注浆技术的发展

发展现状与展望

王元光

黄文新

(华南理工大学材料科学与工程学院5100)

(广州市地下铁道总公司)

摘要:灌浆工法淮为防渗补强加固的一种重要手段真瘤浆材料起着至关重要的作月。本文对矛譬

浆材料片夕种类竺及其逆用性能作了详细片夕描述，伺刀吮对令后劳容蒯夕发暴方沟提功了产履望。

关键谕矛蜜浆灌浆材料

注浆法出现于1g世纪初，注浆工法在水利水电工程中

多称灌浆法。采用灌浆技术以解决土建工程的有关技术难

题。至今已有一个世纪的历史。浆液注入到地层中去的方

式是该工法的关键。随着注浆技术的广泛应用，注浆材料

得到了较大的发展。注浆材料从最早的石灰和孰土、水泥发展到今天的水泥一一水玻璃浆液、各种化学浆液。而注

浆材料的开发与应用，又反过来推动了注浆工法在更广泛

的领域内的应用。通常说的注浆材料是指浆液中的主剂。

注浆材料必须是能固化的材料。习惯上把注浆原材料分为

粒状材料和化学材料两个系统。而浆液是同主剂、…固化剂，

以及溶剂、助剂经混合后所配成的液体，分为溶液型和悬

浊液型两大类。

1灌浆材料的种类及其特点

1.1溶液型浆材

溶液型浆材又叫化学浆材，可分为水玻璃类、木质素

类灌浆材料、丙烯酞胺类灌浆材料、丙烯酸盐类灌浆材料、

聚氨酷类灌浆材料、环氧树脂灌浆材料、甲基丙烯酸醋类

灌浆材料、服醛树脂类、其它类化学灌浆材料。

1.1.1水玻璃类灌浆材料

水玻璃(硅酸钠)是化学灌浆中最早使用的一种材料，

水玻璃类浆液是由水玻璃溶液和相应的胶凝剂组成。其无

机胶凝剂有氯化钙、铝酸钠、氟硅酸、磷酸、草酸、硫酸

铝、混合钠剂等，有机胶凝剂有醋酸、酸性有机盐、有机

酸醋、酉荃类(乙二醛类)、聚乙烯醇等。二氧化碳亦可与水

璃溶液在被灌体内生成硅酸凝胶。

灌浆用水玻璃模数在2.4一3.4之间为宜，水玻璃溶液，的浓度在35一45。日e’为宜。

水玻璃类浆材主要特点及性能:

(1)胶凝时间从瞬间一24小时不等;

(2)固砂体强度可达6Mpd;

(3)粘度从1.2一200只10一3尸。

·

s;

(4)可灌性好，渗透系数可达10一5~10一6cm/s，可灌入

0.lmm以上的土层。

(5)毒副作用小，造价低。

1.1，2木质素类浆液

木质素类浆液由纸浆废液、胶凝剂和促凝剂等组成。

木质素类浆液包括铬木素和硫木素浆液两种。铬木素浆液

的固化剂是重铬酸钠。但重铬酸钠毒性大难以大规模使

用。硫木素浆液是在铬木素浆液的基础上发展起来的，是

采用过硫酸按完全代替重铬酸钠，使之成为低毒、无毒木

质素浆液。是一种很有发展前途的注浆材料。

浆液及胶凝体主要性能特点:

(1)浆液的粘度较小(2一5x10一3尸d

·

s)，可灌性好，

渗透系数为10一“一10一4c而s的基础，均可适用于灌注。

(2)防渗性能好，用铬木质素浆液处理后的基础，其

渗透系数可达10一7一10一日em/s。

(3)浆液的胶凝时间可在几十秒至几十分钟之间调节。

(4)固沙体强度在0.4MP。以上。

(5)原料来源广，价格低廉。

1.1.3丙烯酞胺类浆液(丙凝浆液)

