌注。 为使在洞内进行化学灌浆者免受有机溶剂污染之害，又配套研制出密闭储输浆设备。该泵与密闭设备在三峡工程F215和F1096大断层的施工处理中起到了很好的作用， 现己能批量生产。 可以看出， 目前在化灌浆材--化学灌浆泵--化灌浆材密闭储输浆装置--化学灌浆自动记录仪一条龙、一整套先进浆材和设备仪器中独缺化学灌浆自动记录仪. 我院现己立项, 正在研制之，不久可望问世。

四.灌浆工艺技术的开发研究

　　多年来我们结合工程的水泥和化学灌浆工作， 开发研究了10余种灌浆工艺技术。 这就是高速搅拌制水泥浆材技术; 湿磨水泥灌浆技术; 岩溶区大渗漏灌浆技术; 伸缩缝止水灌浆技术; 混凝土裂缝灌浆技术; 深层搅拌灌浆成墙技术; 化学灌浆技术;水泥或化学浆材高压灌浆技术; 水泥--化学复合灌浆技术等。这些工艺技术都在目前的水电工程上得到应用。

　　特别是90年代中， 根据几十年工程灌浆经验和吸取兄弟单位的经验,结合三峡工程、堤防工程需要开发研究出三种先进的灌浆技术和工艺。

　　1.湿磨细水泥浆材高压灌浆技术以及小口径钻孔、孔口封闭、自上而下分段循环高压灌浆工艺。 这套先进的灌浆技术和工艺,吸收了兄弟单位的经验,包含着对若干传统灌浆工艺的重大革新。 小口径钻孔提高了工效。 孔口封闭， 用孔口封闭器代替传统的阻塞器， 实现了无阻塞分段灌浆，并可把灌浆压力提高到任何允许的设计压力，使水泥浆在P=5.0MPa高压下1h就可终凝.W/C=3:1的湿磨细水泥浆28d的结石强度达105MPa， 抗渗强度达3.0MPa。这套工艺技术己在三峡和其它水电工程处理复杂地基基础灌浆和帷幕灌浆中推广应用， 达到了国际先进水平。

　　2.水泥--化学复合灌浆技术。水泥--化学复合灌浆是指在水泥灌浆的基础上再进行化学灌浆的灌浆技术。这项技术和配套工艺是在过去的工程经验和吸收了兄弟单位经验基础上发展起来的一项先进研究成果。 这套技术是先用5—6MPa的高压， 按上述水泥高压灌浆工艺技术先灌湿磨细水泥浆。化学灌浆在水泥灌浆完成后才进行， 采用孔口封闭， 自上而下分段高压填压灌浆工艺， 最大压力可达5.0MPa， 浆材采用CW环氧浆材(现场试验也用过中华798环氧浆材)。使用这项工艺技术比单纯用水泥高压灌浆的好处是,所处理的断层破碎带或软弱夹层弹模显著提高， 而且可将水泥浆充填不进的微细裂隙用化学浆充填， 从而使岩石的完整性、渗透稳定性和抗渗性提高。三峡F215和F1096大断层破碎带均用这项技术进行灌浆处理， 满足了设计要求。 2000年12月经专家评审认为这项技术达到国际先进水平。

　　3.双动力深层搅拌灌浆成墙技术。 即采用两台三相电机为主动驱动钻杆， 带动成墙器使钻头对土体进行切割搅拌， 同时灌入水泥浆材，使土体形成整体连续、均匀的防渗墙体的搅拌灌浆成墙技术。 适用在土层至砂砾层等地基防渗及加固工程中应用。可在堤防中形成一道深22m、厚19—45cm的连续防渗墙，渗透系数可达10-6 cm/s以下， 墙体抗压强>1.0MPa， 己在长江大堤荆南堤段上应用成功， 满足了堤防加固防渗的要求， 现己申请专利。

五.灌浆效果检测    

　　评价灌浆是否成功不只是看所采用的浆材和工艺技术好坏, 而主要是看最后的灌浆效果检测. 多年来我们用于效果检测的手段也在不断的进步和发展. 最初的检测手段主要是靠灌浆前后的压水试验, 该法目前仍是最基夲的灌浆效果检测方式. 随后又有钻孔取样, 测试样品的弹模、劈裂抗拉强度和抗渗系数等.70年代我们又发展了声波检测技术, 它能较准確测出裂缝宽、长和深度及充填概况. 同时现场原位弹模测试和地应力测量也得到广泛应用.80年代又发展了小口径金刚钻快速取样检测和透射电镜、扫描电镜、透反射偏光显微镜、X射线衍射仪和能谱仪及差热分析等现代的理化分析检测手段, 能定量分析判断出浆材究竟灌入了多细的裂隙和充填程度.90年代又在上述各种检测手段的基础上, 发展起灌浆效果综合检验评估技术, 并在隔河岩、三峡工程上广泛应用, 对工程灌浆起到了一定的指导作用.

