注浆手册1

灌浆法是指利用液压、气压或电化学原理，通过灌浆管把浆液均匀灌入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置，经一定时间后，浆液将原来松散的土颗粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度高防水性能及化学稳定性良好的固结体。

1802年，法国的土木工程师查理斯·贝里格尼（Chares Rerigny)，采用灌浆技术来修复被水流侵蚀了的挡潮闸的砾土地基。在修复基础的木板桩后，通过闸板钻间距为1m的孔，采用一种“压浆泵”（blow pump），把塑状粘土通过钻孔注入。压浆泵由一个内径为8cm的木制圆筒组成，筒内装满塑状粘土，在顶部安装了一个木制活塞，用此将粘土强制挤入孔内。重复这一步骤，直至粘土完全充填基础底板与地基之间的空隙。第一次灌浆的初步应用取得了巨大成功，修复的挡潮闸又投入使用，这是在基础工程的历史上第一次有记载的灌浆技术应用。

1845年，美国W．E．沃森（W．E．Worthen）在一个溢洪道陡槽基础下采用“压浆泵”灌入水泥砂浆，1854年又进行了闸墩砌体的加固。那时，灌浆仅仅作为对有缺陷的基础的补救措施来使用，并不被认为是一种施工方法。

1886年，英国豪斯古德（Hosagood）在印度建桥时采用化学浆液固砂，自此，化学浆液在印度问世。1886年，金尼普尔（Kinniple）采用粘土水泥砂浆阻止尼罗河的达梅塔（Dmietta）和罗萨塔（Rosetta）坝坝基下的地下渗流。此时，英国研制出了“压缩空气灌浆泵”，促进了水泥灌浆法的发展。1887年德国的杰沙尔斯基（Jeziorsky）利用一个钻孔灌注水玻璃，另一个相邻钻孔灌注氯化钙，创造了原始的硅化法。灌浆技术的进一步发展和广泛应用，是在矿山竖井的建设中用于防止竖井开挖时地下水的渗入。1920年荷兰采矿工程师尤斯登（E．J．Joosten）首次论证了化学灌浆的可靠性，采用了水玻璃、氯化钙双液双系统两次压注法，于1926年获得了专利。灌浆技术有系统的改进始于美国科罗拉多河上的胡佛坝（Hoover）因地基开挖引起的裂缝所进行的岩石固结灌浆。根据胡佛坝基的灌浆工程实践，制定了灌浆工程的设计和施工规范。40年代，日本的丸安隆和博士在灌浆时采用了水玻璃、铝酸纳双液单系统的1.5次灌浆法，为以后加快浆液凝胶时间的使用创造了条件。此时也出现了粘土水泥系的灌

浆材料。50年代美国研制了粘度接近水，凝胶时间可任意调节的丙烯酸胺类树脂浆液（AM-9）。以后又出现了丙烯酸盐类、尿醛树脂类、木质素类等多种灌浆材料。

灌浆方法是改善灌浆工程的灌浆效果的重要环节。最初采用比较经济、简便的填压式灌浆法，相继又出现了循环式灌浆法、双管灌浆法、花管套壳料灌浆法及电渗灌浆法等工艺，大幅度改善了灌浆效果。从脉状灌浆、渗透灌浆发展到应用多种材料的复合灌浆法。从无向压灌发展到通电、抽水、压气和喷射等多种诱导灌浆。通过预处理以及孔内爆破等方法，来提高浆液的可灌性。以及应用定向钻进、多孔同时灌浆等方法来缩短灌浆工期。

灌浆设备的改进、灌浆技术的管理以及灌浆效果的测定方法也是灌浆技术发展中的重要方面。目前在灌浆设备方面已使用了轻型液压钻机及能自行的履带式全液压钻机、高速搅拌机、集中制浆系统和各种新型止浆塞和混合器。灌浆设备机具已向专用化、组合化、系列化发展的趋势。在灌浆过程的控方面，已研制出了自动记录、集中管理和自动化监控。在灌浆效果的测定方面，应用了压水或注水、抽水试验，电测、弹性波探测、各种物理力学测试、放射能探测、微观测试等多种检测仪器和手段。

灌浆技术的研究和应用在我国起步较晚，50年代开始初步掌握灌浆技术，1953年开始研究应用水玻璃作为灌浆材料。随着我国水利、水电、高速公路等工程建设的发展，我国灌浆材料在种类、性能上得到了快速的发展。细水泥和超细水泥、稳定浆液、混合浆液、酸性水玻璃、丙强、弹性聚氨脂、水溶性聚氨脂、丙烯酸盐、不饱和聚脂、热沥青、木质素类、脲醛树脂类和不同的外加剂等在各种灌浆工程中也得到应用。

我国在配套灌浆设备机具和检测手段等方面也相应地获得了重大的发展。配套灌浆的灌浆钻孔钻机、高压灌浆泵、高速搅拌机、高压耐磨阀门、止浆装置以及自动记录仪、集中制浆系统等设备仪器的出现，为我国灌浆技术的稳步发展创造了条件。在检测方面，从目测样品、压水试验等常现力法，发展到声波监测、变形检测、电子显微镜等多种宏观和微观的检测手段。灌浆工艺技术上，以高压灌浆为代表的整套灌浆技术、水泥脓浆灌浆技术、水泥浆液和化学浆液联合灌浆技术等，为处理复杂地基的防渗加固工程提供了条件。

在水利水电工程建设中，我国已建造30m以上的水坝3000余座，其中高于100m的高坝有20余座。水工建筑物及普通工民建采用灌浆技术改善复杂地基性能，解决了众多建筑物防渗和加固难题。经几十年灌浆工作者的努力，在灌浆工程领域已具备了多种材料和工艺技术，积累了丰富的工程经验，在某些方面已达到了较高水平，与国际逐步接轨。但相对而言，与国际居领先水平的发达国家相比某些方面尚有差距。结合我国目前工程的需要，在灌浆工程中仍然有下述几个方面需进一步做出努力，以求灌浆技术的进一步发展。

l）进一步研究和开发评价灌浆效果的方法及检测仪器，并使其标准化。 2）开拓灌浆技术应用范围和领域。

3）研制高效自动化灌浆设备、机具、监测纪录仪器。

灌浆技术是一门古老而又新型的技术，随着化学、材料、机械、电子、计算机等工业和工程技术的发展及建设工程的大量需求，灌浆技术也必将以更高的速度向前发展。

4.8.1.1灌（注）浆法的分类

1．充填灌浆

用于坑道、隧道背面、构筑物基础下及高速公路下的大空洞以及土体中大孔隙的回填灌浆。其目的在于加固整个土层以及改善土体的稳定性。这种灌浆法主要是使用水泥浆、水泥粘土浆、水泥粉煤灰等粒状材料的混合浆液。一般情况下灌浆压力较小，浆液不能充填细小孔隙，所以止水防渗效果较差。若以高标准止水防渗为目的，灌浆前应结合工程状况、涌水位置、涌水量等条件，选择适当的灌浆方法及灌浆材料。

2．劈裂灌浆和脉动灌浆

劈裂灌浆或脉动灌浆是指在灌浆压力作用下，改变地层的初始应力和强度，引起岩石和土体结构的破坏，使地层中原有的裂隙或空隙张开，把浆液注入到渗透性小的地层中，浆液扩散呈脉状分布。

3．基岩裂隙灌浆

基岩中存在的裂隙使整个地层强度变弱或形成涌水通道，在这种裂隙中进行的灌浆称为裂隙灌浆，多用于以止水或加固为目的的岩石坝基防渗和加固、隧洞、竖井的开掘。

4．渗透灌浆

渗透灌浆是使浆液渗透扩散到土粒的空隙中，凝固后达到土体加固和止水的目的。浆液性能、土体空隙的大小、空隙水、非均质性等方面对浆液渗透扩散有一定的影响，因而也就必将影响到灌浆效果。

5．界面灌浆、接缝灌浆和接触灌浆

界面灌浆、接缝灌浆和接触灌浆是指在层面或界面灌浆，向成层土地基或结构界面进行灌浆时，浆液首先进入层面或界面等弱面，形成片状的固结体，从而改善层面或界面的力学性能。

