灌浆材料及其施工控制.doc

灌浆材料及其施工控制邱小东 湖北工业大学土建学院, 武汉 430068摘要: 本文对灌浆材料的发展情况、分类及其工程应用做了简略介绍,随着防渗补强加固等工程的日益增多和对质量要求的不断提高，对灌浆材料也提出了高性能化、绿色化的要求。本文讨论了灌浆材料的发展方向和研究目标，可以预见绿色新型灌浆材料是未来灌浆材料的发展主流。关键词: 灌浆材料 防水混凝土 抗渗堵漏 环保 发展中图法分类号: TU 528 文献标志码: A 文章编号:Grouting Material QIU Xiaodong School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology, Wuhan 430068Abstract: Here is a brief introduction of the Grouting Materials development, classification and application in engineering. With the increase of requriment in quantity and quality, grouting material itself must have a high-performance environmental response. Through the discussion of developing trend and researching goal, it can see beyond that the environmental grouting material will be the main stream of this field in the future.Key words: Grouting mterial,waerproof concrete,impevious,environmental protection,development1 引言 灌浆材料是将一定的无机材料或者有机高分子材料配制成具有特定性能要求的浆液，采用压送设备将其灌入缝隙或者孔洞中，将其扩散、胶凝或者固化，达到防渗堵漏目的的一类防水材料。各种防水混凝土虽然在地下工程中已经广泛应用，但仍有不少地方存在渗漏，漏水的部位大部分在施工缝、裂缝、蜂窝麻面、埋设件等由于施工不慎或者基础沉降造成渗漏的部位。在新开挖地下工程中，也会有大量地下水涌出，如果不及时止水，工程无法开展。因此，灌浆止水法在地下工程中有它重要的意义，已成为一种地下工程防水施工中不可缺少的手段。2灌浆法的发展、用途及种类2.1 灌浆材料的发展灌浆法出现于19世纪初。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。随着灌浆技术的广泛应用，灌浆材料得到了较大的发展。灌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。而灌浆材料的开发与应用，又反过来推动了灌浆法在更广泛的领域内的应用。通常说的灌浆材料是指浆液中的主剂。灌浆材料必须是能固化的材料。习惯上把灌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。2.2灌浆法的用途灌浆止水法一般有两个方面的用途：一是用于在新开挖地下工程中对围岩进行防水处理，它的基本原理是将制成的浆液压入岩石裂缝，使它沿裂隙流动扩散，形成具有一定强度的低透水性的结合体，从而堵塞裂隙、截断水流。围岩处理一般采用水泥浆液和水泥化学浆液，只有在碰到流砂层、粉砂、细砂冲积层，才采用可灌性好的化学浆液灌浆。二是对防水混凝土地下工程的堵漏修补，修补堵漏技术，是根据工程特点，针对不同的渗水情况，分析原因，选择相应的材料、工艺、机具设备等处理地下工程渗漏的一项专门性技术。2.3灌浆材料的分类2.3.1无机类灌浆材料应用于建筑防水工程的无机类防水材料为颗粒型灌浆材料，是指有一种或几种惰性细颗粒状材料（如水泥、黏土、膨润土、粉灰、硅灰等）悬浮在水中形成浆液，这类浆液也可称为悬浊型浆液、颗粒型浆液。