注浆材料

3.注浆材料
以改良地基和岩体为目的，在地基或者岩体中注入的材料称为注浆材料。

此外，在建筑物和地基的界面，如巷道和隧道及井筒的壁后充填堵水等的材料也被称为注浆材料。

注浆材料是注浆技术中不可忽视的重要组成部分，注浆之所以能够对被注体起到堵水和加固的作用，主要是由于注浆材料在过程中经过一段可人工控制的时间，发生由液相到固相再到结石体充填被注体裂隙并将松散块体联结成整体的结果。

因此，广义上讲，凡是一种浆液在一定条件下可以变成固体的物质，一般都可以充当注浆材料。

注浆材料的配制和作用一般包括原材料、浆液和结石体三个阶段，原材料包括一种和几种主剂和助剂（可能没有，可能一种或几种），助剂根据其在浆液中的作用，分为固化剂、催化剂、速凝剂及悬浮剂等；在原材料中加入水或其他溶剂就可以配制浆液，浆液经过一定的化学反应或物理反应之后所形成的固体就叫结石体，结石体用于充填、堵塞地层中的裂隙或孔隙，起到堵水和加固的作用。

3.1 注浆材料的选择原则
注浆材料品种繁多，性能各异，但作为注浆材料，应有一些共同的特征，满足一些特定的要求。

一种理想的注浆材料，应满足以下要求：
①流动性好，浆液粘度低，可注性好，易注入细小裂隙和细砂层中。

②浆液凝固时间可以在宽域时间内任意调节，并能人为地加以准确控制；
③浆液稳定性好，在常温常压下长期存放不变质，不发生化学和物理变化。

④浆液无毒无嗅，对环境不污染，对人体无害，属非易燃易爆物品。

⑤对注浆设备、管路系统、混凝土、橡胶制品等无腐蚀性，且易清洗。

⑥浆液固化时，无收缩现象，固化后有一定的粘结性，能牢固地与岩石、混凝土及砂子粘结。

⑦浆液结石率高，结石体有一定的抗压强度和抗拉强度，不龟裂，抗渗性好。

⑧耐久性较好。

⑨源广价廉，能大规模使用，且易于运输。

⑩配制方便，配比操作容易。

一种材料要满足以上要求是困难的，各种材料都或多或少地在某些方面存在一定缺点和不足，因此，在实际施工过程中，一般应根据合适的浆液配合使用，以期达到预期的注浆效果。

材料的选择通常考虑围岩的岩性和改良效果，且与工法相结合，同时应考虑以下几点：
①不同岩性的分界层是地基的薄弱点，防止浆液在该层扩散不均。

因此有必要采取分段注浆，对于不同地层采用不同浆材配比及注浆参数，以保证各种地质情况下的注浆效果。

②地下水的存在或流动，导致注入浆液性质改变及流失，影响正常扩散。

由于地下水的存在，特别是动态流水对浆液的固结效果影响很大，会导致注入地层中的浆液凝胶时间加长或被动水冲走而流失，达不到固结填充防水的目的，此时需要改变浆材或配比。

③砂质地层中渗透扩散与浆材的渗透系数关系较大，否则难以扩散。

中细砂质地层特别是流砂层注浆加固，对材料的粒径要求较高，普通水泥系浆材在该地层中渗透困难，往往容易造成劈裂现象，采用超细水泥系浆材，因其粒径比普通水泥小20倍左右，能较好的扩散，避免大面积劈裂加固不均匀现象。

④粘性土层中，浆材不能渗透到土颗粒间，而只能形成脉状渗流，起到压密作用。

此时的浆液扩散体在土体中形成脉状骨架，能达到整体稳定效果，而要彻底防水采用旋喷或搅拌加固效果更好。

⑤围岩裂隙堵水宜先采用大粒径的水泥系浆材充填一定空隙，然后再注入细粒径材料.
⑥混凝土裂缝修补堵漏可采用有机浆材，既达到堵缝防水的目的，又能增加砼强度，达到堵水补强的目的。

