第3章灌浆浆液.docx
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第3章灌浆浆液
第三章灌浆浆液
灌浆浆液基本上可分为两类。
一类是悬浮液，系采用固体颗粒浆材，例如水泥、粘土、沙等制成的浆液，其颗粒处于分散的悬浮状态；另一类是真溶液，系由化学浆材，例如环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸盐等制成的浆液。
基岩固结灌浆（固结灌浆是指对破碎的或不连续的岩体灌入水泥浆，使其形成整体，加岩石的各项力学指标及抗渗性等。
）和帷幕灌浆均以水泥基浆液为主，遇到一些特殊地质条件，例如断层、破碎带、微细裂隙等，当使用水泥浆液难以达到预期效果时，方采用化学灌浆材料作为补充，并且化学灌浆也多是在水泥灌浆基础进行的。
第一节浆液的选择
在大坝地基处理灌浆施工中，浆液的选择非常重要，在很大程度上直接关系到帷幕的防渗效果，地基岩石在固结灌浆后的力学性能、以及灌浆工程的费用。
因此研究灌浆材料及其配浆工作一直是灌浆工程中的一个重要课题。
通过多年来的试验研究和工程实践，在灌注浆液方面取得了很大成绩。
由于灌浆的目的和地基地质条件的不同，组成浆液的基本材料和浆液中各种材料的配合比例也有很大变化。
一般讲用于大坝岩石地基灌浆的浆液应具备下列性能：
1.水泥浆液中水泥颗粒应具有一定细度，便于充填基岩中微细裂隙，通常的说法是，颗粒细度应为裂隙宽度的1/3～1/5，方能有效的充填，例如水泥粒径为80μm时，能灌入0.24～0.40mm宽度的岩体裂隙。
2.浆液应具有较好的稳定性，析水率低，因为固体颗粒过早析水沉积，将会影响浆液继续灌注。
3.浆液需具有良好的流动性，粘度不宜过大，以有利于灌注施工和增大浆液的扩散范围。
4.浆液填满岩体裂隙硬化形成结石后，应致密、均一，并具有良好的防渗性能、必要的强度和粘
结力。
帷幕灌浆水泥结石在长时期高水头作用下，应能保持稳定，不产生溶蚀和破坏，耐久性强，28天强度宜达到5～10MPa；固结灌浆水泥结石应能满足地基安全承载和稳定的要求。
第二节浆液性能试验
一、浆液密度
浆液密度与浆液所用浆材的配比直接相关，只要知道浆材配比，使用绝对容积的原理，就可以计算出浆液密度。
浆液密度宜使用比重秤测定，因其简单易行，测值较准。
浆液密度也可采用波美比重计测定，但其测值欠准，尤其不适于在浓度大的浆液中测试。
二、析水率
析水现象是由于浆液中固体颗粒的沉积而引起的，沉积后所析出的水的体积（V1）与浆液体积（V）的
比值，即α=V1/V,称为析水率。
水泥浆的析水率与浆液的浓度、水泥颗粒细度以及水泥品种等因素有关，同样水泥品种，同样水灰比的情况下，水泥颗粒愈细，析水率愈小。
常用的试验方法为，取200mL水泥浆，盛于直径相同有刻度的玻璃量筒内（例如直径为3.5cm高度为25cm），用塞子塞紧加以摇荡或在量筒内使用长棍快速搅拌，使浆液混合均匀。
然后将量筒静放在试验台上，水泥颗粒开始下沉，清水厚度自上向下逐渐增加，每隔一定时间，读记清水厚度一次，一直继续到清水高度呈稳定状态停止。
稳定标准一般是连续三个析水值的读数相同或者有微小差距。
这个析水的全过程时间称为析水时间。
最好是同时做几组平行试验，以其平均值作为试验成果。
试验工作宜在常温20℃左右的情况下进行。
三、浆液流动性
水泥浆液流动性与浆液所用的水灰比直接相关，水灰比愈大，稠度愈小，流动性表现为愈大。
但水泥的品种、细度、浆温等因素对其也有一定影响。
水泥浆液流动性经常采用标准漏斗或马什（Marsh）漏斗测定。
两种漏斗的规格尺寸见图3-1和图3-2。
测试成果以秒（s）表示。