6．混凝土裂隙灌浆

受温度、所承受的荷载、基础的不均匀沉降及施工质量等的影响，所产生的混凝土裂隙和缺陷，往往可通过灌浆进行加固和防渗处理，以恢复结构的整体性。

7．挤密灌浆

当使用高塑性浆液，地基又是细颗粒的软弱土时，灌入地基中的浆液在压力作用下形成局部的高压区，对周围土体产生挤压力，在灌浆点周围形成压力浆泡，使土体孔隙减小，密实度增加。挤密灌浆主要靠挤压效应来加固土体。固结后的浆液混合物是一个坚硬的压缩性很小的球状体。它可用来调整基础的不均匀沉降，进行基础托换处理，以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土体进行加固。 4.8.1.2灌（注）浆法的应用范围

灌浆法在土木工程的各个领域中，特别是在水电工程、井巷工程及高速公路中得到了广泛的应用，已成为不可缺少的施工方法。它的应用主要有以入几个方面：

1）建筑物地基的加固（提高地基承载力，提高桩基承载力）。 2）土坡稳定性加固（提高土体抗滑能力）。

3）挡土墙后土体的加固（增加土的抗剪能力，减小土压力）。 4）已有建筑混凝土裂缝缺陷的修补（混凝土构筑物补强）。

5）坝基的加固及防渗（提高岩土体密实度、改善其力学性能，减小透水性， 增强抗渗能力）。

6）地下构筑物的止水及加固（增强土体的抗剪能力，减小透水性）。 7）井巷工程中的加固及止水。

8）裂隙岩体的止水和破碎岩体的补强（提高岩体整体性）。 9）动力基础的抗振加固（提高地基土抗振能力）。

10）矿采空区的充填加固（提高地基承载力及采空区的整体稳定性）。 4.8.2 灌（注）浆材料 4.8.2.1灌浆材料的分类

灌浆工程中所用的材料由主剂（原材料）、溶剂（水或其它溶剂）及外加剂混合而成。通常所说的灌浆材料是指浆液中的主剂。灌浆材料必须是能固化的材料。灌浆材料由原材料固结成为结石体的过程如下：

灌浆材料加入溶液原材料加入助剂浆液固结结石体

灌浆材料的分类方法很多，习惯上把灌浆原材料分为粒状材料和化学材料两个系统，如下所示。

水泥浆粒状材料粘土浆水泥粘土浆水玻璃类灌浆材料丙烯酰胺类聚氨酯类丙烯酸盐类化学材料木质素类脲醛树脂类环氧树脂类其它类

浆液：浆液是由主剂、固化剂，以及溶剂、助剂经混合后所配成的液体、分为溶液型和悬浊液两大类。

悬浊液型浆液由粒状浆材配制，溶液型浆液由化学浆液配制。

浆液中的主剂一般指所使用的主要原材料，工程中常用该原材料名称命名浆液，如：水泥、粘土、聚氨脂、环氧浆液等。

浆液中固化剂通常也是浆液的必要组份，工程中也常用主剂和固化剂原材料名称共同命名浆液。如：水泥水玻璃浆液、水下班氯化钙浆液等。

浆液中的溶剂往往是稀释剂，主要用来提供浆液的流动性，如：水、丙酮等。 浆液中的助剂根据需要加入，可能是一种或数种。助剂根据它的浆液中所起的作用，分为催化剂、速凝剂、缓凝剂、悬浮剂、流动剂、改性剂等。

对于某种灌浆浆液来说，主剂、固化剂可能是一种或数种；溶剂、助剂或有或无，多根据灌浆材料特性和工程需要确定。 4.8.2.2 悬浊液型灌（注）浆材料

悬浊液型灌浆材料是指固体颗粒悬浮在水中的灌浆材料。主要包括纯水泥浆、水泥粘土浆、水泥水玻璃浆等。这些材料容易取得，成本较低，无毒性，既适用于岩土地基加固，也适用于防渗。所以在各类工程中应用较为广泛。水泥浆材属于颗粒材料，易析水沉淀，所以有时要加入分散剂或悬浮剂等助剂来增加其稳定性，以适应各种不同工程的需要。

1．水泥浆液

灌浆工程中最常用的是普通硅酸盐水泥。某些情况下也采用矿渣水泥、火山灰水泥等，但通常要求水灰比不大于1。灌浆用水泥必须符合质量标准，不能使用受潮结块的水泥。水泥属颗粒性水硬性材料，最大粒径为0.085mm。配制水泥浆用水应符合拌制混凝土用水要求。水泥水化硬化依赖水，灌浆液作为流体更需要大量的水，一般浆液中的水分远大于水泥水化硬化所需水量，所以浆液固化过程中析水较多，硬化需要的时间也较长。虽水泥浆液有不足之处，但其材料容易取得，成本较低，无毒性，施工工艺简单方便，适用于大多岩土地基的防渗与加固，常用于岩体裂隙灌浆。

水泥密度的大小与熟料的矿物组成，混合材料的种类及掺量有关，硅酸盐水泥的密度一般为3050～3200kg/m3。水泥储存时间延长，密度减小。

水泥的细度是决定水泥性能的重要因素之一。水泥的颗粒越细，其比表面积越大，水化反应速度越快，标准强度越高。国家标准规定细度是按GB1345-77《水泥细度检验方法（筛析法）》进行测定，该标准规定以水筛法的0.080mm方

法孔筛余量为细度指标，灌浆工程一般要求筛余量不大于5%。

水泥的凝结时间对工程施工有重要意义。国家标准规定：凝结时间用凝结时间测定仪（维卡仪）进行测定。硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于12h。

国家标准规定硅酸盐水泥标号分为425、525、625、725四个标号，普通硅酸盐水泥分为275、325、425、525、625、725六个标号。水泥标号是根据各龄期的抗压和抗折强度指樯决定的。一般把3d、7d以前的强度称为早期强度，28d及以后的强度称为后期强度。同一水泥用不同方法测试时所得强度不同。GB177-85规定水泥浆的浓度用水灰比W表示，即

Wmw/mc （4.8-1）

水泥浆的体积Vg为 VgVcVw （4.8-2） 水泥体积Vc为 Vcmc/c （4.8-3） 水的体积Vw为 Vwmw/w （4.8-4） 式中：mw—水的质量

mc—水泥的质量； Vw—水的体积；

Vc—水泥的体积；

c—水泥的密度，通常取为3；

w—水的密度，通常取为1g/cm3。

由上述可知，在任意水灰比条件下，取水的密度为1g/cm3，则配制一定体积水泥浆所需水泥和水分别为

cVg （4.8-5） mc1cWmwWmc （4.8-6）

浆液由稀变浓或由浓变稀一般根据目前浆液中的水泥量和水量，按需达到的水灰比加入水泥或水。

水泥浆的凝结时间会随着水灰比的增加而延长。温度升高，水化作用加速，凝结时间缩短。

为了对纯水泥浆与掺有附加剂的水泥浆进行对比，现将纯水泥浆的基本性能列表如下（表4.8-1）：

表4.8-1 纯水泥浆的基本性能

水灰比 0.5∶1 0.75∶1 1∶1 1.5∶1 2∶1 粘度 (s) 139 33 18 17 16 #

密度 结石(g/cm3) 率(%) 1.86 1.62 1.49 1.37 1.30 99 97 85 67 56 凝 胶 时 间 初凝 7h41min 10h47min 14h56min 16h52min 17h7min 终凝 12h36min 20h33min 24h27min 34h47min 48h15min 3d 抗 压 强 度 （Mpa） 7d 6.46 2.60 2.40 2.33 2.56 14d 15.3 5.54 2.42 1.78 2.10 28d 22.0 11.2 8.90 2.22 2.80 4.14 2.43 2.00 2.04 1.66 注 1） 采用425普通硅酸盐水泥； 1） 测定数据为平均值。

纯水泥浆易沉淀 析水、稳定性差、凝结时间较长，在地下水流速较大的条件下灌浆时，浆液易受水的冲刷和稀释。为了改善水泥浆的性质，常在水泥浆中掺入一定量附加剂，如表4.8-2所示。根据不同的需要，可配制出各种性能的浆液。详见表4.8-3、4.8-4。

表4.8-2 水泥浆的附加剂及掺量

名 称 试 剂 氯化钙 速凝剂 水玻璃 硅酸钠 铝酸钠 木质磺酸钙 缓凝剂 酒石酸 糖 木质磺酸钙 流动剂 去垢剂 钠磺酸盐甲醛缩合物 加气剂 膨胀剂 松香树脂 铝粉 饱和盐水 膨润土 防析水剂 纤维素 硫酸铝 用量（占水泥重）% 1～2 1～5 0.5～3 0.2～0.5 0.1～0.5 0.1～0.5 0.2～0.3 0.05 0.2～1.5 0.1～0.2 0.005～0.02 30～60 2～10 0.2～0.3 约20 产生空气 产生约10%的空气 约膨胀15% 约膨胀1% 产生空气 增加流动性 说 明 加速凝结和硬化 加速凝结

