丁 成， 楊醫(yī)博，2

（1.華南理工大學土木與交通學院，廣州 510640； 2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣州 510640）

灌漿材料作為一種快硬早強的高流動性膠結材料，廣泛運用于現(xiàn)代工程，按化學組成可分為三大類，即有機灌漿材料、無機灌漿材料和有機-無機復合灌漿材料［1］. 其中，無機灌漿材料具有綠色環(huán)保、耐高溫、使用壽命長等特點，并且具有顯著的成本優(yōu)勢，正日益受到人們的青睞. 目前，在各種類型的無機灌漿材料中，尤以水泥基灌漿材料最為受人矚目.

水泥基灌漿材料因其性能優(yōu)良，被廣泛應用于大型機械設備安裝、混凝土結構加固、裂縫修補、鋼筋套筒灌漿連接、預應力孔道壓漿、盾構隧道灌漿加固等諸多工程領域［2-9］. 然而隨著現(xiàn)代工程越來越復雜，工程建設效率加快，對水泥基灌漿材料的性能也提出了更加苛刻的要求，主要體現(xiàn)在優(yōu)良的工作性能、較高的力學性能、無收縮微膨脹等方面.

目前我國市場上各類灌漿材料產(chǎn)品較多，但針對水泥基灌漿材料研究現(xiàn)狀所展開系統(tǒng)的討論和分析較少.

本文首先簡述了水泥基灌漿材料的發(fā)展歷史，并對國內(nèi)部分水泥基灌漿材料相關標準進行分析. 在現(xiàn)有研究成果的基礎上，對其性能和組成材料這兩個方面進行了詳細的分析闡述，最后在總結目前研究不足的基礎上對其未來發(fā)展前景進行了展望.

1 水泥基灌漿材料概述

水泥基灌漿材料最早出現(xiàn)在美國，因其具有快凝快硬和超早強的特性，被廣泛應用于軍事設施建設領域［10］. 由于其具有流動度好、早強高強和微膨脹性［11］，在設備安裝中能夠提升安裝效率，延長使用壽命，進而受到了工程界的青睞，并且使用范圍也逐步擴大到了螺栓錨固、結構加固、路面修補等方面，很多在國際上赫赫有名的業(yè)內(nèi)龍頭企業(yè)如美國五星、瑞士西卡等都參與到了對有關產(chǎn)品的研發(fā)活動中［12］.

20世紀50年代，西方國家率先發(fā)現(xiàn)了水泥基灌漿材料在工業(yè)設備安裝中的用途. 到20世紀70年代時，我國進口設備安裝需求日益增長，國內(nèi)也展開了對這一新型材料的技術攻關，并于1977年順利研制出了第一款實用產(chǎn)品，這為后續(xù)進行冶金設備的安裝作業(yè)提供了有力支持［13］. 隨著我國社會各方面的發(fā)展，水泥基灌漿材料應用領域相繼擴大，逐步開發(fā)了與裝配式建筑配套的鋼筋套筒灌漿料、預應力孔道壓漿材料、盾構隧道注漿材料、風力發(fā)電機基礎灌漿料等多種水泥基灌漿材料.

我國標準對不同用途、不同類型的水泥基灌漿材料的流動性、強度、膨脹率等主要性能方面的具體要求不同（表1）. GB/T 50448—2015作為水泥基灌漿材料領域總領性的規(guī)范，對水泥基灌漿材料進行了系統(tǒng)的分類，并提出了不同的性能要求. JT/T 1130—2017、SH/T 3604—2019、JG/T 408—2019 和JT/T 946—2014 作為水泥基灌漿材料細分領域的規(guī)范，分別從該領域的實際需求出發(fā)，對水泥基灌漿材料的性能要求做出了適當調整. 各規(guī)范中，依據(jù)不同的性能要求對灌漿料進行了分類.

