1、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
2、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 1/31/5，方能有效的充填，例如水泥粒径为 80m 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
3、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 510MPa；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（V 1）与浆液
4、体积(V)的比值，即 =V 1/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2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
5、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。.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
6、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： 1D=15S 1=15D/S 1校正值；3D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
7、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 0.71 23.3 28.4 0.8211 21.8 27.2 0.80 0.61 27.0 32.0 0.840.81 22.2 27.6 0.80 0.51 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 0.800.8
8、7。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 2535s 为好；使用马什漏斗测试值小于 50s，应以 2838s 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。
9、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 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
10、，而不能4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 0与水灰比之间的关系，可以近似地用下述方程式表达： 0= 1eK/W 3-1式中： 1=3.510- N/cm2，K=2.1。塑性粘度 与水灰比 W 之间的关系，可以近似地用下述方程式表达
11、。= e 3-2式中 1为水的粘度(1cP)；为常数，变化在 1.62.2 之间。表 3-2 中的计算值，系假定1.8 而求出的。根据式（31）和(32)，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 水灰比(W)抗剪强度 0(Pa) 塑性粘度(cP) 水灰比W抗剪强度(Pa) 塑性强度(cP) 0.30.40.50.60.71.0384.067.023.012.07.02.94039037201362.05.010.020.0水1.00.530.430.3902.51.41.21.11.0 摘自 G.S.小约翰，水泥基浆液的设
12、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 （Pa）和塑性粘度（又称塑性粘性系数）（Pa.s 或 cP）表示。1cP(厘泊)=0.01P(泊)=0.001Pas=1mPas 表示。NXS-11 型旋转粘度计，分 15 档调节转子转速，可测牛顿
13、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 = 0+ dxv式中 拉剪强度(又称剪切应力)(Pa) 0抗剪屈服强度(Pa)塑性粘度(Pas)5dv/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 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。tan12D3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 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)。=d v
14、/dy1dyne/cm = =1/s =1dyne/cm S=10 dyne/m S(1N=105dyne) =0.1N/m S=0.1 帕(Pa)秒1 泊(P)=0.1 帕秒(PaS)1 厘泊(cP)=1/100 泊(P)=0.001 帕秒式中 为粘性系数，即塑性粘度。4参数控制 浆液的抗剪屈服强度 0宜小于 20Pa，否则浆液流动性差，甚至泵送困难，一般以 17Pa 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 515cP 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流变参数水灰比 W/
15、C 0(Pa) (mPaS)0.8 1.2 3.80.6 4.7 6.3表 3-4 冀东 525#普通硅酸盐水泥试验资料流 变 参 数水 灰 比W/C 0(Pa) (mPaS)0.8 1.8 4.90.7 2.8 6.80.6 6.3 10.20.5 11.4 56.2五、凝结时间 1cm/s 1cm6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 50mm50mm50mm 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
16、 将浆液装入 50mm100mm 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 70mm，下口直径 80mm，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
17、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510.51，固结灌浆多为 210.56。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（）岩体的裂隙宽度大于 0.2mm。（）岩体的单位吸水量大于 0.01L/(minmm)或透水率大于 1lu。（）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80100m/d，才可灌注水泥浆，超过此值，需考虑在浆液中掺加速凝剂。（） 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（）水泥颗粒较细，强度为 42.5、52.
18、5 级普通硅酸盐水泥，其粒径多小于 80m 可以灌入宽度为0.250.4mm 的较小裂隙中，在压力作用下能扩散至一定范围。（） 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。（）浆液易配制，施工较方便。（）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：7（） 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 100，其所用的水泥量和水量可由表 3-5 中查得。（） 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
19、也可按照表 3-5 中所列的加料数值，再通过计算即可。（） 当采用集中制浆时，原浆的水灰比多采用 0.61 或 51。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/cm 3）
20、101 81 61 51 41 31 21 1.51 11 0.81 0.61 0.51 0.41101 1.065 9.7097.0 2.42 6.45 9.67 14.5 22.6 38.7 54.8 87.1 111 153 184 23281 1.080 24 12.096.0 4.00 7.20 12.0 20.0 36.0 52.0 84.0 108 148 180 22861 1.105 63 31.6 15.894.8 3.95 7.90 15.8 31.6 47.3 79.0 103 142 174 22151 1.125 93 56.3 18.6 18.894.0 4.68
21、 12.5 28.1 43.8 75.0 98.5 138 169 21641 1.154 139 92.4 46.2 23.1 23.192.4 7.70 23.2 38.5 69.3 92.4 131 162 20831 1.200 210 150 90.0 60.0 30.0 30.090.0 15.0 30.0 60.0 82.5 120 150 19521 1.286 343 257 172 129 86.0 42.9 43.086.0 14.3 42.8 64.2 100 128 1711.51 1.364 465 354 246 191 136 81.8 27.3 54.581.
