灌浆材料及浆液技术讲义.docx
《灌浆材料及浆液技术讲义.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《灌浆材料及浆液技术讲义.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
灌浆材料及浆液技术讲义
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。
表2-2-1灌浆工程常用水泥
水泥品种
代号
定义
混合材料
硅酸盐水泥
P.Ⅰ
P.Ⅱ
由硅酸盐熟料、0～5%石灰石或高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料
P.Ⅰ型不掺混合料；P.Ⅱ型在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料
普通硅酸盐水泥（简称普通水泥）
P.0
由硅酸盐水泥熟料、6%～15%的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料
活性混合材料最大掺量不得超过15%，其中允许用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过水泥质量10%的非活性材料来代替
矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥）
P.S
由硅酸盐水泥熟料和粒状高炉矿渣，并加入适量石膏磨细制成的水硬性胶结材料
水泥中粒化高炉矿渣掺加量按质量百分比计为20%～70%。
允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣，代替数量不得超过水泥质量的8%，代替后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20%
火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥）
P.P
凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料
水泥中火山灰质混合材料掺量按质量百分比计为20%～50%
粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥）
P.F
凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料
水泥中粉煤灰掺量按质量百分比计为20%～40%
抗硫酸盐硅酸盐水泥（简称抗硫酸盐水泥）
P.MSR
P.HSR
凡以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量的石膏磨细制成的具有抵抗硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料
P.MSR为中抗硫酸盐水泥，具有抵抗中等浓度硫酸根离子侵蚀的能力；P.HSR为高抗硫酸盐水泥，具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀的能力
表2-2-2几种水泥的技术要求
水泥品种
硅酸盐水泥
普通水泥
矿渣水泥
火山灰水泥
粉煤灰水泥
适用国家标准
GB175
GB175
GB1344
GB1344
GB1344
密度
3.1～3.2
3.1～3.2
2.9～3.1
2.7～3.1
2.8～3.1
细度
比表面积300㎡/kg以上
80μm筛余
10%以下
80μm筛余
10%以下
80μm筛余
10%以下
80μm筛余
10%以下
凝结
时间
初凝（min）
45以上
45以上
45以上
45以上
45以上
终凝（h）
6.5以上
10以上
10以上
10以上
10以上
安定性（煮沸法）
合格
合格
合格
合格
合格
抗压强度（MPa）
见表2-2-3
氧化镁（%）
5.0以下
5.0以下
5.0以下
5.0以下
5.0以下
三氧化硫（%）
3.5以下
3.5以下
4.0以下
3.5以下
3.5以下
不溶物（%）
P.Ⅰ0.75以下
P.Ⅱ1.5以下
—
—