表1 國內(nèi)部分標準中水泥基灌漿材料主要性能要求Tab.1 The main performance requirements of cement-based grouting materials in some domestic standards

在上述標準中，對水泥基灌漿材料的同一性能的測試，其試驗方法也不盡相同. 如針對水泥基灌漿材料的流動性，主流的測試方法是采用截錐法，但在特殊情況下也會采用流錐流動度和坍落擴展度來表征其流動度；膨脹率試驗方法大致上分為架百分表法和非接觸式測量法兩大類：而強度除了采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試塊進行測量外，有時也使用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，大尺寸試塊主要適用于骨料粒徑較大的灌漿料.

2 水泥基灌漿材料性能研究進展

從理論上分析，材料和配合比是水泥基灌漿材料在配制過程中需要面對的兩個主要問題. 但在進行新型水泥基灌漿材料的研發(fā)過程中，通常以灌漿材料所要具備的各項性能為指標開展工作，其中主要包括流動性、強度、膨脹性、耐久性等. 下面分別對這四個方面的研究現(xiàn)狀進行詳細的闡述.

2.1 流動性

優(yōu)異的流動性是水泥基灌漿材料正常使用的前提，水膠比和減水劑摻量對其流動性起著決定性作用.當水泥基灌漿材料中有效水比例增多，會增加水泥顆粒間距，減小顆粒間阻力，進而提高其流動度；另外，高效減水劑能夠釋放被各種細微顆粒包裹的水分，起到間接增大灌漿材料有效用水量的效果，從而大幅度增加漿體流動度.

Sha等［19］的研究表明粉煤灰、鋼渣和高爐礦渣可以降低黏度，提高流動性，而減水劑是影響組分黏度和流動性的主要因素. 徐國強和張靜［20］研究了不同類型的外加劑對水泥基灌漿材料流動性的影響，發(fā)現(xiàn)適當摻量的礦粉、硅灰、粉煤灰等礦物摻合料能提高灌漿料的流動性，其中硅灰?guī)淼挠绊懽顬轱@著，當加入的硅灰達到10%以后，流動度達到了358 mm的峰值. 同時，水膠比增大、聚羧酸減水劑和消泡劑摻量的增加可以提高漿體初始流動度和30 min保留值［6］.

2.2 強度

現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展使得工業(yè)設備的安裝和工作環(huán)境越來越復雜，傳統(tǒng)的水泥基灌漿材料逐漸不能滿足設備安裝的強度要求，提高水泥基灌漿材料的強度性能迫在眉睫. 多方面因素共同影響著水泥基灌漿材料的強度，其中，水泥石的密實程度是最主要的影響因素之一［21］. 近幾年，國內(nèi)外研究人員通過添加微集料或外加劑的方式來調節(jié)水泥石的密實度，獲得了較為理想的研究成果.

寇佳亮等［22］通過正交實驗發(fā)現(xiàn)膨脹劑對灌漿料7 d強度的影響較大，抗折強度受影響程度大于抗壓強度，對流動度和28 d強度的影響較小；粉煤灰、硅灰對灌漿料流動度及28 d強度的影響較大，對7 d強度的影響作用不顯著. 另有一些研究成果顯示［6］，利用增加水膠比的方式，可顯著降低早期強度，但與后期強度之間未表現(xiàn)出顯著的相關性；在一定范圍內(nèi)，改變材料的骨膠比不會對其強度造成顯著影響；增加膨脹劑摻量可一定程度上提高材料的早期強度，但會降低材料的中后期強度；聚羧酸減水劑摻量增大會使早期強度降低，但可以提高后期強度；對于緩凝劑和早強劑，摻量增加后，前者降低早期強度，提高后期強度，而后者的作用正好相反. 韓佃利等［23］的研究結果顯示，向灌漿料中添加適量微硅粉可有效增加材料的早期強度.

