非水泥基无机系微细裂隙灌浆材料的应用成果

2.1.1　设计思路

在水利水电灌浆工程中，微细裂隙的灌浆始终有一定难度。如果采用普通水泥作为灌浆材料，经常发生“析水回浓”而被迫中止灌浆，从而影响了灌浆质量。导致这一现象的主要原因是水泥的细度与裂隙的宽度不相适应。一般认为，浆材粒径需小于裂隙宽度的1/3～1/5，灌浆才易奏效。

实践证明，对小于0.2mm的细微裂隙，用一般水泥灌浆没有显著效果。磨细水泥材料由于粒径显著降低，对0.1～0.2mm区间的细微裂隙具有较强可灌性。但由于适用范围较窄且造价较高，故磨细水泥材料在工程实践中大多只是作为普通水泥和化学灌浆材料的过渡，应用并不是很广泛。化学灌浆材料是真溶液，也是微细裂隙处理的主要手段，大多数情况下是唯一的选择。

从环保角度看，除水玻璃材料外，其他化学浆材都或多或少地会对环境造成一定影响，不利于施工人员的健康，成本也比较高。水玻璃材料虽环保，但强度低，耐久性差。非碱性水玻璃解决了耐久性问题，但强度仍然较低，而且施工工艺比较复杂，这些都限制了化学浆材的进一步应用。

2.1.2　高碱激发碳酸盐矿渣材料

2000年以后，在微细裂隙灌浆材料方面出现了新的选择，即非水泥基无机系灌浆材料。目前，该材料主要有两个系列，即碱激发碳酸盐矿渣系列材料和亚微米级超微灌浆材料。

2001年，华南理工大学殷素红、文梓芸小组合成了碱激发碳酸钙镁类岩石灌浆材料，并对其性能进行了测定。结果表明，这种灌浆材料粘度小，流动性好，可实现单液灌浆，凝固时间在5～20h可调节，稳定性好，渗透能力强，结石体强度和固砂强度达1～3MPa。由于该材料的细度较小（5μm以下颗粒占80%以上，D50在2μm左右），因此可用于微细裂隙灌浆。

2004年，通过内掺少量复合无机矿粉的方式，使模拟灌浆砂柱28d抗压强度提高至3.9～7.3 MPa，结石体和模拟灌浆砂柱的抗渗压力则增大至0.7～0.9 MPa，同时、Na+溶出量减少。这些都表明，材料性能得到全面改善。

2006年，王小萍等对碱激发碳酸盐矿渣灌浆材料抗渗性能进行了系统研究。研究结果表明，当矿渣掺量Ms=5%时，碱激发碳酸盐矿渣灌浆材料标准固砂体的渗透系数与抗渗标号为S16和S18的普通混凝土相当；而当Ms≥30%时，其渗透系数比抗渗标号为S16和S18普通混凝土小一个数量级。上述结果表明，该灌浆材料抗渗性能优良。

目前，该材料已在广东韶关道路路基处理工程中进行了试验，并通过了国家863项目的验收。

2.1.3　亚微米级超微灌浆材料

该材料是在2004年，由中国水电基础局有限公司的孙亮、肖恩尚小组提出的。其设计出发点是，如果能有一种新材料，它的细度比磨细水泥更小，可灌性更好，主要技术指标与磨细水泥相当，成本比磨细水泥更低或接近，那么便有可能使目前微细裂隙灌浆模式由目前的普通水泥-磨细水泥-化学灌浆三级组合变为普通水泥-超微材料两级组合，从而简化微细裂隙处理流程，提高效率，降低成本。(www.xing528.com)

（1）研究目标的确定。根据上述思路进行了前期调研和可行性试验。经详细论证，该材料设计目标设定为一种针对0.1mm以下宽度裂隙具有良好可灌性的新型灌浆材料，主要技术参数如下：

1）所用原材料的细度均应相当于或好于细水泥；材料整体的细度应在1μm左右，浆液的马氏漏斗粘度应控制在40～45s，最多不宜超过60s。

2）材料的价格，原则上不超过磨细水泥。

3）材料抗压强度不宜低于10MPa。

4）所有材料和工艺都必须满足环保的要求，尽量避免环境污染和对施工人员造成危害。

5）立足现有设备，工艺简单可靠。

（2）取得的主要进展。

1）设计原理论证。初步可行性研究的目的主要通过试验筛选原材料，并确定能不能固化。在长达一年的试验后，初步可行性研究通过，材料固化成功，28d强度达2～4MPa。

2）高流动性高强度浆材研究取得突破。可行性研究的目标是确定影响浆材各性能的主要因素，并从大量试样中筛选出部分配比供中试使用。须解决的主要问题是如何在固化和流动之间达到平衡，关键是分散体系的构成。2006年5月，复合分散剂研制成功，材料的流动性显著改善，马氏漏斗粘度降至50s以下，与此相对应的是，材料的强度显著提高，28d强度可达15MPa左右，部分配比突破了20MPa，最高达24MPa以上。

3）仍然存在的问题。目前，亚微米级超微灌浆材料还存在两个问题。第一，材料的强度虽高，但抗渗性能比较差；第二，材料的凝结时间一般在48～72h之间（维卡仪法），做到36h困难较大。

我们分析，与水泥基材料相比，超微材料有其自身的特点。众所周知，水泥中有C3A、C3S等多种高活性的矿物，而这些矿物都是在高温下形成的，遇水后即可很快水化；而超微材料则完全靠自身的各组分在室温下进行水化反应，尽管有激发剂，但由于其效果不好，晶核形成毕竟比水泥要慢得多，所以，凝结时间长是必然的。同时，由于材料组分太细，晶核过小，因此晶体间的相互作用就比较弱，而抗渗性能差正是其外在表现。所以，抗渗不好和凝结时间长有着内在的联系，解决问题的关键是选择更好的激发剂，促进早期水化。