—
—
烧失量（%）
P.Ⅰ3.0以下
P.Ⅱ3.5以下
5.0以下
—
—
—
总碱量
不大于0.6%或由供需双方商定
表2-2-3水泥强度等级及强度指标
强度
等级
硅酸盐水泥
普通水泥
矿渣、火山灰水泥
抗折强度≥
（MPa）
抗压强度≥
（MPa）
抗折强度≥
（MPa）
抗压强度≥
（MPa）
抗折强度≥
（MPa）
抗压强度≥
（MPa）
3d
28d
3d
28d
3d
28d
3d
28d
3d
28d
3d
28d
32.5
—
—
—
—
2.5
5.5
11.0
32.5
2.5
5.5
11.0
32.5
32.5R
—
—
—
—
3.5
5.5
16.0
32.5
3.5
5.5
15.0
32.5
42.5
3.5
6.5
17.0
42.5
3.5
6.5
16.0
42.5
3.5
6.5
16.0
42.5
42.5R
4.0
6.5
21.0
42.5
4.0
6.5
21.0
42.5
4.0
6.5
19.0
42.5
52.5
4.0
7.0
22.0
52.5
4.0
7.0
22.0
52.5
4.0
7.0
21.0
52.5
52.5R
5.0
7.0
26.0
52.5
5.0
7.0
26.0
52.5
4.5
7.0
23.0
52.5
62.5
5.0
8.0
28.0
62.5
—
—
—
—
—
—
—
—
62.5R
5.5
8.0
32.0
62.5
—
—
—
—
—
—
—
—
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为通过80μm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80μm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71μm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
600～800m2/kg之间，颗粒尺寸d50为6μm～10μm，d90=28.42μm，小于30μm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800m2/kg、d50在3μm～5μm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，随磨随用
dmax<40μm，d50=9.36μm，小于30μm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600～800m2/kg之间，d90=20μm，d50=8.1μm
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
1.2水
凡符合国家标准的饮用水、洁净的江河湖水，均可用于搅制水泥浆。
当使用不明情况的地面和地下水制浆时，应当进行水质检验，其所含矿物质不宜大于DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》中对拌制水工混凝土用水的要求（表2-2-5），同时应进行水泥凝结时间和水泥浆结石抗压强度的试验，要求使用这种水拌制的水泥浆与使用洁净水的试样的初、终凝时间差不得大于30min，水泥砂浆28d的抗压强度与使用洁净水的试样相比不低于90%。
表2.2.5拌和与养护混凝土用水的指标要求
项目
单位
钢筋混凝土
素混凝土
pH值
＞4
＞4
不溶物
mg/L
＜2000
＜5000
可溶物
mg/L
＜5000
＜10000
氯化物（以Cl—计）
mg/L
＜1200
＜3500
硫酸盐（以SO42－计）
mg/L
＜2700
＜2700
1.3黏土、膨润土
1.3.1黏土
黏土是高分散性材料，试验分析表明，水泥和黏土粗粒部分的含量差不多，但细粒部分却是黏土占优势。
表2-2-6是几个灌浆工程中所用黏土和水泥的颗粒含量的资料。
材料
各种尺寸颗粒的含量（%）
<40μm
<20μm
<10μm
水泥
72.5
52.5
31.0
黏土
76.3
67.5
55.3
表2-2-6水泥和黏土细粒部分的含量
灌浆浆液中加入黏土的目的是：