3.2 水泥浆
水泥类浆是属悬浊液，具有结石体强度高，抗渗性能好，材料来源广，价格低廉，注浆工艺简单，无毒等优点。

但是可灌性较差，凝胶时间长，早期强度低，易沉降析水，宜用于裂隙较大，透水性较好地层的加固注浆。

3.2.1 普通水泥浆
普通水泥浆具有凝胶时间长，较长的可注期，较高的固结体强度，单价低。

但由于初凝时间长，易被地下水稀释，影响其凝胶化性能和强度，易干缩引起渗漏水。

在水泥中，按比例加入一定量的水，混合、搅拌而成的浆液称为纯水泥浆，其特点是结实强度高、抗渗性能好、价格低廉、注浆工艺简单。

但由于水泥是颗粒型材料，且凝固时间较长，注浆过程中浆液易流失，故其应用受到限制，常常需要掺加其它添加剂使其性能加以该善。

纯水泥浆的配比和结实体的主要性能如表8—1所示。

注：1、采用普通硅酸盐水泥；
2、各种测定数据均采用平均值。

从试验结果可以看出，随着水灰比的增大，水泥浆的粘度、密度、结石率、抗压强度都有十分明显的降低，初凝时间逐渐延长。

3.2.2 超细水泥浆
超细水泥是指水泥中的最大颗粒不大于20μm、比表面积不小于8500cm2/g，经过特殊磨细加工的水泥。

超细水泥浆液是采用超细水泥和一定比例水混合在一起配制而成的浆液.超细水泥浆的d90比普通水泥浆小20倍左右,且比表面积比普通水泥浆大4倍左右。

超细水泥浆渗透能力较强,能渗入粉、细砂层和岩石的细小裂隙中, 这种水泥的颗粒细小，制成的浆液可注入渗透系数为10-2～10-4cm/s的中细沙层及岩层的细小裂缝中。

超细水泥浆液的性能稳定，析水性、流动性都比普通水泥有显著改善，浆液结石体的强度比普通水泥高很多，结实体具有较高的强度和较好的耐久性, 对地下水和周围环境无污染。

用于堵水和固结注浆都是非常好的材料，目前世界各国都在致力于研究开发和广泛应用由于超细水泥的比表面积很大,欲配制流动性较好的浆液,用水量较大,因此往往与需掺入一定量的助剂来改善浆液的流动性.表8-2是几种不同配比的超细水泥浆的基本性质。

3.3 水泥－水玻璃浆
水泥—水玻璃类浆液亦称C-S浆（C代表水泥，S代表水玻璃），是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定的比例采用双液方式注入，必要时加入附加剂所形成的注浆材料。

水泥—水玻璃类浆液是一种用途极其广泛、使用效果良好的注浆材料。

3.3.1 水泥—水玻璃浆液的性能
水泥—水玻璃浆液的组成及配方、性能效果见表8—4所示。

根据注浆工程的需要及水泥—水玻璃浆液的特点，一般都注重浆液的凝胶时间和抗压强度这两种性能。

影响这两种性能的因素很多，下面分别讨论。

凝胶时间是指水泥浆与水玻璃相混合时起至浆液不能流动为止的这段时间，水泥—水玻
表8-6
水泥—水玻璃浆液结石体抗压强度较高，特别是早期强度较高，并且增长速度很快。

影响水泥—水玻璃浆液的抗压强度因素主要有水泥浆浓度、水玻璃浓度、水泥浆与水玻璃体积比等。

○1水玻璃浓度为40oBé和水泥浆与水玻璃体积比（C：S＝1：1）不变，水泥浆浓度即水灰比加大，浆液结石体强度降低。

7d、14d、28d浆液结石体抗压强度W：C＝0.5：1时，分别为20.4MPa、24.4MPa和24.8MPa。

7d、14d、28d浆液结石体抗压强度W：C＝1.5：1时，分别为0.5MPa、0.9MPa和2.3MPa。

○2水玻璃浓度增加，其他条件不变时，浆液结石体抗压强度增加。

但当水灰比为1.5：1时，浆液结石体抗压强度随水玻璃浓度的增加而降低。

3.3.2水泥—水玻璃浆液的配制
配制水泥—水玻璃浆液时，应分别进行水泥浆的配制和水玻璃的稀释，特别当使用缓凝剂时，必须注意加料顺序和搅拌及放置时间。

加料顺序为：水→缓凝剂溶液→水泥，搅拌时间应不少于5min，放置时间不宜超过3min。

缓凝剂和水泥浆配制后放置时间越长，水泥—水玻璃浆液凝胶时间越短。

搅拌时间越长，
浆液的凝胶时间相应的变长。

3.3.3水泥—水玻璃浆液的特点
水泥—水玻璃浆液具有以下特点：
○1浆液可控行好，凝胶时间可准确控制在几秒到几十分钟的范围内；
○2浆液结石体强度高，可达10.0～20.0MPa；
○3浆液的结石率高，可达100％；
○4结石体的渗透系数小，为10-3cm/s；
○5该浆液适宜于0.2mm以上裂隙及1mm以上粒径的砂层使用；
○6材料来源丰富，价格便宜，浆液对地下水和环境无污染。

