水泥基灌浆材料性能与组成材料研究进展

丁 成， 杨医博，2

（1.华南理工大学土木与交通学院，广州 510640； 2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510640）

灌浆材料作为一种快硬早强的高流动性胶结材料，广泛运用于现代工程，按化学组成可分为三大类，即有机灌浆材料、无机灌浆材料和有机-无机复合灌浆材料［1］. 其中，无机灌浆材料具有绿色环保、耐高温、使用寿命长等特点，并且具有显著的成本优势，正日益受到人们的青睐. 目前，在各种类型的无机灌浆材料中，尤以水泥基灌浆材料最为受人瞩目.

水泥基灌浆材料因其性能优良，被广泛应用于大型机械设备安装、混凝土结构加固、裂缝修补、钢筋套筒灌浆连接、预应力孔道压浆、盾构隧道灌浆加固等诸多工程领域［2-9］. 然而随着现代工程越来越复杂，工程建设效率加快，对水泥基灌浆材料的性能也提出了更加苛刻的要求，主要体现在优良的工作性能、较高的力学性能、无收缩微膨胀等方面.

目前我国市场上各类灌浆材料产品较多，但针对水泥基灌浆材料研究现状所展开系统的讨论和分析较少.

本文首先简述了水泥基灌浆材料的发展历史，并对国内部分水泥基灌浆材料相关标准进行分析. 在现有研究成果的基础上，对其性能和组成材料这两个方面进行了详细的分析阐述，最后在总结目前研究不足的基础上对其未来发展前景进行了展望.

1 水泥基灌浆材料概述

水泥基灌浆材料最早出现在美国，因其具有快凝快硬和超早强的特性，被广泛应用于军事设施建设领域［10］. 由于其具有流动度好、早强高强和微膨胀性［11］，在设备安装中能够提升安装效率，延长使用寿命，进而受到了工程界的青睐，并且使用范围也逐步扩大到了螺栓锚固、结构加固、路面修补等方面，很多在国际上赫赫有名的业内龙头企业如美国五星、瑞士西卡等都参与到了对有关产品的研发活动中［12］.

20世纪50年代，西方国家率先发现了水泥基灌浆材料在工业设备安装中的用途. 到20世纪70年代时，我国进口设备安装需求日益增长，国内也展开了对这一新型材料的技术攻关，并于1977年顺利研制出了第一款实用产品，这为后续进行冶金设备的安装作业提供了有力支持［13］. 随着我国社会各方面的发展，水泥基灌浆材料应用领域相继扩大，逐步开发了与装配式建筑配套的钢筋套筒灌浆料、预应力孔道压浆材料、盾构隧道注浆材料、风力发电机基础灌浆料等多种水泥基灌浆材料.

我国标准对不同用途、不同类型的水泥基灌浆材料的流动性、强度、膨胀率等主要性能方面的具体要求不同（表1）. GB/T 50448—2015作为水泥基灌浆材料领域总领性的规范，对水泥基灌浆材料进行了系统的分类，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 作为水泥基灌浆材料细分领域的规范，分别从该领域的实际需求出发，对水泥基灌浆材料的性能要求做出了适当调整. 各规范中，依据不同的性能要求对灌浆料进行了分类.

表1 国内部分标准中水泥基灌浆材料主要性能要求Tab.1 The main performance requirements of cement-based grouting materials in some domestic standards

在上述标准中，对水泥基灌浆材料的同一性能的测试，其试验方法也不尽相同. 如针对水泥基灌浆材料的流动性，主流的测试方法是采用截锥法，但在特殊情况下也会采用流锥流动度和坍落扩展度来表征其流动度；膨胀率试验方法大致上分为架百分表法和非接触式测量法两大类：而强度除了采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试块进行测量外，有时也使用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，大尺寸试块主要适用于骨料粒径较大的灌浆料.

2 水泥基灌浆材料性能研究进展

从理论上分析，材料和配合比是水泥基灌浆材料在配制过程中需要面对的两个主要问题. 但在进行新型水泥基灌浆材料的研发过程中，通常以灌浆材料所要具备的各项性能为指标开展工作，其中主要包括流动性、强度、膨胀性、耐久性等. 下面分别对这四个方面的研究现状进行详细的阐述.

2.1 流动性

优异的流动性是水泥基灌浆材料正常使用的前提，水胶比和减水剂掺量对其流动性起着决定性作用.当水泥基灌浆材料中有效水比例增多，会增加水泥颗粒间距，减小颗粒间阻力，进而提高其流动度；另外，高效减水剂能够释放被各种细微颗粒包裹的水分，起到间接增大灌浆材料有效用水量的效果，从而大幅度增加浆体流动度.

