無(wú)機(jī)灌漿材料應(yīng)用技術(shù)研究

方　喬　高莎莎　方曉填（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

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無(wú)機(jī)灌漿材料應(yīng)用技術(shù)研究

方喬高莎莎方曉填
（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

【摘要】無(wú)機(jī)灌漿材料因其高性能、無(wú)污染、低成本等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)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(dòng)性差、后期倒縮、與基體粘結(jié)力不夠等一些問(wèn)題。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析了無(wú)機(jī)灌漿料的現(xiàn)有問(wèn)題并提出了擬解決方案，推動(dòng)無(wú)機(jī)灌漿行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】無(wú)機(jī)灌漿材料；建筑工程；水泥基；無(wú)機(jī)灌漿技術(shù)

1　前言

早在50年代灌漿技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn)，數(shù)百年來(lái)灌漿技術(shù)越來(lái)越成熟，廣泛應(yīng)用于地基處理、結(jié)構(gòu)加固和建筑修補(bǔ)等方面。灌漿技術(shù)逐步成為一種有效且不可缺少的工程地質(zhì)災(zāi)害防治措施，在灌漿技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用和較大發(fā)展的同時(shí)，灌漿技術(shù)中的核心—灌漿材料的發(fā)展也日益加快。［1］無(wú)機(jī)灌漿材料因其高性能、無(wú)污染、低成本等優(yōu)勢(shì)，成為大多數(shù)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(wèn)題，如流動(dòng)性差、后期倒縮、與基體粘結(jié)力不夠等。流動(dòng)性差，灌漿料無(wú)法自流平，需要二次灌注，費(fèi)工費(fèi)力。體積收縮會(huì)產(chǎn)生微裂紋，降低砂漿強(qiáng)度，影響基材本身的力學(xué)性能。與基體粘結(jié)力不夠?qū)е禄呐c灌漿料之間不密貼，強(qiáng)度發(fā)展慢，甚至導(dǎo)致灌漿料從基礎(chǔ)中脫落，影響使用壽命。實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題更多，環(huán)境、氣候、降水量等都會(huì)影響灌漿料的性能，從無(wú)機(jī)灌漿料的現(xiàn)狀分析，目前的無(wú)機(jī)灌漿材料很難滿足一些要求較高的特殊工程。社會(huì)的發(fā)展使人們的安全意識(shí)逐漸提高，對(duì)灌漿質(zhì)量的要求更是一大挑戰(zhàn)。因此，我們需要提高無(wú)機(jī)灌漿料的流動(dòng)性、增大其早期強(qiáng)度、減少后期收縮、增強(qiáng)材料與基體的粘結(jié)力。

2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

灌漿材料目前有固粒灌漿材料、化學(xué)灌漿材料和精細(xì)礦物灌漿材料三類(lèi)。本文主要分析水泥漿類(lèi)灌漿料（固粒灌漿材料的一種），這也是迄今為止運(yùn)用最為廣泛的一種灌漿材料?；瘜W(xué)灌漿材料有流動(dòng)性好、能灌入細(xì)微的縫隙中、可調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)環(huán)境有污染，不環(huán)保，所以在灌漿行業(yè)有明顯的劣勢(shì)。精細(xì)礦物灌漿材料作為一類(lèi)新型灌漿材料，對(duì)一些關(guān)鍵性能如漿液性能、固結(jié)性能、長(zhǎng)期耐久性等都有很大的突破。與此同時(shí)，成本方面也有所提高，結(jié)合經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的原則考慮無(wú)機(jī)灌漿材料在今后的發(fā)展前景很廣闊。