水泥浆材水泥桨材是指采用42.5级以上普通硅酸盐水泥和水拌合成一定稠度的一类灌浆材料。水泥浆材是通过一定的注浆压力，使其在介质中发挥充填和水化作用，硬化后成为水泥石，从而起到填补裂缝和止水作用。水泥浆材是只有水泥和水调配而成的，其特点是外观为浅灰色浆液，结石强度高，价格低，工艺比较简单。水泥桨材属于颗粒型浆材，对于微小裂缝的处理有时不能到达满意效果；水泥浆材凝固时间较长，仅适宜于不存在流动水条件的混凝土裂缝和其他较大缺陷的修补。单液水泥类浆液以水泥为主要原料，添加一定量的水泥附加剂并用水配制成的，采用单液工艺方式注入地基或建筑物缝隙的一类浆液称之为单液水泥类浆液。单液水泥浆以水泥作为灌浆材料，其来源丰富，价格低廉；浆液结石体强度高，抗渗性能好；采用单液工艺，操作方便。但由于水泥是颗粒型材料，可注性差，难以注入中细粉砂层及裂隙岩层；水泥浆液初凝及终凝时间比较长，不能准确控制，容易流失，结石率亦低。超细水泥灌浆材料超细水泥（MC）是以比表面积约8000cm2/g的磨细水泥组成的无机灌浆材料，其颗粒极为细小，最大粒径d90=20um,平均粒径d500.086的特细，粉细砂层和最小宽度为30um的缝隙，其结石强度见表；产品对环境无污染，浆液的流动性、可灌性、稳定性、抗渗性、耐久性等性能十分优良。超细水泥灌浆材料适用于建造地下建筑的防水帷幕，抗渗堵漏和截断渗断水源，整体抗渗性等。超细水泥结石的强度性能项目龄期/d性能项目龄期/d性能抗弯强度MPa35.1抗弯强度MPa325.676.4739.8288.32854水玻璃灌浆材料水玻璃类灌浆材料是指水玻璃在胶凝剂作用下产生凝胶的一种灌浆材料。水玻璃即硅酸钠溶液，是一种胶体溶液，水玻璃灌浆就是将水玻璃溶液和胶凝剂同时灌入地层，混合后产生化学胶凝反应，充填孔隙和岩石缝隙，生成固结体，以达到防渗堵漏或者加固补强的目的。(1) 水玻璃注浆材料的组成 水玻璃溶液 水玻璃溶液的主要物理参数有：模数、密度和黏度等，作为注浆用的水玻璃，对模数和密度有一定的要求，模数的含义是：M(mol/mol)=SiO2/Na2O 胶凝剂 由于水玻璃浆液的凝胶反应比较复杂，其胶凝时间难以控制，凝胶质量存在着因溶脱现象而引起的耐久性的问题，在实际使用时往往将数种 胶凝剂混合起来使用。(2) 水玻璃主要性能对水玻璃浆液的影响 水玻璃溶液是水玻璃浆液的主要成分，其黏度将直接影响着浆液的黏度，而水玻璃溶液的黏度则与水玻璃的模数、密度及温度有关。 水玻璃浆液的胶凝时间主要受水玻璃溶液的密度、胶凝时间的性能和用量、水玻璃浆液的温度的影响。 水玻璃的模数、胶凝剂的种类和用量是影响强度的主要因素，采用氯化钙胶凝体时，水玻璃模数与强度的关系见表水玻璃溶液模数对强度的影响水玻璃溶液模数2.062.52.753.063.433.663.9密度（g/cm3）1.3321.3321.3321.3321.3321.3321.332抗压强度/Mpa24h13.44.04.03.632.461.5115d2.24.855.355.24.32.722.030d3.05.56.556.555.02.921.72(3) 水玻璃浆液的配制水玻璃类浆液有水玻璃-氯化钙浆液、水玻璃-铝酸钠浆液、水玻璃-硅氟酸浆液等多种。 水玻璃-氯化钙浆液 水玻璃与氯化钙两种液体在地下土壤中相遇，立即发生化学反应，生成二氧化硅胶体，并将土粒包围起来凝成整体，不仅起到防渗作用，更主要的是起到加固作用。 水玻璃-铝酸钠浆液 水玻璃与铝酸钠反应，生成凝胶物质硅胶及硅酸铝盐，胶结砂和土壤，起到加固和堵水作用。 水玻璃-硅氟酸浆液 水玻璃与硅氟酸两种药液一经相遇便产生絮状沉淀物，在性能上是一种比较好的水玻璃浆液。 水玻璃-有机胶凝剂类浆液 水玻璃还可以同某些有机物一起用作注浆材料，如醋酸、酸性有机酸酯、醛类（乙二醇等），这类有机胶凝剂不会立即与水玻璃反应，因而胶凝时间还可以在较大范围内控制调节，这类浆液黏度低，扩散性能好。