本文中使用“浆液流动性”一词，表示其现在后“四”流变参数文中所述的塑性粘度有所区别。
１.标准漏斗
即以前称之为1006型泥浆粘度计。
测试方法：
用清水将漏斗和量杯冲洗干净，在漏斗上面设置过滤网，用以除掉浆液中的杂质。
用手紧堵漏斗下部细管的管口。
先用量杯将其下部200mL浆液通过过滤网注入漏斗内，继之将其上部500mL浆液注入。
而后将量杯放在漏斗下，让500mL容积向上。
手指离开漏斗细管下口，同时开动秒表，记下漏斗内流出500mL浆液所历经的时间，这个时间就代表浆液的流动性，以秒数表示。
用标准漏斗测得清水流出的时间一般应为15s，如测出时间不是15s，则测出值可用下式予以校正：
η1∶D=15∶S
η1=15D/S
η1—校正值；
D—实测浆液流动性值；
S—实测水的流动性值。
2．马什漏斗
国内约在1990年以后开始应用，近期应用比较普遍。
测试方法：
测试程序与标准漏斗相同，仅是将浆液倒入漏斗内1.5L，测记其流出1L所需的时间。
用马什漏斗测得清水和浆液流出的时间见表3-1。
*表-1用马什漏斗测定水泥浆液流动性值
水∶水泥
平滑表面
（S）
粗糙表面
（S）
比值
水∶水泥
平滑表面
（S）
粗糙表面
（S）
比值
水
20.6
25.5
0.81
0.7∶1
23.3
28.4
0.82
1∶1
21.8
27.2
0.80
0.6∶1
27.0
32.0
0.84
0.8∶1
22.2
27.6
0.80
0.5∶1
40.0
46.0
0.87
*此表摘自隆巴迪《内聚力在岩石水泥灌浆中所起的作用》一文。
由表3-1中可以看出，用马什漏斗测试出的水泥浆液流动性值与漏斗表面粗糙程度有较大关系，平滑表面与粗糙表面两者测值之比约为0.80～0.87。
故在用马氏漏斗测试浆液流动性之前，一定要先测试出水的流动性值（s），以为比较之用。
使用漏斗测出的水泥浆液流动性值实质上是浆液的流变性与漏斗表面粗糙程度的综合值，所以使用“表观粘度”一词比较合适。
实践经验认为：
浆液粘度使用标准漏斗测试流动性值小于40s，以25～35s为好；使用马什漏斗测试值小于50s，应以28～38s为好。
四、流变参数
1．牛顿浆体和宾汉浆体
液体在流动时有两种不同的流态，即层流和紊流。
当流速较小时，液体中全部质点是以平行而互不混杂的方式形成流线，有条不紊的运动，这种流态叫做层流。
当流速较大时，液体质点互相混掺，互相碰撞，它们除了沿流向的运动以外，还作其它方向的运动。
液体内部在互相混掺，互相碰撞中还会出现大大小小涡体，致使形成杂乱无章的运动，这种流态叫做紊流。
浆液在流动时具有不同的特性，按其流变性质考虑，可以将浆液分为“牛顿浆体”和“宾汉浆体”两类。
牛顿浆体为粘性流体，是一种没有刚度极易流动的液体。
当液体受到外力的作用，即使这个力很小，液体也开始流动。
图3-3分别表示出了牛顿浆体和宾汉浆体的流动速度υ与流动阻力F的关系。
在一定的外力作用下，浆体的流动速度取决于该浆体的粘度。
水和多数的化学浆液均属于牛顿浆体。
宾汉浆体则为粘－塑性流体，它是具有一定抗剪强度和固性的液体。
当浆体受到外力作用时，若这个力小于浆体的屈伏强度（或称屈伏应力），则只能使浆体变形作功，而不能使浆体流动。
只有在外力超过屈伏强度时，浆体才开始流动。
由固体颗粒材料制成的悬浮型浆液，例如水泥浆和粘土浆，除了一些非常稀薄的浆液以外，都属于宾汉体。
显然，宾汉浆体比牛顿浆体具有较高的流动阻抗，所以它较难进入微细缝隙，只有在较高的压力下，才能使它扩散到较远的距离。
国外资料认为，在层流条件下水泥浆液的性状属于宾汉浆体。
当水灰比小于0.9（重量比）后，浆液的抗剪强度和塑性粘度都迅速地增加。