丙烯酞胺类浆液，国内又称丙凝浆液，是以丙烯酸胺

为主剂，和其他交联剂，促凝剂和引发剂等材料所组成。常

用的交联剂为阶闪’一亚甲基双丙烯酞胺(简称附，引发剂

为过硫酸按[(NH4)252。刹常用的促凝剂有刀一二甲基丙睛

[(C日3)2闪C日ZNC日ZC冈]和三乙醇胺[N(CZ日40日)3]，缓凝剂一般用

铁(称简KF)。

浆液及凝胶体的主要特点:

(1)浆液粘度小。与水接近，常温标准浓度下勤度为

1.2又10一3尸d

·

S。

(2)可灌性良好，浆液能渗入粒径小于0

.

01毫米的土

层或渗透系数大于10一弋m/s的被灌体。

(3)胶凝时间可准确地控制在几秒至数十分钟之间。

因此既可用于堵住大流量的集中涌水，也可用于细微裂隙的防渗处理。

(4)凝胶体的渗透系数为10一9一10一10em/s。固砂体的渗

透系数可达10一SCm/s，可以认为是不透水的。

(5)凝胶体的抗压强度较低，约为0.2一O.SM尸d，在较

大裂隙内的凝胶体易被挤出，因此仅用于防渗注浆。

(6)浆液及凝胶体耐久性较差，且有一定毒性。

(7)丙烯酞胺浆液价格较贵，材料来源也较小。

(8)丙凝浆液与铁质易起化学作用，具有腐蚀性。

1.1.4丙烯酸盐类浆液

丙烯酸盐是由丙烯酸和金属组成的有机电解质。加入

交联剂后就生成不溶于水的聚合物。丙烯酸盐浆液是由一

定浓度的单体、交联剂、引发剂、缓凝剂等组成的水溶液。

常用的交联剂多为阶闪’一亚甲基双丙烯酚胺和六氢一1，3，5

三丙烯酞基一均三口秦，丙烯酸盐常采用氧化还原引发体

系，通过游离基聚合反应生成不溶于水的含水凝胶。

浆液和凝胶体主要性能:

(1)聚合反应开始前，粘度基本保持不变。聚合反应

一旦开始，粘度急剧变化，具有很快达到最终凝胶的性能。

(2)浆液可灌性好丙烯酸盐浆液更浸润土粒，对地

基内的微细孔隙有较好的可灌性。

(3)浆液胶凝时间可在数秒到数小时内控制。

(4)凝胶体的渗透系数在10一7一10一10Cm/s之间，固砂体

的渗透系数在10一5一10一sem/s之I’@。

(5)固砂体抗压强度在0.3一IM尸口之间。

1.1.5聚氨酉旨类浆液

聚氨酷类浆液分非不溶性聚氨醋浆液(简称尸M)和水

溶性聚氨醋类浆液(简称S尸M)。

(1)非水溶性聚氨醋类浆液非水溶性聚氨醋是由多异

氰酸醋和多轻基化合物聚合而成。不溶于水只溶于有机

溶剂中。其浆液和凝胶体主要性能如下:

①浆液相对密度1.036~1.125，是非水溶性的，遇水

开始反应，因此不易被地下水冲稀，可用于动水条件下堵

漏，封堵各种形式的地下、地面及管道漏水，止水效果好。

②浆液遇水反应时，放出C。:气体，使浆液产生膨胀，

向四周渗透扩散，直到反应结束时止。由于膨胀而产生了二

次扩散现象，因而有较大的扩散半径和凝固体积比。

③浆液孔度低，可注性能好。可与水泥注浆相结合; 采用单液系统注浆，工艺设备简单。

④固砂体抗压强度高，一般在0.6一IMP。，其凝胶体

抗压强度可达3MP。，有时可作为补强材料。

⑤抗渗性能好，渗透系数可达10七一10‘cm/s。

⑥浆液遇水开始反应，所以受外部水或水蒸气影响较

大，在存放或施工时应防止外部水进入浆液中。

⑦不污染环境。

⑧注浆后，管道、设备需用丙酮、二甲苯等溶剂清洗。

(2)水溶性聚氨醋类浆液水溶性聚氨醋浆液是由预聚

体和其他外加剂所组成。其与PN的主要区别在于S阴所用

的聚醚是环氧乙烷聚合物，而PH所用的聚醚是环氧丙烷聚

合物，前者具有亲水性。

浆液与凝胶体主要性能和特点:

