土木工程灌浆料的制备与应用

　　摘　要: 　近年来,土木工程灌浆材料得到了越来越广泛的应用,在许多大型工程中成为不可或缺的一种建筑材料。
　　文章总结了灌浆材料的种类、性能、灌浆的方法和施工的技术要求等,分析其已有的技术特点,提出水泥基复合灌浆材料是今后灌浆材料发展的一个重要方向。

　　关键词: 　灌浆材料; 　水泥基; 　化学浆材

　　灌浆施工是近几十年才发展起来的施工技术,是通过预先在岩石、土壤或者建筑物中设置的钻孔或者是灌浆管,利用灌浆机将一定配比的浆液施加一定的压力灌进地基的裂缝孔隙或者建筑物自身的裂缝中,使其胶结成密实坚固而不透水的整体的工作。

　　灌浆技术最早应用在修建水闸、船坞工程中,随后在修建矿井、隧洞和大坝等工程中逐渐得到推广,灌浆材料也由最初使用的粘土发展到水泥、化学材料等。由于灌浆的效果较好,适用性较大,施工比较简单,具有良好的应用前景。

　　灌浆材料作为保证灌浆技术达到预期目的的最重要因素,是降低工程造价、节约成本、确保工程质量的关键所在。因此,研制渗透性强、可灌性好、无污染、固结强度较高、凝胶时间易于控制、价格便宜和施工方便的灌浆材料是灌浆工程界的目标。

　　1 　工程灌浆材料工程灌浆材料主要分为无机类和有机类2 大类,无机类灌浆材料有单液水泥浆、水泥2水玻璃类、粘土类、水玻璃类、水泥粘土类等;有机类灌浆材料则分为丙烯酰胺类、木质素类、脲醛树脂类、聚氨酯类、环氧树脂类、糠醛树脂类、聚乙烯醇类等类别。

　　在实际工程中应用较多的灌浆材料有以下3类[ 123 ] :
　　1) 粘土类浆材粘土类灌浆材料一般选用粘土或者亚粘土,应具有遇水崩解,吸水膨胀,有一定的稳定性,有一定的粘结力等特点。根据灌浆部位不同,灌浆使用的材料要求也不同。

　　纯粘土浆的配制很简单,只需将土料经过浸泡、搅拌、筛滤净化后拌和而成。但是,为了提高灌浆效果,很多灌浆都不用纯粘土浆,一般都掺加适当的水泥,这就要控制好水泥的用量。

　　粘土类浆材由于其广泛的来源和低廉的成本,得到了较多的应用。在土工堤坝防渗注浆工程中,豁土类浆材依靠应力条件下的脱水固结性能,可在充填注浆、劈裂注浆的过程中和后期的应力条件下,形成固结防渗体。但在实际工程中,粘土类浆液保水性强,不易“脱水”,固结时间长甚至不固结,造成结石强度低等缺陷,从而严重影响灌浆质量。

　　2) 水泥基浆材[ 4 ]
　　灌浆水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量的二水石膏作主料,经磨细后,辅以性能调节剂(如膨胀剂、减水剂、促凝剂等) 混合组成。灌浆水泥在细度上的最大特点是粒径均小于40μm ,大大小于我国水工水泥灌浆施工技术规范的要求,这对灌注细裂隙和提高浆液的稳定性十分有利。水泥基灌浆材料的浆液稳定性好,流动性得以改善,而且硬化后的结石具有微膨胀性等优越性能,适用于地脚螺栓锚固、设备基础或钢结构柱脚底板的灌浆、混凝土结构加固改造及后张预应力混凝土结构孔道灌浆。

　　水泥基浆材是目前注浆工程中应用最广泛的浆材,具有结石体强度高和抗渗性强的特点,既可用于防渗又可用来加固地基,而且原材料成本较低,无毒性和环境污染问题,因而被广泛采用。但水泥浆析水性大,稳定性差,注入能力有限,且凝胶时间长,在地下水流速较大的条件下,浆液易受冲刷和稀释,影响注入效果。

