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堵水注浆材料性能研究综述吴元昊孙 旻韩 磊孙童非刘 烨(.中国建筑第八工程局有限公司上海.四川大学 建筑与环境学院四川 成都)收稿日期:作者简介:吴元昊()男河南正阳人博士工程师主要从事隧道及地下工程领域相关研究工作基金项目:上海市青年科技英才扬帆计划:人工冻土水热侵蚀破坏机理及灾害防治技术研究()摘 要:在实际工程中常采用注浆的方式以达到抗突涌和加固混凝土的目的 介绍几种常见注浆材料的分类及特点并针对近年来国内外不同种类的注浆材料的性能研究进行总结最后对注浆材料未来的发展方向进行了展望关键词:实际工程注浆材料抗突涌加固中图分类号:文献标志码:文章编号:():/(.):.:引 言随着我国城市化进程加快各大城市越来越重视地下空间的开发和利用 然而在公路、隧道、桥梁、矿山、堤坝等工程领域的建设中可能会出现突涌将造成严重的基建破坏 为解决上述问题注浆技术被提出 该技术通过一定配合比的材料配制成浆液并通过泵送技术将浆液灌入裂隙内使其扩散、胶凝并最终固化从而达到加固或防渗堵漏的目的 注浆技术因其操作简单、防水效果良好等优点在预防和治理地下工程中的突涌问题中已经得到了广泛的应用 自 年首次使用水泥基材料对煤矿井筒进行注浆堵水加固以来注浆技术已发展有两百多年历史 本文对常用的注浆材料进行详细的介绍为实际工程中注浆材料的使用提供一些参考 注浆材料分类及特点 世纪 年代初期我国开始注浆技术的研究和应用作为注浆技术的关键工程领域的注浆材料需要满足以下几个性能:浆液具有良好的流动性低黏稠度能够注入细小裂隙且初凝时间可控浆液具有稳定性高耐久性和抗冲击性较好注浆材料来源广泛价格低廉配置简便注浆原材料及成品无毒、无污染对操作及施工人员生命安全无威胁根据组成成分如表 所示注浆材料通常分为水泥注浆材料和化学注浆材料两类 其中水泥注浆材料是指以水泥、黏土、粉煤灰、硅粉等颗粒材料加水形成的浆液主要包括纯水泥类注浆材料、水泥黏土类注浆材料、水泥 水玻璃类注浆材料等 水泥注浆材料的结石体强度较高且价格低廉材料来源较为丰富浆液制作简单但是仅适用于宽度较大的裂隙中 化学注浆材料由化学药剂制备而成的具有良好流动性且凝结后具有一定强度的液体包括水玻璃类注浆材料、丙烯酰胺类注浆材料、环氧树脂类注浆材料、甲基丙烯酸酯类注浆材料等 化学注浆材料黏度较低流动性能好但普遍具有毒性且价格较高结石体强度比水泥注浆材料的结石体低适用于对强度要求较低的细微裂隙中 刘永超等对比了不同注浆材料对隧道漏水漏沙的封堵效果分析了不同注浆材料的堵漏机理并提出了堵水比量化的评价参数 夏军武等对比研究了高水注浆材料与纯水泥浆液、水泥 水玻璃和胶砂等常用注浆材料的耐久性能结果表明高水注浆材料体积稳定性能较为优异伴随着水灰比的增加其早期抗开裂性能逐渐提高 周翔对比了水泥基和非水泥基注浆材料的性能非水泥基的体积稳定性、流动性和力学性能均优于水泥基注浆材料表 注浆材料分类类别浆液名称水泥注浆材料纯水泥类水泥黏土类水泥 水玻璃类水泥浆、水泥黏土浆、超细水泥浆、改性灌浆水泥、水泥 水玻璃双浆液等化学注浆材料水玻璃类丙烯酰胺类环氧树脂类甲基丙烯酸酯类木制素类水玻璃 氯化钙浆液、水玻璃 乙酸乙酯浆液、水玻璃(酸化水玻璃)浆液水溶性和非水溶性聚氨酯浆液、纸浆废液 重铬酸浆液等 水泥注浆材料 纯水泥浆注浆材料纯水泥浆类注浆材料主要成分为水泥和水具有来源广、成本低、制作简单、固化后强度高、抗渗性能好等优点在市场上具有较大的需求量 