表4.8-3 水泥浆基本性质

附 加 剂 水灰比 名 称 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 0.4∶1 0.4∶1 0.4∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 - 水玻璃 氯化钙 氯化钙 “711” “711” 阳泉一型 三乙醇胺/氯化钙 三乙醇胺/氯化钙 三异丙醇胺/氯化钙 三异丙醇胺/氯化钙 用量（%） - 3 2 3 3 5 2 0.05/0.5 0.1/0.1 0.05/0.5 0.1/0.1 凝结时间 初凝 14h56min 7h20min 7h10min 6h50min 1min 4min 3min 6h45min 7h23min 11h3min 9h36min 终凝 24h27min 14h23min 15h4min 13h8min 2min 5min 6min 12h35min 12h58min 18h22min 14h12min 1d 0.8 1.0 1.0 1.1 15.1 19.8 0.6 2.4 2.3 1.4 1.8 抗压强度（MPa） 备 注 3d 2.0 1.8 1.9 2.0 … … … 3.9 4.6 2.7 3.5 7d 5.9 5.5 6.1 6.5 30.9 35.9 … 7.2 9.8 7.7 8.2 28d 8.9 … 9.5 9.8 47.8 47.1 34.1 14.3 15.2 12.0 13.1 1.水泥为425普通硅酸盐水泥 2.附加剂用量为占占水泥重量的百分数 3.氯化钙用量一般占水泥5%以下 4.水玻璃用量一般占水泥3%以下 #

表4.8-4 分散剂、悬浮剂对水泥浆稳定性的影响

附 加 剂 名 称 FeSO4 FeSO4 FeSO4 膨润土 膨润土 膨润土 纸浆废液 纸浆废液 Na3PO4 Na3PO4 用量（%） 1 3 5 3 5 8 1 5 1 3 水灰比 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 最终析水率 （%） 42.8 23.5 15.1 12.6 27.05 24.58 20.4 34.41 32.58 31.55 28.2 全析水时间 （min） 60 50 50 30 50 70 50 120 120 70 70 水泥为425矿渣硅酸盐水泥，加水搅拌5min后，放置于250ml量筒中，每隔10min观测一次析水率，直至稳定为止 #备 注

一般对掺入膨润土或高塑性粘土、析水率不大于5%的水泥浆液，常称为稳定浆液。

根据灌浆工程需要，水泥浆中可掺入下列掺合料：

砂：应为质地坚硬的天然砂或机制砂，粒径不宜大于2.5mm，细度模数不宜大于2.0，SO3含量宜小于1%，含泥量不宜大于3%，有机物含量不宜大于3%。

粘性土：塑性指数不宜小于14，粘粒（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%。

粉煤灰：就为精选的粉煤灰，烧失量宜小于8%，SO3含量宜小于3%，，细

度不宜低于同时使用水泥的细度。

水玻璃：模数宜为2.4～3.0，浓度宜为30～45B’e。

掺入掺合料的水泥浆液常称不混合浆液。塑性屈服强度大于20MPa的混合浆液则称为膏状浆液。

帷幕灌浆要求水泥细度为通过80m方孔筛余量不宜大于5%，制浆材料采用重量称量。现场制浆时，要求加料准确并注意加料顺序，即先往搅拌机中放入规定量的水，然后再加入水泥搅拌均匀后再加入附加剂。浆液的搅拌时间，使用普通搅拌机时不少于3min，使用高速搅拌机时不少于3s。搅拌时间大于4h的浆液应废弃。任何季节灌浆浆液的温度应保持在5～40℃之间。

2．水泥粘土类浆液

粘土的粒径一般极小（0.005mm），遇水具有胶体化学特征。粘土矿物的特征是其原子呈层状排列，不同的排列形式组成了不同的粘土矿物，常见的有高岭土、伊利土、蒙脱土。在水泥浆中，根据施工的目的和要求，经常需要加入一定量的粘土，有时粘土掺量比水泥的用量还要多，故单列一类水泥粘 土类浆液。水泥粘土浆的浓度一般按水泥、粘土、水的质量比表示，粘土颗粒密度通常取为2.75t/m3。水泥粘土浆液的配比及性能如表4.8-5所示。

表4.8-5 粘土用量对浆液性能的影响

粘土用量占水泥水灰比 (%) 0.5∶1 0.75∶1 1∶1 1.5∶1 2∶1 0.5∶1 0.75∶1 1∶1 1.5∶1 2∶1 0.75∶1 1∶1 1.5∶1 2∶1 5 5 5 5 5 10 10 10 10 10 15 15 15 15 滴流 40 19 16.5 15.8 不流动 65 21 17 16 71 23 19 16 粘度 密度 (g/cm) 1.84 1.65 1.52 1.37 1.28 - 1.68 1.56 1.43 1.32 1.70 1.62 1.51 1.34 3凝胶时间 初 凝 2h42min 7h50min 8h30min 11h5min 13h53min 2h24min 5h15min 7h24min 8h12min 9h16min 4h35min 6h20min 7h45min 9h50min 终 凝 5h52min 13h1min 14h30min 23h50min 51h52min 5h29min 9h38min 14h10min 20h15min 30h24min 8h50min 14h13min 24h5min 29h16min 结石率 （%） 99 93 87 66 57 100 99 91 79 58 99 95 80 60 3d 11.85 4.05 2.41 1.29 1.25 - 2.93 1.68 1.56 1.25 0.40 1.30 0.85 0.73 抗压强度(MPa) 9d - 6.96 5.17 3.45 2.58 - 6.96 4.55 2.79 1.58 2.40 1.56 0.97 1.13 14d 33.2 7.94 4.28 3.24 2.58 20.3 5.12 2.88 3.30 2.52 2.95 2.18 1.40 2.24 28d 13.6 7. 8.12 7.36 7.85 - - - - - - - - -

从表4.8-5可以看出，水泥浆掺入粘土后可使浆液结石率提高；还可改善水泥分层离析程度，从而改善浆液的可注性；但掺入粘土过多会使结石体抗压强度降低，凝结时间延长。作为加固灌浆时，粘土掺量不宜过多，一般掺量为5%～15%（占水泥重量）。在水泥粘土类浆液中，也可以加入附加剂以改善其性能，如表4.8-6、表4.8-7所示。

表4.8-6 水玻璃用量对水泥粘土浆性能的影响

水灰比 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 粘土用量占水泥 (%) 50 50 50 50 50 水玻璃用量占水泥 (%) 10 15 20 25 30 凝 胶 时 间 初 凝 6h30min 4h6min 3h18min 5h 1h43min 终 凝 抗 压 强 度 (MPa) 3d 7d 14d 26h40min 0.31 0.71 0.86 11h52min 0.86 1.47 1.70 6h36min 5h 3h42min 1.55 1.94 2.19 1.77 1.97 2. 2.04 3.12 3.76

表4.8-7 “711”速凝剂对水泥粘土性能的影响

水灰比 1.5∶1 1.5∶1 1.5∶1 1.5∶1 粘土用量占水泥 （%） 100 75 50 0 “711”速凝剂占水泥 （%） 4 4 4 4 凝 胶 时 间 初 凝 6h33min 5h58min 5h55min 4h58min 终 凝 28h33min 25h50min 18h46min 18h37min 抗 压 强 度 (MPa) 3d 0.232 0.318 0.248 0.194 7d 0.38 0.58 0.50 0.38

3．粘土类浆液

1）纯粘土浆液由于其广泛的来源和低廉的成本，在土工堤坝防渗灌浆工程中得到了较多的应用。土工堤防渗灌浆工程中，粘土浆液依靠应力条件下的脱水固结性能，可在充填灌浆、劈裂灌浆的过程中和后期的应用条件下，形成固结防渗体。粘土灌浆多用于病险土工堤坝的防渗灌浆工程。

2）粘土类浆液中，为了改善性能而研制了粘土水玻璃浆液，其配方如下： 粘土40%～60%，水玻璃为粘土浆的10%～15%，熟石灰为粘土重量的1%～3%，其余是水。

其主要性能为：凝结时间为几十秒至几十分钟，粘度为20～23s，渗透系数为10-5～10-6cm/s，pH值为11～12。

4．水泥水玻璃类浆液

水泥水玻璃浆液亦称CS浆液，C（Cement）代表水泥，S（Silicate）代表水玻璃。它是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定的比例月票用双液方式注入，必要时加入速凝剂或缓凝剂所组成的灌浆材料。这种浆液克服了单液水泥浆的凝结时间长且不能控制、结石率低等缺点，提高了水泥灌浆的效果，扩大了水泥灌浆的适用范围。可用于防渗和加固灌浆，在地下水流速较大的地层中采用这种混合型浆液可达到快速堵漏的目的。这是一种用途极广、使用效果良好的灌浆材料。