①浆液能均匀地分散或溶解在大量水中，凝胶后形成

包有大量水的弹性体。

②浆液相对密度1.10，勤度0.IP。·s左右。

③凝胶时间在数秒到数十分钟内可调。

④固砂体抗压强度为0.1一SMP。，凝胶体强度可达

ZMP口。

⑤可用于水工建筑物及地下工程的防渗堵漏。

1.1.6环氧树脂类浆液

环氧树脂具有强度高，粘结力强，收缩小，化学稳定

性好等特点。其粘结力和内聚力均大于混凝土，因此对于

恢复结构的整体性，能起很好的作用。但其浆液钻度大、可

注性小、憎水性强、与潮湿裂缝勤结力差。

1.1.7甲基丙烯酸醋类浆液(甲凝)

甲基丙烯酸醋类浆液是一种化学补强灌浆材料‘其浆

液和凝胶体主要性能特点如下:

(1)勃度低，在25℃时仅为5.7x10叩。·S。

(2)可灌性好，可注入0.05毫米的细微裂缝。在0.2-

0.3MP。压力下，浆液可渗入混凝土内4一6厘米。

(3)聚合后的强度和茹结力较高。

(4)甲凝为憎水材料，液态时怕水，在注浆前，必须

用风吹干裂缝和在浆液内加入一定的阻聚剂等。

1.1.8服醛树脂浆液

眠醛树脂类浆液是以眠醛树脂或服一甲醛为主剂，加

入一定量的酸性固化剂所组成的浆液。眠醛树脂浆液有眠醛树脂浆液、服一甲醛浆液、改性服醛树脂浆液。

眠醛树脂浆液主要特点:

(1)粘度低，在10书尸。·s范围内。可实现单液或双液

注浆。

(2)凝胶时间在十几秒到几十分钟内可调。

(3)抗压强度在4一SM尸。之间。

(4)固砂体抗渗系数为10一10一SCm/S

1.1.9丙强浆液

丙强浆液是在丙凝浆液基础上发展起来的，它主要是

以丙凝与眠醛树脂作为注浆材料的一种化学注浆浆液。

丙凝浆液主要性能特点:

(l)浆液相对密度为1.19一1.20。

(2)浆液粘度为(5~6)X10书尸价弘

(3)胶凝时间在数分钟到数小时内可调·

(4)固砂体渗透系数可达10一叱m/s。抗压强度可达

0.17MPdO

2悬浊液型浆材

悬浊液型浆材是指固体颗粒悬浮在水中的注浆材料。

主要包括纯水泥浆、水泥私土浆、水泥水玻璃浆等。

2.1水泥浆液

注浆工程中最常用的是普通硅酸盐水泥。水泥细度是

决定水泥性能的重要因素之一。纯水泥浆的主要性能如

下:

(1)材料来源广泛，成本较低，无毒性，施工工艺简

单方便。

(2)钻度随水灰比而变，可小至165，大至1395。

(3)凝结时间随水灰比的增加而延长，从数小时到数

十小时。

(4)抗压强度可达22.0两P。

(5)结石率可达g吮·

(6)稳定性差，易沉淀析水，在地下水流速较大的条

件下注浆时，浆液易受水的冲刷和稀释。

(7)为改善水泥浆性能，可掺入掺合料如乳性土、水

玻璃、粉煤灰等。

2.2水泥猫土类浆液

水泥钻土浆液是由水泥勒土按一定比例混合而成。作为加固注浆时，劲土掺量一般为5%、巧%。由于勃土的分散

性高，亲水‘!生好，因而沉淀析水性较小。水泥勤土浆液的

稳定性大大提高。

浆液凝胶体主要性能如下:

(1)劲度随水灰比及乳土用量而变，从O一655之间可调。

(2)凝结时间较长。

(3)结石率比纯水泥浆液高，可达100%。

(4)抗压强度可达13.6M尸。

2.3勃土类浆液

勤土来源广泛，成本低廉。多用于病险土工堤坝的防渗

注浆工程。为改善勤土类浆液性能而研制了勤土水玻璃浆

液。勃土40阶60%，水玻璃为孔土的10%、15%，熟石灰为豺

土重量的1阶3%。其余为水。浆液的主要性能为:凝结时间

为几十秒至几十分钟，孔度为20一305，渗透系数为10一5-

10一6Cm/S。

2.4水泥水玻璃类浆液

水泥水玻璃浆液亦称Cs浆液，是以水泥和水玻璃为主

剂，两者按一定的比例采用双液方式流入，必要时加入速

凝剂或缓凝剂所组成的注浆材料。它克服了单液水泥浆的

凝结时间长且不能控制、结石率低等缺点提高了水泥注

浆的效果扩大了水泥注浆的适用范围。可用于防渗回固。

水泥水玻璃浆液的特点:

(1)浆液凝胶时间可控制在几秒到几十分钟范围内;

(2)波美度越小，胶凝越快;水玻璃掺量越少，胶凝

越快;

(3)结石体抗压强度较高，可达10~ZOM尸尔结石率

可达100笼。

(4)结石体渗透系数为10一3cm/s;

(5)可用于裂隙为O.ZTnrn以上的岩体或粒径为lm以上的砂层;

(6)材料来源丰富，价格较低廉;

(7)对环境及地下水无毒性污染，但有冈。O日碱溶出

对皮肤有腐蚀’}生;

(8)结石体易粉化，有碱溶出，化学结构不稳定。

2.5微细水泥浆液

微细水泥浆液又叫毗浆液，其平均粒径为4刀m。最

大粒径为10召m。这个特性使毗浆液能够渗入渗透系数为10名一10一4CmlS的细砂层和岩石的细裂隙中。

微细水泥浆液及结石体的主要性能特点:

(l)浆液的凝结时间可以用水玻璃在205至几分钟的

范围内调节。

(2)结石体抗压强度高，可达25MP币固砂强度可高

达62MPd。

(3)可灌性强，能注入0.1一O、Zm的细砂中。

(4)对于1:1的浆液，浆液析水率<砒，析水历时2h

以上，稳定性大大提高。

(5)具有良好的工作环境，无毒，结石具有较高的耐

久性。对裂缝中的钢筋无腐蚀。对裂隙的湿度不敏感。

(6)固砂体渗透系数可达1.0x10芍cm/so

3灌浆材料的发展方向

传统的水泥和勤土类颗粒材料由于粒度大，可灌性低，

难以满足各种地层类型的不同要求。传统的水玻璃类灌浆

材料固结强底低，且生成的凝胶产物对环境有一定的污

染。目前使用的高分子化学浆材施工成本较高，在经济性

及耐久性方面使用其难以大量使用。且都有一定程度的毒

性，易污染环境并危及人的身体健康。郑守仁院士指出:

灌浆材料的环保问题、耐久性问题以及不适应不同环境开

发新品种材料是今后灌浆材料研究的方向。因此寻求渗透

性强、可注性好、无污染、固结体强度较高、凝胶时间易

于控制、价格便宜和施工方便等综合性能指标高及成本较

低的绿色新型灌浆材料是今后材料学界和工程界研究开发

的共同课题。据此，笔者认为新型无机胶凝材料的研究开

发及现有粒状材料的细化是今后注浆材料的发展方向。