22、2 27.3 47.6 81.8 109 15011 1.500 675 528 375 300 226 150 75.0 37.5 75.075.0 18.8 50.0 75.0 1130.81 1.586 812 635 458 370 282 194 106 61.7 17.6 88.670.6 29.4 52.0 88.20.61 1.714 1000 793 578 472 364 275 150 96.5 42.8 21.4 10764.2 21.4 50.40.51 1.800 1140 900 660 540 420 300 180 120 60.0 36.0 12.0 120
23、60.0 30.00.41 1.909 1310 1040 764 627 492 354 218 150 81.8 54.6 27.3 13.7 13754.8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 0.91 时，密度为 1.554； 0.71 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.
24、61)8水 灰 比101 81 61 51 41 31 21 11 0.81材料名称掺 用 量原浆(L)加水量(L)9.3090.711.488.615.085.018.082.021.978.128.571.540.759.371.428.684.115.9五、 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
25、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。92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
26、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) 10181 61 51 41 31 21 1.51 11 0.81 0.61 0.51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
27、室内试验资料表 3-9 水泥浆的析水率W/C 21 11 0.81 0.61 备 注析水率% 64 37 25 15标准漏中流动性（s） 19 21 23 55引自新疆克孜尔水库大坝地基灌浆在实验室内试验资料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，11 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
28、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。10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 0.51 时，流出的时间就比较长了。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
29、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
30、种类 标号 水灰比 搅拌时间(hmin) 气温() 结石凝结情况 备 注普通硅酸盐水泥 400 81100200300400凝固凝固微凝不凝普通硅酸盐水泥 400 10110020030040032323232凝固凝固微凝不凝混合水泥 400 1011002003004003538353835383538凝固凝固凝固不凝固结石良好。结石较好，稍有脱开现象。结石较差，脱模后，试件自行坏掉，内部空隙多。表面发裂，四天后仍有水排出，不凝固。水泥浆凝结时间水泥浆的凝结程度分初凝与终凝两种，从浆液配制成起到产生初凝现象所历经的时间，称为初凝时间；到达产生终凝现象所历经的时间称为终凝时间。为了适应灌浆施工