2.3 膨脹性

水泥基在實際工程中主要被當作填充材料使用，良好的微膨脹性是確保其有效發(fā)揮作用的基本條件. 通過添加膨脹劑的方式，利用膨脹劑天然的膨脹特性，加之膨脹劑與水泥組分之間的一些反應，能夠使材料具備微膨脹性，從而對水泥硬化期間的體積收縮起到一定的補償作用［24］. 水泥基灌漿材料的膨脹性并非越高越好，而是需要根據(jù)工程具體需要，盡量使硬化各階段的膨脹量與其他性能指標如強度指標的變化保持協(xié)調.

鄭建超等［25］采用普通早強水泥，通過選擇多種新材料進行復配，制備出早強微膨脹水泥基灌漿料. 而張立敏和朱涵［26］則研究了橡膠集料水泥灌漿料的抗開裂性能，取得了較好效果.

2.4 耐久性

水泥基灌漿材料一般為高流動性的自密實砂漿，硬化成型后其內(nèi)部結構致密，耐久性能表現(xiàn)較優(yōu). 于丹紅［27］的研究表明，通過添加一定量的粉煤灰和微硅粉，能夠有效提升材料的火山灰效應和微集料效應，增強材料的耐寒性能和耐腐蝕性能. 汪冬冬等［2］開發(fā)的海上風電導管架灌漿料產(chǎn)品中優(yōu)化配方3#的耐久性指標為，56 d電通量203 C，擴散系數(shù)0.14×10-12m2/s，耐久性指標優(yōu)異.

綜上所述，水膠比和減水劑對水泥基灌漿材料的流動性起著決定性作用，礦物摻合料和其他外加劑也對流動性產(chǎn)生影響；微膨脹性往往是通過加入合適的膨脹劑來實現(xiàn)；多因素共同影響著水泥基灌漿材料強度. 為達到水泥基灌漿材料的各項性能要求，往往需要采用多種外加劑和礦物摻合料，經(jīng)大量試驗才能得到優(yōu)選的原材料和配合比.

3 水泥基灌漿材料組成材料研究進展

水泥基灌漿材料在本質上是一種由膠凝材料、骨料、輔料等組成的干混料，一般來說，膠凝材料為水泥，骨料可以使用高性能的天然砂或石英砂，輔料即各種礦物摻合料、膨脹劑等. 水泥基灌漿材料的組成材料及其國內(nèi)外研究情況詳述如下.

3.1 水泥

灌漿材料中常用的水泥大致可以分為三類：

1）硫鋁酸鹽類. 該類水泥具有快硬早強的特點，因其短時間內(nèi)就會凝結，所以對施工時間的要求比較苛刻，如果不能第一時間操作成型，會使材料的流動度出現(xiàn)較大損失. 同時，該類水泥的市場價格偏高，會增加工程的成本投入.

2）硅酸鹽類. 硅酸鹽水泥是較為常見的一種水泥類型，其特點是凝結速度慢、水化熱大，后期普遍會發(fā)生硬化收縮. 以該類水泥作為膠凝材料時，會對施工進度和質量產(chǎn)生一定影響，對早期強度有要求的工程應用此類灌漿料就會受到限制.

3）硅酸鹽-硫鋁酸鹽復合類. 以該類復合水泥作為膠凝材料，然后加入石膏等外加劑來調整鈣礬石的形成，可以改變材料的力學及膨脹特性. 由于這種灌漿材料的組分復雜，往往需要反復調試才能達到理想配比.

任宏偉等［28］進行了復合水泥制備灌漿料的試驗研究，發(fā)現(xiàn)硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥摻量比為3∶7時，灌漿料力學性能得到了顯著提高. 靳麗莉和高英?。?9］研究了不同硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥摻量對灌漿料流動度、泌水性和抗折抗壓強度的影響，得到的半柔性路面灌漿料最優(yōu)配合比中，兩者水泥質量比為5.7∶1.

