無機灌漿材料應用技術研究

方　喬　高莎莎　方曉填（廣州大學土木工程學院）

?

無機灌漿材料應用技術研究

方喬高莎莎方曉填
（廣州大學土木工程學院）

【摘要】無機灌漿材料因其高性能、無污染、低成本等優勢廣泛應用于橋梁、礦井、隧道、大壩等建筑工程中。但水泥基灌漿材料本身還存在流動性差、后期倒縮、與基體粘結力不夠等一些問題。本文結合國內外現狀分析了無機灌漿料的現有問題并提出了擬解決方案，推動無機灌漿行業的進一步發展。

【關鍵詞】無機灌漿材料；建筑工程；水泥基；無機灌漿技術

1　前言

早在50年代灌漿技術就已經出現，數百年來灌漿技術越來越成熟，廣泛應用于地基處理、結構加固和建筑修補等方面。灌漿技術逐步成為一種有效且不可缺少的工程地質災害防治措施，在灌漿技術得到了廣泛運用和較大發展的同時，灌漿技術中的核心—灌漿材料的發展也日益加快。［1］無機灌漿材料因其高性能、無污染、低成本等優勢，成為大多數工程處理的首選材料。目前使用的普通水泥基灌漿材料還存在一些問題，如流動性差、后期倒縮、與基體粘結力不夠等。流動性差，灌漿料無法自流平，需要二次灌注，費工費力。體積收縮會產生微裂紋，降低砂漿強度，影響基材本身的力學性能。與基體粘結力不夠導致基材與灌漿料之間不密貼，強度發展慢，甚至導致灌漿料從基礎中脫落，影響使用壽命。實際工程中遇到的問題更多，環境、氣候、降水量等都會影響灌漿料的性能，從無機灌漿料的現狀分析，目前的無機灌漿材料很難滿足一些要求較高的特殊工程。社會的發展使人們的安全意識逐漸提高，對灌漿質量的要求更是一大挑戰。因此，我們需要提高無機灌漿料的流動性、增大其早期強度、減少后期收縮、增強材料與基體的粘結力。

2　國內外研究現狀

灌漿材料目前有固粒灌漿材料、化學灌漿材料和精細礦物灌漿材料三類。本文主要分析水泥漿類灌漿料（固粒灌漿材料的一種），這也是迄今為止運用最為廣泛的一種灌漿材料。化學灌漿材料有流動性好、能灌入細微的縫隙中、可調節凝結時間等優點，但對環境有污染，不環保，所以在灌漿行業有明顯的劣勢。精細礦物灌漿材料作為一類新型灌漿材料，對一些關鍵性能如漿液性能、固結性能、長期耐久性等都有很大的突破。與此同時，成本方面也有所提高，結合經濟、環保的原則考慮無機灌漿材料在今后的發展前景很廣闊。

2.1國外研究現狀

美國是無機灌漿材料的起源地，最早是為了加固軍事設施而研制，具有高強、快凝等性能。早在1995年人們就意識到化學灌漿對環境的污染，德國的P.Noske將超細水泥制成懸浮液應用于巖土灌漿工程來替代化學灌漿材料。［2］加拿大的K.Salen和.TMirzx指出200年以來灌漿漿液的特性己發生很大變化，由簡單泥漿懸浮液到水泥漿懸浮液、化學漿液、超細水泥新品種。對于有特殊要求的灌漿工程，如浮動裂隙、低溫條件下工作，則推薦使用超細水泥。［3］M.Jamal Shannag通過試驗配制出摻加了天然火山灰、硅灰、粒化高爐礦渣和粉煤灰等礦物摻合料和超塑化劑的具有高流動性、高抗滲性、高強度、抗侵蝕性、抗凍耐久性、體積穩定等性能的水泥基灌漿材料。［4］印度也有人研究過超早強的復合水泥體系，在普通硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥復配的基礎上，添加一些外摻料，這種粉料在15分鐘內即可完成終凝，1h抗壓強度為10MPa，2h可達到20MPa。B.elekolu和B.Baradan等人在水泥基灌漿料中加入超細石灰粉進行試驗，試驗結果表明加了石灰石粉的灌漿材料，可以提高結構的密實度，從而起到改善漿體硬化強度和耐久性的作用。［5］二十世紀八十年代以后，由于日本福岡化學灌漿中毒事故，無機灌漿料又進入了一輪新的快速發展時期。在歐美、日本等西方發達國家中，產生了一大批研究和灌漿施工技術實力強大的科研院所和公司。他們每年都在世界各地舉辦與灌漿技術相關的各類學術交流活動，各科研院所通力合作為灌漿技術的發展做出了巨大的貢獻。