　　3) 化学浆材化学灌浆材料是工业化生产的化学材料,具有如下优良的特点: (1) 它是真溶液,不分层,无沉淀;(2) 粘度很低,有些浆材粘度甚至接近于水; (3) 固化或胶凝时间可人为控制; (4) 可用泵灌入裂缝,填充渗漏水,具有原位修复止水结构或单独构建防渗帷幕之功能,特别适用于地下隐蔽工程; (5) 固化或胶凝时体积收缩很小; (6) 固化物或胶凝体本身不渗水; (7) 固化体或胶凝体耐久性良好。

　　但是,化学灌浆材料也具有一定的缺陷,比如具有一定毒性,污染环境,耐久性差;而且,生产成本高,在一定程度上限制了它的使用范围。因此,化学浆材使用量较少,一般为修补较小的工程缺陷。

　　2 　工程灌浆方法目前,灌浆方法很多,其分类也没有一个统一标准,根据灌浆目的可分为加固灌浆和堵水防渗灌浆。
　　一般是按照灌浆工程的地质条件、浆液扩散能力和渗透能力分为如下几类[ 5 ,6 ] :
　　1) 填充灌浆法:具有大裂隙、洞穴的岩土体或地下工程结构体壁后空洞的灌浆,都属于这种类型。
　　2) 渗透灌浆法:在不改变地层结构和颗粒排列的原则下,把浆液填充到岩土地层孔隙或裂隙,向地层深处渗透的灌浆方法,都属于这种类型。这种方法常用于砂砾层灌浆。
　　3) 压密灌浆法:用较高的压力注入浓度较大的浆液,使浆液在灌浆管端部附近形成浆泡,浆液在灌浆压力作用下挤入地层,浆液多呈脉状或条形状胶结地层。这种灌浆方法在粘性土中使用较多。
　　4) 劈裂灌浆法:在低渗透性地层灌浆中,在较高压力作用下,浆液先后克服地层内的初始应力和抗剪抗拉强度,在地层内发生水力劈裂作用,从而破坏和扰动地层结构,使地层内产生一系列裂隙,而原有的孔隙或裂隙则进一步扩展,促进浆液的可灌性和扩散范围增大。这种灌浆方法一般在渗透系数小、颗粒很小的中、细、粉砂岩土或淤泥中使用。
　　5) 电动化学灌浆法:指在施工中预先在需要加固的地层中把2 个电极按一定的电极距置于地层中,将有孔的金属管作为灌浆管,接到直流电源的正极,另一电极接到电源的负极,使注入压力和电渗方向一致,在电渗作用下,孔隙或裂隙水由正极流向负极,使通点区域中地层含水量降低,形成渗浆通道,从而使浆液随之流入地层中。

　　3 　施工技术要求灌浆工艺复杂多变,根据采用灌浆方法的不同而不同,灌浆参数则是影响灌浆效果的最重要因素之一,而且灌浆参数的确定一直是灌浆技术和灌浆效果研究的一个主要方向[ 729 ] 。

　　1) 灌浆压力:灌浆压力是浆液在地层中扩散的动力,它直接影响灌浆加固或防渗效果,但是灌浆压力受地层条件、灌浆方法和灌浆材料等因素的影响和制约,确定灌浆压力大小应视工程具体情况而定。
　　一般来说,化学灌浆比水泥灌浆时的压力要小;浅部灌浆比深部地层灌浆压力要小;渗透系数大比渗透系数小的地层灌浆压力要小。

　　2) 扩散半径或有效扩散距离:浆液扩散半径或有效扩散距离决定灌浆工程量和工程进度,它随着地层渗透系数、裂隙开度、灌浆压力、注入时间的增加而增大,随着浆液浓度和粘度的增加而减小。扩散半径或有效扩散距离可用一些理论公式,结合类似工程经验进行估算,但是由于涉及因素太多,所以一般通过工程试验确定。

