常用无机灌浆材料.doc

第五節常用無機注漿材料一、水泥漿材水泥作為註漿材料具有強度高、耐久性好、無毒、材料來源廣、價格低廉等優點。它是使用最早、應用最廣的注漿材料之一，一般注漿施工優先選用普通水泥。在細裂隙和微孔地層中，其可灌性雖不如化學漿材好，但若採用劈裂灌漿原理，則不少弱透水地層都可用水泥漿進行有效的加固。因此，水泥漿在國內外灌漿工程中一直是用途最廣和用量最大的漿材。以水泥為主包括添加一定量的外加劑，用水配製成漿液，採用單液方式註入，這樣的漿液稱為單液水泥漿。所謂外加劑，係指水泥的早強劑、速凝早強劑、塑化劑、懸浮劑等。1 純水泥漿的基本性能所謂純水泥漿是指不包括附加劑，只有水泥和水調製而成的漿液，在室內做了有關純水泥漿性能的試驗，其結果見表8-4 。從試驗結果可以看出，隨著水灰比的增大，水泥漿的粘度、密度、結石率、抗壓強度等都有十分明顯的降低，初凝、終凝時間逐步延長。2 外加劑為了滿足實際工程需要，一般都要加入外加劑來調節水泥漿的性能。（ 1 ）水泥的速凝劑它是一種能夠縮短水泥凝固時間的化學藥劑。水泥速凝劑的種類很多，有氯化鈣、食鹽、水玻璃、純鹼、石膏、硫酸鈉、碳酸鉀、漂白粉等。複合特效速凝劑有紅星一號、陽泉形和“ 711 ”型速凝劑。在一般情況下，水泥漿還是採用古老的辦法，即是在水泥漿中加入佔水泥重量5%以下的氯化鈣或占水泥重量3%以下的水玻璃（水玻璃也是一種常用的速凝劑，加入量為2% 3%時，凝固期可縮短30% 40% 。但如果加入量少於2% ，則有延長初凝時間的作用），其作用原理見前面有關章節，這裡不再贅述。在此只列出幾種外加劑的試驗效果，見表8-5 。“ 711 ”型速凝劑起速凝作用的主要成分是鋁酸鈉，它是氧化鋁與碳酸鈉在高溫作用下的產物。摻有“ 711 ”型速凝劑的水泥淨漿性能見表8-6 。（ 2 ）水泥的速凝早強劑為了控制水泥漿的擴散範圍，縮短注漿工程的時間和提高注漿堵水效果，加入速凝早強劑將起到很好的效果。一般水泥的速凝早強劑是複合附加劑，品種如水玻璃、三乙醇胺加氯化鈉及二水石膏加氯化鈣等，其對漿液的影響見表8-7 。三乙醇胺可用與二乙醇胺混合液代替，成本可大大降低。（ 3 ）水泥的分散劑和懸浮劑純水泥漿由水和水泥按一定的比例混合而成，常用的水灰比變化在0.5 1 5 1之間，高水灰比僅對提高漿液的可灌性有利，而對岩土加固意義不大。為了降低水泥漿的粘度，提高漿液的流動性，增加漿液的可注性，往往要加入分散劑。另外單液水泥漿易沉澱析水，為了使水泥顆粒能較長時間懸浮於水中，就需要加入懸浮劑。實際上分散劑跟懸浮劑很難嚴格區別開來，有些藥劑加入水泥漿之後，既能起到分散作用，又能起到懸浮作用。懸浮劑有膨潤土、高塑粘土。分散劑（塑化劑）常用亞硫酸鹽紙漿廢液、食糖、硫化鈉等，以增加漿液的可注性。其作用機理見前面有關章節。（ 4 ）水泥的其他外加劑根據工程需要，往往在水泥漿中加入其他一些外加劑，如緩凝劑、流動劑、加氣劑、膨脹劑、防析水劑等（表8-8 ），以滿足注漿工程的特殊需要，值得注意的是由於具體使用的水泥品種和牌號、出廠日期以及各種添加劑的質量不盡相同，故使用之前應根據施工條件的具體情況，先進行小型實驗，以確定切實可行的配方。灌漿工程中最常用的是普通矽酸鹽水泥，有時也採用礦碴矽酸鹽水泥和火山灰質矽酸鹽水泥等。