　　在多年灌浆工程实踐和浆材、设备、技术以及检测发展基础上, 我院灌浆监理队伍也逐渐成长起来, 现己在三峡工程和长江堤防隐蔽工程等水电工程灌浆项目和资询服务中发挥了技术骨干作用.

六.其它水工材料的开发研究

　　长科院灌浆专业技术力量除在上述灌浆材料、设备仪噐和工艺技术研究上做出贡献以外， 还在锚喷支护和水工修补材料上做了许多有意义的研究工作，并取得了实效。 在研究开发出的10余项这类材料中， 有含硅粉和丙烯酸盐的水泥锚喷支护材料， 它对隔河岩工程导流洞围岩开挖锚喷支护工作起了保证作用;水下不分散快硬混凝土(砂浆)，它对万安工程泄水闸中隔墙水毁修复水下工程作出了一定的贡献; CKB聚合物水泥砂浆， 它对高坝洲工程碾压混凝土坝段层面缝防渗达到设计要求起了重要作用;可用于混凝土面防渗的水乳型环氧砂浆; 有能防混凝土炭化和提高混凝土防渗功能的CKM水泥密实剂;树脂混凝土(砂浆)， 它在1981年葛洲坝二江泄水闸闸室底板冲磨破坏修复工程中使用的10种材料相比较中抗冲磨效果最好; YHR抗气蚀涂层材料， 它在葛洲坝三江两扇反弧门金属面板气蚀破坏修复中显示了卓越的性能， 保持10余年不剥落， 不气蚀。 以上这些研究应用成果对水电和建筑工程的局部修复可以起到良好作用。

七.灌浆与环境保护

　　灌浆，尤其是化学灌浆常与一些有害化合物打交道，同时灌浆现场周围环境会受到一定的影响, 因此,应高度重视环境保护工作，避免因研究不当或工作不慎造成环境污染， 危害人类或其它生物的健康和生存发展。 根据我院灌浆专业多年的经验， 主要值得注意的问题是:

　　1.由于水泥浆材一般能满足设计要求， 且造价较低，就其浆液成分分析有毒害物质含量可以忽略， 因此遇到工程需要进行灌浆处理的地方应首先考虑选用水泥类浆材灌浆。

　　2.化学浆材虽比水泥浆材可灌性好， 还具有一些比水泥浆材更好的性能，但造价较高， 其浆液成分中一般都有含量不等的有害化合物， 处理不好常会造成不同程度的环境污染。 因此， 在设计要求的前提下我们才考虑选用， 而且要选用化学浆材首先应选用有害物含量低，能尽量避免造成环境污染的一些化学浆材。

　　3.化学浆材应严格控制使用在非用不可或别无选择的工程关键部位，且用量应尽可能少， 不要任意扩大使用范围。

　　4.对于浆材组分中含有毒性较大化合物的化学浆材， 建议应立即停用并尽快寻找代用浆材， 以免其污染环境， 造成人畜伤害。

八.近期发展展望

　　2000年12月初在三峡召开的全国第八届化学灌浆学术交流会上， 中国工程院院士、长江委总工程师郑守仁曾应邀在会上对灌浆专业的研究发展提出了要求。他讲话大意是,研究灌浆要考虑环保， 要根据不同的工程对象和情况研究不同的浆材、设备和工艺技术， 以保证工程灌浆中的环保性、耐久性和适应性。 他的讲话很有针对性，对灌浆专业今后的发展具有指导意义。 目前我院正处于科研改革时期， 据此,对我院灌浆专业今后的发展提出以下几点建议:

　　1.尽快把分布在三个研究所和一个公司的40余名灌浆专业技术力量有机组合起来，以充分发挥市场机制作用， 争取出更多成果和创更大效益。

　　2.科研成果转化成产品的工作必须加强。 现已产品化的浆材、设备仪器和工艺技术要进一步改进、完善和提高，扩大市场占有率， 搞好售后服务工作。 三峡等工程需要或我们己研究成熟而尚未实现产品化的浆材、设备和技术要尽快开发研究并使之产品化或形成专利。

　　3.加大绿色环保无公害浆材研究的投入。 探索纳米等材料引入水泥或化学浆材,使之显著改善和提高浆材性能的研究工作。

　　4.根据防洪和病险水库整治工作需要， 组建一支快速、机动、灵活的抢险整治专业小分队，引进或开发研究出合适的浆材、设备，开展必要的演练， 以对今后我国江河水库抢险整治工作做出更大贡献。