第2章 濕磨細水泥灌漿材料的制備

2.1 概述

近幾十年來，我國在水工建筑物地基處理和地下工程施工方面，廣泛采用灌漿方法，這是因為灌漿方法具有適應性廣、施工簡便和費用低廉等優點。隨著水電建設事業的不斷發展，修建的大壩越來越多，地質條件良好的壩址多已被盡先開發，近期在選擇壩址的過程中，常常遇到復雜地基，如軟弱巖石、巖溶發育巖石、火山裂隙巖、斷層破碎巖石及深厚砂礫石覆蓋層等，并也常常遇到一些隨之而來的復雜地質問題均須進行處理。這種形勢有力地促進了灌漿技術的發展。盡管以各種新材料為前導的灌漿新技術和新工藝不斷向前發展，但是因為環境保護、可持續發展和經濟等方面原因，目前水泥灌漿仍然是基礎處理最主要的手段。為了滿足灌漿工程的更高要求，近來世界各國越來越重視發展水泥灌漿新技術的研究，已形成用水泥灌漿技術解決復雜基礎處理的趨勢。

灌漿技術的研究通常包含以下三個方面的內容。

（1）灌漿的對象。灌漿作為一種工程技術手段，就是讓自然狀態下的巖土、混凝土等介質通過灌漿達到改善力學性狀，滿足工程需要的目的。因此對灌漿對象的基本特性——巖土及其斷裂破碎帶或泥化夾層，混凝土與基巖—土體交接層面及其混凝土本身的縫隙等，它們的產狀、組構與成分均是灌漿前必須要弄清的課題。

（2）灌漿的材料。針對不同的灌漿對象和工程目的常常需要使用不同的灌漿材料，這些材料主要包括水泥漿液、化學漿液及其他的復合漿材等材料。灌漿材料的特性將直接影響灌漿的工藝，并對灌漿效果起著決定性的作用。對灌漿材料的創新研究，一直以來伴隨著整個灌漿技術研究的發展進程。濕磨細水泥灌漿新材料的開發就是秉承這一規律的產物。對灌漿材料的特性研究包括：對各種漿材的物理性能和化學成分，以及漿材凝結體的力學特性和微觀結構等方面的一系列專門研究。

（3）灌漿的工藝。即如何將灌漿材料有效地注入被灌對象，讓它們形成一個整體，達到提高被灌體力學性能的目的。灌漿的工藝與灌漿的對象和灌漿使用何種材料密切相關，同時還與灌漿設備的科技發展水平相輔相成。灌漿工藝的選擇往往需要通過一系列的工程灌漿現場試驗來確定。一項灌漿技術是否可行，只有通過大量的工程應用實踐才能得到很好的驗證。

被灌巖體裂隙的寬度是客觀存在的，水泥顆粒的大小及其在漿液中的分散性是影響漿液穩定性和流動性的主要因素。一般水泥的最大顆徑在44～100μm范圍內，這種顆粒使水泥漿液難以灌入滲透系數小于k=5×10-4cm/s的粗砂體或裂隙寬度小于0.6mm的巖體中。針對三峽巖體地質特點，在水泥灌漿材料研究中，重點是解決水泥漿材對斷層破碎帶和巖體細裂隙的可灌性，并改善漿材性能。為此，開展基于水泥顆粒細化的濕磨細水泥漿材的制備和灌漿技術研究，是解決上述難題的關鍵所在，也為解決三峽工程主體建筑物基礎裂隙巖體的防滲加固灌漿問題提供了技術支撐。為了解決普通水泥漿材對微細裂隙可灌性較差，如施工中常出現的“失水回濃”等工程問題，提高水泥漿液的可灌性，增強水泥灌漿效果，擴大水泥灌漿應用范圍，國內外近年來經過不斷地探索和總結，成功地采用超細水泥灌漿和濕磨細水泥灌漿取得了較好的效果。

日本于20世紀80年代初首先研制出磨細的超細水泥灌漿材料（簡稱MC）。超細水泥灌漿材料由極細的水泥顆粒組成，其粒徑平均為4μm，最大顆粒直徑約等于10μm，比表面積在8000cm2/g以上，這一性質使超細水泥漿液有很好的可灌性，能灌入滲透系數k=1×10-3～1×10-4cm/s的細砂。因此，超細水泥漿液的灌入性與化學漿液相近似，而其結石強度又大大高于化學灌漿材料，且對地下水和環境均不產生污染。因為這些特點，超細水泥漿液在日本很快得到廣泛應用，先后用于隧洞、電站及壩基等的防滲和加固處理。

美國繼1982年新奧爾良土工灌漿會議之后，也從日本引進了MC—500超細水泥灌漿先后用于封堵地下水流，加固大壩基礎、封閉板樁間隙、加固隧洞邊墻，大壩防滲以及各種地下建筑物開挖前的預處理等，取得了較好的效果。經過近年來的工程實踐，國外有人認為超細水泥漿液是化學漿液的理想代用品，它即有化學漿液的良好可灌性，同時又具有水泥漿液的力學性能，而且價格較低廉。

針對三峽工程提出的斷層破碎帶加固處理和巖體微細裂隙的可灌性問題，我國的水利科研工作者早在20世紀60年代起就提出通過提高水泥顆粒細度來提升水泥灌漿材料的可灌性。為獲得細水泥灌漿材料，開展了一系列水泥顆粒細化的技術研究。水泥顆粒的細化一般有干法和濕法兩種技術方法。這里主要介紹濕法制備細水泥灌漿材料的方法。