火山灰與高爐礦碴一樣，其本身只有很小的或者沒有膠凝性質，但在細分散狀態下卻能與水泥漿中的游離石灰進行化學作用，生成一種穩定的能產生強度的新化合物，其反應式如下所示：Ca(OH) 2 +SiO 2 + （n-1 ） H 2 O CaO SiO 2 +H 2 O但要注意，這些水泥的早期強度較低，凝結速度較慢，而且這些外加材料的比重較小，活性較低，在灌漿過程中可能被分離而單獨沉積在一起，從而失去上述方程的反應條件，使漿液長時間不硬結，在採用較稀漿液時更容易出現此類現象。值得一提的是普通的水泥漿因其顆粒相對較粗，其滲入能力受到限制，一般只能灌注大於0.2 0.3mm的裂縫或孔隙，許多情況下不得不求助於昂貴的化學灌漿材料去解決水泥漿不能灌注的微細縫隙，有些化學灌漿材料還存在環境污染問題。日本率先用乾磨法製成d50為4 m ，比表面積約8 000cm 2 /g的MC超細水泥，可灌入滲透係數為10 - 3 cm /s的中細砂層。後由我國水科院研製出水平相近的SK型超細水泥，並在二灘水電站壩基中試用成功。浙江大學等單位研製出更細的CX型超細水泥，其d50為3 4 m ，已在新安江大壩等灌漿工程中成功地應用。此外，日本後來又用濕磨法製成d50為3 m的超細水泥。法國則用去除水泥中較大顆粒的辦法製成顆粒小於10 m的“微溶膠”漿液，解決了一些工程難題。超細水泥除生產方法比較複雜和造價較高外，在技術上還存在一個不容忽視的問題，即這種水泥由於細度高和比表面積大，配製成流動性較好的漿液需水量較大，保水性又很強，把這種漿液灌入地層後將因多餘水分不易排除而使結石強度顯著降低。解決這一矛盾的辦法是採用較小的水灰比並用高效減水劑改善漿液的流動性。二、粘土水泥漿粘土是含水的鋁矽酸鹽，其礦物成分主要為高嶺石、蒙脫石及伊利石。膨潤土是一種水化能力極強、膨脹性大和分散性很高的活性粘土，在國內外工程中被廣泛採用。根據施工目的和要求的不同，粘土可看作是水泥漿的附加劑如懸浮劑，摻用量較少，主要用來改善水泥漿的穩定性，對其他性能影響甚微；也可當作灌漿材料使用，摻入量有時比水泥量還要多，故單列為一類，稱為水泥粘土類漿液。作為主材料使用則將對漿液的物理力學性質產生重大的影響。粘土作為灌漿材料具有悠久的歷史，目前仍大量用於大壩的灌漿。在水泥漿中加粘土或粘土中加水泥配製的粘土水泥漿兼有粘土漿和水泥漿的優點：成本低，流動性好，穩定性高，抗滲和抗沖刷力強，是目前大壩防滲灌漿和充填灌漿常用的材料。同時，水泥中加入部分粘土，使得所配置的水泥漿具有很強的觸變性，稱為膠質水泥。在水泥中加入粘土後，能夠顯著降低析水現象，提高結石率，水泥石的不透水性也相應提高。緩凝時間略有延長，抗壓強度稍有降低。但由於膠質水泥漿具有很大的靜切力，侵入裂隙不能很深，所以是堵塞裂隙，降低注漿範圍的好材料。配置膠質水泥漿時，可在水泥中加入15%以內的粘土，可以均勻加入粉狀粘土，也可以用含土量相等的泥漿直接配製。粘土水泥漿的性能取決於漿液中的水泥、粘土和水的用量，一般規律如下：粘度隨水灰比的增大而降低，相同水灰比的漿液，粘土用量越多，粘度越大，凝結時間愈長，結石率越高，漿液穩定性越好，但強度降低。1、水泥粘土類漿液的性能水泥粘土類漿液的配比、用量及性能如表8-9所示。2 、水泥粘土類漿液的配製配製水泥粘土類漿液時，其攪拌時間不應超過半小時，如果再延長攪拌時間，會使結構強度下降，塑性強度降低。3 、水泥粘土類漿液的特點（ 1 ）水泥粘土類漿液較單液水泥漿液成本低，流動性好，抗滲性強，結石率高；（ 2 ）水泥粘土類漿液的抗壓強度因配方不同有所差異，一般情況下為5 10MPa ，相比單液水泥漿有所下降，只適用於充填注漿；（ 3 ）漿液材料來源豐富，價格低廉，採用單液注入工藝，設備簡單，操作方便；（ 4 ）漿液無毒性，對地下水和環境無污染，較之使用化學藥劑為添加劑的漿液更安全。