水泥水玻璃灌浆材料水泥水玻璃灌浆材料亦称CS浆液，是将水玻璃溶液和水泥浆液混合在一起，再加入外加剂配制而成的一类灌浆材料。此类灌浆材料具有水泥的优点，兼有化学浆液的特色，是一种用途极其广泛，使用效果良好的灌浆材料。选择浆液配合比时，主要应考虑满足凝胶时间和结石体的强度要求。凝胶时间是指水泥浆和水玻璃相混合对起到浆液不能流动为止的一段时间，水泥水玻璃类浆液的凝固时间可以从几秒钟到数十分钟内准确控制，影响其凝胶时间的主要因素有水泥品种、水泥浆浓度、水玻璃密度、水泥浆与水玻璃体积比及浆液温度等。2.3.2有机类灌浆材料有机类灌浆材料又称为无颗粒快凝灌浆材料。有机灌浆材料比水泥等无机类灌浆材料具有较好的可灌性，而且能按工程的需要调节浆液的胶凝时间，有的可在瞬间凝胶，故有机类灌浆材料适用于有流动水部位的堵漏或者防渗。化学灌浆材料按其材质可进一步分为丙烯酰胺类、甲基丙烯酸酯类、环氧树脂类以及聚氨酯类等多种。聚氨酯类化学灌浆材料聚氨酯化学灌浆材料的主要成分是以多异氰酸酯与多羟基化合物作用生成的预聚体，预聚体在于增塑剂、溶剂、催化剂、表面活性剂、填充剂等配制而成的一种高分子灌浆材料。聚氨酯类浆液是一种防渗堵漏能力较强、固结强度高的灌浆材料，其类型有非水溶性聚氨酯、水溶性聚氨酯、弹性聚氨酯等三类。 非水溶性聚氨酯 非水溶性聚氨酯灌浆材料是以甲苯二异氰酸酯、聚醚有机锡、邻苯二甲酸二丁酯、三乙胺、吐温-80、丙酮等原料配制而成的。本品特点：非水溶性聚氨酯浆液若遇水是稳定的，遇水则立即反应，由于水了反应，故浆液不会被水稀释或冲走。浆液在压力下进入混凝土裂缝，同时向混凝土裂缝四周围渗透，由于浆液中含有未反应的异氰酸基团，遇水又发生反应，放出大量二氧化碳，发泡膨胀发生二次渗透，继续渗入混凝土缝隙，又由于一些交联反应的发生，反应物的黏度不断增大，形成网状结构，最终成为密度小，有一定强度的固结物，浆液的聚合时间可不受限制，可采用单液灌浆，施工方便。 水溶性聚氨酯 水溶性聚氨酯是由环氧乙烷或环氧乙烷及环氧乙烷开环共聚的聚醚与异氰酸酯合成制得。该浆液的特点：浆液能均匀地分散或溶解在大量水中，凝胶后形成包有水的弹性体。结石体的抗渗性能良好凝胶时间可以根据催化剂或缓凝剂的用量在数秒到数十分钟之间调节 弹性聚氨酯 弹性聚氨酯是一种弹性好、强度高、凝结力强的柔性灌缝材料。本品用来处理变形缝或在反复变形情况下的混凝土裂缝较为理想。本品可在室温下固化，在试点工程中效果良好，但目前资源较少，价格较高。丙烯酰胺类化学灌浆材料丙烯酰胺类化学灌浆材料是一种快速堵漏止水材料，是以丙烯酰胺为主剂，添加交联剂、促成剂、引发剂按一定的配合比配制而成，丙凝浆液分甲、乙两液，施工时用两种等量容积同时等压，等量喷射混合，合成丙凝浆液，注入补漏部位，经引发、聚合、交联反应后，形成富有弹性但不溶于水的高分子硬性凝胶。本品特点如下：浆液黏度低，渗透性好，可在水压十分潮湿的环境下凝聚凝结时间可随配比准确控制在数秒至几小时内，可在水量大，水速快的环境下凝结抗渗性好，几乎是不透水的，凝胶形成后，在水中还稍有膨胀，干缩后遇水还可以膨胀，能长期确保良好的堵水性能丙凝胶不溶于水和煤油、汽油等有机溶剂，能耐酸、碱、细菌的侵蚀，亦不受大气条件的影响具有一定的强度和较好的弹性和可变性本品适用于泵房、水坝、水池、隧道、岩基等工程堵水、补漏、防渗。甲凝化学灌浆材料甲凝化学灌浆材料是以甲基丙烯酸甲酯为主剂，加入增塑剂、引发剂和促进剂等组分配制而成的一种高分子注浆材料。甲凝化学灌浆材料适用于在干燥条件下的裂缝补强，尤其是对微细裂缝的补强，甲凝还适用于岩石地基灌浆工程等。在甲凝化学灌浆材料忌水，不宜应用于直接的堵漏止水，同时也不能再十分潮湿的环境下使用。本品具有以下特点：黏度低，可灌性好，有良好的渗透性，能灌0.03mm的混凝土细裂缝甲凝浆液的凝结时间可任意控制在几分钟到几小时内与结构件的粘结强度高，同时对光和许多化学试剂的稳定性好，耐老化，能抗水，抗稀酯和碱的侵蚀甲凝在混凝土中渗透能力强，扩散半径大，由于它的伸长率大，故能承受混凝土热胀冷缩的变形，材料本身对混凝土中的钢筋无锈蚀作用，并且能与混凝土及钢筋牢固粘接，增进钢筋混凝土的力学强度，延长建筑物的使用年限。