灌浆材料的发展现状与展望
摘要：灌浆工法作为防渗补强加固的一种重要手段，其灌浆材料起着至关重要的作用。本文对灌浆材料的种类及其使用性能作了详细的描述，同时对今后浆材的发展方向提出了展望。 关键词：灌浆 灌浆材料
注浆法出现于19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黏土、水泥，发展到今天的水泥－－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、丙烯酰胺类灌浆材料、丙烯酸盐类灌浆材料、聚氨酯类灌浆材料、环氧树脂灌浆材料、甲基丙烯酸酯类灌浆材料、脲醛树脂类、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、有机酸酯、醛类（乙二醛类）、聚乙烯醇等。二氧化碳亦可与水玻璃溶液在被灌体内生成硅酸凝胶。
灌浆用水玻璃模数在2.4~3.4之间为宜，水玻璃溶液的浓度在35~45°Be\'为宜。
水玻璃类浆材主要特点及性能：
(1) 胶凝时间从瞬间~24小时不等；
(2) 固砂体强度可达6MPa；
(3) 粘度从1.2~200×10-3Pa·s；
(4) 可灌性好，渗透系数可达10-5～10-6cm/s，可灌入 0.1mm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，是采用过硫酸铵完全代替重铬酸钠，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（2~5×10-3Pa·s），可灌性好，渗透系数为10-3~10-4cm/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10-7~10-8cm/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0.4MPa以上。
（5） 原料来源广，价格低廉。 1.1.3 丙烯酰胺类浆液（丙凝浆液）
丙烯酰胺类浆液，国内又称丙凝浆液，是以丙烯酰胺为主剂，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N-N\'-亚甲基双丙烯酰胺（简称M），引发剂为过硫酸铵[(NH4)2S2O8]，常用的促凝剂有β-二甲基丙腈[(CH3)2NCH2NCH2CN]和三乙醇胺[N(C2H4OH)3]，缓凝剂一般用铁氰化钾（称简KF）。
浆液及凝胶体的主要特点：
（1） 浆液粘度小。与水接近，常温标准浓度下黏度为1.2×10-3Pa·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10-4cm/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10-9~10-10cm/s，固砂体的渗透系数可达10-8cm/s，可以认为是不透水的。
（5） 凝胶体的抗压强度较低，约为0.2~0.8MPa，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） 丙烯酰胺浆液价格较贵，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N-N\'-亚甲基双丙烯酰胺和六氢-1,3,5三丙烯酰基一均三嗪，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10-7~10-10cm/s之间，固砂体的渗透系数在10-5~10-8cm/s之间。
（5） 固砂体抗压强度在0.3~1MPa之间。 1.1.5 聚氨酯类浆液
聚氨酯类浆液分非不溶性聚氨酯浆液（简称PM）和水溶性聚氨酯类浆液（简称SPM）。
(1) 非水溶性聚氨酯类浆液非水溶性聚氨酯是由多异氰酸酯和多羟基化合物聚合而成。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CO2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 浆液黏度低，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0.6~1MPa，其凝胶体抗压强度可达3MPa，有时可作为补强材料。
⑤ 抗渗性能好，渗透系数可达10-6~10-8cm/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) 水溶性聚氨酯类浆液水溶性聚氨酯浆液是由预聚体和其他外加剂所组成。其与PM的主要区别在于SPM所用的聚醚是环氧乙烷聚合物，而PM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，黏度0.1Pa·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0.1~5MPa，凝胶体强度可达2MPa。
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。但其浆液黏度大、可注性小、憎水性强、与潮湿裂缝黏结力差。 1.1.7 甲基丙烯酸酯类浆液（甲凝）
甲基丙烯酸酯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） 黏度低，在25℃时仅为5.7×10-4Pa·s。
（2） 可灌性好，可注入0.05毫米的细微裂缝。在0.2~ 0.3MPa压力下，浆液可渗入混凝土内4~6厘米。
（3） 聚合后的强度和黏结力较高。
（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 脲醛树脂浆液
脲醛树脂类浆液是以脲醛树脂或脲-甲醛为主剂，加入一定量的酸性固化剂所组成的浆液。脲醛树脂浆液有脲醛树脂浆液、脲-甲醛浆液、改性脲醛树脂浆液。
脲醛树脂浆液主要特点：
（1） 粘度低，在10-3Pa·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4~8MPa之间。
（4） 固砂体抗渗系数为10-4~10-5cm/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，它主要是以丙凝与脲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：
（1） 浆液相对密度为1.19~1.20。
（2） 浆液粘度为(5~6)×10-3Pa·s。
（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10-8cm/s。抗压强度可达 0.17Mpa。
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、水泥黏土浆、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） 黏度随水灰比而变，可小至16s，大至139s。
（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22.0MPa。
（5） 结石率可达99%·
（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，可掺入掺合料如黏性土、水玻璃、粉煤灰等。 2.2 水泥黏土类浆液
水泥黏土浆液是由水泥黏土按一定比例混合而成。作为加固注浆时，黏土掺量一般为5%~15%。由于黏土的分散性高，亲水性好，因而沉淀析水性较小。水泥黏土浆液的稳定性大大提高。
浆液凝胶体主要性能如下：
（1） 黏度随水灰比及黏土用量而变，从0~65s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13.6MPa。 2.3 黏土类浆液
黏土来源广泛，成本低廉。多用于病险土工堤坝的防渗注浆工程。为改善黏土类浆液性能而研制了黏土水玻璃浆液。黏土40%~60%，水玻璃为黏土的10%~15%，熟石灰为黏土重量的1%~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，黏度为20~30s，渗透系数为10-5~ 10-6cm/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10～20MPa；结石率可达100%。
（4） 结石体渗透系数为10-3cm/s；
（5） 可用于裂隙为0.2mm以上的岩体或粒径为1mm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NaOH碱溶出，对皮肤有腐蚀性；
（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MC浆液，其平均粒径为4μm。最大粒径为10μm。这个特性使MC浆液能够渗入渗透系数为10-3~10-4cm/s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：
（1） 浆液的凝结时间可以用水玻璃在20s至几分钟的范围内调节。
（2） 结石体抗压强度高，可达25MPa；固砂强度可高达62MPa。
（3） 可灌性强，能注入0.1~0.2mm的细砂中。
（4） 对于1：1的浆液，浆液析水率＜5%，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1.0×10-6cm/s。
3 灌浆材料的发展方向
传统的水泥和黏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。