三、水泥-水玻璃類漿液水泥漿中加入水玻璃有兩個作用，一是作為速凝劑使用，摻量較少，約佔水泥重的3% 5% ；另一是作為主材料使用，摻量較多，即是將要討論的水泥-水玻璃漿液，俗稱CS漿液（ C代表水泥， S代表水玻璃）。CS漿液克服了水泥漿液凝膠時間長，難以控制，注入地層後易被地下水稀釋，無法保持其原有凝膠化性能的缺陷。CS漿液的出現是水泥注漿的大發展，提高了效果，擴大了適用範圍。這種漿液不僅具備水泥漿的全部優點，而且兼備化學漿液的某些優越性，例如凝膠時間快，可以從幾秒到幾十分鐘內準確控制，結石率高達95% 98% ，可用於防滲和加固灌漿，在地下水流速較大的地層中，採用這種混合型漿材還可達到快速堵漏的目的。結石體強度高，特別是早期（ 1d 、 3d 、 7d ）強度高，抗壓強度增長率快。可灌性也明顯提高，除在基岩裂隙和較大含水層中使用外，還能在中粗砂中灌注。水泥水玻璃漿材的可灌性介於水泥和水玻璃之間，材料來源豐富，價格相對較低，對地下水和環境無污染。1 漿液材料CS漿液主要由水玻璃和水泥組成。水泥-水玻璃漿液的強度隨水泥漿濃度的增加而增加。當使用濃水泥漿時（如水灰比0.5 ），隨水玻璃濃度增加，抗壓強度提高。在使用稀水泥漿時（水灰比1.5 ），由於水泥與水玻璃化學反應存在適宜配合比，因此相應地使用低濃度水玻璃溶液也能得到較高的抗壓強度，若使用高濃度水玻璃溶液反而降低抗壓強度。水泥漿與水玻璃體積比也影響抗壓強度。由於兩者進行化學反應時有一個適宜的配合比，在這個條件下，反應完全，凝膠時間短，抗壓強度高。為了更好地滿足施工需要，水泥-水玻璃漿液還可以加入速凝劑或緩凝劑，調節它的凝膠時間。白灰是一種便宜而效果顯著的速凝劑，一般加入量不超過15% 。磷酸氫二鈉緩凝效果也較好，試驗表明，其用量低於1%時，緩凝效果不顯著，大於3%時則明顯地降低結石體強度，其用量一般不超過3% 。水泥用高標號的普通矽酸鹽水泥，也可用礦渣水泥和火山灰矽酸鹽水泥，但效果不如普通矽酸鹽水泥好。水泥漿的水灰比一般也在0.5 2.0之間，常用的是0.8 1.0 。水玻璃又稱泡花鹼（ Na 2 O nSiO 2 ），注漿用的水玻璃通常是鹼性水玻璃，模數和濃度是描述水玻璃的兩個重要參數。模數M為：（ 8-5 ）模數大小對注漿影響很大，模數小，二氧化矽含量低，凝膠慢，結石體強度低；模數大，則二氧化矽含量高，凝膠快，結石體強度高。一般注漿要求水玻璃模數M=2.4 3.4較為適宜。水玻璃濃度，通常用波美度，代號為 Be表示。它與常用的濃度表示方法（比重d）之間存在如下的關係：（ 8-6 ）一般使用的水玻璃濃度在30 45 Be 。濃度越高，凝膠時間越長。反之，濃度越低，凝膠時間越短。水玻璃產品有固體或液體兩種，可配水調製成溶液。綜合各地的實踐經驗，水泥-水玻璃的適宜配方大體為：水泥漿的水灰比為0.8 1 1 1 ，水泥漿與水玻璃的體積比為1 0.6 1 0.8 。水玻璃的M值為2.4 2.8 ，波美度30 45 。這些配方的凝結時間約1 2min ，抗壓強度變化在10 20MPa之間。2 CS漿液反應機理前已述及，水泥的凝結和硬化，主要是水泥水化析出凝膠性的膠體物質所引起的，在矽酸三鈣水化過程中產生氫氧化鈣。當水玻璃加入，水玻璃與新生成的氫氧化鈣反應，生成具有一定強度的凝膠體水化矽酸鈣。