抗剪屈服强度τ0与水灰比Ｗ之间的关系，可以近似地用下述方程式表达：
τ0=τ1eK/W3-1
式中：
τ1=3.5×10-５N/cm2，
K=2.1。
塑性粘度η与水灰比W之间的关系，可以近似地用下述方程式表达。
η=η１eＫ／Ｗ3-2
式中η1为水的粘度（1cP）；
Ｋ为常数，变化在1.6～2.2之间。
表3-2中的计算值，系假定Ｋ＝1.8而求出的。
根据式（3－1）和（3－2），可以计算出水泥浆的临界流动性与其水灰比之间的关系，如表3-2所示。
表3-2纯水泥浆的抗剪强度和塑性粘度①
水灰比
（W）
抗剪强度
τ0
（Pa）
塑性粘度
η
（cP）
水灰比
W
抗剪强度
τ
（Pa）
塑性强度
η
（cP）
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
1.0
384.0
67.0
23.0
12.0
7.0
2.9
403
90
37
20
13
6
2.0
5.0
10.0
20.0
水
1.0
0.53
0.43
0.39
0
2.5
1.4
1.2
1.1
1.0
①摘自G.S.小约翰，水泥基浆液的设计。
从表3-2中可以看出，若从粘度角度考虑，用水灰比为5：
1的水泥浆液作为灌浆初始用的浆液，应是完全可以的，而不需采用较5：
1更稀的浆液。
国内的试验资料与此类似，即水灰比为5：
1水泥浆的粘度与10：
1甚至20：
1的很接近。
2．浆液流变参数的测定
流变参数常采用NXS-11型旋转粘度计或2NN-D6型旋转粘度计（即范式六速旋转粘度计）进行测定计算。
测试成果以抗剪屈服强度τ０（Pa）和塑性粘度（又称塑性粘性系数）η（Pa.s或cP）表示。
1cP（厘泊）=0.01P（泊）=0.001Pa·s=1mPa·s表示。
NXS-11型旋转粘度计，分15档调节转子转速，可测牛顿浆体和宾汉浆体。
稳定浆液的流变性可以用宾汉浆体描述，测试原理为：
滨汉浆体流动方程τ=τ0+η
式中τ—拉剪强度（又称剪切应力）（Pa）
τ0—抗剪屈服强度（Pa）
η—塑性粘度（Pa·s）
dv/dx—剪切速率（1/s）
以不同的剪切速率通过测量获得相应的剪切应力，绘制τ～dv/dx关系曲线，求出屈服强度和塑性粘度。
测试试例见图3-4。
3．塑性粘度
浆液的塑性粘度是指浆液在运动时，具有不同流速的各层面间的内摩擦力，通常用η表示，以“泊”（P）为单位，厘泊（cP）为1/100泊。
1泊等于层与层间相距1cm，速度相差1cm/s，在1cm2面积上的摩擦力为1达因（dyne）。
τ=μdv/dy
1cm/s
1cm
1dyne/cm２=μ=μ·1/s
∴μ=1dyne/cm２×S=10４dyne/m２×S
（1N=105dyne）
∴μ=0.1N/m２×S=0.1帕（Pa）·秒
1泊（P）=0.1帕秒（Pa·S）
1厘泊（cP）=1/100泊（P）=0.001帕秒
式中μ为粘性系数，即塑性粘度。
4．参数控制
浆液的抗剪屈服强度τ0宜小于20Pa，否则浆液流动性差，甚至泵送困难，一般以1～7Pa为宜。
浆液塑性粘度宜小于40cP，否则浆液显浓，不易灌入，一般以5～15cP为宜。
5．水泥浆流变参数试验资料示例见表3-3和表3-4，供读者应用参考。
表3-3渡口525#普通硅酸盐水泥试验资料
水灰比W/C
流变参数
τ0（Pa）
η（mPa·S）
0.8
1.2
3.8
0.6
4.7
6.3
表3-4冀东525#普通硅酸盐水泥试验资料
水灰比
W/C
流变参数
τ0（Pa）
η（mPa·S）
0.8
1.8
4.9
0.7
2.8
6.8
0.6
6.3
10.2
0.5
11.4
56.2
五、凝结时间