但纯水泥浆类注浆材料存在胶凝时间长、注浆初期强度低、易离析沉淀等缺点导致其应用存在局限性 为了增加浆液的抗水腐蚀性和抗水分散性通常添加 的膨润土等外加剂改善水泥浆的性能纯水泥浆注浆主要用于隧道初期支护回填、常规堵水等近年来国内学者在改善水泥浆类注浆材料性能方面做了大量的工作 邓尤东等以重庆市轨道交通一号线中梁山隧道工程岩溶高压富水段注浆堵水为工程实际研究了快硬硫铝酸盐水泥单液浆性能 结果表明该种注浆料理想水灰比在 初、终凝时间可控制在 内 周茗如等发现相比于普通水泥注浆材料超细水泥注浆材料具有更好的稳定性且当水灰比大于 时超细水泥注浆材料具有致密的结构以及更好的耐久性 孔祥政采用超细水泥灌浆材料对辽宁某大型输水工程进行止水灌浆作业取得了较为满意的阻水效果 纯水泥浆注浆材料的相关研究解决了其胶凝时间、初期强度等出现的问题使得其在工程中得到更为满意的堵水和加固效果 水泥黏土注浆材料水泥黏土注浆材料通常由水泥、水和黏土(最常见的为高岭石、伊利石和蒙脱石)按照一定比例混合而成其沉淀析水性较小、浆液稳定性好、胶凝时间可控 但黏土的掺入使得水泥浆液强度降低因此在工程加固时黏土的掺量需要控制在水泥用量的 水泥黏土注浆材料主要用于隧道堵水和软岩加固等冉景太通过室内试验对水泥黏土浆液进行了研究结果表明浆液的稳定性、结石率等指标均优于纯水泥浆液李小梅等通过浸泡试验研究了水泥黏土浆料的抗水溶蚀性能以此评价黏土水泥浆材的耐久性能 试验结果表明添加改性剂(偏铝酸钠、石膏及膨润土)的黏土水泥膏浆抗溶蚀性能优于不含改性剂黏土水泥稳定浆液同时黏土水泥浆材的抗溶蚀性能优于纯水泥试件 等研究了黏土用量和水灰比对水泥黏土注浆材料性能的影响 结果表明较高的黏土掺量和较低的水灰比对水泥黏土注浆材料的稳定性和渗透性具有积极作用但流动性和强度性能有所退化同时笔者提出了一种确定最佳黏土掺量和水灰比的方法以满足不同的现场需求 黄勤健提出了一种由普通水泥、超细水泥和黏土支撑的注浆材料该种注浆材料最小流动度可达 、初凝时间在 、最大抗压强度可达 唐伟奇等研究了不同偏高岭土掺量水泥基注浆材料的力学性能结果显示偏高岭土能有效提高注浆材料的结石率和抗压强度促进水化反应程度使结石体更加致密 张发等结合工业废渣、偏高岭土等为原材料研制出一种优化配比注浆材料并进行系列性能试验试验结果对该注浆材料的工程实际应用具有一定的参考价值 上述研究表明水泥黏土注浆材料在使用过程中具有较高的稳定性且在使用过程中应该适当添加改性剂从而提高其抗溶蚀性 最优黏土掺量和水灰比能够显著提高水泥注浆材料性能此外偏高岭土对注浆材料的抗压强度具有明显的提高效果 水泥 水玻璃注浆材料水泥 水玻璃注浆料是将水泥和水玻璃按照一定的比例采用双液混合方式注入的浆液 该注浆材料用于大裂隙堵水和对凝胶时间要求较高的工程 通常水泥水化反应会生成氢氧化钙()当在反应物中加入水玻璃后水玻璃会与氢氧化钙迅速发生反应生成具有一定强度的凝胶体水化硅酸钙因此水泥水化速度大大提升、凝结和硬化时间大幅缩短其反应如下:()()()()()等研究了海洋环境下水泥 水玻璃注浆材料的耐久性能结果表明当水玻璃掺量为 、水灰比为 时水泥 水玻璃注浆材料的凝结时间为 受海水硫酸盐侵蚀后抗折强度降低 渗透性为 自收缩为 具有较好的耐久性 等对普通硅酸盐水泥 水玻璃浆料和硫铝酸盐水泥 水玻璃浆料进行了对比试验结果表明硫铝酸盐水泥 水玻璃浆料的初凝时间和终凝时间均大于普通硅酸盐水泥 水玻璃浆料且 时普通硅酸盐水泥 