1.5 水泥漿液充填理論

眾所周知，在以水泥為代表的粒狀灌漿材料中，其所使用的漿液有時(shí)候是很稀的，水與灰的重量比（w/c）在1～5之間。在所加入的總水量中，大約只有5%～25%的水（相當(dāng)于水泥重量的25%左右）是為水泥水化所必須，而其余的75%～95%的水則屬于多余的。這些多余水的加入，僅僅是為了對(duì)水泥漿進(jìn)行稀釋，方便輸送。如果不加它，就很難把普通水泥顆粒輸送到結(jié)構(gòu)物的空隙里去。毫無(wú)疑問(wèn)，一旦把水泥顆粒載運(yùn)到所預(yù)定的地點(diǎn)以后，對(duì)于多余的水分就應(yīng)當(dāng)排除，否則，僅依靠很稀的水泥漿液是不可能將較大的裂隙或孔洞充填堵塞住的。多余的水分被排除的程度愈高，介質(zhì)體空隙就被充填得愈加飽滿，灌漿效果愈好。

過(guò)去的大量灌漿工程實(shí)踐也已表明，多余水分中的絕大部分是可以排除的，而且排除的過(guò)程就發(fā)生在短短的灌漿施工中。過(guò)去有許多水泥灌漿采用水灰比w/c有時(shí)候達(dá)到10以上，灌漿依然能取得成功就是很好的例證。

那么，現(xiàn)在提出一個(gè)問(wèn)題，這些多余的水分是以怎樣的方式被排除掉的呢？弄清這個(gè)問(wèn)題，對(duì)于如何正確選用灌漿水泥漿液水灰比、灌漿壓力等工藝措施及確保并提高灌漿效果具有重要的指導(dǎo)意義。目前，對(duì)此問(wèn)題基本上有兩種認(rèn)識(shí)，可把它們稱作“壓迫濾水”與“流動(dòng)沉積”兩種理論。

1.5.1 壓迫濾水理論

德國(guó)的C·庫(kù)茨納爾（Cnristian Kutzner,1964）對(duì)這一理論闡述得最為詳盡。他將水泥灌漿過(guò)程區(qū)分為“填滿”與“飽和”兩個(gè)階段。在裂隙填滿階段，水泥漿液進(jìn)入并充占了裂隙的絕大部分空間。在緊接著的飽和階段中，漿液中的多余水分便在飽和壓力（最高灌漿壓力）下被壓入到另外的微小裂隙或孔隙里。

上述排水的物理過(guò)程是：在達(dá)到飽和階段以后，由于壓力的作用，水泥顆粒彼此越來(lái)越靠近。在稀薄的水泥漿中，壓力最初都為水所承擔(dān)，自水泥顆粒彼此接觸之時(shí)起，壓力的一部分開(kāi)始由水泥顆粒間的“粒間”壓力來(lái)分擔(dān)，它迫使其中多余的水被擠出。此時(shí)水穿過(guò)漿體向外流動(dòng)，與水泥顆粒產(chǎn)生摩擦，因而將逐漸失去它的壓力；與此同時(shí)，水泥顆粒之間的粒間應(yīng)力將逐漸增長(zhǎng)，在飽和階段的后期，水泥顆粒的聚集勢(shì)頭已經(jīng)變?nèi)?，但排水過(guò)程仍不停止，直至灌漿作業(yè)終止后的一段時(shí)期。為了使裂隙得到更密實(shí)的填塞，使用稀薄水泥漿液的灌漿工作不能馬上結(jié)束，要在拒絕吃漿以后繼續(xù)將壓力維持一段時(shí)間，以便充分排水。

這種過(guò)程與在建筑物荷重作用下飽和土的排水固結(jié)情形十分相似。既然多余的水是被充漿裂隙以外的更小裂隙或孔隙所吸收，因此可以推論：只有當(dāng)附近巖體具有此種吸水性時(shí)，才能把多余的水壓濾出去。在一個(gè)完全被封閉的裂隙系統(tǒng)中，多余水是不可能被濾出的，要填好此種裂隙，就必須使用不包含多余水分的干硬性砂漿或穩(wěn)定性水泥漿液。