按GB1346-1989标准，采用水泥稠度凝结测定仪测定浆液的初凝和终凝时间。
六、抗压强度
将浆液装入50mm×50mm×50mm试模中，试件成型2d折模，置于标准养护室内养护
至3d、7d、28d，参照SD105-1982标准中“混凝土立方体抗压强度试验”测定抗压强度。
七、弹性模量
将浆液装入Φ50mm×100mm的试模中，试件成型后2d拆模，置于标准养护室内28d，参照SD105-1982标准中“混凝土静力抗压弹性模量试验”进行。
八、渗透系数
将浆液装入上口直径Φ70mm，下口直径Φ80mm，高30mm的截圆锥内。
试件2d拆模，置于标准养护室28d后，参照SD105-1982标准中“混凝土抗渗试验（一次加压法）”进行。
第三节水泥浆液
一、概述
水泥浆是由水泥和水混合经搅拌而制成的浆液。
为了改进浆液性能，有时向浆液中加入少量外加剂。
水泥浆的胶结性能好，结石强度高，也便于施工，是大坝地基岩石灌浆工程中最普遍采用的一种浆
液。
配制水泥浆时，多依照重量比例配制，也有按体积比例配制的。
我国各灌浆工程都采用重量比，帷幕灌浆使用范围一般多为水：
水泥＝5∶1～0.5∶1，固结灌浆多为2∶1～0.5∶6。
英、美等国多采用体积比，近年来也有改用重量比的。
二、适于灌注水泥浆的岩体的条件
（１）岩体的裂隙宽度大于0.2mm。
（２）岩体的单位吸水量大于0.01L/（min．m．m）或透水率大于1lu。
（３）一般灌浆规范或文献中规定地下水流速不大于600m/d，但实践经验认为地下水流速不大于80～100m/d，才可灌注水泥浆，超过此值，需考虑在浆液中掺加速凝剂。
（４）地下水的化学成分不妨碍水泥浆的凝结和硬化。
三、使用水泥作为灌浆材料的主要特点
（１）水泥颗粒较细，强度为42.5、52.5级普通硅酸盐水泥，其粒径多小于80μm可以灌入宽度为
0.25～0.4mm的较小裂隙中，在压力作用下能扩散至一定范围。
（２）水泥浆硬化所成的水泥结石，其强度和粘结强度都较高，能满足帷幕灌浆和固结灌浆的要求。
（３）浆液易配制，施工较方便。
（４）材料来源方便，价格较低。
四、水泥浆的配制和检验
配制水泥浆液一般有以下三种情况：
（１）将水泥和水依照规定的比例直接拌合，这种情况最为简单。
先将计量好的水放入搅拌筒内，
再将水泥按所规定的重量秤好后，放入筒中直接搅拌即可。
例如欲配制各种浓度的水泥浆100Ｌ，其所用的水泥量和水量可由表3-5中查得。
（２）在灌浆过程中，常需要将搅拌桶内的水泥浆变浓或变稀。
一般也可按照表3-5中所列的加料数值，再通过计算即可。
（３）当采用集中制浆时，原浆的水灰比多采用0.6∶1或5∶1。
将这种浆液输送到灌浆施工地点。
在拌制所需浓度的水泥浆时，需要放入一定量的原浆，再加入一定量的水，其加入量可由表3-6中查得。
计算方法见本章第十一节例三。
此外，在灌浆过程中，有时需要检验配制好的浆液的水灰比，以了解其是否符合规定的比值，最常用的方法就是测定浆液的密度，由密度值即可计算出浆液的水灰比。
计算方法见本章第十一节例二。
表3-5配制水泥浆用料量及浆液深度变换的加料量表（制浆量或原有浆量按100L计）
原浓度浆液
深度变换应加入的水泥或水量
水∶水泥
密度
（g/cm3）
10∶1
8∶1
6∶1
5∶1
4∶1
3∶1
2∶1
1.5∶1
1∶1
0.8∶1
0.6∶1
0.5∶1
0.4∶1
10∶1
1.065
9.70
97.0
2.42
6.45
9.67
14.5
22.6
38.7
54.8
87.1
111
153
184
232
8∶1
1.080
24
12.0
96.0
4.00
7.20
12.0
20.0
36.0
52.0
84.0
108
148
180
