注漿支護材料應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

肖 振，楊志全，隆季原，熊 昊

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093;2.云南省高校高烈度地震山區(qū)交通走廊工程地質病害早期快速判識與防控重點實驗室，云南 昆明 650093;3.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院，云南 昆明 650093)

0 引言

注漿是巖土工程建設中的重要環(huán)節(jié)之一，該技術可對地層和開挖環(huán)境起到加固補強、堵水防漏等作用[1-4]。

注漿技術至今已有200多年歷史[5]。據(jù)文獻記載，最早的注漿應用可追溯到1802年，法國人查理土貝里尼(Charles Berigny)用沖擊泵注入黏土和石灰加固港口砌筑墻[6]。1826年，英國人Joseph Aspdin發(fā)明了硅酸鹽水泥，并在1864年用硅酸鹽水泥漿液實施了井下注漿加固[7]。1864年，巴羅(P. W. Barlow)獲得了第一個用于盾構的注漿專利[8]。1880-1905年，英國又相繼研制了各類注漿機器用于工程注漿施工[9]。

1905年，美國人對注漿設備進行了持續(xù)改進，為不同種類注漿材料的工程應用創(chuàng)造了條件[10]。1920年，荷蘭采礦工程師尤斯登(E.J.Joosten)首次采用水玻璃、氯化鈣雙液注漿，這標志著注漿材料從物理材料到化學材料的轉變[10]。到1930年，美國已有19座水庫大壩采用了注漿方法處理基礎[8]。

20世紀40年代，注漿技術研究進入了一個鼎盛時期，新興技術不斷涌現(xiàn)，為現(xiàn)代注漿技術打下了堅實的基礎[11]。1949年，蘇聯(lián)人提出了黏土漿液和混合漿液的配比在工程應用中的問題。

1950-1975年是化學漿液的大發(fā)展時期， 20世紀50年代初美國就建立了研究化學漿液材料的注漿實驗室[9]。此后美國研制出了丙烯酰胺漿液(AM-9)，但1974年由于AM-9在工程灌漿中發(fā)生中毒事件，隨后眾多國家開始禁用有毒灌漿材料[12]。20世紀60年代初美國研制出了硅酸鹽和鉻木質素，后續(xù)又研發(fā)了酚醛材料。Shimoda與Clarke分別于1982年和1984年用超細水泥對微裂隙巖土進行了加固[13]。近年來，國外超細水泥的發(fā)展比較迅速，德國的P.Noske及瑞典的P.Borchardt等對超細水泥制備方法作出了改進[14-15]，并認為其應用范圍與化學材料基本一致[16]。

我國對漿液的研究相對較晚，1964年在廣州化學研究所葉作舟的帶領下，完成了丙烯酰胺注漿材料的研究[13]。

20世紀80年代后，黏土水泥的發(fā)展較快，并被應用于實際工程中。1985年，東北工學院開始研究應用于建井工程中的黏土水泥[17]。

近年來，武漢理工大學對工業(yè)廢渣-CS(Cement Silicate)注漿支護材料進行了研究。程紅等[18]研制出了HK-KG-10灌漿材料，其不同于常用的糠醛-丙酮漿液體系；李國建等[19]研制的改性環(huán)氧樹脂材料中添加的固化劑既包含親水基團又包含憎水基團；張翰聲等[20]將聚氨酯材料與環(huán)氧樹脂材料聚合，得到了一種物理性能指標較好的新材料；李憲軍等[21]基于分磨-混磨體系提出了一種高性能凝膠材料；霍世金[22]研制了硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和石膏三元復合凝膠材料。

我國的化學注漿材料主要有硅酸鹽、丙烯酰胺、脲醛樹脂、木質素、丙烯酸鹽、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、甲基丙烯酸酯、不飽和聚酯、水泥化學漿材等10個系列[11]。

1 注漿支護材料分類及性質

1.1 無機類注漿支護材料

1.1.1 單液水泥類漿液

單液水泥類漿液是以水泥為基礎原料，添加一定量的附加劑，再用水調劑而成的一種漿液，采用單液的方式注入巖土層。實際施工中常需要摻入一些附加劑用以調節(jié)漿液的性能，主要有早強劑、速凝劑、塑化劑、懸浮劑等[23]。

單液水泥漿液具有來源廣、價格低廉、固結強度高、防滲性能好、工藝簡單等優(yōu)點，是目前工程中應用最為廣泛的注漿支護材料。但因其為顆粒性材料，可注性較差，難以注入較細小的裂隙巖層，且固結時間長、強度增長緩慢、結石率低，所以也具有一定的局限性。為此，學者們在改善單液水泥漿液性能方面做了大量研究，研發(fā)出了超細水泥漿液[13]。

