淺談微裂隙巖體注漿堵水材料

陶澤源 TAO Ze-yuan；王源 WANG Yuan

（昆明理工大學，昆明 650093）

（Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

淺談微裂隙巖體注漿堵水材料

陶澤源 TAO Ze-yuan；王源 WANG Yuan

（昆明理工大學，昆明 650093）

（Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

注漿材料主要是注漿堵水工程中一個重要的環節，尤其是在巖體裂隙發育帶注漿堵水工程中起到了決定性的作用。本文主要說明了目前國內外常用的注漿材料成分，介紹了兩種微裂隙注漿堵水中常用到的注漿材料：超細水泥漿液和化學漿液中的脲醛樹脂漿液的性能特點。

注漿材料；超細水泥；脲醛樹脂漿液

0 引言

注漿材料是注漿堵水工程中一個重要的環節，尤其是在巖體裂隙發育帶注漿堵水工程中起到了決定性的作用，注漿材料的性能決定了漿液是否能夠充填到巖土體裂隙或者孔隙中，尤其是細小裂隙或孔隙發育的地段，如果不能有效的充填到裂隙中，那么注漿堵水工程很有可能達不到預期目的，反而會增加工程量，提高工程成本。由于巖土體注漿屬于一個隱蔽的工程，漿液流動于地下復雜的地質構造中，漿液流動過程中其內部也同時發生著物理化學反應，且巖體裂隙分布又難于模擬，使得注漿過程中難以準確的描述漿液的流動規律和擴散范圍，因此，在裂隙巖體中注漿材料的選擇是十分重要的。

1 水泥漿材

水泥材料的漿液具有固結體強度高、耐久性好、材料來源廣泛、工藝設備簡單、成本相對低廉等優點，廣泛應用于各類工程中。但是水泥漿液易發生離析和沉淀現象，其穩定性較差。此外，由于普通水泥漿液的固體顆粒大，漿液很難注入到巖層的微小裂隙或孔隙中，因此，普通水泥漿液一般主要是作為加固裂隙巖體的一種注漿材料。

超細水泥的出現克服了水泥漿材難以滲入微小裂隙或孔隙巖層中的缺點。超細水泥具有普通水泥漿液和化學漿液的優點，且不污染環境。這種新型水泥為注漿領域開辟了新的篇章，有慢慢代替化學漿液的趨勢。超細水泥漿液在封堵地下水以及壩基、橋梁、隧道等工程中取得了良好的效果。但由于超細水泥的價格相對較貴，其成本遠高于化學漿液的成本，在普通工程中選用較少，因此，超細水泥在今后的研發中應向低成本方向研究。

2 化學漿材

化學漿液的優點是可注性好，漿液粘度較低，凝膠時間可控、防滲性能及耐久性能好，能注入到巖層中的微裂隙或孔隙?；瘜W漿材主要分為兩大類：

2.1 水玻璃類的化學注漿材料（分為堿性和酸性水玻璃）堿性水玻璃的缺點是凝膠體有脫水收縮和腐蝕巖體的現象，耐久性差，會污染環境。

酸性水玻璃漿材能夠在中性區域內凝膠，不存在堿性水玻璃的缺點，耐久性較好。近期，鐵道科學院研制出了一種抗收縮和耐久性強的水泥—水玻璃雙漿液，在水泥—水玻璃漿液中加入低鈣鋁酸鹽和單質膨脹劑，成為硅酸鹽型漿液，其耐久性可達10年以上。

2.2 有機高分子注漿材料 這種材料具有良好的抗滲性能，能滲透進微裂隙或空隙中、固結性能好和凝膠時間可控的優點，能夠解決水泥漿液不能解決的工程地質問題。近年來，許多科學院對原有的高分子材料進行了改進，例如：出現無酸的礦用脈醛樹脂漿材，毒性非常小的丙烯酸鹽漿材等。但是由于普通化學漿液的結石體強度低于水泥漿液，且耐久性差，會污染周圍環境和地下水，因此其應用范圍正逐漸收到限制。

2.3 水泥粘土混合漿材 水泥—粘土混合型漿液根據水泥和粘土所占比例，可以分為水泥粘土漿液及粘土水泥漿液。粘土是一種歷史悠久的注漿材料。200年前，法國一名工程師發現將粘土漿液注入墻體中可以修復其裂隙。幾年以后，工程師們采用新型、低廉的粘土水泥漿液，配合鉆孔測試和控制儀表，成功將其用于300多個工程項目中。之后，水泥—粘土混合型漿液廣泛應用于各種注漿工程中。

2.4 粘土固化漿液 粘土固化漿液是通過對粘土水泥漿液不斷的研究演變而來的。它是將固化劑添加到粘土水泥漿液中而形成的。

粘土固化漿液與水泥類漿液比較有以下幾個優點：

具有良好的抗水稀釋性和流變性。該漿液能夠吸收大量的水而不發生分層現象，僅僅漿液變的稀釋，但并不影響其凝固。該漿液還可以根據工程設計要求調整其流變參數。漿液中粘土所占比重大，尤其是細顆粒的粘土，而且粘土顆粒可以很好地分散在漿液中，因此漿液整體都能表現出良好的流動性，能夠容易地滲入巖體微小裂隙中，從而提高注漿堵水的效果。

該漿液的凝膠時間從幾秒到幾十分鐘可調，其凝膠后結石體的收縮率高，收縮性小，且形成的結石體有良好的封閉性，從而具有良好的防滲堵水效果。

巖土礦物的成分主要是高嶺石類和蒙脫石類粘土礦物，這些礦物有很好的抗侵蝕能力，從而增加其適用范圍。這類粘土礦物其成本很低，同時加上適量的化學漿液材料和水泥，具有更好的注漿堵水效果，因此成本低廉。