2.2國內研究現狀

我國灌漿技術起步較晚，早前一直研究并效仿國外灌漿技術。1995年以前我國主要將灌漿料應用于大壩工程，后期才用于基礎加固。直到1989年才由南京水利科學研究院的胡玉初、費玉琴等人第一次明確的分析了無機灌漿料的研究及運用，這為后來我國無機灌漿料行業的崛起和發展奠定了基礎。他們通過實驗分析了膨脹劑、養護條件、水泥用量對灌漿料膨脹率的影響。［6］1991年水利水電科學研究院的張金接、劉嘉材提出水灰比不超過0.7的低含水量穩定性水泥漿體的灌漿性能，只能對裂隙寬度大于0.15mm的裂縫進行灌注。［7］1993張金接又結合試驗成果對漿體在裂隙中的運動規律進行了理論分析并討論了對穩定性水泥漿體的流動能力（包括漿體的流動性和流動性維持能力）。［8］1996年，中山市全祿水廠供水管道開始采用無機灌漿技術對基礎進行加固處理。［9］之后無機灌漿料開始應用于地基加固等其他工程，打破傳統的大壩工程。2000年以后我國灌漿料行業飛速發展，水利部小浪底水利樞紐工程建設管理局的曹恒祥和殷保合結合理論與實際分析了超細水泥灌漿漿液組成材料和特性配置出用于裂縫修補與加固的漿液；并且結合小浪底工程深入分析了國外超細水泥灌漿技術的應用情況。研制出與國外產品性能相接近的超細水泥灌漿料。［10］這是我國灌漿技術一個質的飛越，從此國內無機灌漿技術水平已經與國外水平并列。濟南大學材料科學與工程學院的杜紀鋒，葉正茂等人在硫鋁酸鹽水泥和砂中摻入粉煤灰、減水劑配制出具有高流動性的硫鋁酸鹽水泥基灌漿料，表現出良好的力學性能，微膨脹、自流平、快硬早強。［11］重慶大學材料科學與工程學院的吳芳和劉小兵采用硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥及二水石膏三種膠凝材料復配出具有早強、高強、微膨脹、大流動性水泥基無收縮灌漿材料。［12］河北聯合大學建筑工程學院韓佃利等人少摻量的硅灰能提高水泥基灌漿料的流動性和抗壓抗折強度，還能改善砂漿的表面狀態減少氣泡的產生。當硅灰摻量大于10%時對砂漿的抗壓抗折反倒有不利影響。［13］

3　面臨問題及擬解決方法

⑴用水量的控制。現場施工時，用水量低于規定值時流動性不夠，用水量大于規定值時，會發生泌水、離析、強度不夠等問題，所以現場水泥基灌漿材料的流動性難以控制，達不到預期要求。

利用顆粒級配技術、礦物減水技術和有機減水劑復合，通過不斷試驗調整無機灌漿材料中水泥與石英砂的顆粒級配。解決水泥基灌漿料拌合物流動性能差的問題，從而歸納出級配與流動性之間的規律，同時加入減水劑，降低水灰比。加入一定量的粉煤灰、礦渣、鋼渣等工業廢料，減少水泥用量的同時變廢為寶，起到節能環保的作用，降低成本、減少收縮［14］。但加入粉煤灰等廢料的同時需要加大拌合水的用量，因為粉料越細需水量越大，而且粉煤灰的二次水化也需要一定量的水。

⑵早期強度低。強度對于水泥砂漿來說是個致命的問題。早期強度高有利于工程的提前竣工，砂漿一般28天性能達到穩定，而施工現場為了節省工期一般養護不了28天就進行下一步施工。

普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的復合，可以提高硬化漿體的密實度，顯著提高材料的早期強度。需要注意的是，硫鋁酸鹽水泥的摻入應該少于普通硅酸鹽水泥的摻量，因為它會與硅酸鹽水泥發生閃凝反應，或者復配緩凝劑，延長初凝時間，增大早期強度；更為直接的方法就是摻入早強劑，增大灌漿料的早期強度。