31、的要求，水泥与水混合制成浆液后，既不能凝结太快，也不能凝结太慢。凝结太快，则等不到浆液扩散到要求的范围或尚未填满裂隙，就失去流动性，使继续灌注成为不可能，这在不同程度上将会影响灌浆质量。凝结太慢，不但在凝结前，浆液有被地下水流冲走的危险，影响灌浆质量，而且待凝需要一些时间，也会影响灌浆工程进度。因此，为了取得良好的灌浆质量和加快施工进度，要求初凝时间长一些，而终凝时间短一些。如果11需要缩短凝结时间，使浆液速凝时，可在浆液中掺加速凝剂。各种配合比的水泥浆的初、终凝时间的测定，可参照国家标准 GB/T1346-1989 中规定的方法进行。水泥浆结石强度室内试验，水泥浆结石强度与成型压力、水泥的标
32、号、浆液的浓度以及搅拌时间等因素有关。室内有压排水成型试验表明，在 0.3MPa 成型压力下，水灰比 0.85 浆液的结石的 28d 抗压强度均在 30MPa以上。成型压力越大，强度越高。结石强度也是反映灌浆质量的重要指标。高压灌浆有利于浆液的扩散和排除浆液中的水分，在岩体裂隙中形成充填饱满的、强度高的结石。今仅以高压灌浆封孔为例，采用水灰比为 11 的水泥浆，以 3MPa 灌浆压力封孔，7d 后从孔内取出的结石的抗压强度，一般就可达到20MPa 以上。结石密度也明显加大。对帷幕灌浆来讲，要求结石密实性强，基本不透水，耐久性好；对固结灌浆，则还要求更高的抗压强度和粘结强度。水泥浆结石强度室内试
33、验可参照有关混凝土强度试验的方法进行，见本章第二节中所述。 结石的孔隙率和密度（） 水泥结石的孔隙率。水泥结石的孔隙率与浆液的水灰比、龄期及养护条件有关。图 3-10 是一试验成果示例。从该图中看出，孔隙率是随着水灰比的增加而显著上升，在水中养护的情况下，结石孔隙率比空气中养护的要小。（ ） 水泥结石的密度 水泥结石的密度与孔隙率有关，它是随着浆液水灰比的减少而增大。根据室内试验得出，当水灰比在 0.410 之间变化时，水泥结石密度则在 1.951.13g/cm 3的范围内变化，图 3-11 是一试例，可供参考。实质上，在灌浆施工时，水泥结石的密度也与灌浆压力有很大关系，灌浆压力大，则水泥结石
34、密度也会加大。由此看出，为增大结石的密度，即提高结石的密实性和强度，最好少用稀的浆液。但在裂隙细微、采用一般细度的水泥材料，若使用较稀的浆液灌注，宜尽可能采用较大的压力，使灌入裂隙中较稀的浆液多挤出一些水，降低其水灰比，从而降低结石的孔隙率，增加结石的密度。12第四节 细水泥浆液及改性磨细水泥浆液细水泥浆系指干磨细水泥浆、湿磨细水泥浆和超细水泥浆，主要作用是灌注基岩微细裂隙。干磨水泥浆或超细水泥浆是使用磨细水泥或超细水泥（见前第二章第三节）与水混合进行搅拌制成。应予注意的是在搅拌成浆时，必须采用转速大于 1400r/min 的高速搅拌机和掺入高效减水剂。湿磨细水泥浆则是将普通水泥浆通过湿磨机加
35、工，使水泥颗粒细化而成。一般讲干磨或湿磨细水泥浆中水泥最大粒径 Dmax 在 35m 以下，平均粒径 D50 为 610m，基岩中宽度小于 0.2mm 甚至小于 0.1mm 的微细裂隙较易灌入。而超细水泥浆，Dmax 一般在 12m 以下，50为 36m，能灌入宽度更微细的裂隙。一、 干磨细水泥浆（以下简称磨细水泥浆）改性磨细水泥（见前第二章第三节）的研究是我国“七五”科技攻关项目之一。1990 年 1 月首次应用于新安江大坝二、三坝良帷幕补强灌浆试验，取得了良好的灌浆效果，1990 年 10 月通过部级科技鉴定，以后又在福建古田溪三级电站大坝、安徽梅山水库大坝的防修补强灌浆，1996 年长江
36、三峡基岩灌浆试验等工程上应用，以及 2001 年在湖南江垭水电站大坝 7#、8#坝段基岩层间溶蚀带补强灌浆中结合化学灌浆使用，灌浆效果均较好，达到了预期目的，但使用量均较小。河北省大黑汀水库坝基除险加固工程采用改性磨细水泥对坝基存在的微细裂隙的基岩进行了灌浆，是国内首次较大规模的应用。详见第十一章工程实例。（一）干磨细水泥浆性能11990 年在新安江大坝二、三坝段帷幕补强灌浆灌浆试验所用的改性磨细水泥是用冀东 525#早强普通硅酸盐水泥，掺入膨胀剂、促凝剂、助磨剂等在工地磨细而成，当时减水剂是在水泥浆搅拌时加入的。冀东水泥性能见表 3-11。磨细后水泥性能：(1)密度和细度。密度 3.07g/