3.4其他注浆材料
3.4.1 改性水玻璃浆
改性水玻璃浆液又称酸性水玻璃浆液，它是由普通碱性水玻璃加硫酸酸化后配制而成。

该浆液在酸化过程中产生多聚硅酸，固结后呈胶状体，能阻止Na+溶脱，增加了固结体的耐久性，优于固结体易崩解的碱性水玻璃固化剂的浆液。

当地层不是碱性地层时，把水玻璃先制成pH值为2的酸性水玻璃，再配弱碱溶液，双液注入地层。

该方法要求施工中使用耐腐蚀的设备。

当地层是碱性地层时（如北京地区的地层），将水玻璃制成pH值为4～6的弱酸性水玻璃，单液直接注入地层，浆液在地层中自行固结。

该浆液的主要性能指标如下：密度：1.19～1.21g/cm2
粘度：2～5厘泊
酸碱度：PH值4～6（根据凝胶时间调整）
凝胶时间：空气中：30～240min，细砂中：5～30min
固砂体单轴抗压强度：0.3～0.5MPa
配制要求：甲液为浓度10～20 Be’的水玻璃；乙液为浓度10～20%硫酸加入适量的缓凝剂。

配浆时将一定量的甲液缓缓倒入乙液中，边加边搅拌，用简易牛角泵式耐酸泵进行压注。

改性水玻璃浆料源广、价格适中、无毒、无污染、黏度低、可注性好，可作为粉细砂或砂砾地层的注浆加固和堵水材料。

该浆液在北京地铁建设中已成功应用，并得到推广。

3.4.2 TGRM水泥基特种灌浆料
TGRM水泥基特种灌浆料是一种以水泥为基料的无机灌浆材料，它是由优质专用水泥、
特种混合材料、高效复合外加剂及适当聚合物配制而成，该材料可以减小浆材的离析和泌水，有效地提高灌浆材料的流动性，显著地提高灌浆材料的早期和后期强度。

材料的低含碱量可有效防止碱骨料反应，遇水抗分散性可在突水条件下施工，提高灌浆材料的凝聚性，减少灌浆损失。

TGRM灌浆料主要分为超早强加固型，抗分散防水型及超细型三种。

表8-7是不同水灰比的加固型TGRM净浆的初、终凝时间, 表8-8是不同水灰比的加固型TGRM结实体的抗压强度随龄期的变化，表8-9是不同水灰比的加固型TGRM结实体的抗折强度随龄期的变化。

浆液特点：
1、加固型TGRM水泥基特种灌浆料具有超早强、微膨胀、高抗渗的特点；
2、防水型TGRM水泥基特种灌浆料具有水中抗分散、速凝、高抗渗的特点；
3、超细型TGRM水泥基特种灌浆料具有高比表面积、高流动度、可灌性好的特点。