1）水玻璃

水下班不是单一的化合物，而是氧化钠（Na2O）与无水二氧化硅（SiO2）以各种比例结合的化学物质，其分子式为Na2O·nSiO2。水泥浆中加入水玻璃有两个作用，一是作为速凝剂使用，掺量较少，一般约占水泥重量的3%～5%；另一个作用是作为主材料使用，掺量较多。

灌浆用水玻璃对其模数和浓度有一定的要求，模数M是描述不玻璃性能的一个重要参数，其定义为

MSiO2克分子数 （4.8-7）

Na2O克分子数水玻璃模数的大小对灌浆影响很大。模数小时，二氧化硅含量低，凝结时间长，结石体强度低；模数大时，二氧化硅含量高，凝结时间短，结石体强度高。模数过大过小都对灌浆不利。灌浆时，一般要求水玻璃的模数在2.4～3.4较为合适。

水玻璃的浓度以波美度Be表示。波美度与密度有如下关系 Be'145或 145' （4.8-8）

145 （4.8-9） '145Be水玻璃出厂浓度一般为（50～56）Be'，而灌（注）浆使用的范围为（30～45）Be'，其浓度变换可用下式计算：

VppVwwVdd （4.8-10） VpVwVd （4.8-11）

式中：Vp—原水玻璃体积；

p—原水玻璃密度；

Vw—加入水的体积；

w—水的密度；

Vd—稀释后的水玻璃体积；

d—稀释后的水玻璃密度。

为方便计算，式(4.8-10)、(4.8-11)可简化为 VwVp(pd)dw （4.8-12）

固体的水玻璃需加水煮沸，待全部溶解后，用波美度表示浓度，但需说明固体水玻璃很难溶解。

2）水泥水玻璃浆液的性能

根据灌浆工程的实际需要，水泥水玻璃浆液一般用于加固和堵水灌浆。对于堵水，特别是水压较大、流速较快或填充岩土的大裂隙时，要求浆液的凝结时间短且具有一定的抗压强度；对于加固地基，则要求浆液具有足够的抗压强度。现分别讨论如下：

a) 凝胶时间。水玻璃能显著加快水泥的凝胶时间。凝胶时间随水玻璃浓度、水泥浆的浓度（水灰比）、水玻璃与水泥浆的体积比等因素的变化而变化。

一般情况下，水玻璃浓度减小，凝胶时间

C:S 1 1温度24 425#普通硅酸盐水泥缩短，并呈直线关系；水灰比Ｗ越小，水泥与

45B'e凝胶时间(min)水玻璃之间的反应越快，凝胶时间越短。总的

40B'e说来，水泥浆越浓，反应越快；水玻璃则越稀反应越快。各因素对浆液凝胶时间分别如图4.8-1、图4.8-2、图4.8-3所示。

b) 抗压强度。决定水泥水玻璃浆液抗压

35B'e00.51.01.5水灰比图4.8-1 水泥浆浓度对凝胶时间

的影响

强强度的主要因素是水泥浆的浓度（水灰比）。其它条件一定时，水泥浆越浓其抗压强度越高，如表4.8-8所示。水玻璃浓度对抗压强度的影响见表4.8-9。

C:S 1:1温度23 425#普通硅酸盐水泥45B'e40B'e35B'e7060504030C:S 1:1温度23 425#普通硅酸盐水泥801009080凝胶时间(min)60W* W *:10.8W *凝胶时间(min)1:16:130B'e0.4020201000.30.40.50.60.70.8030354045水玻璃浓度B'e

C:S

图4.8-2 水玻璃浓度对凝胶时间的影响 图4.8-3 C:S对凝胶时间的影响

表4.8-8 水泥浆浓度对水泥水玻璃浆液结石体抗压强度的影响

水玻璃浓度 (Be’) 40 40 40 40 40 水泥浆浓度 (水灰比) 0.5∶1 0.75∶1 1∶1 1.25∶1 1.5∶1 水泥浆与水玻璃 体积比 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 抗压强度(MPa) 7d 20.4 11.6 4.4 0.9 0.5 14d 24.4 17.7 10.6 4.4 0.9 28d 24.8 18.5 11.3 9.0 2.3

表4.8-9 水玻璃浓度对水泥水玻璃浆液结石体抗压强度的影响

水玻璃浓度 (Be’) 35 35 35 35 35 40 40 40 40 40 45 45 45 45 45 水泥浆浓度 (水灰比) 0.5∶1 0.75∶1 1∶1 1.25∶1 1.5∶1 0.5∶1 0.75∶1 1∶1 1.25∶1 1.5∶1 0.5∶1 0.75∶1 1∶1 1.25∶1 1.5∶1 水泥浆与水玻璃 体积比 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 1∶1 抗压强度(MPa) 7d 17.4 14.4 7.3 3.2 1.2 20.4 11.6 4.4 0.9 0.5 24.5 8.2 2.9 0.5 0.3 14d 20.0 13.2 8.5 4.0 2.0 24.4 17.7 10.6 4.4 0.9 25.0 16.9 6.9 2.6 0.6 28d 20.2 14.8 10.4 5.8 2.8 24.8 18.5 11.3 9.0 2.3 25.8 19.2 11.3 5.8 0.8

当水泥浆浓度较大时，随着水玻璃浓度的增加，抗压强度增高；当水泥浆浓度较小时，随着水玻璃浓度的增加，抗压强度降低。当水泥浓度处于中间状态时，则其抗压强度变化不大，也比较复杂。

水泥浆与水玻璃体积比对结石体抗压强度有一定的影响。当水泥浆与水玻璃体积比在10:4～1:0.6时，其抗压强度最高，说明水泥浆与水玻璃有一定适当的配合比，在这个配合比的范围内，反应进行得最完全，强度也就最高。实际上，浓水泥浆需要浓水玻璃；稀水泥浆需要稀水玻璃，水玻璃过量对其抗压强度将产生不良影响。

综合考虑凝胶时间、抗压强度、施工及造价等因素，水泥水玻璃浆液的常用配方为：

水泥为425#或525#普通硅酸盐水泥； 水泥浆的水灰比为0.8:1～1:1；

水泥浆与水玻璃的体积比为１:0.5～1:0.8； 水玻璃模数为2.4～3.4，浓度为（35～40）%Be'。 3）浆液配制

水泥水玻璃浆液的组成及配制方法见表4.8-10、表4.8-11。

表4.8-10 水泥水玻璃浆液组成及配方

原料 水泥 水玻璃 氢氧化钙 磷酸氢二钠 规 格 要 求 425#或525#普通矿碴硅酸盐水泥 模数：2.4～3.4 浓度：(30～45)Be’ 工业品 工业品 作用 主剂 主剂 速凝剂 缓凝剂 用量 1 0.5～1 0.05～0.20 0.01～0.03 主要性能 凝胶时间可控制在几十秒至几十分钟范围内。抗压强度5～20MPa。

表4.8-11 实用水泥水玻璃复合浆液配方

浆液 材料和配方 水玻璃：45 Be’ 水泥浆：W:C=1:1 两者体积比：1:1 水玻璃：37 Be’ 水泥浆：W:C=1:1 两者体积比：1:1 水玻璃：37 Be’ 水泥浆：W:C=1:1 两者体积比：1:0.5～1:1 水玻璃：40 Be’ 水泥浆：W:C=1:1 两者体积比：1:0.5 水玻璃:水泥浆:氯化钙=1:1.3:1 水泥浆：W:C=1:1 水玻璃:水泥浆:氯化钙=1:1.3:1 水玻璃:45 Be’ 水泥浆：W:C=1:1 地质条件 粒土组成 0.25mm 60.1%～61.5% 1.25mm～0.1mm 29.5%～32.2% 0.01mm～0.05mm 6.8%～9.3% 泥石流 加固目的 提高地基承载力 应用效果 桥基原下沉量达45mm，加固后停止下沉 其隧道灌浆堵水效果良好 桥墩沿沉井周围深度方向加固了3～5m，整体性良好，抗压强度5.1MPa 桥墩钢板桩围堰筑岛，堵水效果显著。 桥墩沉井底部加固体具有良好的均匀性、整体性、抗压强度4～6MPa。 整体性好，桥墩基础防冲刷试验良好。 水玻璃 + 水泥浆 堵水 粗砂夹卵石 孔隙率n=40% 防冲刷及抵抗侧向土压力 纠正沉井倾斜，防止钢板桩漏水 防止冲刷提高承载力 砂夹卵石层含泥 土粒组成 》0.6mm土粒占75% 0.25～0.6mm占25% 中砂，粒径大于0.25mm的颗粒占50%以上。 水玻璃 + 水泥浆 + 氯化钙 防冲刷