2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)是無(wú)機(jī)灌漿材料的起源地，最早是為了加固軍事設(shè)施而研制，具有高強(qiáng)、快凝等性能。早在1995年人們就意識(shí)到化學(xué)灌漿對(duì)環(huán)境的污染，德國(guó)的P.Noske將超細(xì)水泥制成懸浮液應(yīng)用于巖土灌漿工程來(lái)替代化學(xué)灌漿材料。［2］加拿大的K.Salen和.TMirzx指出200年以來(lái)灌漿漿液的特性己發(fā)生很大變化，由簡(jiǎn)單泥漿懸浮液到水泥漿懸浮液、化學(xué)漿液、超細(xì)水泥新品種。對(duì)于有特殊要求的灌漿工程，如浮動(dòng)裂隙、低溫條件下工作，則推薦使用超細(xì)水泥。［3］M.Jamal Shannag通過(guò)試驗(yàn)配制出摻加了天然火山灰、硅灰、?；郀t礦渣和粉煤灰等礦物摻合料和超塑化劑的具有高流動(dòng)性、高抗?jié)B性、高強(qiáng)度、抗侵蝕性、抗凍耐久性、體積穩(wěn)定等性能的水泥基灌漿材料。［4］印度也有人研究過(guò)超早強(qiáng)的復(fù)合水泥體系，在普通硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥復(fù)配的基礎(chǔ)上，添加一些外摻料，這種粉料在15分鐘內(nèi)即可完成終凝，1h抗壓強(qiáng)度為10MPa，2h可達(dá)到20MPa。B.elekolu和B.Baradan等人在水泥基灌漿料中加入超細(xì)石灰粉進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明加了石灰石粉的灌漿材料，可以提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，從而起到改善漿體硬化強(qiáng)度和耐久性的作用。［5］二十世紀(jì)八十年代以后，由于日本福岡化學(xué)灌漿中毒事故，無(wú)機(jī)灌漿料又進(jìn)入了一輪新的快速發(fā)展時(shí)期。在歐美、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家中，產(chǎn)生了一大批研究和灌漿施工技術(shù)實(shí)力強(qiáng)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(shù)相關(guān)的各類(lèi)學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，各科研院所通力合作為灌漿技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)灌漿技術(shù)起步較晚，早前一直研究并效仿國(guó)外灌漿技術(shù)。1995年以前我國(guó)主要將灌漿料應(yīng)用于大壩工程，后期才用于基礎(chǔ)加固。直到1989年才由南京水利科學(xué)研究院的胡玉初、費(fèi)玉琴等人第一次明確的分析了無(wú)機(jī)灌漿料的研究及運(yùn)用，這為后來(lái)我國(guó)無(wú)機(jī)灌漿料行業(yè)的崛起和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了膨脹劑、養(yǎng)護(hù)條件、水泥用量對(duì)灌漿料膨脹率的影響。［6］1991年水利水電科學(xué)研究院的張金接、劉嘉材提出水灰比不超過(guò)0.7的低含水量穩(wěn)定性水泥漿體的灌漿性能，只能對(duì)裂隙寬度大于0.15mm的裂縫進(jìn)行灌注。［7］1993張金接又結(jié)合試驗(yàn)成果對(duì)漿體在裂隙中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了理論分析并討論了對(duì)穩(wěn)定性水泥漿體的流動(dòng)能力（包括漿體的流動(dòng)性和流動(dòng)性維持能力）。［8］1996年，中山市全祿水廠供水管道開(kāi)始采用無(wú)機(jī)灌漿技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。［9］之后無(wú)機(jī)灌漿料開(kāi)始應(yīng)用于地基加固等其他工程，打破傳統(tǒng)的大壩工程。2000年以后我國(guó)灌漿料行業(yè)飛速發(fā)展，水利部小浪底水利樞紐工程建設(shè)管理局的曹恒祥和殷保合結(jié)合理論與實(shí)際分析了超細(xì)水泥灌漿漿液組成材料和特性配置出用于裂縫修補(bǔ)與加固的漿液；并且結(jié)合小浪底工程深入分析了國(guó)外超細(xì)水泥灌漿技術(shù)的應(yīng)用情況。研制出與國(guó)外產(chǎn)品性能相接近的超細(xì)水泥灌漿料。［10］這是我國(guó)灌漿技術(shù)一個(gè)質(zhì)的飛越，從此國(guó)內(nèi)無(wú)機(jī)灌漿技術(shù)水平已經(jīng)與國(guó)外水平并列。濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的杜紀(jì)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(dòng)性的硫鋁酸鹽水泥基灌漿料，表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，微膨脹、自流平、快硬早強(qiáng)。［11］重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(fù)配出具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹、大流動(dòng)性水泥基無(wú)收縮灌漿材料。［12］河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院韓佃利等人少摻量的硅灰能提高水泥基灌漿料的流動(dòng)性和抗壓抗折強(qiáng)度，還能改善砂漿的表面狀態(tài)減少氣泡的產(chǎn)生。當(dāng)硅灰摻量大于10%時(shí)對(duì)砂漿的抗壓抗折反倒有不利影響。［13］

3　面臨問(wèn)題及擬解決方法

⑴用水量的控制。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，用水量低于規(guī)定值時(shí)流動(dòng)性不夠，用水量大于規(guī)定值時(shí)，會(huì)發(fā)生泌水、離析、強(qiáng)度不夠等問(wèn)題，所以現(xiàn)場(chǎng)水泥基灌漿材料的流動(dòng)性難以控制，達(dá)不到預(yù)期要求。

