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1、第二节 灌浆材料及浆液1 灌浆材料水泥灌浆的主要材料是水泥和水，根据工程需要也可加入黏土、粉煤灰、膨润土、砂等掺合料和外加剂。1.1 水泥1.1.1 水泥的品种和技术性能水泥是一种粉末状的水硬性无机胶凝材料。水泥的品种繁多，水利水电灌浆工程中使用最多的是普通硅酸盐水泥，根据工程条件也可使用硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥和抗硫酸盐水泥。它们的技术特性如表2-2-1、表2-2-2和表2-2-3。1.1.2 专用灌浆水泥水工建筑物水泥灌浆施工技术规范DL/T5148-2001规定，灌浆用水泥的品质必须符合GB175 或采用的其它水泥的标准，同时要求帷幕灌浆和坝体接缝灌浆所用水泥的细度宜
2、为通过80m方孔筛的筛余量不大于5%。这就是说，当进行帷幕灌浆和坝体接缝灌浆时，如有可能采用的水泥应当比GB175、GB1344所要求的细度标准更高一些，通过80m方孔筛筛余由10%以下提高到5%以下。实践证明一般的水泥厂家可以达到这一要求。灌浆规范还提出，在特殊地质条件下或有特殊要求时，可使用干磨细水泥浆液、超细水泥浆液和湿磨水泥浆液。对于接缝灌浆当缝面张开度小于0.5mm时，可使用细度为通过71m方孔筛筛余量小于2%的水泥浆液或细水泥浆液。为此，国内一些单位开发研制了多种细水泥浆液，这些水泥的主要技术性能如表2-2-4，颗粒级配曲线如图2-2-1。表2-2-4 几种细水泥技术性能水泥名称生
3、产方式细度主要特点工程实例研究或生产单位改性细水泥在普通水泥中加入灌浆剂，使用棒磨机共同磨细。当使用量较大时，可在工地设厂加工600 800 m2/kg之间，颗粒尺寸d50为6m10m，d90=28.42m，小于30m颗粒的累计为95.78%制浆工艺与普通水泥浆一样，生产能力强。价格较高、贮存不便河北大黑汀水库坝基灌浆工程(花岗片麻岩)等中国建筑材料研究院 超细水泥在水泥厂加工生产比表面积大于800 m2/kg、d50在3m5m之间细度高、有微膨胀性、早强。价格高、贮存不便小浪底地下洞室混凝土裂缝漏水处理；长江三峡导流明渠和永久船闸基础固结灌浆等上海洋泾水泥厂湿磨水泥使用盘磨机在现场加工，随磨
4、随用dmax40m，d50=9.36m，小于30m颗粒的累计为92.2%需配置专用湿磨机，可随用随磨，价格较低长江三峡二期工程帷幕灌浆（花岗岩）；江西万安水利枢纽基岩帷幕灌浆（粉细砂岩）长江科学院湿磨水泥使用微粉磨机在现场加工，随磨随用比表面积600 800 m2/kg之间， d90=20m，d50=8.1m同上云南渔洞水库坝基帷幕灌浆（玄武岩）；黄河小浪底二号洞F1断层补强灌浆（断层泥、角砾）中国水利水电基础工程局科研所图2-2-1 三种水泥颗粒级配曲线1-超细水泥；2-改性水泥；3-普通硅酸盐水泥2 浆液的性能灌浆浆液是一种固液两相的流体，有着复杂的流体性质。其中直接影响浆液的可灌性、浆液
5、结石的性质，从而决定灌浆效果特性主要有水灰比、密度、析水率、黏度、屈服强度和凝结时间等。在一般情况下，纯水泥浆可不进行室内浆液试验。但掺加有掺合料和外加剂的水泥系混合浆液应进行必要的室内浆液性能试验，必要时还应进行浆液结石性能试验。在施工现场一般应进行浆液密度、温度、漏斗黏度和析水率的检测和控制。2.1 水灰比和密度浆液中水与水泥含量的比值称为浆液水灰比，我国多采用质量比，美国和欧洲国家也采用体积比。浆液的密度是指单位体积的浆液的质量，单位g/cm3。3 浆液结石的性能主要讲压滤作用对浆液结石性能的影响 实验证明水泥水化所需水分仅相当于水泥重量的25%左右，而灌浆施工所使用的水泥浆液中的水分远
6、大于此，其中的大部分只起着改善浆液的流动性，方便浆液输送的作用。在实际灌浆过程中，当浆液充满岩石裂隙后继续施加压力进行注浆，浆液中的多余水分就会在灌浆压力作用下排出，然后凝固形成水泥结石，这种作用就是压滤作用。表2-2-15为采用模拟压滤作用的“压力滤水成型仪”成型的水泥浆液结石试件进行试验得到的结果，从表中可以看出：表2-2-15 水泥浆液压滤试验成果示例水泥种类编号水灰比浆液密度(g/cm3)压滤压力(MPa)压滤时间(min)结石密度(g/cm3)浆液结石抗压强度（MPa）7d28d普硅水泥YP-151.0850.3252.05314.0824.56YP-221.2350.3252.17
7、316.3031.33YP-321.2700.352.16011.8421.53YP-421.2700.3152.21314.5626.15YP-521.2750.3352.12019.0034.73YP-611.4600.3252.17322.0039.33YP-70.51.8000.3252.24040.1366.00磨细水泥YM-121.290.7602.02765.3377.00YM-211.500.7602.04064.8084.00YM-311.550.7401.86735.2077.07YM-411.490.7202.08029.4752.13YM-50.81.590.7602.