隨著氫氧化鈣的逐漸生成，氫氧化鈣與水玻璃之間的反應連續進行。而後者反應較快，膠質體越來越多，強度亦隨之增高。故CS漿液的強度，初期為水玻璃與氫氧化鈣的反應起主要作用，後期則為水泥本身的水化作用。因水泥水化過程只有矽酸三鈣生成氫氧化鈣，水玻璃過多，會衝稀整個體系，以致強度下降，因此過量無益有害。水玻璃的物理、化學性質至今尚不清楚，水泥與水玻璃間的化學反應機理各國說法紛紜。上述僅是一種分析。根據注漿工程的需要及水泥-水玻璃漿液的特點，凝膠時間和抗壓強度是水泥-水玻璃雙液注漿技術的基本性能，一般都注重漿液的凝膠時間和抗壓強度這兩種性能。影響這兩種性能的因素很多，下面分別討論。（ 1 ）凝膠時間凝膠時間是指水泥漿與水玻璃相混合時起至漿液不能流動為止的這段時間，水泥-水玻璃類漿液的凝固時間可以從幾秒鐘到幾十分鐘內準確控制，影響其凝膠時間的因素有水泥品種、水泥漿濃度、水玻璃濃度、水泥漿與水玻璃體積比及漿液溫度等，一般來說水泥漿越濃，反應越快；而水玻璃則是越稀反應越快。當其他條件相同時，水泥漿與水玻璃的體積比從1 0.3 1 1的範圍內亦呈直線關係，即隨水玻璃用量減小，凝膠時間縮短。（ 2 ）抗壓強度CS漿液結石體的強度高，尤其是早期強度高且增長快。影響結石體強度的因素，基本上與影響凝膠時間因素相同。對於這類漿材，決定結石強度大小的關鍵因素仍然是水泥漿的濃度，水玻璃則是促使漿液早凝的因素。但應注意，並不是所用的水玻璃越多，漿液凝結就越快，在某些情況下卻呈現相反的規律。3 水泥-水玻璃漿液的配製與灌注配製水泥-水玻璃漿液時，應分別進行水泥漿的配製和水玻璃的稀釋，特別是當使用緩凝劑時，必須注意加料順序、攪拌及放置時間。加料順序為：水緩凝劑溶液水泥，攪拌時間應不少於5min ，放置時間不宜超過3min ，灌注時，將水泥、水玻璃分別配成兩種漿液並按一定的比例用兩台泵或一台雙缸獨立分開的泵同時注入，即採用雙液方式註入。4 水泥-水玻璃漿液的特點（ 1 ）漿液可控性好，凝膠時間可準確控制在幾秒至幾十分鐘的範圍內；（ 2 ）漿液結石體強度高，可達10 20MPa ；（ 3 ）漿液的結石率高，可達100% ；（ 4 ）結石體的滲透係數小，為10 -3 cm /s ；（ 5 ）該漿液適宜於0.2mm以上裂隙及1mm以上粒徑的砂層使用；（ 6 ）材料來源豐富，價格便宜，漿液對地下水和環境無污染。四、矽酸鹽漿材水玻璃（ Na 2 O nSiO 2 ）是水溶性的鹼金屬矽酸鹽。向水玻璃中加入酸、酸性鹽和一些有機化合物都能在體系中產生大量成膠體狀態的矽酸。這是水玻璃凝膠的基本原理。水玻璃類漿液反應機理，可歸納如下：化學漿液方面，目前世界各國大力研究可注性好、注漿效果好、強度大、價廉源廣的不污染環境的注漿材料。水玻璃類漿液由於水玻璃本身來源豐富，價格低廉，污染較小，再加上各種新型固化劑的不斷出現，使水玻璃漿液性能不斷改善，是配製新漿液的一個方向。矽酸鹽屬於溶液型化學漿材，是一種重要的灌漿材料，具有可灌性好、價格低廉、貨源充足、無毒和凝結時間可調節到幾秒至幾小時等優點，應用十分廣泛，隨著國際上日益講求無公害施工，水玻璃類漿液將成為有實用價值的化學注漿材料。日本關西地區曾發生過震驚世界的因使用丙烯酰胺漿液而引起的化學灌漿污染事故，日本政府於1974年頒布了使用化學灌漿材料的有關規定，規定中明令禁止使用除水玻璃以外的其他任何化學漿材。矽酸鹽漿材以含水矽酸鈉（又稱水玻璃）為主劑，另加入膠凝劑反應生成凝膠。膠凝劑