（1）黏土中含有大量的比水泥颗粒更细小的微细颗粒，能灌注到地层的微小裂隙和孔隙中。
（2）当地层吸浆量非常大时，替代部分水泥，降低浆液成本。
（3）黏土中的胶体颗粒能大大提高浆液的稳定性。
在《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中对黏土的质量要求是塑性指数不宜小于14，黏粒（粒径小于0.005mm）含量不宜低于25%，含砂量不宜大于5%，有机物含量不宜大于3%。
一般说来，塑性指数和黏粒含量大一些更好，含砂量大了则应当除砂。
1.3.2膨润土
膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的黏土，膨润土中的黏粒含量比普通黏土高得多，它可以作为掺合料或外加剂用于水泥浆中。
作为掺合料加入水泥浆的比例通常大于水泥重量的5%，它在浆液中起的作用与加入黏土所起的作用是相同的。
膨润土作为稳定剂加入水泥浆液的比例通常为水泥重量的1%～5%。
它的作用主要是提高浆液的稳定性，在配制稳定浆液时它是必不可少的浆液成分。
膨润土的性能指标详见本书第六章，作为稳定剂使用的膨润土宜为Ⅰ级土或Ⅱ级土；作为掺和料使用时，各级膨润土均可。
1.4粉煤灰
水泥浆液中掺入粉煤灰的主要作用在于节约水泥、降低成本。
此外由于粉煤灰成份中含有约70%～90%活性氧化物（SiO2和Al2O3等），它们能与水泥水化析出的部分氢氧化钙发生二次反应而生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等较稳定的低钙水化物，从而能使浆液结石的后期强度增长和抗侵蚀耐久性提高。
粉煤灰取代水泥的用量要通过试验来确定，通常掺粉煤灰量是水泥重量的30%～40%。
粉煤灰的质量标准应符合《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/5055-1996的要求（表2-2-7）。
表2-2-7粉煤灰品质指标和等级
序号
指标
等级
Ⅰ级
Ⅱ级
Ⅲ级
1
细度（45μm方孔筛筛余）
≤12
≤20
≤45
2
烧失量
≤5
≤8
≤15
3
需水量比
≤95
≤105
≤115
4
三氧化硫含量
≤3
≤3
≤3
根据工程需要，帷幕灌浆和固结灌浆应采用Ⅰ级或Ⅱ粉煤灰，Ⅲ级粉煤灰可用在回填灌浆中。
1.5砂
在水泥浆液中掺入砂，拌制成砂浆主要是用于回填大的空腔或灌注大裂隙、溶洞时使用。
以砂浆代替纯水泥浆一可以节约水泥，二可以提高浆液结石强度。
《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T5148-2001规定灌浆用砂应为质地坚硬的天然砂或人工砂，粒径不宜大于2.5mm，细度模数不宜大于2.0，SO3含量不宜大于1%（以重量计），含泥量不宜大于3%，有机物含量不宜大于3%。
有条件时应尽量使用天然的细砂或中细砂，其磨圆度好，配制的砂浆和易性、可泵性好。
1.6外加剂
水泥浆液通常不需要加入外加剂。
但有特殊需要时可通过掺入外加剂调节水泥浆液的性质，以适应不同的地质条件和工程要求。
外加剂种类繁多，水泥浆中用得较多的如表2-2-8。
外加剂的品质要求可参照DL/T5100-1999《水工混凝土外加剂技术规程》的规定。
外加剂品种的选用和掺入量应通过试验确定。
表2-2-8水泥浆的外加剂及掺量
名称
试剂
用量%（占水泥重）
说明
速凝剂
氯化钙
1～2
缩短凝结时间
硅酸钠
0.5～3
铝酸钠
缓凝剂
木质磺酸钙
0.2～0.5
延长凝结时间
增加流动性
酒精酸
0.1～0.5
磷酸氢二钠
0.5～2
磷酸氢二铵
增塑剂
木质磺酸钙
0.2～0.3
降低黏度
UNF-5
0.5～1.0
膨胀剂
铝粉
0.005～0.02
约膨胀1.5%
CEA
8～10
约膨胀0.025～0.1%
UEA
8～12
膨胀率0.01～0.035%
AEA
8～10
膨胀率0.003～0.056%
稳定剂
膨润土
1～3
增加黏度和稳定性
灌浆剂
灌浆剂
12
增塑、微膨胀
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。
已知浆液的水灰比，求浆液密度：
μ=
μc×（W+1）
（2-2-1）