3.4.3聚氨酯类浆液
聚氨酯浆液是一种防渗堵漏能力较强、固结强度较高的注浆材料。

它属于聚氨基甲酸酯类的高聚物，是由异氰酸酯和多羟基化合物反应而成。

由于浆液中含有未反应的异氰酸基因，遇水发生化学反应，交联生成不溶于水的聚合体，因此能达到防渗、堵漏和固结的目的。

另外反应过程中产生二氧化碳，使体积膨胀而增加固结体积比，并产生较大的膨胀压力，促使浆液二次扩散，从而加大了扩散范围。

聚氨酯类浆液可分为水溶性和非水溶性浆液两大类，它们的的区别在于：前者与水能混
合，后者只溶于有机溶剂。

3.4.3.1非水溶性聚氨酯浆液
非水溶性聚氨酯浆液是由多异氰酸酯和多羟基化合物聚合而成，当该浆液制备时可分为“一步法”和“二步法”两种。

“一步法”就是在灌浆时，将主剂的组分和外加剂直接一次混合成浆液。

“二步法”又称预聚法，是把主剂先合成为聚氨酯的低聚物（预聚体），然后，再把预聚体和外加剂按需要配成浆液，这样可以缓和反应，减少放热，便于控制凝胶时间。

○1“一步法”浆液
“一步法”浆液的组成、配比及性能见表8—10所示。

该浆液从组分混合后，就开始反应，粘度逐渐增大，生成具有一定抗渗性能的强度较高的固结体，凝胶时间较短，特别适用于堵漏注浆。

注：1、初凝时间指浆液混合后至能拉丝这段时间；
2、粘结强度系用8字形干燥试件测定，空气养护7d。

○2预聚法（即“二步法”）
该浆液是将多异氰酸酯和聚醚树脂，先预聚成低聚物，再将预聚体与一定的外加剂相混合而成，几种预聚体的配比如表8－11所示。

预聚体浆液反应较慢，容易控制，适用于疏松地基加固，建筑物的防渗、堵漏、补强、挡土墙、桥墩、滑坡区的锚固等。

○3非水溶性聚氨酯类浆液特点：
a. 浆液相对密度1.036～1.125g/cm3，是非水溶性的，遇水开始反应，因此，不易被地下水冲稀，可用于动水条件下堵漏，封堵各种形式的地下、地面及管道漏水，止水效果好；
b. 浆液遇水反应时，放出CO2气体，使浆液产生体积膨胀，向四周进行二次渗透、扩散，直到反应结束，所以其扩散半径较大。

c. 浆液粘度低，可注性好，胶结体渗透系数可达10-6～10-8cm/s;
d. 浆液遇水开始反应，所以受外部水或水蒸汽影响较大，所以应密封存放；
e. 注浆后，管道、设备需用丙酮、二甲苯等溶剂清洗。

f．采用单液系统注浆，工艺设备简单。

3.4.3.2水溶性聚氨酯浆液
水溶性聚氨酯浆液由预聚体和其他外加剂组成。

预聚体也是由多异氰酸酯反应而成，外加剂与非水溶性聚氨酯所用的基本相同，目前国内所用的主要有两种，即高强度浆液的预聚体和低强度浆液的预聚体，其组成如表8－12和表8－13所示。

水溶性聚氨酯浆液的组成、配方及主要性能如表8－14所示。

水溶性聚氨酯浆液特点：
a. 浆溶能均匀地分散或溶解在大量水中，凝胶后形成包有大量水的弹性体；
b. 浆液相对密度1.10 g/cm3左右，粘度0.1Pa·s左右；
c．凝结时间几秒～几十分钟，可根据催化剂或缓凝剂的用量调节；
d．胶结体的抗渗性能好，一般在10-6～10-8cm/s，抗压强度与包水量有关。

3.4.4丙烯酸盐类浆
丙烯酸盐作为注浆材料主要是丙烯酸的一价、二价、三价金属盐，其性质如表8－15所示。

丙烯酸盐浆液基本组成及主要性能见表8－16所示。

丙烯酸盐的特点：
○1浆液粘度低，可注性好，能注入到粒度为0.01～0.05mm、渗透系数为10-5cm/s的土壤中；
○2浆液的凝胶时间可控制在几秒到几个小时的范围内，并且浆液凝固前粘度一直保持不变，固化时粘度突然增加形成凝胶；
○3浆液化学稳定性好，凝胶体不溶于水和有机溶剂，可在高、低温条件下使用，并无药物影响。

注：丙烯酸盐围丙烯酸钙与丙烯酸镁混合液，其配比为1：（3～7），另加少量阻聚剂。

3.4.5环氧树脂浆液
环氧树脂浆液的配方如表8－17所示，该浆液配方的力学性质如表8－18所示。

注：DMP－3为2，3，5－三（二甲氨基甲基）苯酚；除二乙烯三胺、三乙胺外，均按重量计。

表8-18 几种环氧树脂浆液胶结体的力学性能
环氧树脂浆液的特点
a.浆液配制复杂，成本较高；
b.浆液粘结力强、胶结体抗冲击、抗拉、抗压强度都较高，且收缩率小；
c.浆液可在室温下固化、化学稳定性好；
d.浆液的缺点主要是粘度偏大，固化时间长，在潮湿的基面上粘结力差。