水玻璃浆料远高于硫铝酸盐水泥 水玻璃浆料相比于普通硅酸盐水泥硫铝酸盐水泥不适宜制备水泥 水玻璃注浆料 李召峰等研究了水溶性植物胶对水泥 水玻璃注浆材料的影响结果表明掺入瓜尔豆胶会延缓水泥 水玻璃浆液的凝结时间而掺入黄原胶及黄原胶 瓜尔豆将缩短水泥 水玻璃浆液的凝结时间通过掺入不同水溶性植物胶可实现水泥 水玻璃浆液的凝结时间的可控性 水玻璃在水泥注浆材料中主要起到提高凝结和硬化时间的作用学者们在此基础上添加各类添加剂从而对水泥 水玻璃注浆材料的性能进行多维度的提升使得其在工程中具有更为广泛的应用前景 化学注浆材料 丙烯酰胺类注浆材料丙烯酰胺浆液最早由美国研制其黏度接近于水胶凝时间可任意调节曾广泛应用于隧道、地下工程、大坝等防渗堵漏 然而因其较大的毒性以及对环境的污染多个国家已经停止研究和使用丙烯酰胺浆液郝哲等以三乙醇胺为还原剂对丙烯酰胺注浆材料进行了研究结果表明随着三乙醇胺掺量的增加丙烯酰胺注浆材料胶凝时间有所降低而对凝胶体的强度几乎没有影响李晓强采用丙烯注浆材料对粉细砂底层进行注浆加固利用理论分析和数值模拟对注浆材料优化并对粉细砂地层注浆加固机理进行研究 刘伟配制了一种丙烯盐酸注浆材料用于提升水利工程堵漏效果结果表明该注浆材料固沙体强度随着老化时间呈现指数型函数降低其具备优异的抗老化性能 水玻璃类注浆材料自 年日本丙烯酰胺化学注浆造成严重的环境污染事件后水玻璃作为一种污染可控的注浆材料得到了多方关注 水玻璃类注浆料主要成分为水玻璃和凝胶剂在凝胶剂的作用下水玻璃产生凝胶从而实现封堵效果 水玻璃类注浆料具有价格低、无毒、可灌性好等优点 但是水玻璃类注浆材料的凝结时间稳定性较差凝结体强度较弱主要用于临时性或半永久性工程中其中水玻璃 氯化钙浆液由水玻璃和氯化钙在土体中发生反应生成二氧化硅胶体主要用于建筑和交通工程的地基加固或堵水工程 水玻璃 氯化钙浆液的反应如式():()()()常规水玻璃注浆材料具有强碱性其生成的凝结体易产生脱水收缩和腐蚀现象从而影响其耐久性 酸性水玻璃的出现解决了上述问题其在中性或酸性条件下生成凝结体其反应如下式:()()()李夏等提出了一种磷酸 水玻璃注浆材料试验结果表明随着磷酸含量的增加磷酸 水玻璃混合液 值降低凝胶时间增加磷酸 水玻璃混合液的 值是控制凝胶时间的关键因素 甄泽强对硫酸 水玻璃注浆材料进行了研究结果表明影响硫酸 水玻璃注浆材料胶凝时间的主要因素是浆液的 值最优浆液 值为 同时笔者研究了铝酸钠 水玻璃注浆材料结果表明浆液的胶凝时间与水玻璃浓度呈正相关、与铝酸钠溶液的含铝量呈负相关且水玻璃浓度对胶凝时间的影响略大于铝酸钠溶液的含铝量 等研究对比了二甲基苄胺()和二月桂酸二丁基锡()作为催化剂对聚氨酯 水玻璃注浆材料性能的影响 结果表明两种催化剂均能显著加速聚氨酯 水玻璃注浆材料化学反应速率、缩短胶凝时间且两种催化剂可协同作用当 作为催化剂时该种材料具有较好的流动性和较短的固化时间且后期强度可达 然而当催化剂掺量增加到 时材料性能下降 荣驰等从环保、适用的角度系统研究了新型水玻璃 酯类浆液凝胶时间、黏度时变性的影响因素及规律结果表明新型水玻璃 酯类固沙提抗压强度大能够较好地提高风积沙的强度、降低风积沙渗透性具有优异的加固效果 水玻璃类注浆材料的聚合过程是一个复杂的化学过程其目前由单一改性剂向复合改性剂发展在耐久性方面的研究还有待深入研究以便用于永久性工程 