μc×w+1
已知浆液的密度，求浆液的水灰比：
w=
μc－μ
（2-2-2）
μc×（μ－1）
式中μc——水泥的表观密度，g/cm3；
μ——浆液密度，g/cm3；
w——浆液水灰比。
各种水灰比浆液的密度见表2-2-9。
表2-2-9水泥浆液密度与水灰比关系对照表
水灰比
10:
1
8:
1
6:
1
5:
1
4:
1
3:
1
2:
1
浆液密度
1.065
1.082
1.107
1.127
1.156
1.204
1.292
水灰比
1.5:
1
1:
1
0.8:
1
0.7:
1
0.6:
1
0.5:
1
0.4:
1
浆液密度
1.372
1.513
1.605
1.663
1.735
1.825
1.939
注：
水泥的表观密度为3.1g/cm3
浆液密度的测定方法见本书第七章2.2.1。
2.2析水率和结石率
浆液的析水率是指浆液在静止状态下由于水泥颗粒的沉淀作用而析出水的比率。
析水率的大小是浆液稳定性的标志。
析水率的测定方法：
（1）取1000mL搅拌均匀的水泥浆，注入有刻度的玻璃量筒内，盖上玻璃板；
（2）每隔1～2min读记上部清水与下部沉淀液之间刻度一次，直至达到稳定标准为止；
（3）稳定标准：
连续三个读数完全相同；
（4）析水率计算：
析水率=析出清水体积（ml）/1000（mL），以百分数表示。
（5）注意事项：
一般应做二次平行试验，以平均值作为试验成果。
浆液的水灰比越小，析水率越小，析水时间越长，但大多数浆液在2h内达到沉降稳定（图2-2-2）。
图2-2-2几种水泥浆的析水量与析水时间关系图
浆液析水后凝结形成的结石的体积占原浆液的体积的百分数，称为结石率。
显然，结石率=1—析水率。
浆液的析水率、结石率与水灰比的关系如图2-2-3。
各种水灰比的浆液的析水率见表2-2-12。
图2-2-3水泥浆液的析水率、结石率与水灰比的关系（425#普硅水泥）
1-析水率；2-结石率
2.3漏斗黏度、塑性黏度和屈服强度
漏斗黏度、塑性黏度η和屈服强度τ（屈服值、动切力）都是表征水泥浆液的流动与变形性质的重要指标，它们的物理意义及测试方法详见本书第七章2.1。
采用标准漏斗和马氏漏斗测得的黏度数值不同，标准漏斗清水黏度为15s，马氏漏斗清水黏度为26s。
我国以前多用标准漏斗，现在二者都有应用。
习惯上简称黏度时，通指标准漏斗黏度，否则应当指明为马氏漏斗黏度，避免混淆。
水灰比是影响浆液塑性黏度和屈服强度的重要因素，水灰比越小，塑性黏度和屈服强度越大（图2-2-4）。
表2-2-10为不同水灰比水泥浆液的塑性黏度、屈服强度和漏斗黏度示例。
水泥的细度对水泥的黏度也有显著影响，表2-2-11为不同细度的水泥和不同水灰比的浆液的塑性黏度、屈服强度示例。
图2-2-4浆液的塑性黏度和屈服强度与水灰比的关系
表2-2-10纯水泥浆液的塑性黏度和屈服强度示例
水灰比W
塑性黏度
mPa.s
屈服强度
Pa
漏斗黏度
s
水灰比
W
塑性黏度
mPa.s
屈服强度
Pa
漏斗黏度
s
0.3
403
384
2.0
2.5
1
16.3
0.4
90
67
3.0
1.8
0.70
15.8
0.5
37
23
60
5.0
1.4
0.53
15.4
0.6
20
12
29
8.0
1.3
0.45
0.7
13
7
24
10.0
1.2
0.43
15.2
0.8
9
5
22
20.0
1.1
0.39
1.0
6
2
18.8
水
1.0
0
15
1.5
3.6
1.37
16.8
表2-2-11水泥细度和水灰比对浆液黏度的影响
不同水灰比
浆液的
流变参数
0．5
0．8
1．0
2．0
3．0
5．0
塑性黏度
mPa.s
屈服强度
Pa
塑性黏度
mPa.s
屈服强度
Pa
塑性黏度
mPa.s
屈服强度
Pa
塑性黏度
mPa.s
屈服强度
Pa
塑性黏度
mPa.s
屈服强度
Pa
塑性黏度
mPa.s
屈服强度
Pa
水泥细度
cm2/g
3475
36.0
66.0
9.6
8.8
4.7
5.6
2.6
2.1
1.8
2.2
1.5
1.3
4487
67.0
128.0
12.5
20.0
11.6
9.4
3.8
2.6
2.5
1.2
1.9
0.7
5213
78.0
136.0
49.0