37、cm3，最大粒径 24m，颗粒组成情况见表 3-12。表 3-11 冀东水泥细度、矿物组成和化学成分细 度 矿 物 组 成 (%)4900 孔/cm 2筛余量(%)比表面积g/cm2 C3S C2S C3A C4AF 其他2.6 3567 48.82 27.42 8.65 10.58 4.53化 学 成 份 (%)CaO SiO Al O3 Fe2O3 MgO 游离 CaO 其他65.13 22.38 5.49 3.48 1.12 0.86 1.54表 3-12 水泥颗粒组成粒径(m) 1 2 4 6 16 24 32累积含量(%) 14.6 25.8 36.9 52.7 76.1 100 1
38、00（2）凝结时间。磨细水泥颗粒细，且加有促凝剂，在水灰比相同的情况下，凝结时间较短，当水灰比为 0.4 时，冀东水泥浆初凝时间约为 4h40min，终凝时间约 7h10min，而磨细后相应为 2h50min 和4h。（3）析水率。水泥经磨细后析水率较低，水灰比为 2.0、1.5、1.0 和 0.7 时，其析水率分别为37%、19%、4%和基本不析水。（4）流变参数。浆液的流变性随水泥磨细程度的增加而有改变，因此需要加入高效减水剂以提高浆13液的流动性。当水灰比为 0.7 时，磨细水泥抗剪强度为 15Pa，塑性粘度 为 6.5 cP。掺入高效减水剂 0.8%，抗剪强度降低约 42%，塑性粘度降
39、低 21%。21996 年长江三峡工程主体建筑物基岩灌浆试验所用改性磨细水泥是用江山水泥厂的 525#普通硅酸盐水泥加入特制的灌浆剂（含高效减水剂）共同细磨制成。 （注：灌浆剂为诸多外加剂之和的总称。）江山 525#水泥细度为 80m 方孔筛筛余量 4.9%。凝结时间初凝 2h27min，终凝 3h28min。磨细后改性水泥和水泥浆的主要性能如下：（）细度水泥的最大粒径 Dmax 为 13.8m，平均粒径50 为 3.7m，接近超细水泥的标准。（）凝结时间初凝 1h38min，终凝 3h9min。（）析水率当水灰比为 2.0、1.5、1.0 和 0.7 时，其析水率分别为：14.1%、5.8%
40、、1.2%和 0。（）流动性采用标准漏斗测试，当水灰比为 2.0、1.5、1.0 和 0.7 时，其流动性分别为 16s、18 s、20s 和大于 45s。（）流变参数用旋转粘度计测试，当水灰比为 2.0、1.5、1.0 和 0.7 时浆体的流变曲线，见图 3-12。从曲线看，浆体为宾汉体。其抗剪强度和塑性粘度见表 3-13。表 3-13 不同 W/C 时浆体的流变参数W/C流变参数0.7 1.0 1.5 2.0抗剪强度 0(Pa) 16.0 2.4 1.3 0.7塑性粘度 (cp) 17.8 8.2 4.8 4.5（二）磨细水泥在帷幕灌浆工程上的应用 详见第十一章工程实例。河北省大黑汀水库是
41、开发滦河和引滦入津的大型骨干工程。大坝为混凝土宽缝重力坝，坝高 52.8m。坝基主要为角闪斜长片麻岩和花岗片麻岩，节理裂隙极为发育，微细裂隙多。大坝于 1973 年动工共建，1986 年竣工投入运行。1989 年，主廊道排水孔和缝隙内出现析出物， 注 本文资料主要摘自参考资料141994 年析出物显著增多，并有逐年增大的趋势，进一步发展可能危及大坝安全，经研究确定对坝基的防渗进行补强灌浆，133#坝段共计 47 个坝段，采用改性磨细水泥施灌，其它部位采用强度 52.5 级普通硅酸盐水泥灌注。改性磨细水泥灌浆地段，全长 770m，设计工作量为：砼钻孔进尺 515m，基岩钻孔进尺 9387m，孔深
42、一般入岩 25m，防渗标准为 1u。1999 年 8 月开始施工，先进行灌浆试验，而后为生产性试验灌浆和正式灌浆施工，于 2001 年竣工。1.改性磨细水泥性能见表 3.4-4。2改性水泥检测成果 在工地对水泥品质每 30t 进行一次抽检，检测成果见 3.4-5。表 3.4-4 改性水泥技术性能项 目 技术性能密 度 3.07t/m3细 度 小于 6m 颗粒40%；小于 30m 颗粒95%凝结时间 初凝不早于 45min；终凝不迟于 270min强 度 抗压强度：3 天 31.0MPa；28 天 62.5MPa抗折强度：3 天 5.5MPa； 28 天 8.0MPa。膨 胀 率 3 天0.05