由于在許多堅(jiān)硬的巖石中，通常情況是塊狀巖體的透水性（吸水性）極小，要在數(shù)小時(shí)內(nèi)將那么多的多余水量壓濾出去幾乎是不可能的。因此，近來(lái)國(guó)際上有許多著名的專家主張?jiān)谒喙酀{中應(yīng)盡可能使用低水灰比的不包含多余水分的“穩(wěn)定性漿液”。若必須使用稀漿，就應(yīng)采用盡可能高的壓力，將多余水分壓出，否則便會(huì)形成松弱的結(jié)石或出現(xiàn)“空囊”，從而影響灌漿效果。

若要認(rèn)真地推敲一下，便不難發(fā)現(xiàn)有不少疑問(wèn)用此理論也不易解釋。例如：

（1）對(duì)于一些通常與地面相連通的裂隙系統(tǒng)，在灌漿時(shí)能達(dá)到“填滿”和“飽和”階段嗎？如果可以的話，為什么實(shí)際的灌漿結(jié)果往往只是填塞了靠近孔壁附近有限的范圍呢？

（2）似乎是越靠近漿液充填體的外緣越密實(shí)，但是這與大多數(shù)實(shí)際灌漿結(jié)果并不吻合。

（3）當(dāng)那些只能進(jìn)水的裂隙口部已被水泥顆粒封堵住以后，還能照常過(guò)水嗎？

由此可以看出，上述理論的局限性。

1.5.2 流動(dòng)沉積理論

水泥漿的流動(dòng)屬于兩相流體，在靜止?fàn)顟B(tài)下，水泥漿具有析水沉淀特性。在不同流動(dòng)狀態(tài)下，其沉淀速度是不一樣的。在靜止?fàn)顟B(tài)和層流狀態(tài)，水泥沉淀速度最快，過(guò)渡態(tài)次之，紊流最慢。一般在鉆孔附近呈紊流，遠(yuǎn)離鉆孔為層流。因此，水泥在層流段沉積。另外，影響水泥沉淀速度的因素還有水泥比重、顆粒大小、水泥漿的濃度和外加劑。一般說(shuō)來(lái)，在相同漿流速和相同濃度下，水泥的比重和顆粒越大，越容易下沉；當(dāng)顆粒直徑DR＜0.001 mm時(shí)，水泥漿液為穩(wěn)定漿液。在其他條件相同時(shí)，漿液愈稀，水泥顆粒的沉降速度愈快。濃度增加，顆粒之間相互碰撞、摩擦的機(jī)會(huì)增多，顆粒下沉阻力增大，速度減慢。在水泥漿液中摻入一定數(shù)量的分散劑，可以延緩水泥的析水沉淀速率。

漿液在管道中輸送和在大裂隙中流速較高，多表現(xiàn)為紊流，而在細(xì)裂隙中多表現(xiàn)為層流。灌漿時(shí)漿液自孔壁縫口進(jìn)入地層裂隙后，越向外流，控制漿液的斷面積愈來(lái)愈大，漿液的流速與距孔中心的距離成反比。由于流速的減小，水泥顆粒的動(dòng)能減小，一方面是重力沉淀速度增加，另一方面是顆粒被接觸到巖壁所吸附，水泥顆粒間的互相吸引，形成顆粒集團(tuán)，促進(jìn)水泥漿的吸水沉積過(guò)程。