1.1.2 水泥-水玻璃類漿液

水泥-水玻璃漿液也稱CS漿液，是用水泥與水玻璃作為主劑，按照一定的配比以雙液的方式注入，實際施工中需視情況添加一些附加劑[24]。該類漿液彌補了單液水泥漿液固結時間長與結石率低等缺點，改善了注漿效果且擴大了適用范圍。在地下工程中當?shù)叵滤魉佥^大時采用此混合型漿液可達到速凝止水的目的，這是一種效果較好且用途極為廣泛的注漿支護材料。

隧道開挖過程中不可避免地受到地下水的沖刷與侵蝕，注漿材料多選用有堵水作用且能快速凝結的CS漿液[25]。

1.1.3 水玻璃類漿液

水玻璃類漿液亦是以水作為主劑，外加固化劑而形成凝膠。在酸性固化劑的催化下，水玻璃可以快速凝結，所以也能作為注漿支護材料。常用的幾種效果較好的水玻璃類漿液有：水玻璃-氯化鈣漿液、水玻璃-鋁酸鈉漿液、水玻璃-硅氟酸漿液和水玻璃-乙二醛漿液[26]。其優(yōu)點為黏結力強、具有抗熱性和抗酸性、污染小、價格低廉和滲透力強，缺點是耐久性差并會產(chǎn)生堿污染[4]。此類漿液常用于城市軌道交通、垃圾處理場、污水處理場、水庫大壩、圍堰等工程的防滲施工。

1.1.4 水泥-黏土類漿液

水泥-黏土類漿液比較特殊，作為附加劑的黏土有時其摻入量甚至會高于水泥[27]。在水泥漿液中摻入膨潤土可大大改善其穩(wěn)定性及流動性，但也會延長漿液的固結時間，并且降低固結體的強度與耐久性。此類漿液常用于漏水大壩的修補以及孔隙度較大的砂礫層防滲[28]。

1.1.5 高水速凝材料

高水速凝材料[4]是以石膏、石灰與鋁礬土為主要材料，外加無機原料及附加劑，經(jīng)過均化等工藝配制而成，其具有高水、速凝及可注性強等特點，近年來廣泛應用于采礦工程中的巷道支護、采空區(qū)充填、壁后支護及錨噴支護等，在建筑、水利及公路等領域也有應用[29]。

1.2 有機類注漿支護材料

1.2.1 丙烯酰胺類漿液

丙烯酰胺類漿液是以有機化合物丙烯酰胺為主劑，輔以其他藥劑而制成的漿液，與水的黏度接近，且黏度在其凝結前保持不變。將其注入巖土裂隙后，從水溶液狀態(tài)固結為具有彈性且不溶于水的化學聚合物。其優(yōu)點是凝膠時間可精準控制在幾秒至幾個小時，可達到速凝止水的效果，并且因其在凝膠前黏度維持不變而具有良好的滲透性，固結體抗?jié)B性較好；缺點是價格昂貴，固結體抗壓強度較低，僅為0.4～0.6 MPa，且具有一定的毒性，受溫度、pH及地下水中的化學離子影響較大[30]。此類漿液一般用于二類圍巖隧道的止水防滲[31]。

1.2.2 丙烯酸鹽類漿液

丙烯酸鹽類漿液與丙凝漿液的性能類似，但毒性要遠遠低于丙凝漿液。丙烯酸鹽類漿液具有黏度低、毒性弱、凝固點低、凝膠時間可控、凝膠體具有一定強度及彈性等優(yōu)點，多用于巖體與混凝土等的細微裂隙止水防滲[32]。

1.2.3 木質素類漿液

木質素類漿液是以紙漿廢液作為助劑，輔以一定量的固化劑而制成的漿液。目前僅有鉻木質素漿液與硫木質素漿液兩種。其獲取難度低且價格低廉，是一種發(fā)展前景較好的注漿支護材料。鉻木質素的應用因其固化劑為劇毒的重鉻酸鈉而受到限制，從而被固化劑為無毒的過硫酸銨的硫木質素完全取代[33]。此類漿液在湖南某制藥廠的污水凈化處理井及江西某礦10號壩的防滲止水工程中取得了較好的成果[34]。