3.2 礦物摻合料

除了水泥之外，還會添加一些礦物摻合料來提高水泥基灌漿材料的流動性和力學強度，降低泌水率. 普通混凝土中經(jīng)常使用的礦粉、粉煤灰、微硅粉等，在水泥基灌漿材料中也有著重要的用途，這些摻合料能有效作用于漿體-骨料界面，增強其黏結能力，同時填充材料之間的空隙，使其變得更加密實［30］.

?ahmaran等［31］的研究顯示，通過添加浮石粉的方式，能夠有效增強材料性能，如果搭配減水劑使用，則能起到更好的效果. Shannag［32］的研究表明，通過添加粉煤灰、微硅粉、礦渣粉等摻合料，可有效提升材料的各方面性能指標，如強度、可靠性、使用年限等.

黃政宇和錢峰［33］在制備DSP早強高強灌漿材料的過程中，發(fā)現(xiàn)適當?shù)墓杌覔搅?，可以明顯提高灌漿料的強度和流動性，摻量過多或過少都達不到最佳. 王棟民等［34］對復合膠凝材料進行了研究，發(fā)現(xiàn)以水泥、膨脹劑、磨細礦渣組成的三元復合膠凝體系的各方面表現(xiàn)都比較良好，研究表明，可用其制備具有良好體積穩(wěn)定性的高性能膨脹混凝土，并且指出礦渣的摻入可以有效削減由于膨脹劑過量而導致的高膨脹率，從而避免了由此造成的膨脹破壞. Mirza等［35］指出將粉煤灰摻入灌漿料中，可以增加流動性，提高其穩(wěn)定性，減小干燥收縮.

3.3 減水劑

水泥基灌漿材料通常情況下要求有較大的流動度和較高早期強度和后期強度，摻入高效減水率的減水劑是必不可少的. 目前，各種減水劑都有粉體形式，均可用于水泥基灌漿材料中. 聚羧酸系減水劑因減水率高，已成為目前國內(nèi)應用量最大的一類減水劑，占高性能減水劑市場產(chǎn)量的80%［36］. 對該減水劑的使用不僅提升了材料流動度，而且能夠有效控制材料的水灰比，增加材料強度，同時還能有效減少30 min 流動度損失. 但聚羧酸系減水劑引氣量大，在硬化后的水泥基灌漿材料中會留有很多的氣泡，因此，在使用聚羧酸系減水劑時，會同時摻入消泡劑來改善漿體內(nèi)部微觀結構，提高硬化后的強度.

Costas等［37］研究了不同類型減水劑對水泥基灌漿料各方面性能的影響，發(fā)現(xiàn)聚羧酸系減水劑在改善材料的黏度、泌水率指標，以及延長凝結時間等方面，比萘系減水劑的表現(xiàn)更好，并且聚羧酸系高效減水劑能夠有效提高最終強度.

3.4 膨脹劑

水泥基灌漿材料通過摻加中后期膨脹劑和塑性膨脹劑來保證材料的膨脹性能，前者保證材料硬化階段的膨脹，后者保證材料塑性階段的膨脹.

傳統(tǒng)的膨脹劑主要分為硫鋁酸鈣型和氧化鈣型兩類，但硫鋁酸鈣型膨脹劑存在膨脹可調性差、長期體積穩(wěn)定性不良的問題［38］，氧化鈣型膨脹劑也存在膨脹過快，膨脹速度無法調節(jié)的缺點. 相比之下，氧化鎂型膨脹劑的性能表現(xiàn)更為出色，包括更為穩(wěn)定的水化產(chǎn)物、可按需調節(jié)的膨脹性能、較小的后期收縮等，故被廣泛地應用到水泥基灌漿材料中.

汪圓圓［39］通過在水泥壓漿料中添加不同比例的塑性膨脹劑，發(fā)現(xiàn)一定量的塑性膨脹劑可有效提升壓漿料的自由膨脹率，對減少材料凝結時間也有一定效果，且具有消除有害孔、增加微細孔的作用，最重要的是能夠較好地保持材料原有的強度. 曾明和周紫晨［40］以聚醚、聚醇為原料研制特定的塑性膨脹劑，并將其摻入水泥基灌漿材料中，在3 h內(nèi)的塑性膨脹表現(xiàn)良好，不同試驗樣本的膨脹率都在0.8%～1.2%左右.