43、%；28 天0.6%浆体析水率 W/C=1.0 时，自由沉降析水率5%浆体流动性 W/C=1.0 时，流时20s(马什漏斗)表 3.4-5 改性水泥检测成果表检测项目 检 测 指 标 最 大 值 最 小 值 平 均 值 备 注D9530m 28.61 22.8 26.73细 度D406m 5.96 4.6 5.49初凝 不早于 45min 145 32 66凝结时间终凝 不迟于 270min 205 94 1273 天 31 68.5 51.5 57.9抗压强度28 天 62.5 90.0 67.8 78.23 天 5.5 9.8 7.5 8.5强度 抗折强度 28 天8 11.4 9.6 1
44、0.43 天 0.05% 0.07 0.03 0.05膨 胀 率28 天 0.60% 0.13 0.05 0.08浆体析水率 W/C=1.0 自由沉降率5% 4.8 3.6 4.4浆体流动性 W/C=1.0 流时20 秒 19.6 18.2 18.9取样 17 组，两个试样初凝时间小于45min，3 个试样 3 天膨胀率小于0.05%，其他均满足要求。3灌浆施工工艺灌浆采用孔口封闭灌浆法，分为三序施工，最大灌浆压力 3MPa。灌浆浆液采用 ZJ-400L 高速搅拌机制浆，搅拌时间 4560s，SNS100/10 灌浆泵灌注。浆液配比一般为 2：1、1：1、0.6：1 三级。灌浆全过程采用自动记
45、录仪对灌浆压力、注入量实行监控和记录。水泥注入总量 195t 占耗用量 466t 的41.8%，水泥损耗率高，故应结合地质条件，工地布置等情况进一步研究经济合理的灌浆工艺，采取各项有利措施，降低成本，提高效益。4.灌浆资料成果分析见表 3.4-6 和表 3.4-7。结论大黑汀水库坝基帷幕补强灌浆，在133#坝段部位采用高压灌浆工艺和改性磨细水泥对微细裂隙进行灌注和处理断层十分有效，提高了灌浆帷幕的防渗能力。降低了坝基物压力减少了排水孔排水量和坝基析出物，提高了大坝坝基安全度。设计和施工都是成功的。帷幕灌浆工程年需用改性磨细水泥量若大于 400t 时，采用新型高细磨现场生产较为经济。生产简15单
46、，质量控制稳定，运输和储存方便。表 3.4-6 改性水泥灌浆各次序孔透水率区间段数和频率透水率(Lu)区间分布段数/频率%部位 次序平均透水率(Lu) 压水总段数 0.5 0.51.0 1.02.0 2.010.0 10.0 0.57 652 358/54.9 195/29.9 85/13.0 11/1.7 1/0.1 0.51 662 403/60.9 180/27.2 65/9.8 11/1.7 0/0.0 0.47 1306 810/62.0 355/27.2 117/9.0 21/1.6 0/0.0合计 2620F133坝段 检查孔 0.26 234 232/99.1 2/0.9 0
47、0 0表 3.4-7 改性水泥灌浆单位注入量段数和频率单位注灰量(kg/m)区间分布段数/频率%部位 次序 孔数平均单位注入量(kg/m) 5 515 1550 50100 100 93 31.31 88/13.5 242/37.1 233/35.7 46/7.1 43/6.6 94 20.30 119/18.0 294/44.4 210/31.7 19/2.9 20/3.0 187 16.09 299/22.9 606/46.4 346/26.5 32/2.5 23/1.8合计 374 20.93 506/19.3 1142/43.6 789/30.1 97/3.7 86/3.3F133坝段
48、 检查孔 40 0.74 100/100二、 超细水泥浆超细水泥是将颗粒磨得极细的水泥，其粒径较磨细水泥还小，一般讲其最大颗粒 Dmax 在 12m 以下，平均粒径 D50 为 36m。日本比较早地进行研制超细水泥及其灌浆技术，其所生产的超细水泥Dmax 为 10m，D50 为 4m，比表面积为 8000cm2/g，能渗入到渗透系数为 10-310 -4cm/s 的细砂层中。1982 年美国纽奥尔良土工灌浆合成上首次发表了日本研制和应用超细水泥的资料。我国在水利水电工程中，中国水利水电科学研究院在四川省二滩水电站弱风化岩体基岩加固灌浆试验中首先采用了超细水泥。中国水利水电科学研究院生产的超细水泥性能见表 3-14。表 3-14 超细水泥成分及基本性能颗 粒 细 度 (%) 矿 物 组 成 (%)密 度g/cm3 5m 510m 10m比表面积(cm2/g) C S C2S C A C AF 其他3.1 60.88 36.41 2.71 80008