為了獲得濕磨細水泥灌漿材料的最佳制備方法，我國以長江水利委員會長江科學院、中國水利水電集團天津基礎局為代表的多個相關研究單位從20世紀80年代開始進行了濕法磨細水泥灌漿材料的制備研究，該法著眼于呈流態水泥漿液的細化處理，可根據巖基的具體情況任意改變水泥顆粒粒徑，從而克服了干法生產細水泥灌漿材料所出現的問題，具有較好的經濟性。

濕磨細水泥不同于干磨超細水泥最主要之處在于，它是通過一種特殊的研磨設備在灌漿工程施工現場制備而成的一種水泥漿材，而干磨超細水泥是一種在水泥廠就按水泥標準細度制備好的干粉水泥。因此，濕磨細水泥漿材制備的關鍵首先是要研發出一種能滿足水泥灌漿細度要求，高效、能耗低、經濟且生產工藝與水泥灌漿工藝完全兼容的設備——水泥濕磨機。目前，在水利行業應用最多的典型水泥濕磨機是長江科學院研發的GSM、GSW系列磨盤式水泥濕磨機。

為了試驗研究長江三峽水利樞紐巖體力學和相關的工程技術問題，1958年10月6日國家在長江水利委員會正式成立18個由主持單位和協作單位組成的“三峽巖基專題研究組”，下設有灌漿專題試驗研究小組，1985年以后的三峽工程壩基灌漿試驗研究工作主要由長江科學院組織進行。由長江科學院研發的水工裂隙巖體濕磨細水泥漿材灌漿成套技術，從1988年至今已經有20多年的歷程，從技術研發、關鍵設備研制、漿材性能試驗、工程現場試驗到大規模工程應用實踐主要經歷了以下幾個階段：

第1階段，1988～1990年6月。濕磨細水泥漿材的制備核心設備—水泥濕磨機被研制出。1989年底研制出第一臺樣機，定為JTM135S—I型。1990年6月完成對JTM135S—I型樣機的改進，改名為GSM—I型高效水泥濕磨機，此型號生產了10多臺，主要提供給各施工單位進行濕磨細水泥灌漿現場試驗使用。

這一階段工作完成后，于1990年8月水利部組織有關專家對該技術的初步成果進行了評審，專家組一致認為該研究項目技術路線正確，工藝先進，其成果對存在細裂隙的巖體和混凝土接縫的灌漿處理具有明顯的社會效益和經濟效益，建議盡快通過現場中試后組織鑒定，以便推廣應用。同時，對漿材和磨機的某些性能要繼續進行改進和提高。

第2階段，1991～1995年。在這一階段進行了以下幾方面的工作：

（1）提高水泥濕磨機連續生產能力的研究。主要包括兩方面的內容：一是提高水泥濕磨機磨齒的耐磨性，二是進一步完善濕磨細水泥漿材的制漿工藝。主要工作是在GSM—I型的基礎上又進行了設備的改進。對水泥濕磨機的進料系統及出料系統進行了改進，定名為GSM—II型，該型設備與GSM—I型比較制漿能力提高了近4倍，達到60～70L/min。此型共生產了20多臺，主要應用于濕磨細水泥漿材制備的生產性試驗。

在上述生產性試驗應用過程中，發現由于上述水泥濕磨機的電機與磨齒連接處采用的是普通機械密封，當連續制備大量的水泥漿材以后，普通機械密封的效果有所下降，部分水泥濕磨機在使用過程中出現漏漿現象，并偶有導致電機被燒壞的發生。為此，又改進了密封系統，用迷宮節流型替代普通機械密封型，使密封效果有了提高，改進后的機型為GSM—III型。

（2）根據工程應用需要，為配合濕磨細水泥灌漿技術的研究和推廣，研究了濕磨細水泥漿材細度現場檢測和控制技術，研制出NSKC—I型細度測試儀。

（3）進行了大規模的現場灌漿試驗和應用。在此期間，先后進行了黃陂院基寺水庫二壩壩基防滲灌漿帷幕采用濕磨細水泥灌漿現場試驗和應用；清江隔河巖大壩接縫灌漿工程；溫峽口水庫加固工程防滲濕磨細水泥灌漿試驗；湖南五強溪水電站防滲帷幕現場試驗；江西萬安水電站壩基防滲帷幕灌漿試驗。

第3階段，1996～2002年。隨著三峽工程現場灌漿試驗的開始，主要工作有兩項：①GSM—III水泥濕磨機的改進定型，讓水泥濕磨機進入市場，該型設備作為定型產品進行了大規模生產應用，先后生產了近百臺，主要應用于三峽工程，同時基于該型設備，開展了濕磨細水泥漿材性能的一系列研究工作；②結合三峽工程的水泥灌漿實際需要，開展了有針對性的濕磨細水泥漿材性能可調控研究和三峽工程現場固結和帷幕灌漿試驗，以及濕磨細水泥、干磨超細水泥和改性水泥等三種水泥灌漿材料的現場對比試驗。

第4階段，2003年至今。在總結三峽工程GSM水泥濕磨機應用的經驗基礎上，改型研制了GSW臥式水泥濕磨機，獲得國家發明專利。同時開發出NSKC—2細度檢測儀。

隨著濕磨細水泥灌漿技術的日益成熟和在三峽工程的成功大規模應用，在三峽工程水泥灌漿結束后，該項技術陸續在國內外數十個水電、民用、礦山等領域得到推廣使用，在此基礎上，2012年水利部制定頒布了水利行業標準《濕磨細水泥漿材試驗和應用技術規程》（SL578—2012）。