环氧树脂类注浆材料环氧树脂类注浆材料通常由环氧树脂、固化剂、增塑剂、稀释剂组成其强度高、收缩小、化学稳定性好但其黏稠度大脆性大可注性差憎水性强与潮湿裂缝的粘结力差主要用于结构体的加固针对隧道衬砌等结构裂隙粘合和补强具有较好的效果李娜等提出了一种新型环氧树脂注浆材料该种材料加固物的抗弯拉强度和抗压强度分别可达 和 等研究了稀释剂对环氧树脂类注浆材料粘度的影响结果表明随着稀释剂的增加环氧树脂注浆材料的黏度下降当加入 的稀释剂时黏度下降 随着稀释剂的继续增加黏度下降并不成比例下降 等对长江科学院生产的一种环氧树脂注浆材料进行了研究笔者指出该种浆料黏度随时间的变化符合指数函数规律同时建立了该种浆料黏度和亲和力随时间变化的数学模型并进行了实验验证 李培对环氧注浆材料进行改进并成功制备了超低黏度环氧基浆液可用于修补建筑材料的微裂缝 朱永建使用环氧树脂注浆对单一贯通破裂面岩样加固以摩尔 库仑准则为理论基础建立了可靠的注浆材料粘结力与结构面强度提高系数关系 欧阳伟雄等使用环氧树脂注浆材料对地下水封洞库工程进行堵漏作业堵水效果明显透水率得到了明显降低 解刚等研制出了一种改性环氧树脂注浆材料该材料含水状态下具有较大的粘合强度具有良好的堵水效果 现阶段学者们对环氧树脂类注浆材料的研究从试验和理论部分均有较大的突破可以使其适用多种工程环境 甲基丙烯酸酯类注浆材料甲基丙烯酸酯类注浆材料以甲基丙烯酸酯为主剂具有可注性好、渗透能力强等优点但其造价较高且在聚合过程中与裂隙表面易出现局部脱空现象可深入裂隙内部、对隧道裂缝进行充填 年许国强等通过试制甲凝浆液并进行系列研究筛选出了用于汉白玉塑像加固的注浆配方并得到成功应用 李想等研究了促进剂的掺量对甲基丙烯酸甲酯浆料收缩率的影响随着促进剂掺量的增加收缩率有所降低 李晓等通过对甲基丙烯酸甲酯基混凝土修补材料的合成探讨了引发剂和增塑剂对材料黏度和力学性能的影响结果表明:引发剂浓度过大或过小均导致材料黏度变小增塑剂浓度的增大使其黏度增大能够达到修补混凝土的要求 莫翠婷等从施工工艺角度证明了二次关键能有效减弱甲基收缩引起的不良影响从而提高粘结体的抗折粘结强度 甲基丙烯酸酯类注浆材料近些年的研究在收缩率、黏稠度、强度等方面有了很大的提升并成功地应用于各类工程中 结语与展望目前注浆材料已经广泛应用于多个工程领域且已经发展出较多种类在使用时应结合注浆料自身的特点根据实际工程需求选择合适种类的注浆材料 但现阶段针对注浆材料的环保性能相关研究较少特别是化学注浆材料普遍存在一定的毒性 后续应对注浆材料的反应机理进行深入研究基于不同工程的需求开发具有针对性强、绿色环保和治理效果显著等优点的注浆材料:参 考 文 献:李海燕.大流量岩溶管道涌水封堵机理与方法研究.济南:山东大学.:.().():.胥洪彬.岩溶管道型涌水水力特征及注浆封堵机理研究.济南:山东大学.刘红彬唐伟奇肖凯璐等.水泥基注浆材料的研究进展.混凝土():.刘永超袁振宇程雪松等.不同注浆材料对隧道漏水漏砂封堵效果试验研究.岩土工程学报():.夏军武张龙杨远征等.多种注浆材料耐久性能对比试验研究.华中科技大学学报(自然科学版)():.周翔.水泥基与非水泥基注浆材料性能对比.水利科技与经济():.中国岩石力学与工程学会锚固与注浆分会.锚固与注浆技术手册.冉景太.黏土水泥浆液性能研究.昆明:昆明理工大学.丁庆军张高展王红喜等.工业废渣无水泥双液注浆材料的研究.硅酸盐通报():.郝哲母久深刘斌.三乙醇胺为还原剂的丙烯酰胺材料在壁后注浆的应用.中国矿业():.吴国栋.酸性水玻璃化学注浆材料的实验研究及注浆工艺设计.长沙:中南大学.李夏徐军哲刘人太等.新型酸性水玻璃注浆材料的研究与应用.隧道建设():