張景秀在1977年提出流動(dòng)沉積理論，并發(fā)表在1982年第二期《水利水電技術(shù)》刊物上。該理論認(rèn)為，在水泥灌漿的排水過(guò)程中，水泥漿液進(jìn)入裂隙以后的流動(dòng)速度和壓力隨著離開(kāi)灌漿孔的距離而迅速降低。當(dāng)漿液流動(dòng)速度降低到不再能繼續(xù)攜帶所包含的全部水泥顆粒時(shí)，其中的部分顆粒在重力作用下便開(kāi)始陸續(xù)向底部沉積。于是，漿液逐漸變稀，直至完全變成為清水流到其他間隙中。與此同時(shí)，已開(kāi)始水化的水泥顆粒，已具有了“活性”（吸附力），促使它能被巖縫周壁和先于它沉積的其他顆粒所吸附，靠這兩種作用力，在流動(dòng)狀態(tài)下沉積下來(lái)的水泥顆?；蚱湫鯃F(tuán)之間所包含的水量大致是固定不變的；能對(duì)其產(chǎn)生影響的，大概只有水泥的礦物成分、細(xì)度及其在沉積下來(lái)之前的絮凝程度，而灌注用的漿液黏度和灌漿壓力大小在此時(shí)只有很小的影響。這樣沉積下來(lái)的水泥結(jié)石密度，要比在自然沉降狀態(tài)下完全靠重力自由下沉形成的高得多，大量水泥漿材性能試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。

目前公認(rèn)的觀點(diǎn)是在多孔隙的土砂層和破碎帶中，使用超過(guò)臨界壓力（可使介質(zhì)體產(chǎn)生劈裂的壓力）的所謂高壓灌漿，可在介質(zhì)體中劈拉出一些新的裂隙來(lái)從而使?jié){液易于進(jìn)入，導(dǎo)致漿液的可灌性大為增強(qiáng)。同時(shí)，高壓灌漿將給介質(zhì)體以強(qiáng)烈的擠密與壓實(shí)作用，溶解有CaO的多余水和水泥水化時(shí)放出的CaO水溶液，對(duì)某些黏土可能還有化學(xué)“固化”效應(yīng)（從烏江渡填泥溶洞中的取樣看，此效應(yīng)是明顯存在的，但對(duì)其機(jī)理問(wèn)題尚未弄清），結(jié)果將使被灌注介質(zhì)體的密實(shí)性和強(qiáng)度都大為提高。這一點(diǎn)也在濕磨細(xì)水泥漿材試驗(yàn)中得到證明，在高壓條件下，水泥漿液能夠快速脫水，漿液凝結(jié)時(shí)間大幅縮短，水化反應(yīng)發(fā)生的水灰比實(shí)際要低得多，水泥結(jié)石的強(qiáng)度成倍增加。

1.5.3 水泥灌漿的充填過(guò)程

灌漿時(shí)，水泥漿液自鉆孔壁縫口進(jìn)入地層空隙以后，由于自然原因，一般是越向外流，控制漿液的橫斷面積會(huì)越大。以片狀空隙為例，假如鉆孔方向與片狀空隙正交，在孔壁上控制漿液的空隙斷面積為2πrδ。流速與距鉆孔中心的距離成反比，漿液速度為V r=Q/2πrδ，當(dāng)這部分漿液流至距孔壁Δ r距離后，其控制漿液的斷面積變成為2π（r+Δ r）δ?？梢院?jiǎn)單地算出，漿液流速的減小是十分快的，例如當(dāng)巖縫寬δ=10mm、進(jìn)漿率Q=5L/min，鉆孔半徑r=50mm時(shí)，它在入口處的計(jì)算流速應(yīng)為15.9m/min，而它流至距鉆孔中心500mm處，則為1.59m/min;5000mm處則為0.159m/min?？匆?jiàn)漿液速度衰減得很快。于是，在灌漿中必然會(huì)出現(xiàn)這種情況：漿液從到達(dá)某一地點(diǎn)開(kāi)始，由于流速的減小，就不再能攜帶所有的水泥顆粒了，它將陸續(xù)地從漿液中被分離出來(lái)，沉積在距離該點(diǎn)以遠(yuǎn)的流經(jīng)路途上，水泥漿液逐漸變稀，直至變?yōu)榍逅鞯礁h(yuǎn)的縫隙中。這就是在灌漿過(guò)程中，靠近孔壁的一部分地層空隙逐步地被水泥顆粒（包含著一定數(shù)量的水分）所充填，漿液中大部分多余水分被排除的基本原因和“壓濾”方式。當(dāng)然，促成這一過(guò)程的還有另一重要原因，即水泥顆粒的吸附作用。