1.2.4 聚氨酯類漿液

聚氨酯類漿液是一種主要原料為多異氰酸酯與聚醚樹脂，輔以各種附加劑而制成的漿液。漿液中的異氰基團遇水發(fā)生化學反應而生成不溶于水的聚合體，具有加固地基與防滲止水的作用，且在反應中釋放二氧化碳而使得漿液二次擴散，增大了固結體體積與擴散范圍[35]。此類漿液常用于隧道開挖中地下水量較大時的注漿止水[36]。

1.2.5 脲醛樹脂類漿液

脲醛樹脂是一種高分子聚合物，由尿素與甲醛縮合而成。以其作為主劑的注漿支護材料的黏度不大但強度較高，且抗?jié)B能力較強，價格低廉[37]。

1.2.6 其他有機類材料

其他有機類注漿支護材料[38]主要有以下4類：

a.環(huán)氧樹脂類漿液：其內聚力比混凝土的大，常用于恢復混凝土結構的整體性。

b.糠醛樹脂類漿液：其可注性強、價格低廉，但固化時間長且不可控。

c.甲基丙烯酸甲酯漿液(簡稱“甲凝”)：可注性強、固結體強度高，但遇水難以聚合，只能用于干燥情況下的混凝土細微裂隙的補強。

d.聚酯樹脂類漿液：一般用于巖石及混凝土的補強加固，環(huán)境干燥的情況下固結強度極高，固化后的收縮率達6%。

2 新型注漿材料

傳統(tǒng)的水泥及黏土類注漿支護材料由于顆粒大、可灌性低，難以注入具有細微裂隙的介質中；傳統(tǒng)的水玻璃類漿材固結體強度低，且固結的凝膠產(chǎn)物會對環(huán)境產(chǎn)生一定污染；目前的高分子化學漿材成本較高，耐用性也偏低，且具有一定毒性[39]。鄭受仁院士[40]指出，注漿支護材料的環(huán)保、耐久性與適應不同工程環(huán)境而開發(fā)出的新材料為今后注漿材料的研究方向。

黏土體大量存在于施工周邊環(huán)境，是性能良好的填充體，從黏土作為礦山采空區(qū)充填材料到黏土-水泥漿液的出現(xiàn)及大量應用表明了黏土的廣泛適用性。將黏土作為混合漿液中的組成部分[41]，主要優(yōu)點如下：

a.抗稀釋性好，黏土與水作用不易離析，配制成黏土-水泥漿液可降低漿液析水性。

b.流變性好，可控程度高，凝結時間可從幾秒到數(shù)十分鐘。

c.防滲能力強，黏土的滲透性弱，水泥-黏土類漿液是優(yōu)良的工程防滲材料。

紅黏土作為土的種類之一，從開始研究至今已有近50年的歷史[42]。在我國，紅黏土主要分布在南部地區(qū)，其中云貴高原是我國紅黏土分布最為廣泛的區(qū)域之一[43]。紅黏土的孔隙較大，且含水量高，因此紅黏土的液塑限較高,塑性指數(shù)較大。但紅黏土的抗?jié)B透性能較好，是優(yōu)良的防水抗?jié)B添加劑。紅黏土的主要礦物成分為具有良好惰性的硅氧四面體和鋁氧八面體，對不良環(huán)境的抗性強。在紅黏土資源豐富的地區(qū)，常用紅黏土作為工程開挖后采空區(qū)的填充材料，如：曲靖花山水庫、新平黃草壩水庫等均采用紅黏土作防滲材料[44-45]。目前，還少有工程將紅黏土作為漿液添加材料使用，原因可能是對以紅黏土作為水泥摻料的黏土-水泥漿液的性質研究尚不充分，其理論依據(jù)落后于工程實踐，且國內外尚無統(tǒng)一的配比標準及施工工藝。各種注漿材料的綜合技術經(jīng)濟指標的比較結果見表1。

表1 各種注漿材料的綜合技術經(jīng)濟指標評分結果[4]

由表1可知，黏土水泥在常用注漿材料中的綜合指標評分最高，因此很有必要深入研究紅黏土-水泥漿液在工程中的適用性。

3 結語

我國注漿技術在發(fā)展過程中已形成了較為完備的理論體系，但在注漿支護材料性能優(yōu)化、注漿理論與實踐相結合等方面仍有很大的提升空間。本文對注漿支護材料的發(fā)展及工程常用注漿支護材料進行了概述，對紅黏土-水泥漿液的綜合性能進行了分析，認為紅黏土-水泥漿液是一種極具發(fā)展前景的注漿材料。