环氧树脂类化学灌浆材料环氧树脂类化学灌浆材料有环氧树脂、稀释剂、固化剂、及粉料等在冷状态下配制而成的一类灌浆防水材料，其品种有环氧树脂胶泥、浆液能。本产品特点如下： 高强早强：抗压、粘结等物理力学性能远优于普通水泥基灌浆料。自流性：可填充全部空隙，满足设备二次灌浆的要求。无收缩：保证设备与基础之间紧密接触，确保高精度的安装需要。水乳环氧水泥基：环氧树脂与高品质水泥共同作用，耐久性强且符合绿色环保要求。耐腐蚀性：可以承受酸、碱、盐、油脂等化学品长期接触腐蚀。抗蠕变性：在恶劣物理工况下长期使用而无塑性变形，保证设备定位长期精确。本产品用途如下 用于压缩机、泵、冲压机、粉碎机、球磨机等高振动性设备的二次灌浆安装。 用于易受化学侵蚀的设备基础区域灌浆。 用于轨道基础，桥梁支撑座等受强压力区域灌浆。 用于锚栓钢筋种植及建筑结构混凝土补强加固。 可用于潮湿基层。 粘结力强。3灌浆施工控制及效果探查3.1灌浆施工控制3.1.1灌浆控制因素灌浆法的实质是用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆液注入天然的和人为的裂缝或孔隙，以改善各种介质的物理力学性质的一种堵漏防渗方法。影响灌浆效果的因素包括灌浆压力、灌浆量、灌浆速度、浆材的种类及其浓度、配方、固化时间以及灌浆方式、孔距、排距、灌浆顺序等。通过控制这些条件来实现相应的控制目标, 例如浆液的扩散半径、劈裂范围、结石体的形状和强度、灌浆加固体强度和渗透性等。然而, 在实际情况下中是不可能任意改变如此复杂的多种条件的，只能改变其中的一项或几项。但是, 可以在不同的灌浆阶段调整不同的工艺条件, 及时调整某些技术参数, 进而控制整个灌浆过程。3.1.2灌浆施工过程监控在现场灌浆施工控制中, 监控实际灌浆压力p 和灌浆速度q 。通过q 的积分, 来计算每灌浆米的总吸浆量V。3.1.3 灌浆标准灌浆标准是指灌浆后应达到的质量标准。正常操作中应该掌握什么标准来结束一个灌浆过程。一般标准是通过灌浆量( 定量灌浆) 、灌浆压力( 定压灌浆) 、灌浆强度( 恒定GIN 值) 来控制灌浆操作与结束一个灌浆过程的标准。3.2灌浆效果探查方法的分类及选用注浆效果探查方法分类表方法项目范围形状土质参数( 抗剪强度、抗压强度、粘聚力、内摩擦角、密度、渗水系数等等)名称测量的量地表探查声波法波速载荷试验、变形模量、承载力电阻率剖面法电阻率弹性波法波速地下雷达探测法介电常数水准仪、经纬仪地表抬高建筑物变位钻孔探查电阻法电阻标准贯入: 测定N 值, 估算变形模量、粘聚力、内摩擦角、相对密度、弹性波速等十字板剪切实验: 抗剪强度触探法动触探: 测定N 值、推算承载力静触探: 空隙压力、测定锤尖阻力、侧壁摩阻力、估算承载力、压缩模量等旋转触探旁压试验: 旁压模量、承载力孔内载荷实验: 承载力渗水系数测定钻孔取芯取样化学分析室内强度试验电阻率剖面法电阻率电探层电阻率电磁波跨孔法V地下雷达法弹性波法V声波法V测温法温度变化颜色识别法中子分水衰减量电阻率+锥尖阻力+中子水分计4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，可灌性低等缺点使得其不能同时满足不同的地层类型。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。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。由此，灌浆材料在未来的发展方向应该朝着提高环保要求，提高耐久性等问题上努力，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。5 结语目前我国大力提倡建筑的节能环保和建筑的创新，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。这就为新型无机胶凝材料的研究开发提供了有利机会，笔者认为，新型无机胶凝