水泥漿液進(jìn)入地層空隙系統(tǒng)后，在前進(jìn)道路上空隙斷面積不斷擴(kuò)大的情況，我們可以將其理解成為漿液像是在通過(guò)一個(gè)由小到大的喇叭口，它的進(jìn)口和各處的斷面積與該斷面到鉆孔中心的距離及巖縫寬度成正比。在巖縫寬度為一定時(shí)，鉆孔半徑r愈大，漿液進(jìn)口的斷面積也就愈大，因而在同等壓力下灌漿的漿液吸漿率（L/min）就愈大，距孔中心相同距離處的漿液流速也愈高。因此可以推出：灌漿孔孔徑越大，灌漿充填的范圍也越大，即孔徑大小對(duì)灌漿效果是有一定影響的。

假如，被鉆孔穿透的一個(gè)斷面積始終保持一致的，類似輸漿管一樣的“管道狀”空隙，那么，在灌漿過(guò)程中是很難將它淤塞死的。因?yàn)樵谶@樣的空隙系統(tǒng)里，漿液速度不會(huì)自然減小，因而不會(huì)發(fā)生水泥漿的析水沉積。要填塞好此種空隙，需使用不析水的稠漿液，并且要將送漿率逐漸減小，或者采取間歇灌漿。在實(shí)際水泥灌漿工作中，常常遇到這樣的“跑漿”現(xiàn)象：灌漿孔的吸漿率在長(zhǎng)時(shí)間里不見(jiàn)減小，耗漿量極大。這里多數(shù)情況并非是因?yàn)樗喽囱ㄌ?，裂隙太多難以被灌滿，而最多的情況是沿著直通裂隙從或遠(yuǎn)或暗的地方流失了。

對(duì)于一個(gè)可灌水泥漿的巖縫來(lái)說(shuō)，水泥顆粒在巖縫中開(kāi)始沉積的地點(diǎn)離孔壁距離的大小，將隨著所用的灌漿壓力和漿液稠度、巖縫的寬度不同而有所不同。壓力越大，漿液越稀，巖縫越寬，開(kāi)始沉積的地點(diǎn)距鉆孔越遠(yuǎn)。以沉積點(diǎn)開(kāi)始，水泥顆粒將陸續(xù)地從漿液中被分離出來(lái)，在巖縫中形成一個(gè)不斷加厚的“脊背”，逐步縮小巖縫的寬度。當(dāng)巖縫寬度縮小到一定程度以后，不是出現(xiàn)吃漿率的減小，就是出現(xiàn)壓力自動(dòng)升高；若保持壓力不變，進(jìn)漿率就減小。進(jìn)漿率的減小，使得漿液在每一點(diǎn)上的流動(dòng)速率也跟著減小，從而在靠近鉆孔的方向又形成新的“脊背”，直到巖縫基本被填滿為止。

對(duì)于不同寬度的巖縫，當(dāng)采用統(tǒng)一濃度時(shí)，充填的范圍和時(shí)間是不同的，寬裂隙充填的距離較遠(yuǎn)，時(shí)間較長(zhǎng)。而窄裂隙充填的范圍很小，時(shí)間很短。因此，在實(shí)際灌漿過(guò)程中，遇到吃漿量很大，長(zhǎng)時(shí)間不見(jiàn)減小的情況時(shí)，采取逐級(jí)變濃漿液的措施進(jìn)行灌漿。漿液變濃，意味著黏度和流動(dòng)阻力的增大，將導(dǎo)致相同壓力下的進(jìn)漿率和流速降低，結(jié)果使得水泥提前沉積。每變濃一級(jí)漿液，就要出現(xiàn)一個(gè)更靠近孔壁的沉積點(diǎn)和一個(gè)新的“脊背”形成。過(guò)快變濃漿液，都可能造成巖縫得不到充分的充填。