　　3) 凝固时间:浆液凝固时间是浆液本身的特性,有时因为工程的不同需要,在浆液中加入适量的速凝剂、早强剂、塑化剂、分散剂、膨胀剂等外加剂来调节凝固时间或改善浆液其他性能。要求浆液凝固时间可从几秒至几小时范围内随意调节,并能准确地控制,浆液一旦发生凝固就瞬间完成,凝固前浆液粘度变化不大。

　　不同工程对于灌浆浆体有不同的要求,而不同的浆体本身具有不同的优缺点,这就要求对各种不同浆体性能进行加强改进,以更好的适应工程应用要求。一般对理想浆液的要求是[ 10 ] :
　　(1) 浆液的初始粘度要低,流动性好,可注性强,能渗透到细小的裂隙或孔隙内。
　　(2) 凝胶时间可以在几秒至数小时范围内任意调整,并能准确控制。
　　(3) 稳定性好,在常温常压下能较长时间的存放,且存放不易受温度湿度变化的影响。
　　(4) 无毒、无臭、不污染环境,对人体无害,属非易燃易爆品。
　　(5) 浆液对注浆设备、管道、混凝土结构物等无腐蚀性,并容易清洗。
　　(6) 浆液固化时无收缩现象,固化后与岩体、混凝土等有一定的粘结力。
　　(7) 结石体具有一定的抗压、抗拉强度,抗渗性好,抗冲刷及耐老化性能好。
　　(8) 原材料来源丰富,价格便宜。
　　(9) 配制方便,操作简单。

　　4 　结　语
　　随着社会的高速发展,建筑行业的发展也是日新月异。在大量建筑物兴起的同时,也有大量老旧的建筑物进入修复加固期或者使用后期,灌浆材料的使用范围及使用量也会在工程实践中得到提升。

　　粘土类浆材、水泥基浆材和化学浆材都是现今使用比较广泛的灌浆材料品种,但是都存在着不同的缺陷,也就大大的限制了其使用范围。只有不断地更新和开发新的灌浆材料,才能满足众多建筑工程的不同使用要求。当前已经进行大量研究的复合浆体材料是灌浆材料发展的趋势之一,无机类复合灌浆材料通过对水泥基浆材进行复合得到性能优良的灌浆材料,并可在水泥基中添加相应的功能材料以调控凝结时间等性能指标;而且,由于原料来源丰富,价格低廉,结石体强度高,抗渗性强,无毒性和无环境污染问题,可以很好的解决现有灌浆材料品种的缺陷,达到优良的使用效果,具有更好的发展前景。

　　参考文献
　　[1 ] 　陈旭荣. 灌浆水泥的研究[J ] . 长江科学院,1991 ,8 (1) :44251.
　　[2 ] 　Ewert , Friedrich2Karl. Grouting Investigations [J ] . In2ternational Water Power and Dam Construction ,2005 ,57(9) :22226.
　　[3 ] 　钱　峰. DPS 改性水泥基灌浆材料性能研究[D ] . 长沙:湖南大学,2009.
　　[4 ] 　Anon. Ultrafine Cement : A Critical Component of aGrouting Program[J ] . Tunnels and Tunneling Interna2tional ,2005 ,37 (4) :27229.
　　[5 ] 　蒋硕忠. 灌浆材料与灌浆工艺研究[J ] . 水利水电技术,2001 ,32 (9) :55258.
　　[6 ] 　蔡胜华. 长江三峡工程复合灌浆材料与施工技术研究[D] . 武汉:武汉理工大学,2006.
　　[7 ] 　JC/ T1041 —2007. 混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料[ S] . 北京:中国建材工业出版社,2007.
　　[8 ] 　GB/ T50448 —2008. 水泥基灌浆材料应用技术规范[ S] . 北京:中国计划出版社,2008.
　　[9 ] 　苏张妍. 高渗透型灌浆材料的研制及其改性研究[D] .广州:广东工业大学,2008.
　　[10 ] 　孙纪正. 常用灌浆材料性能试验研究[D] . 济南:山东大学,2005.