使用缓凝剂时，应注意加料顺序、搅拌放置时间。加料顺序为：水→缓凝剂→水泥，搅拌时间应不少于5min，放置时间不宜超过30min。搅拌及放置时间对凝胶时间的影响见表4.8-12、表4.8-13。

表4.8-12 搅拌时间对缓凝效果的影响

水玻璃浓度 Be/ 40 40 40 40 40 40 40 40 水泥浆浓度 （水灰比） 0.75:1 0.75:1 0.75:1 0.75:1 1:1 1:1 1:1 1:1 磷酸氢二钠用量 （%） 0 2 2.25 2.5 0 2 2.25 2.5 凝胶时间 搅拌30s 1min28s 6min36s 9min0s 10min53s 2min0s 4min8s 8min1s 13min25s 搅拌5min 1min30s 9min41s 13min39s 18min27s 2min8s 5min35s 12min13s 29min15s

表4.8-13 放置时间对缓凝效果的影响

水玻璃浓度 Be/ 40 40 40 40 水泥浆浓度 （水灰比） 1:1 1:1 1:1 1:1 水泥浆与水玻璃 体积比 1:1 1:1 1:1 1:1 浆液放置时间 （mm） 15 30 60 90 凝胶时间 13min48s 12min20s 8min0s 6min13s

4）水泥水玻璃浆液的特点

a) 浆液凝胶时间可控制在几秒至几十分钟范围内； b) 结石体抗压强度较高，可达10～20MPa；

c) 凝结后结石率可达100%； d) 结石体渗透系数为10-3cm/s；

e) 可用于裂隙为0.2mm以上的岩体或粒径为1mm以上的砂层； f) 材料来源丰富，价格较低；

g) 对环境及地下水无毒性污染，但有NaOH碱溶出，对皮肤有腐蚀性； h) 结石体易粉化，有碱溶出，化学结构不够稳定。 5 细水泥浆液

普通水泥颗粒较大，渗透能力有限，一般只能渗入大于0.1mm的裂隙或孔隙。为解决细小孔隙的灌浆问题，有时不得不使用价格较贵、耐久性差、结石体强度低、有时还存在环境污染的化学灌浆材料。为解决普通水泥颗粒较大、渗透能力有限的问题，多年来，灌浆工程界采用干法和湿法磨细方式以期加以改善。

超细水泥是一种性能优越的灌浆材料，其颗粒的最大粒径为12μm，平均粒径可达4μm，比表面积相当大，因而在非常细小的裂隙中的渗透能力远高于普通水泥。如在其中加入一些助剂，可改善超细水泥浆液的可注性能。国内外的灌浆实践证明，在细小的孔隙中，超细水泥具有较高的渗透能力，能渗入细砂层（渗透系数10-3～10-4cm/s）和岩石的细裂隙中，与一般化学浆材相比具有较高的强度和较好的耐久性能。由于其比表面积很大，同等流动性条件下用水量增加，欲配制流动性较好的浆液需水量较大，而保水性又很强的浆液中多余的水分不易排除，将影响结石体的强度。所以当采用超细水泥灌浆时，浆液的水灰比应控制在一定范围内，往往需要掺入高效减水剂来改善浆液的流动性。目前超细水泥价格较贵，影响其使用范围。表4.8-14为3组有代表性的配方，可供灌浆设计和施工控制参考。

表4.8-14 超细水泥浆的基本性能

编号 1 2 3 配方（重量比） 水泥 100 100 100 水 60 80 100 助剂 1 1 1 密度 (g/cm3) 1.71 1.59 1.50 凝结时间 初凝 5h55min 7h2min 7h53min 终凝 7h10min 8h40min 9h3min 抗折强度（MPa） 抗压强度（MPa） 7d 4.92 4.82 3.99 28d 6.28 5.74 5.59 90d 5.25 5.78 5.73 7d 34.2 20.9 20.5 28d 37.3 23.5 23.1 90d 37.5 25.8 24.5

工程中，根据需要也可采用不同细度的干法磨细水泥。干法磨细水泥的储存、运输难度常制约其使用范围。

为降低干法磨细水泥的造价，方便施工，工程中常利用水具良好分散性的特点，在现场直接采用磨细水泥浆的方式磨细水泥浆的方法磨细水泥颗粒，称为湿法磨细。湿法磨细的水泥浆必须立即用于灌浆施工，目前尚无较好的测试方法测试其细度，往往用灌浆效果来判断。

4.8.2.3水玻璃类浆液

水玻璃又称硅酸钠（Na2O·nSiO2），在某些固化剂作用下，可以瞬时产生凝胶，因此可作为灌浆材料。水玻璃类浆液是以水玻璃为主剂，加入胶凝剂，反应生成凝胶。它因为来源广泛，价格便宜，对环境无害而被广泛采用。它既可作为单一浆液灌注，还可用作为水泥灌浆的速凝剂使用。一般用于灌浆的水玻璃模数以2.4～3.4为宜。

水玻璃浆液用作主剂时，可以根据工程需要采用不同的固化剂，其凝胶时间及性能可通过不同的配方试验来确定。作水泥掺加剂时，也应依不同目的与要求通过试验确定。现介绍几种应用较多的浆液。

1.水玻璃氯化钙浆液

水玻璃、氯化钙两种浆注解在土体中相遇时发生发应而生成二氧化硅胶体，与土颗粒一起形成整体，起到防渗和加固的作用。这种浆液主要用于建筑、交通部门的地基加固或无粘性土的堵水。水玻璃-氯化钙浆液的反应为

Na2O·nSiO2+CaCl2+mH2O→nSiO2(m-1)H2O+Ca(OH)2

加固每立方料土体所需浆液视土体的孔隙率而定。加固后的地基承载力：砂土为（1500～3000）kPa，粉砂约为500kPa，粘性土约为800kPa。

水玻璃氯化钙浆液可用一根管交替注入，但在换液前必须清洗管路；也可用

双管注入法，即一根管注入水玻璃，别一根管注入氯化钙浆液，使两种浆液在地基中相遇而起化学反应凝胶。为提高浆液的扩散能力，可为两根管通直流电，称为电动硅化法。需要说明的是：两种浆液在相遇险时的瞬间可产生化学反应，凝胶时间不好控制，因此灌（注）浆效果受操作技术及施工经验影响较大。

2．水玻璃铝酸钠浆液

水玻璃与铝酸钠在地基中反应而生成的凝胶物-硅胶和硅酸盐可以胶结土颗粒。其反应方程式为

3Na2O·SiO2+2NaAlO2→Al2(SiO3)2+4Na2O

这种浆液主要用于堵水或加固地基。改变水玻璃模数、浓度、铝酸钠含铝量可调节凝胶时间。水玻璃模数越高，凝胶时间越短；浓度越低，凝胶时间越短；铝酸盐含铝量增加，凝胶时间缩短。高浓度浆液的粘度虽高，若被地下水稀释时，反而具有凝胶时间缩短的性质。其次，铝酸盐含量的多少会影响结石体的抗压强度。