Zhang等［41］研究了塑性膨脹劑對高性能水泥基灌漿料的影響，隨其摻量的改變，塑性膨脹劑對灌漿料的流動性、機械強度和尺寸穩(wěn)定性有較大影響. 塑性膨脹劑對灌漿料的流動性有輕微的降低，其用量變化的影響不顯著，摻量與灌漿料強度呈負相關關系. 隨著摻量的增加，塑性膨脹劑提高了漿體的豎向膨脹率，漿體有著優(yōu)良的早齡期尺寸穩(wěn)定性，但也帶來了干燥收縮的增加.

3.5 消泡劑

水泥基灌漿材料在配制時，由于其水膠比低，摻加高效減水劑和超細礦物摻合料等，往往使得漿體較為黏稠，容易導致水泥基灌漿材料漿體在攪拌過程中產(chǎn)生的氣泡無法有效排出，這些沒有排出的氣泡在漿體硬化后形成宏觀缺陷，最后影響漿體強度發(fā)展以及材料的耐久性能，解決這一問題的有效措施是添加消泡劑，目前比較常見的消泡劑有聚醚類、有機硅類等.

徐海源等［42］通過研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)選合適消泡劑可提升灌漿料表觀質量的機理在于其消泡速率更快，同時還能改善漿體黏度，并降低了總氣泡的數(shù)量.

3.6 絮凝劑

在常規(guī)水泥基灌漿材料中加入絮凝劑后經(jīng)配合比調整，即可配制出初始流動度、水下抗分散性和水陸強度比等都滿足要求的水下灌漿材料.

絮凝劑也稱為水下抗分散劑等，是水下灌漿材料的重要組成部分. 20世紀80年代，國內(nèi)某研究院所與國外機構進行合作，成功研制出了適用于配置水下混凝土的絮凝劑，此后其他一些科研單位也相繼研發(fā)出了更多高性能的絮凝劑［43］.

郭自利等［44］利用膨潤土、纖維素和高吸水樹脂復配出性能良好的SHB型絮凝劑，摻入該絮凝劑的混凝土具有水下抗分散性的同時，也具有良好的流動性. 丁慶軍等［45］采用硅酸鹽水泥配置出的超早強微膨脹水下灌漿料，初始擴展度達270 mm，水陸強度比大于0.85，且水下抗分散性能良好. 賴洋羿等［46］通過摻加不同量的UWB-Ⅲ型抗分散劑、聚羧酸高效減水劑等進行正交實驗，發(fā)現(xiàn)用水量是影響灌漿料流動度和抗壓強度的重要因素；UWB-Ⅲ型抗分散劑摻入會降低灌漿料的流動性能，但能使灌漿料水下不離析、不分散，摻入量大于1.0%后對后期強度有一定影響；聚羧酸型減水劑能提高灌漿料的流動性，但摻量大于0.4%后對灌漿料抗壓強度不利.

3.7 其他添加劑

在配置水泥基灌漿材料時，為了提高某個方面的特殊性能，還會加入一些緩凝劑、增稠劑、早強劑等其他類型的添加劑.

孫長征等［47］選取了市面上常見的一些緩凝劑，然后加入不同量的硼砂、葡萄糖酸鈉，測試其對超早強灌漿料的性能有何影響，發(fā)現(xiàn)兩者配比為1∶4，摻量在0.45%～0.55%之間時，材料的初始流動度、30 min 流動度、力學性能、早期強度等各項性能指標達到最優(yōu).