49.6
15.6
13.5
3.8
4.4
3.6
3.4
2.2
1.9
有时候，使用的浆液很浓，水灰比小于0.5:
1，漏斗黏度值很大，甚至浆液很难从漏斗中流出，在这种情况下常常使用“流动度”的指标衡量浆液的流动性能，单位为cm。
流动度的测量方法见本书第十章第四节2.4.2。
2.4浆液的凝结时间
凝结时间一般是指在一定温度下，从参加反应的全部组分混合时起，直到凝结体形成的一段时间，单位为h或min。
初凝时间是指浆液从加水搅拌起，到开始失去塑性的时间；终凝时间是指浆液从加水搅拌起，至完全失去塑性的时间。
浆液凝结时间的测定使用凝结时间测定仪，其方法为：
（1）在凝结时间测定仪上装好测针，调整仪器，使测针接触底座玻璃板上的玻璃板时，指针对准标尺零点；
（2）把圆模放在玻璃板上，将搅拌均匀的浆体注满圆模（必要时加套模），待浆体沉降后，吸去上层析水，刮平表面，放入标准养护箱内养护；
（3）根据不同浆体凝结快慢，确定测定时间间隔，一般开始每隔1～3h测定一次。
当快接近初凝时每5min测试一次，接近终凝时每1～5min测试一次；
（4）测定前，将充满浆体的圆模，移到凝结时间测定仪底座上，移动金属测杆，使测针与浆体表面接触，然后松开测杆的紧固螺丝，使其自由下落，记录标尺的刻度；
（5）从加水搅拌至测针沉入试样中，距玻璃板0.5～1.0mm时的时间，为初凝时间；从加水搅拌至测针沉入试样不大于1.0mm时的时间，为终凝时间。
浆液的凝结时间受多种因素的影响。
浆液的水灰比越大，水泥的颗粒越粗（比表面积越小），凝结时间越长；灌浆压力越大，环境温度越高，凝结时间越短。
同一种水泥浆液的凝结时间受水灰比的影响很大，表2-2-12为不同水灰比的浆液在自由沉降条件下的凝结时间示例。
表2-2-12水泥浆液的凝结时间示例
水灰比
浆液密度
（g/cm3）
浆液析水率
（%）
析水后浆体密度
（g/cm3）
凝结时间（h:
min）
初凝
终凝
0.4:
1
1.95
1.8
1.97
6:
55
8:
07
0.6:
1
1.74
13.7
1.86
8:
36
9:
19
0.8:
1
1.59
28.1
1.83
9:
24
10:
30
1:
1
1.52
36.7
1.85
9:
47
11:
22
2:
1
1.30
55.0
1.62
10:
10
11:
59
4:
1
1.16
74.0
1.62
10:
45
14:
04
6:
1
1.16
82.3
1.63
13:
05
16:
25
8:
1
1.08
86.4
1.66
18:
14
21:
13
注：
使用425#硅酸盐水泥，初凝3:
27，终凝4:
23；凝结时间自析水达到稳定时开始。
除上述之外，钻孔固壁泥浆一些性能指标（详见第七章）也常常在灌浆浆液试验中使用。
3浆液结石的性能
3.1浆液结石的主要性能
灌浆工程对水泥浆液结石性能的要求主要有密度、抗压强度、弹性模量和渗透系数，在有的情况下还要求抗拉和粘结强度。
各项性能指标可采用《水工混凝土试验规程》DL/T5150-2001中砂浆的试验方法进行测试。
浆液结石的密度、力学强度和渗透性能与水灰比有密切关系。
浆液结石的密度与浆液水灰比的关系如图2-2-5，不同水灰比的浆液结石的力学性能和渗透系数见表2-2-13和表2-2-14。
图2-2-5水泥浆液结石的密度与浆液水灰比的关系（425#普硅水泥）
1-结石湿密度；2-结石干密度
表2-2-13不同水灰比的水泥浆液结石的力学性能示例
水灰比
抗压强度
（MPa）
弹性模量
（GPa）
劈裂抗拉强度
（MPa）
粘结强度
（MPa）
0.4：
1
51.3
14.5
3.73
1.11
0.6：
1
32.2
12.0
2.97
0.85
0.8：
1
27.5
6.6
2.41
0.73
1：
1
20.4
6.8
2.57
0.69
2：
1
14.1
3.7
1.80
0.65
4：
1
15.4
1.23
6：
1
14.6
1.03
8：
1
76
0.83
注：
使用水泥品种同表2-2-12，试件龄期28d，试验方法按《水工混凝土试验规程》SD105-82。
表2-2-14不同水灰比的水泥浆液结石的力学性能和渗透系数示例
水灰比
抗压强度
（MPa）
弹性模量
（GPa）
升级会员 