8、06793.0797.00YM-60.61.720.7602.05392.67112.00 （1）水泥浆液经压滤后，由于多余水分的排出，浆液结石的密度比自由沉降浆液结石有很大的增加。浆液水灰比越大，压滤后浆液结石的密度增加越大。（2） 压滤成型试件的早期抗压强度大大提高，7d抗压强度约为28d抗压强度的70%。（3） 同一个水泥品种，不同水灰比的浆液，在560min的压滤时间和0.3、0.7MPa两种压滤压力作用下，所得浆液结石密度和抗压强度相差不大。4 浆液的制备4.1浆液的拌制拌制浆液的材料应当进行称量，称量方法有重量法和体积法。一般情况下，水泥、膨润土粉、细砂和粉煤灰等干料应采用重量称量
9、法；水、黏土浆和外加剂溶液可采用体积称量法。不论何种方法称量误差均应小于5%。拌制浆液时，应根据拌制材料的成分和形态，确定向搅拌机内加料的次序。配置水泥基浆液时，应先加水，而后加入水泥，基本搅拌均匀后再加入膨润土粉和其它掺和料，细砂、外加剂等最后加入。配制水泥黏土浆所使用的黏土分为干料和黏土泥浆两种。采用预先拌制好的黏土原浆制浆时，可先向搅拌桶加入适量的水，再加入计量的水泥，搅拌成水泥浆，而后再放入已测知密度的黏土原浆以及适量的水，就可制成符合配比要求的水泥黏土浆。使用黏土干料制浆时，土料应制成粉末（如商品膨润土那样），将其加入水中搅拌成浆。商品膨润土可以直接使用干粉制浆，但最好应先水化溶胀2
10、4h以上，然后以膨润土浆或膨润土膏的形式使用。5 几种浆液的特性和适用范围5.1 纯水泥浆液纯水泥浆具有结石强度高、抗渗性能好、工艺简单、操作方便、材料来源丰富、价格较低等优点，是应用最广泛的一种灌浆材料。由于水泥浆液是一种颗粒材料的悬浊液，其最大粒径约为80m，因此灌注纯水泥浆时应具备如下条件：（1） 受灌岩层的裂隙宽度应大于0.2mm；或者透水率大于1Lu。（2） 对于砂砾石地层，其可灌比值应大于15,或渗透系数大于110-3cm/s。（3） 地层中地下水流速不大于100m/d；当大于此值时需考虑在浆液中掺加速凝剂。（4） 地下水的化学成份不妨碍水泥浆的凝结和硬化。5.5 湿磨水泥浆湿磨水
11、泥浆是把普通水泥浆通过湿式微粉磨机在施工现场直接研磨而成的细水泥浆。湿磨水泥浆颗粒细、可灌性好，日本有工程实例可灌入细砂层中，我国的试验资料表明在中细砂中有良好的可灌性。又由于它加工较容易、价格适中，因此较多地应用于细裂隙岩层和砂层中灌浆。（目前小于30）湿磨细水泥浆液的性能相同水灰比的浆液，其颗粒细度和浆液黏度随研磨时间的增加而增大；与普通水泥浆和干磨细水泥浆相比，湿磨细水泥浆具有较好的析水稳定性；由于其保水性较好，所以浆液结石强度也较低；湿磨细水泥浆比普通水泥浆的凝结时间有所延长。精确地检验湿磨水泥浆的颗粒细度需要将浆液脱水还原成粉末状，再进行测试，因而操作复杂，试验时间长。长江三峡工程帷
12、幕灌浆和溪洛渡水电站灌浆试验的湿磨水泥灌浆采用了NSKC-1B超声波颗粒分析仪，可在现场快速进行湿磨水泥细度的检测，满足了施工的要求。5.7 稳定浆液稳定浆液是指2h析水率不大于5%的浆液。它是一种黏塑性的宾汉流体。性能良好的稳定浆液不但要有足够的稳定性，而且要有良好的流动性。由于稳定浆液不易沉降分离，因此多用于纯压式灌浆法。GIN灌浆法也要求使用稳定浆液。在普通水泥浆液中加入适量的稳定剂（通常使用膨润土）和减水剂，就可以获得稳定浆液。5.8 膏状浆液膏状浆液有时又称高稳定性浆液。普通浆液流动度大，易流失，在灌注堆石体、大溶洞等大孔隙地层时，材料消耗大。而膏状浆液由于其具有较高的屈服强度、较大的塑性黏度及良好的触变性能，在大孔隙地层的扩散范围具有良好的可控性。膏状浆液应具备如下特点：屈服强度2045Pa，塑性黏度0.30.45Pa.s，密度1.61.8g/cm3，析水率5%。一般来讲，屈服强度低于10Pa的浆液是不稳定的，而高于35Pa的浆液采用往复式柱塞泵输送困难，因此拌制膏状浆液要使用强制式涡桨搅拌机，灌注膏状浆液最好使用螺杆式灌浆泵。膏状浆液的组成成分主要有水泥、黏土或膨润土、粉煤灰以及外加剂等，6