228
6∶1
1.105
63
31.6
15.8
94.8
3.95
7.90
15.8
31.6
47.3
79.0
103
142
174
221
5∶1
1.125
93
56.3
18.6
18.8
94.0
4.68
12.5
28.1
43.8
75.0
98.5
138
169
216
4∶1
1.154
139
92.4
46.2
23.1
23.1
92.4
7.70
23.2
38.5
69.3
92.4
131
162
208
3∶1
1.200
210
150
90.0
60.0
30.0
30.0
90.0
15.0
30.0
60.0
82.5
120
150
195
2∶1
1.286
343
257
172
129
86.0
42.9
43.0
86.0
14.3
42.8
64.2
100
128
171
1.5∶1
1.364
465
354
246
191
136
81.8
27.3
54.5
81.2
27.3
47.6
81.8
109
150
1∶1
1.500
675
528
375
300
226
150
75.0
37.5
75.0
75.0
18.8
50.0
75.0
113
0.8∶1
1.586
812
635
458
370
282
194
106
61.7
17.6
88.6
70.6
29.4
52.0
88.2
0.6∶1
1.714
1000
793
578
472
364
275
150
96.5
42.8
21.4
107
64.2
21.4
50.4
0.5∶1
1.800
1140
900
660
540
420
300
180
120
60.0
36.0
12.0
120
60.0
30.0
0.4∶1
1.909
1310
1040
764
627
492
354
218
150
81.8
54.6
27.3
13.7
137
54.8
注1.粗线上方的数字，表示浆液由稀变浓时应向浆液中加入的水泥的公斤数；粗线下方的数字，表示浆液由浓变稀时应向浆液中加入的水量的升数。
（粗线框内的数字，右上角的为各种配比浆液的水泥含量公斤数；左下角的为各种配比浆液的水的含量公斤数。
）
2.水泥密度以3g/cm3计。
3.水灰比为0.9∶1时，密度为1.554；0.7∶1时为1.662。
表3-6配制水泥浆需用的原浆和加入水量表
（制浆量按100L计，原浆浓度水∶水泥=0.6∶1）
材料名称
水灰比
10∶1
8∶1
6∶1
5∶1
4∶1
3∶1
2∶1
1∶1
0.8∶1
掺用量
原浆（L）
加水量（L）
9.30
90.7
11.4
88.6
15.0
85.0
18.0
82.0
21.9
78.1
28.5
71.5
40.7
59.3
71.4
28.6
84.1
15.9
五、水泥浆的各项试验
灌浆施工前，或在灌浆试验阶段，应根据灌浆的目的和受灌岩层的地质条件，对水泥浆液进行各项必要的有关试验，以了解浆液的性能，便于正确地操作，达到灌浆的目的。
由于材料品种、技术设备条件的不同，已有的同类浆液性能试验成果虽然可以参照使用，但最好根据灌浆工程的具体情况做些必要的或是校验性的试验。
1．水泥浆密度
水泥浆密度是表示水泥浆浓度的一种方法。
水泥浆浓度也可用水灰比来表示，所以水泥浆密度与水灰比有着直接的关系。
在灌浆过程中，要检验或了解已制成水泥浆的水灰比的实际情况，可以通过测定浆液密度来完成。
测量水泥浆密度的方法见本章与第二节中所述。
图3-5中的曲线代表水泥浆密度与水灰比之间的关系。
该关系曲线是以水泥比重按3计而绘制的，在实际应用中可能稍有误差。
图3-6表示水泥浆比重与单位浆液体积内含有的水泥和水量的关系。