3．水玻璃氟硅酸浆液

氯硅酸（H2SiF6）水溶液无色、呈强酸性、能侵蚀玻璃，需保存于塑料容器中。浆液的凝胶时间主要受水玻璃、氟硅酸用量的多少影响，参见表4.8-15。

表4.8-15 水玻璃、氟硅酸用量对凝胶时间的影响

水玻璃浓度Be’ 40 35 水玻璃用量 （ml） 100 80 70 60 100 80 70 60 100 80 70 60 100 80 70 60 氟硅酸用量 （ml） 20 20 20 20 15 15 15 15 10 10 10 10 20 20 20 20 水用量 (ml) 30 30 30 30 35 35 35 35 40 40 40 40 30 30 30 30 凝胶时间 (min) 8 5 3 1 24 9 6 4 33 17 14 13 5 2 1 0 (s) 25 40 17 15 50 40 5 28 20 46 13 14 20 12 25 24 水玻璃浓度 Be’ 35 30 水玻璃用量 （ml） 100 80 70 60 100 80 70 60 100 80 70 60 100 80 70 氟硅酸用量 （ml） 15 15 15 15 10 10 10 10 20 20 20 20 15 15 15 水用量 (ml) (min) 35 35 35 35 40 40 40 40 30 30 30 30 35 35 35 凝胶时间 (s) 8 5 3 2 17 14 9 8 1 0 0 0 3 2 1 50 0 26 40 18 53 40 17 38 41 28 25 50 35 34 由表中可见，水玻璃浓度降低，或水玻璃用量减小均使凝胶时间缩短。固结体抗压强度随水玻璃浓度的增加而增加，随氟硅酸用量的增加而增加。这种浆液配方简单、操作方便。使用时，水玻璃与氟硅酸两者可等体积注入，氟硅酸不足部分可加水补充。工程中应注意的是：两种药液相遇时会絮状沉淀物产生，可能影响浆液在地基中的扩散能力，并且氟硅酸有腐蚀性，成本较高，浆液凝胶体的

耐久性尚没有可靠的资料说明。

4．水玻璃乙二醛浆液

这是一种性能良好的水下班浆液，但其成本较高且受不源的，因而使用上受到了影响。影响凝胶时间的因素见图4.8-4～图4.8-6，影响抗压强度的因素见图4.8-7～图4.8-9。

)30nim水玻璃50 其(间余为水时胶20凝1210 55 100102030乙二醛用量 图4.8-4 温度、乙二醛用量对凝胶时间的

影响

乙二醛水玻璃)30ni温度15 m(间时胶20α=凝α0.=2α0.=30.10α4=0.500.20.40.60.81.0乙二醛用量 图4.8-6 水玻璃浓度、乙二醛浓度对凝胶

时间的影响 )水玻璃50 nim(20乙醛10 间其余为水时胶凝1000.51.01.5乙酸用量

图4.8-5乙酸用量对凝胶时间的影响

2.0 a.PM 1.5.度强水玻璃50 其压1.0余为水抗0.5102030乙二醛用量

图4.8-7 乙二醛用量对抗压

强度的影响

2.0抗压强度 MPa 2.01.51.00.5水玻璃50 乙醛10 其余为水抗压强度 MPa α=0.3α=0.2乙二醛水玻璃1.0水玻璃250 乙醛5 其余为水0102030405000.51.0水玻璃浓度 乙酸用量

图4.8-8 水玻璃用量对抗压强度的影响

图4.8-9乙酸用量对抗压强度的影响

以上几种浆液的组成、性能及主要用途见表4.8-16。

表4.8-16 水玻璃类浆液的组成、性能及主要用途

浆液 水玻璃氧化钙浆液 原料 水玻璃 氯化钙 规格要求 模数：2.5～3.0 浓度：(43～45)Be’ 密度：1.26～1.28 浓度：(30～32)Be’ 用量 45% 53% 凝胶 时间 瞬间 注入方式 单管或双管 抗压强度 (MPa) 《3.0 主要 用途 加固 基础 备注 灌（注）浆效果受操作技术影响较大 改变水玻璃模数、浓度、铝酸钠含铝量和温度可调节凝胶时间。铝酸钠含量多少会影响其抗压强度 两液等体积注入，硅氟酸不足部分加水补充。两液相遇时有絮状沉淀物产生 两液等体积注入，乙二醛不足部分加水补充，乙酸为速凝剂～ 水玻璃铝酸钠浆液 水玻璃 铝酸钠 模数：2.3～2.4 浓度：40Be’ 含铝量：160～190g/L 1 1 几十秒～几十分 双液 <3.0 堵水或 加固 水玻璃硅氟酸浆液 水玻璃 氟硅酸 模数：2.4～3.4 浓度：(30～45)Be’ 浓度：28～30% 1 0.1～0.4 几秒～ 几十分 双液 <1.0 堵水或加固 水玻璃乙二醛浆液 水玻璃乙二醛乙酸 模数：3.2 浓度：42Be’ 浓度：35% 浓度：90% 1 0.2～0.6 0～0.02 几秒～ 几十分 双液 <2 堵水或 加固

胶凝剂的品种较多，有些胶凝剂与水玻璃的反应速度很快，如氯化钙、磷酸和硫酸铝等，它们和主剂必须在不同的灌浆管或不同的时间内分别注入，所以称双液灌浆法；另一些胶凝剂如盐酸、碳酸氢钠和铝酸钠等与水玻璃的反应速度较慢，因而主剂与胶凝剂能在灌浆前预先混合注入同一钻孔中，所以称为单液灌浆法。

双液法中两种化学剂的反应几乎是立即发生，而单液法中浆液的凝胶时间较长，粘度增长速度较慢，故单液法的有效扩散半径比双液法大，但单液法的凝胶强度一般比双液法低。为克服单液法的这一缺点，近年来用有机物作为胶凝剂的

研究和应用得到迅速发展，这些有机剂包括二醛、醋酸乙酯、甲酰胺等。

5．酸性水下班浆液

通常所用水玻璃为碱性材料，其凝胶体有碱溶出、脱水收缩和腐蚀现象，这影响了它的耐久性，而且可能对环境有一定的污染。而酸性水玻璃可在中性或酸性条件下凝胶，且凝胶体没有碱溶出。

1）HS水玻璃（酸性水玻璃）浆液

为使水玻璃浆液能在中性或酸性条件下凝胶，可将水玻璃进行酸化，其反应如下：

Na2O·SiO2+(n-1)H2SO4→nSi(OH)2SO4+Na2SO4+H2O

在酸化过程中，必须保持pH值不大于2，因为此时它的稳定性最高，不易自凝。

在该种酸性（pH≤2）水玻璃中，加入一定量的凝胶剂能使其凝胶。因pH值对浆液的凝胶影响很大，对凝胶时间的控制较为困难，可采用加pH缓冲液的方法来改变凝胶时间的控制条件，以便能较容易地调整浆液的凝胶时间，如图8.4-10所示。

该种浆液的粘度为3×10-3Pa·s，相对密度为1.10，凝胶时间可以从瞬时到数十分钟内高速其固砂体在海水中浸泡1年半，强度无显著变化。

北京地铁遥于加固粉细砂层的酸性水玻璃浆液如下： a) 原材料

水玻璃：模数2.8～3.4；浓度大于40Be'； 硫酸：浓硫酸（98%），或用废硫酸代替； 缓凝剂：若干。

b) 改性（酸性）水玻璃组成及制浆方法 甲液：水玻璃浓度15Be'；

乙液：10%～20%硫酸加适量缓凝剂；

105101520300 缓冲液 pH 4.2 pH 4.5 凝胶时间(min)1005020 pH 5.0 25酸性凝胶剂 mL 图8.4-10 pH缓冲液和碱性凝胶剂合

并使用的浆液凝胶时间

甲乙与乙液的配比为（6～7.5）：1，另加10%外加pH值变化在4～7之间。配制浆液时，将一定量甲液倒入乙液中，混合均匀。

c) 改性水玻璃性能 相对密度：1.07～1.11； 粘度：（2～5）×10-3Pa·s； pH值：4～6（根据凝胶时间调整）；

凝胶时间：空气中30～40min，细砂中5～30min； 固砂体单轴抗压强度：0.3～0.5MPa。

经试注，改性水玻璃浆液在细砂中渗透性良好，扩散均匀，每立方米浆液可固结砂体4.2～4.8m3。

d) 凝胶时间配方

按不同砂层的要求配制了高低两种强度的浆液，其凝胶时间见表4.8-17。

表4.8-17 改性水玻璃浆液凝胶时间

配方 1 2 3 高浓度浆液 低浓度浆液 pH值 凝胶时间 pH值 凝胶时间 (min) (min) 2 1200 4 360 3 4 221 62 5 6 95 25 配方 4 5 高浓度浆液 pH值 凝胶时间 (min) 5 21 6 1 低浓度浆液 pH值 凝胶时间 (min) 6～7 2 7 10(s)

2) SS水玻璃（硅溶胶）浆液

为使水玻璃浆液在土体中溶出降低到最低限度，减小污染，增加固结体的耐久性，除了上述酸性水玻璃浆液外，还可通过降低水玻璃溶液中的Na2O含量得到高模数的酸性水玻璃。由于在脱钠过程中已经逐步产生了硅酸，实际上已经完全改变了原水玻璃的特征。这种浆液可以在中性或微酸性范围内凝胶。又因为生成水溶性盐的钠离子大部分已被脱去，这就减小了它在土体中的溶出，相应地增加了固结体的耐久性，降低了环境污染的程度。