利用顆粒級(jí)配技術(shù)、礦物減水技術(shù)和有機(jī)減水劑復(fù)合，通過(guò)不斷試驗(yàn)調(diào)整無(wú)機(jī)灌漿材料中水泥與石英砂的顆粒級(jí)配。解決水泥基灌漿料拌合物流動(dòng)性能差的問(wèn)題，從而歸納出級(jí)配與流動(dòng)性之間的規(guī)律，同時(shí)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(yè)廢料，減少水泥用量的同時(shí)變廢為寶，起到節(jié)能環(huán)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(shí)需要加大拌合水的用量，因?yàn)榉哿显郊?xì)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(qiáng)度低。強(qiáng)度對(duì)于水泥砂漿來(lái)說(shuō)是個(gè)致命的問(wèn)題。早期強(qiáng)度高有利于工程的提前竣工，砂漿一般28天性能達(dá)到穩(wěn)定，而施工現(xiàn)場(chǎng)為了節(jié)省工期一般養(yǎng)護(hù)不了28天就進(jìn)行下一步施工。

普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的復(fù)合，可以提高硬化漿體的密實(shí)度，顯著提高材料的早期強(qiáng)度。需要注意的是，硫鋁酸鹽水泥的摻入應(yīng)該少于普通硅酸鹽水泥的摻量，因?yàn)樗鼤?huì)與硅酸鹽水泥發(fā)生閃凝反應(yīng)，或者復(fù)配緩凝劑，延長(zhǎng)初凝時(shí)間，增大早期強(qiáng)度；更為直接的方法就是摻入早強(qiáng)劑，增大灌漿料的早期強(qiáng)度。

⑶收縮開(kāi)裂。漿體在水化過(guò)程中及硬化以后會(huì)產(chǎn)生不同程度的收縮，不能精確控制產(chǎn)品的收縮量，導(dǎo)致膨脹不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生微裂縫，強(qiáng)度下降、影響使用。

灌漿料的體積收縮主要由：⑴水分蒸發(fā)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(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)方法對(duì)所獲得的砂粉配方進(jìn)行優(yōu)化，并且向其中引入適當(dāng)?shù)耐饧觿?，從而獲得性能穩(wěn)定、收縮較小的水泥基灌漿料配方。解決膨脹補(bǔ)償誤差大，后期體積倒縮等問(wèn)題。攪拌過(guò)程中，攪拌均勻后立即成型，過(guò)度攪拌對(duì)硬化和膨脹都有不利影響。

⑷水泥基漿料與所接觸的基質(zhì)之間的親和性不足，導(dǎo)致硬化后的灌漿料與基體粘結(jié)強(qiáng)度不高，達(dá)不到加固修補(bǔ)的作用效果。

加入可再分散乳膠粉進(jìn)行界面活化，提高水泥基漿料與所接觸的基質(zhì)之間的親和性，提高漿料對(duì)基質(zhì)的潤(rùn)濕能力，使?jié){料能順利進(jìn)入基質(zhì)縫隙，增強(qiáng)硬化后的漿料與基質(zhì)的粘結(jié)力。解決本體強(qiáng)度與界面拉伸強(qiáng)度的不平衡問(wèn)題，在灌漿前對(duì)基體進(jìn)行表面處理，清除裂縫表面污物，必要時(shí)候進(jìn)行鑿槽和鉆孔，保證基體表面達(dá)到最佳灌漿水平。

⑸灌漿料中有氣泡的出現(xiàn)。氣泡的出現(xiàn)會(huì)降低砂漿的強(qiáng)度，影響灌漿料的正常使用。

摻入的膨脹劑應(yīng)該是非引氣型的；必要時(shí)加入消泡劑，作為細(xì)骨料砂漿一般不需要加入消泡劑。灌漿技術(shù)對(duì)氣泡產(chǎn)生的多少也有一定影響，保證施工工人的工藝要過(guò)關(guān)。

4　結(jié)語(yǔ)

作為灌漿材料，保證其具有高流動(dòng)性、高強(qiáng)度、高粘結(jié)力是極其重要的，對(duì)于有特殊要求的基體可能還應(yīng)具備早強(qiáng)或緩凝等要求。只有不斷加強(qiáng)灌漿技術(shù)、不斷調(diào)整灌漿材料的配合比設(shè)計(jì)才能更好更快地推動(dòng)無(wú)機(jī)灌漿行業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，要響應(yīng)綠色能源的號(hào)召，合理利用粉煤灰、礦渣、鋼渣等工業(yè)廢料，減少環(huán)境污染、充分利用資源、降低生產(chǎn)成本。為滿足我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)機(jī)灌漿料的耐久性將會(huì)成為近來(lái)的灌漿料行業(yè)的新突破口?！?/p>

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*基金項(xiàng)目：廣州市科委2015年產(chǎn)學(xué)研專(zhuān)項(xiàng)資助（156500058）；廣州市科技創(chuàng)新平臺(tái)資助項(xiàng)目（15180005）