⑶收縮開裂。漿體在水化過程中及硬化以后會產生不同程度的收縮，不能精確控制產品的收縮量，導致膨脹不穩定，會產生微裂縫，強度下降、影響使用。

灌漿料的體積收縮主要由：⑴水分蒸發引起的失水收縮；⑵溫度的變化，如氣溫升高，受熱膨脹；溫度降低，受凍收縮；⑶水泥水化后固相體積大于水化前固相體積引起的自收縮。［15］利用均勻設計等實驗方法對所獲得的砂粉配方進行優化，并且向其中引入適當的外加劑，從而獲得性能穩定、收縮較小的水泥基灌漿料配方。解決膨脹補償誤差大，后期體積倒縮等問題。攪拌過程中，攪拌均勻后立即成型，過度攪拌對硬化和膨脹都有不利影響。

⑷水泥基漿料與所接觸的基質之間的親和性不足，導致硬化后的灌漿料與基體粘結強度不高，達不到加固修補的作用效果。

加入可再分散乳膠粉進行界面活化，提高水泥基漿料與所接觸的基質之間的親和性，提高漿料對基質的潤濕能力，使漿料能順利進入基質縫隙，增強硬化后的漿料與基質的粘結力。解決本體強度與界面拉伸強度的不平衡問題，在灌漿前對基體進行表面處理，清除裂縫表面污物，必要時候進行鑿槽和鉆孔，保證基體表面達到最佳灌漿水平。

⑸灌漿料中有氣泡的出現。氣泡的出現會降低砂漿的強度，影響灌漿料的正常使用。

摻入的膨脹劑應該是非引氣型的；必要時加入消泡劑，作為細骨料砂漿一般不需要加入消泡劑。灌漿技術對氣泡產生的多少也有一定影響，保證施工工人的工藝要過關。

4　結語

作為灌漿材料，保證其具有高流動性、高強度、高粘結力是極其重要的，對于有特殊要求的基體可能還應具備早強或緩凝等要求。只有不斷加強灌漿技術、不斷調整灌漿材料的配合比設計才能更好更快地推動無機灌漿行業的發展。同時，要響應綠色能源的號召，合理利用粉煤灰、礦渣、鋼渣等工業廢料，減少環境污染、充分利用資源、降低生產成本。為滿足我國建筑結構可靠度設計統一標準，無機灌漿料的耐久性將會成為近來的灌漿料行業的新突破口。●

【參考文獻】

［1］馬哲，龐浩，楊元龍，徐宇亮.化學灌漿材料的研究進展綜述［J］.廣州化學，2014（01）：9-13.

［2］NOSKE P.超細水泥灌漿在巖土工程中的應用［C］.巖石與混凝土灌漿譯文集，1995.48-52.

［3］K.aslen，TiMrz.aoPlrtand水泥和超細水泥為主的灌漿漿液的選擇原則［C］.巖石與混凝土灌漿譯文集，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，費玉琴.高強度微膨脹無機灌漿材料的研究和應用［J］.混凝土及加筋混凝土，1989（02）：55-60.

［7］張金接，劉嘉材.低含水量穩定性水泥漿體灌漿性能研究［J］.水利水電技術，1991（04）：52-56.

［8］張金接.穩定性水泥漿體在巖體裂隙中的流動性能及其灌漿技術［J］.水利學報，1993（07）：69-74

［9］張海，招云韜.中山市全祿水廠供水管道軟基壓力灌漿加固工程［J］.建材地質，1996（01）：40-41

［10］曹恒祥，殷保合.超細水泥修補與加固混凝土裂縫技術的應用與開發［J］.水利水電科技進展，2000（06）：45-49.

［11］杜紀鋒，葉正茂，蘆令超，常鈞.高性能水泥基灌漿料試驗研究［J］.濟南大學學報，2008（01）：11-14.

［12］吳芳，劉小兵.水泥基無收縮灌漿料試驗研究［J］.粉煤灰，2010（02）：7-10.

［13］韓佃利，徐國強，張靜.硅灰摻量對水泥基灌漿料早期性能的影響研究［J］.混凝土，2014（08）：71-73.

［14］王朝強，譚克鋒，王培新，徐秀霞.我國灌漿材料的研究現狀［J］.粘接，2013（11）：87-91.

［16］俞鋒，朱華.早強微膨脹水泥基灌漿料的性能研究［J］.混凝土與水泥制品，2012（11）：6-9.

*基金項目：廣州市科委2015年產學研專項資助（156500058）；廣州市科技創新平臺資助項目（15180005）