该浆液主要性能如下： 粘度：5×10-3Pa·s；

凝胶时间：从瞬时到30min内任意调节； 固砂体抗压强度：0.39～0.59MPa；

耐久性试验：固砂体在水中浸泡，其强度不降低；

固砂体渗透系数：1.23×10-3cm/s。

由于水玻璃不源丰富，价格较低，污染较小，加之各种新型固化剂的不断出现，使水玻璃类浆液性能不断改善。水玻璃类浆液是一种很有发展前途的浆液，但在应用水玻璃类浆液时应注意：

(1)液凝结后能释放一定量的自由钠离子，它虽无毒，但对地下水有污染作用。

(2)具有粘塑性质，灌浆凝聚形成的硅胶承受长期荷载时，其强度将有所降低。如试验中，与常用的快速加荷速率相比，慢速加荷试验所得的强度和变形模量可降低20%～50%。因此当用水玻璃类浆液加固砂土时，应充分考虑加固体的蠕变特征。

4.8.2.4有机类灌（注）浆材料

在机类灌浆材料的品种很多，包括丙烯酰胺类、聚氨脂类、木质素类、脲醛树脂类、不饱和聚脂类、热沥青类、环氧树脂类等。本节仅叙述几种在工程中常用的灌浆材料。

1．丙烯酰胺类浆液

丙烯酰胺类浆液，国内简称丙凝浆液，国外称为（AM-9）是以有机化合物丙烯酰受为主剂，配合其它药剂而制成的液体。其粘滞性与水接近，且凝结前维持基本不变。以水溶液状态注入土中，发生聚合反应后形成具有弹性的、不溶于水的聚合物。

1) 组成

主剂丙烯酰胺（简称A）是白色结晶粉状物质，相对密度1.12，极易溶于水，易聚合，在温度30℃以下的干燥环境中可长期保存。

交联剂为N-N‘-亚甲基双丙烯酰胺（简称M）。因丙烯酰胺在适当的条件下易生成水溶性的线性聚合物，而这种聚合物作为灌浆材料是不合适的，所以要加入N-N‘-亚甲基双丙烯酰胺，使聚合物成为不溶于水的凝胶物。A和M合起来称为MG-6。

引发剂过磷酸胺（简称AP）为水溶性粉状材料，相对密度为1.98，在某些还原剂作用下可生成游离基而使丙烯酰胺聚合。

促进剂二甲氨基丙腈（简称DAP）为黄色液体，常温下相对密度为0.86。近

年来常用性能相当的三乙醇胺代替二甲氨基丙腈。DAP和AP都属于催化剂，它们掺量的多少决定了丙烯烯胺浆液的凝胶时间，对浆液的粘度及稳定性也有重要影响。

缓凝剂铁（简称KFe）是赤褐色粉状物质，用以延缓浆液的凝胶时间。丙烯酰胺类浆液的组成及配方见表4.8-18、表4.8-19。

1980年美国研制成名为AC-400的浆材，它是以10%的丙烯酸盐水溶液为主剂。其毒性比丙烯酰胺浆液低。1982年中国水利水电科学研究院亦研制成类似的浆材AC-MS，这类浆材的毒性仅为上述浆材的1%左右。

表4.8-18 丙烯酰胺浆液的标准配方

试剂名称 丙烯酰胺 N-N-亚甲基双丙烯酰胺 过硫酸胺 二甲氨基丙腈 铁氢化钾 ‘代号 A M AP DAP KFe 作用 主剂 交联剂 引发剂 促进剂 缓凝剂 浓度 (重量%) 9.5 0.5 0.5 0.4 0.01 粘度 (×10)Pa·s -3凝胶时间 抗压强度 (MPa) 1.2 十几秒至几十分钟 0.4～0.6 表4.8-19 丙烯酰胺浆液的现场配制

甲液 (50L) 丙烯酰胺 0.95kg N-N-亚甲基双丙烯酰胺 0.5kg 二甲氨基丙腈 0.8kg 铁氢化钾 加至50L ’乙液(50L) 过硫酸胺1.2kg 水 50L

2) 浆液及凝胶体的特点

a) 浆液粘度小，与水接近，常温标准浓度下为1.2×10-3Pa·s，且在凝胶前保持不变，因此具有良好的可注性。

b) 凝胶时间可准确地控制在几秒至几十分钟之间，且凝胶是在瞬间发生并在几分钟之内就达到其极限强度，聚合体积基本上为浆液体积的100%。

c) 凝胶体抗渗性好，其渗透系数为10-9～10-10cm/s。

d) 凝胶抗压强度较低，约0.2～0.6MPa,一般不受配方的影响，在较大裂隙内的凝胶体易被挤出，因此仅适用于防渗灌浆。

e) 丙凝浆液及凝胶体耐久性较差，且具有一定的毒性，对神精系统有毒害，对空气和地下水有污染。

f) 丙烯酰胺浆液价格较贵，材料来源也较少。

g)丙凝浆液与铁质易起化学作用，具腐蚀性，凡浆液所流经的部件均宜采用不与浆液发生化学作用的材料制成。

100806040凝胶时间(min)504030AP=0AP=0.1%凝胶时间(min)MG-6 10%DMAPN 0.4 温度4 8 201082.2%201080.3%0.4%0.5%MG-6 10%DMAPN 0.4%Kfe 0.00411121314151617181920温度 12 16 20 0.10.20.30.40.52

AP浓度温度

图4.8-11 温度凝胶时间的影响

图4.8-12 AP浓度对凝胶时间的影响

40200凝胶时间(min)凝胶时间(min)30MG-6 10%AP 1.0 1007030MG-6 10%AP 1.0 201010温度13 52温度10 16 5678pH值9101117 0.40.60.81.01.2DAP浓度温度

图4.8-13 DAP浓度对凝胶时间的影响

图4.8-14 pH值对凝胶时间的影响

2．聚氨酯类浆液

聚氨酯类浆液采用多异氰酸酯和聚醚树脂等作为主要原材料，加入各种外加

剂配制而成。浆液注入地层后与水发生反应生成聚氨酯泡沫体，起加固地基和防渗堵水作用。它分为非水溶性聚氨酯浆液（简称PM）和水溶性聚氨酯浆液（简称SPM）。

1) 非水溶性聚氨酯类浆液

PM型浆液的配方变化较大，甲苯二异氰酸酯（TDI）可用二苯基亚甲基二异

氰酸酯（MDI）或多苯基多亚甲基多异氰酸脂（PAPI）代替，聚醚也可选用其它

型号。非水溶性聚氨酯类浆液只溶于有机溶剂。其浆液组成见表4.8-20。

表4.8-20 PM型浆液组成及主要性能

原 料 甲苯二异氰酸酯（TDI） 丙二醇聚醚（N-204） 丙三醇聚醚（N-303） 邻苯二甲酸二丁酯（DBP） 丙酮 发泡灵 三乙胺 外 观 浅黄色液体，有刺激性臭味 无色透明液体，无味 浅棕色注液本，无味 无色液体，无味 无色液体 棕色粘稠液体 无色液体，有刺激性臭味 作 用 制成预聚体为主剂 制成预聚体为主剂 制成预聚体为主剂 溶济 溶剂 表面活性剂 催化剂 十几秒至十几至几百 几十分钟 6.0～10.0 凝胶时间 粘度 抗压强度 (10-3Pa·s) (MPa)

浆液特点：

(1) 浆液相对密度1.036～1.125，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。

(2) 浆液遇水反应时，放出CO2气体，使浆液产生膨胀，向四周渗透扩散，直到反应结束时止。由于膨胀而产生了二次扩散现象，因而有较大的扩散半径和凝固体积比。

(3) 浆液粘度低，可注性好，可与水泥灌浆相结合；采用单液系统灌浆，工

艺设备简单。

(4) 固砂体抗压强度高，一般在0.6～1MPa之间，渗透系数可达10-6～10-8cm/s。

(5) 不污染环境。

(6) 浆遇水开始反应，所以受外部水或水蒸气影响较大，在存放或施工时应

防止外部水进入浆液中。

(7) 灌浆后，管道、设备需用丙酮、二甲苯等溶剂清洗。 2）水溶性聚氨酯类浆液

水溶性聚氨酯与非水溶性聚氨酯的主要区别在聚醚。PM浆液所用的聚醚是环

氧丙烷聚合物，而SPM浆液所用的聚醚是环氧乙烷聚合物，后者具有亲水性。SPM

浆液的组成、配方及主要性能见表4.8-21。

表4.8-21 SPM浆液的组成、配方及主要性能

原 料 甲苯二异氰酸酯聚醚 邻苯二甲酸二丁酯 丙酮 2，4-二氨基甲苯 水 作 用 制成预聚体为主剂 溶剂 溶剂 催化剂 反应剂 用 量 (重量比) 1 0.15～0.5 0.5～1 适量 5～10 ＜2min可调 ＜1.0 SPM与PM的主要区别在于聚醚。SPM中的聚醚是环氧乙烷聚合物，分子量控制在3000～4000 凝胶时间 抗压强度 (MPa) 备 注 浆液特点：