胡鐵鋼等［48］通過添加不同量的增稠劑，測試其對灌漿料的抗離析、抗開裂性能有何影響. 結果表明，黏度改性劑A和低黏度纖維素醚在0.05%和0.01%的摻量條件下，都具有良好的保水性能和黏聚性能，不明顯影響灌漿料的流動度，流動度在300 mm以上，大大改善了灌漿料的抗泌水離析能力，對灌漿料早期強度無影響. 纖維素醚能夠有效增強材料的早期抗裂能力，數(shù)據(jù)顯示其抗開裂性能比不低于50%.

3.8 骨料

粗細程度、顆粒級配是衡量骨料好壞的兩大重要指標，其在很大程度上影響著漿體的強度、工作性能、密實度等. 若骨料純度不夠，表面黏附有害雜質，還會妨礙水泥與骨料界面之間的黏結.

Siong等［49］以不同級配的砂子作為骨料配制水泥基灌漿材料，發(fā)現(xiàn)砂子的顆粒越粗，所配制灌漿料的流動度越大，同時在水膠比較低的情況下，以粗砂配制的灌漿料在7 d、28 d時的強度明顯高于以細砂配制的灌漿料. 冷達等［50］的研究表明，材料的強度及流動性與砂的細度模數(shù)呈正相關關系，但保水性、黏聚性則與之呈負相關關系.

除天然砂和石英砂外，也有部分研究將尾礦砂用作細骨料. 劉云宵等［51］利用鐵尾礦砂為骨料，制備水泥基灌漿料，與石英砂灌漿料相比，流變學參數(shù)幾乎一致，硬化后，鐵尾礦砂灌漿料較石英砂灌漿料孔隙率低，無害孔較多，少害孔及有害孔較少，鐵尾礦砂自身硬度較石英砂低，但鐵尾礦砂灌漿料界面過渡區(qū)更為密實，界面顯微硬度略高.

綜上所述，水泥基灌漿材料組成材料種類較多，主要組成可分為水泥、礦物摻合料、外加劑、骨料這四大類. 其中水泥根據(jù)灌漿材料工作需求的不同進行選取即可；礦物摻合料對性能有一定影響，主要是基于灌漿材料性能考慮進行優(yōu)選；外加劑種類豐富，功能各不相同，但通常都是對灌漿材料單一性能影響較大，可根據(jù)性能需求進行選擇；骨料必須有一定的顆粒級配以保證灌漿材料的和易性和致密性，除天然砂和石英砂外，工業(yè)廢渣也可作為骨料.

4 結語

水泥基灌漿材料在各類工程中有著廣泛的運用，并且發(fā)揮著不可替代的作用，但與此同時，仍有一些問題值得注意. 如市面上水泥基灌漿材料一般為袋裝，在施工現(xiàn)場加水攪拌后使用，但當一次性用量過大時，容易攪拌不均勻，從而影響灌漿材料的各項性能，經(jīng)常出現(xiàn)早期強度低、泌水離析等問題；針對大體積灌漿體，在灌漿過程中容易出現(xiàn)灌漿不足，或者由于特殊環(huán)境的影響出現(xiàn)干燥收縮等問題；在一些大型機械安裝方面，如風力發(fā)電機基礎安裝，由于灌漿連接段會受到往復荷載的作用，較短使用時間后水泥基灌漿材料往往會出現(xiàn)疲勞破壞等問題.

水泥基灌漿材料的性能優(yōu)越，在工程修補填充作業(yè)中有著廣泛的應用前景. 今后水泥基灌漿材料的發(fā)展，主要是以提高性能和擴展應用場景為主，并向綠色可持續(xù)發(fā)展方向發(fā)展，其可能的研究方向包括：①開發(fā)高性能灌漿材料；②開發(fā)新型摻合料和外加劑；③灌漿材料內(nèi)部微觀結構不同所引起的宏觀性能的差異；④特定工況下灌漿材料耐久性評價體系；⑤固體廢棄物在灌漿材料中的應用；⑥灌漿材料散裝運輸和自動化的施工設備.