上面說(shuō)的只是始終采用同一級(jí)高水灰比水泥漿液的充填情形。工程實(shí)踐也證明了，對(duì)于寬度大于0.1mm的片狀裂隙灌漿，只要沒(méi)有強(qiáng)烈的漿液在流動(dòng)，采用水灰比大于1∶1的濕磨細(xì)水泥漿液，可以把它完全充填住的，只是寬裂隙與窄裂隙被充填的范圍和所需時(shí)間有差別而已。

當(dāng)在同一個(gè)灌注段中，若同時(shí)包含有很寬的裂隙時(shí)，若始終采用高水灰比的水泥漿液灌漿，將會(huì)使充填范圍大大擴(kuò)展以至超過(guò)設(shè)計(jì)需要，而且灌注時(shí)間將拖得很長(zhǎng)，造成不必要的浪費(fèi)，從而降低功效。因此，在實(shí)際水泥灌漿中，凡是遇到吃漿量很大、裂隙長(zhǎng)時(shí)間不見(jiàn)減小的情況時(shí)，都應(yīng)采取逐步變濃漿液的措施進(jìn)行灌注。變濃漿液，意味著漿液黏度和流動(dòng)阻力的增大，因而將導(dǎo)致相同壓力下的進(jìn)漿率和流速的降低，還意味著單位體積漿液內(nèi)固體含量的增多，結(jié)果將引起水泥提前沉積，因此，每變濃一級(jí)漿液，就要出現(xiàn)一個(gè)更靠近孔壁的沉積點(diǎn)和一個(gè)新“脊背”的形成。這個(gè)新的“脊背”有可能與先前形成的“脊背”搭接起來(lái)并使其進(jìn)一步增大，也可能互不銜接，這要依變濃的時(shí)機(jī)和幅度而定。過(guò)快過(guò)大的變濃漿液，都可能造成巖縫被突然堵塞，前后“脊背”互不銜接，使巖縫得不到充分地充填。

對(duì)于何時(shí)變濃，變多大等問(wèn)題，是一個(gè)需要慎重掌握的問(wèn)題，由于地層情況的千差萬(wàn)別，每一種空隙適用的灌漿材料頗不一樣，因此，要想制定一個(gè)統(tǒng)一辦法是不可能的，要解決好此類問(wèn)題，只有依靠富有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員的正確判斷才有可能做到。在一個(gè)灌漿段，包含不同寬度的裂隙，為了使所有裂隙都能充滿漿液，首先使用黏度小、流動(dòng)性較好的稀漿，充填較小的裂隙，再用較稠的漿液灌較大的裂隙。漿液由稀變濃的原則是逐級(jí)改變。灌漿過(guò)程中變漿時(shí)機(jī)是根據(jù)壓力與吸漿率的變化情況決定。

由上述可知，處在同一灌注段中的寬裂隙與窄裂隙其被充填的范圍是不同的，總是寬裂隙大于窄裂隙。還可進(jìn)一步推知，在一個(gè)灌漿區(qū)域內(nèi)，寬窄裂隙中充填體達(dá)到“連續(xù)”的時(shí)間也是有先有后的。對(duì)于較大的裂隙，在第一序孔（孔距最大），灌漿可能就達(dá)到了“連續(xù)”；中等裂隙，可能在二序孔中才達(dá)到；對(duì)于更小的裂隙，可能在第三、第四序孔中也不能達(dá)到。這時(shí)就需要考慮改變灌漿材料，選用較細(xì)顆粒尺寸的水泥灌漿材料來(lái)灌漿，這就是開(kāi)發(fā)濕磨細(xì)水泥灌漿材料的原因所在。