(1)浆液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。 (2) 浆液相对密度1.10，粘度0.1 Pa·s左右。

(3)凝胶时间几秒～几十分钟，凝胶体的抗压强度与包水量有关。 (4)可用于水工建筑物及地下工程的防渗堵漏。 3．木质素类浆液

木质素将液是以纸浆废液为主剂，加入一定量固化剂所组成的浆液。为了加

快凝胶速度和提高结石抗压强度，往往加入促进剂。木质素类浆液包括铬木素和硫木素两种浆液。

1）铬木素浆液

铬木素浆液的固化剂是重铬酸钠，由于重铬酸钠的毒性较大（饮水中的允许含量〈0.05mg/L），因此这种浆材难以大规模使用。东北大学又研制出铬渣木素浆液，使毒性大幅度降低，成本也大大降低。由于这几种浆液按不同情况均有实用价值，现将各浆液的组成、配方及性能列于表4.8-22及表4.8-23

2）硫木素浆液

硫木素浆液是铬木素浆液的基础上发展起来的，采用过硫酸铵代替重铬酸钠，使之成为低毒、无毒木质素浆液，这是一种很有发展前途的灌浆材料。其浆液组成、配方见表4.8-24。

表4.8-22 纸浆废液重铬酸钠浆液组成、配方及主要性能

体系 甲液 乙液 原料 纸浆废液 重铬酸钠 作用 主剂 固化剂 浓度(％) 20～45 100 用量(体积比) 1 0.1～1 注入方式 双液 凝胶时间 几分钟至几小时 抗压强度 0.4MPa

注 甲、乙两液等体积注入、重铬酸钠用量不足部分加水补充。

表4.8-23 纸浆废液-三氯化铁-重铬酸钠浆液组成、配方及主要性能

体系 原料 作用 主剂 固化剂 促进剂 浓度(％) 20～45 100 100 用量(体积比) 1 0.1～0.5 1.0.1～0.5 双液 注入方式 凝胶时间 几十秒至几十分钟 抗压强度 甲液 纸浆废液 乙液 重铬酸钠 三氯化铁 0.4MPa 注： 1）甲、乙两液等体积注入，乙液不足部分加水，三氯化铁量增加会降低强度； 2）重铬酸钠和三氯化铁的用量之比对凝胶时间有很大影响。

表4.8-24 硫木素浆液组成、配方及性能

材 料 纸浆废液 过硫酸铵 氯化锌 氯化铵 氯化铜 氨水 水 性 状 及 规 格 黑色粘液，固体物含量40％ 白色粉沫，化学纯或工业品 白色粉沫，浓度0.5g/mL 白色结晶，浓度0.2g/mL 绿色结晶，浓度0.1g/mL 无色透明液体，含氨25％ 加至100mL 配比 50mL 7g 4mL 16mL 2～3mL 4mL 用途 主剂 固化剂 催化剂 催化剂 催化剂 催化剂 溶剂 1． 凝胶时间可控制在几十秒至几十分钟范围内 2． 粘度4×10Pa·s 3． 其固砂体强度为0.5MPa左右 -3基本性能

纸浆废液亦可以采用氢氧化钠调节pH值，以后直接用过硫酸铵进行固化。其结果见表4.8-25。

表4.8-25 氢氧化钠、过硫酸铵对凝胶时间的影响

甲 液 30％纸浆废液(mL) 25 25 25 50％氢氧化钠(mL) 5 4 3 水 (mL) 0 1 2 乙 液 50％过硫酸铵(mL) 15 15 15 凝胶时间 乙 液 50％过硫酸铵(mL) 30 30 30 凝胶时间 0min43s 0min57s 0min30s 2min16s 3min31s 5min48s

4．糠醛树脂类浆液

糠醛是非水溶性油状液体，加入0.01％～0.1％的表面活性剂吐温后即可产生稳定的乳浊液，在酸性固化剂作用下与脲发生反应生成树脂固体，因此可用于灌浆。该浆液固化时间长，且不能准确控制，固结土的强度与固化剂的种类有关，可应用于固砂。浆液的组成及主要性能见表4.8-26，现场配制实例见表4.8-27。

表4.8-26 糠醛树脂浆液的组成、配方及主要性能

原料 糠醛 脲 硫磺 状态 浅黄色油状液体 白色晶体 无色透明液体 浓度（％） 用量（体积比） 100 50水溶液 20水溶液 15％～35％ 45％～55％ 2％～15％ ＜2×10-3Pa·s 粘度 凝胶时间 几十秒至几十分钟 抗压强度 1.0～6.0MPa

表4.8-27 糠醛树脂浆液现场配制实例

糠醛：脲 （摩尔比） 1：1 0.9：1 0.8：1 0.7：1 0.6：1 35 31 27 22 18 15 19 23 28 32 甲 液 1％～2％ 1％～2％ 1％～2％ 1％～2％ 1％～2％ - - - - - 35 31 27 22 18 乙 液 15 15 15 15 15 - 4 8 18 17

5．环氧树脂浆液

环氧树脂是一种高分子材料，具有强度高、粘结力强、收缩性小、化学稳定

性好、能在常温下固化等性能。作为灌浆材料则存在一些问题，如浆液粘度大、可注性小、憎水性强、与潮湿裂缝粘结力差等。浆液的配方见表4.8-28，力学性能见表4.8-29。

表4.8-28 环氧树脂浆液配方

6101501环662甘油环氧氧丙烷环氧树树脂 丁基醚 脂 主剂 稀释剂 1-1 2-2 13-2 15-2 22-1 23-1 24-1 100 100 100 100 100 100 100 30 40 40 40 30 25 亲水剂 30 30 30 50 ##配方 丙酮 糠醛 651聚酰胺 #二乙烯三胺 三乙胺 六次甲基四胺 DMP-30 固化剂 10 稀释剂 稀释剂 固化剂 固化剂 固化剂 固化剂 20 35 50 20 35 40 50 20 16 18 15 15 20 5 2

表4.8-29 环氧树脂浆液结石体力学性能

配方 1-1 2-2 抗冲击强度 (MPa) 3.83 4.08 抗压强度 (MPa) 8.82 8.72 抗拉强度 (MPa) 25.5 34.4 粘结强度(MPa) 干缝 1.85 1.84 湿缝 1.51 - 备注 配方 13-2 15-2 22-1 23-1 24-1 抗冲击强度 (MPa) 6.20 5.61 - - - 抗压强度 (MPa) 12.15 6.75 8.15 - - 抗拉强度 (MPa) 50.5 41.5 - - - 粘结强度(MPa) 干缝 1.67 2.03 1.97 1.68 1.42 湿缝 1.07 1.16 1.90 1.59 1.42 备注 抗压变形较大 聚合物较软 聚合物较软

6．甲凝浆液

甲凝是以甲基丙烯酸甲酯为主要成分，加入引发剂等组成的一种低粘度的灌

浆材料。甲基丙烯酸甲酯是无色透明液体，粘度很低，在25℃时，仅为5.7×10-4Pa·s，渗透力很强，可注入0.05～0.1mm的细微裂隙，在一定的压力下，还可渗入混凝土材料距离。聚合后的强度和粘结力较高。但甲凝是憎水性材料，在液态时，它怕水，也怕氧。

7．丙强浆液

丙强浆液灌浆是在丙凝浆液基础上发展起来的，它是主要以丙凝与脲醛树脂

作为灌浆材料的一种化学灌浆浆液，具有防渗和加固的双重和加固的双重作用。浆液的粘度比丙凝大，约为（5～6）×10-3Pa·s，相对密度1.19～1.20。聚合体的渗透系数可达10—8cm/s。经丙强灌注的砂，其聚合体的抗压强度可达8MPa。