2．水泥浆析水率
析水率的测试方法见本章第二节中所述。
表3-7、表3-8、表3-9为试验室内所做水泥浆的析水率成果示例，使用的水泥为不同水泥厂生产的500号普通硅酸盐水泥。
图3-7为试验室内取200mL不同水灰比的浆液，其析水过程与全析水时间情况示例，使用的水泥也是500号普通硅酸盐水泥。
表3-7水泥浆的析水率
浆液浓度
（水:
水泥）
10∶1
8∶1
6∶1
5∶1
4∶1
3∶1
2∶1
1.5∶1
1∶1
0.8∶1
0.6∶1
0.5∶1
析水率（%）
89
87
84
81
76
70
58
49
35
27
20
10
表3-8水泥浆的析水率
W/C
10
8
6
4
3
2
1
0.8
0.7
0.6
0.5
备注
析水率%
87
86
83
74
67
63
35
22
17
12
4
引自二滩大坝基岩灌
标准漏斗流动性（s）
—
—
—
—
16
17
19
22
24
29
60
浆在实验室内试验资料
表3-9水泥浆的析水率
W/C
2∶1
1∶1
0.8∶1
0.6∶1
备注
析水率%
64
37
25
15
引自新疆克孜尔水库大坝地基灌浆在实验室内试验资料
标准漏中流动性（s）
19
21
23
55
从这些析水率试验资料中可以看出，稀的浆液的析水率可达80%～90%以上，1∶1浓度的浆液的析水率约为35%左右，说明灌浆过程中所灌入岩层裂隙或孔洞中的稀浆，其中大部分的水是要析出去的，仅有少部分的水是与水泥起化学作用而凝结成结石。
上述的析水率试验是在试验室内做的，与实际灌浆时浆液的析水率有所不同。
在实际灌浆过程中，浆液一般是在相当大的压力作用下灌入岩层裂隙中去的，由于这种压力作用，全析水时间就会缩短，也要多挤出去一部分水，因而结石更密实，强度也会增高。
３．水泥浆流动性
水泥浆流动性试验方法见本章第二节中所述。
图3-8为一个水泥浆流动性与水灰比关系试验实例，使用的是500号普通硅酸盐水泥，采用标准漏斗测试，当水灰比为0.5∶1时，流出的时间就比较长了。
４．水泥浆搅拌时间
在灌浆过程中，为保持水泥浆呈均匀状态，必须连续搅拌。
实践表明，搅拌超过一定时间后，不仅
浆液的凝结时间要延长，影响结石的强度，情况严重的甚至会发生浆液不凝的危险。
表3-10为一浆液搅拌时间与凝结情况的试例。
由表中反映出，稀浆搅拌时间超过4h，则浆液失去
凝固的性质。
图3-9是水泥结石强度与浆液搅拌时间关系的又一个实例，它反映了结石强度与搅拌时间关系特性的一般情况。
由图3-9中可看出，当搅拌60min时，结石强度一般是最高的，搅拌时间超过2h，结石强度开始下降；搅拌时间超过4h，则结石强度急速下降。
SL62-1994《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中规定：
“浆液的搅拌时间，使用普通搅拌机时，应不少于3min；使用高速搅拌机时，宜不少于30s。
水泥浆自制备至用完的时间宜小于4h。
”
灌浆施工时，为保证浆液质量，凡是搅拌超过4h尚未灌入的浆液，除经专门试验，证明其性能尚可满足要求的仍可使用外，一般均宜视为废浆，不能再作灌注浆液。
表3-10结石凝结情况与搅拌时间的关系
水泥种类
标号
水灰比
搅拌时间
（h∶min）
气温
（℃）
结石凝结情况
备注
普通硅酸盐水泥
400
8∶1
1∶00
2∶00
3∶00
4∶00
凝固
凝固
微凝
不凝
普通硅酸盐水泥
400
10∶1
1∶00
2∶00
3∶00
4∶00
32
32
32
32
凝固
凝
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