粘土固化漿液相對的總體優點：

漿液的膠凝時間可大幅度縮短。其表現在于加入固化劑后，在催化作用下，水泥水化反應加快，水泥、水玻璃、粘土三者之間在固化劑的催化作用下反應也加快了，從而減少其膠凝時間。同時，在固化劑的催化作用下，粘土固化漿液的結石體強度增加，特別是其早期強度增加快，最后可以達到很高的強度。

3 兩種微裂隙注漿堵水常用的材料

微裂隙防滲注漿堵水工程必須選用良好的注漿材料，在工程中我們常用的材料有以下幾種。

3.1 超細水泥漿液 對于裂隙開度小于0.2mm的注漿工程中，對于普通硅酸鹽水泥漿液來說，其顆粒較大，難以注入此類裂隙中，而化學漿液又具有一定的腐蝕性和污染性，因此，工程師們發明了超細水泥。超細水泥指的是其粒徑一般處于5um-20um之間（現在研發的超細水泥有些甚至可以小于1um或是納米級）。

超細水泥漿液的性能：

3.1.1 粘度 通過實驗測試水灰比W/C為0.6-2.0漿液粘度值可以發現，超細水泥漿液的粘度要比普通硅酸鹽水泥的粘度要高幾十倍，得出超細水泥的水化需水量大，流動性較差。因此在使用超細水泥漿液時，需要加入一定量的減水劑來降低其粘度。

3.1.2 膠凝時間 超細水泥漿液的膠凝時間是根據漿液的水灰比，緩凝劑量等有關，需要根據工程的具體要求來操作。一般情況下，漿液的膠凝時間是隨著水灰比的增大而增長、緩凝劑的增加而增長、隨著溫度的升高而縮短。

3.1.3 抗壓強度 通過實驗表明，超細水泥結石體的早期后期強度都較高，相對普通水泥來說，早期強度更為突出。早期漿液中水泥顆粒水化比較充分，更容易提高強度。一般情況下，結石體的抗壓強度會隨著水灰比的增大而減少、緩凝劑的增加而減少。

3.1.4 可注性 超細水泥漿液的可注性與它自身的粘度和粒度、巖體微裂隙發育情況、注漿壓力等因素有關。從國內外注漿工程中得出，漿液的顆粒度小，能夠滲入巖土體的微裂隙和孔中。實驗得出：

巖體裂隙開度值0.02mm-0.05mm時，可以用粘度值≤17.1mPa.s的超細水泥漿液注入；

巖體裂隙開度值0.05mm-0.07mm時，可以用粘度值≤33.6mPa.s的超細水泥漿液注入；

巖體裂隙開度值大于0.07mm時，可以用粘度值≤624.7mPa.s的超細水泥漿液注入。

3.2 脲醛樹脂漿液 脲醛樹脂漿液是由尿素和甲醛在堿性或酸性催化劑作用下，經加成反應、縮聚反應生成初期的高分子聚合物，然后在固化劑或加熱作用下，形成不溶、不熔并具有較高強度的固體物質。脲醛樹脂漿液的優點是：材料來源十分豐富、價格相對低廉，抗壓強度高。缺點是：易脆，漿液中甲醛具有刺激性氣味，只能在酸性條件下固化，具有腐蝕性，對人體不安全，不宜存放且粘度大，膠凝體的抗滲性能差。

由于脲醛樹脂漿液膠凝體存在的缺點，在其生產過程中要加入能改良其性能的化學材料或者漿液，提出一種改良型脲醛樹脂漿液。目前在對富水裂隙巖層進行防滲注漿時，其辦法為，采用雙漿液注漿的辦法對脲醛樹脂漿液改良，即采用雙漿液化學注漿法。這種方法可通過控制雙漿液的比例來縮短其凝膠時間，有效的預防漿液受水稀釋的缺點，以取得快速注漿堵水的效果。改良型脲醛樹脂漿液的凝膠體強度較高，粘結力非常大，可以與巖層牢固粘結，提高裂隙巖體強度，流動性好，可以調節膠凝時間，可滲透到約0.1mm左右的微裂隙中。

4 結語

在注漿堵水工程中，尤其是巖體裂隙發育段，且無法查明巖體裂隙發育情況下，采用普通漿液材料無法達到預期的目的，因此研究巖體裂隙注漿堵水材料是十分重要的。

討論了目前國內外常用的注漿材料成分，介紹了兩種微裂隙注漿堵水中常用到的注漿材料：超細水泥漿液和化學漿液中的脲醛樹脂漿液，為以后相關工程提供一個借鑒的依據。

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[4]雷隆和.脲醛樹脂及其應用[M].四川林產工業情報四川分站.

On the Micro Fracture Rock Grouting Water Plugging Material

The grouting material is an important link of water engineering,especially plays a decisive role in the rock fractured zone grouting engineering.This paper mainly introduces the performance characteristics of two grouting materials commonly used in water shutoff at home and abroad:urea formaldehyde resin slurry fine cement grout and chemical grout.

grouting material；superfine cement；urea formaldehyde resin slurry

陶澤源（1987-），男，寧夏銀川人，現就讀于昆明理工大學國土資源工程學院，地質工程專業，研究方向為水文地質與工程地質。

U213.1+58

A

1006-4311（2014）13-0040-02