Sha等［19］的研究表明粉煤灰、钢渣和高炉矿渣可以降低黏度，提高流动性，而减水剂是影响组分黏度和流动性的主要因素. 徐国强和张静［20］研究了不同类型的外加剂对水泥基灌浆材料流动性的影响，发现适当掺量的矿粉、硅灰、粉煤灰等矿物掺合料能提高灌浆料的流动性，其中硅灰带来的影响最为显著，当加入的硅灰达到10%以后，流动度达到了358 mm的峰值. 同时，水胶比增大、聚羧酸减水剂和消泡剂掺量的增加可以提高浆体初始流动度和30 min保留值［6］.

2.2 强度

现代工业的快速发展使得工业设备的安装和工作环境越来越复杂，传统的水泥基灌浆材料逐渐不能满足设备安装的强度要求，提高水泥基灌浆材料的强度性能迫在眉睫. 多方面因素共同影响着水泥基灌浆材料的强度，其中，水泥石的密实程度是最主要的影响因素之一［21］. 近几年，国内外研究人员通过添加微集料或外加剂的方式来调节水泥石的密实度，获得了较为理想的研究成果.

寇佳亮等［22］通过正交实验发现膨胀剂对灌浆料7 d强度的影响较大，抗折强度受影响程度大于抗压强度，对流动度和28 d强度的影响较小；粉煤灰、硅灰对灌浆料流动度及28 d强度的影响较大，对7 d强度的影响作用不显著. 另有一些研究成果显示［6］，利用增加水胶比的方式，可显著降低早期强度，但与后期强度之间未表现出显著的相关性；在一定范围内，改变材料的骨胶比不会对其强度造成显著影响；增加膨胀剂掺量可一定程度上提高材料的早期强度，但会降低材料的中后期强度；聚羧酸减水剂掺量增大会使早期强度降低，但可以提高后期强度；对于缓凝剂和早强剂，掺量增加后，前者降低早期强度，提高后期强度，而后者的作用正好相反. 韩佃利等［23］的研究结果显示，向灌浆料中添加适量微硅粉可有效增加材料的早期强度.

2.3 膨胀性

水泥基在实际工程中主要被当作填充材料使用，良好的微膨胀性是确保其有效发挥作用的基本条件. 通过添加膨胀剂的方式，利用膨胀剂天然的膨胀特性，加之膨胀剂与水泥组分之间的一些反应，能够使材料具备微膨胀性，从而对水泥硬化期间的体积收缩起到一定的补偿作用［24］. 水泥基灌浆材料的膨胀性并非越高越好，而是需要根据工程具体需要，尽量使硬化各阶段的膨胀量与其他性能指标如强度指标的变化保持协调.

郑建超等［25］采用普通早强水泥，通过选择多种新材料进行复配，制备出早强微膨胀水泥基灌浆料. 而张立敏和朱涵［26］则研究了橡胶集料水泥灌浆料的抗开裂性能，取得了较好效果.

2.4 耐久性

水泥基灌浆材料一般为高流动性的自密实砂浆，硬化成型后其内部结构致密，耐久性能表现较优. 于丹红［27］的研究表明，通过添加一定量的粉煤灰和微硅粉，能够有效提升材料的火山灰效应和微集料效应，增强材料的耐寒性能和耐腐蚀性能. 汪冬冬等［2］开发的海上风电导管架灌浆料产品中优化配方3#的耐久性指标为，56 d电通量203 C，扩散系数0.14×10-12m2/s，耐久性指标优异.

综上所述，水胶比和减水剂对水泥基灌浆材料的流动性起着决定性作用，矿物掺合料和其他外加剂也对流动性产生影响；微膨胀性往往是通过加入合适的膨胀剂来实现；多因素共同影响着水泥基灌浆材料强度. 为达到水泥基灌浆材料的各项性能要求，往往需要采用多种外加剂和矿物掺合料，经大量试验才能得到优选的原材料和配合比.

3 水泥基灌浆材料组成材料研究进展

水泥基灌浆材料在本质上是一种由胶凝材料、骨料、辅料等组成的干混料，一般来说，胶凝材料为水泥，骨料可以使用高性能的天然砂或石英砂，辅料即各种矿物掺合料、膨胀剂等. 水泥基灌浆材料的组成材料及其国内外研究情况详述如下.

3.1 水泥

灌浆材料中常用的水泥大致可以分为三类：

1）硫铝酸盐类. 该类水泥具有快硬早强的特点，因其短时间内就会凝结，所以对施工时间的要求比较苛刻，如果不能第一时间操作成型，会使材料的流动度出现较大损失. 同时，该类水泥的市场价格偏高，会增加工程的成本投入.

2）硅酸盐类. 硅酸盐水泥是较为常见的一种水泥类型，其特点是凝结速度慢、水化热大，后期普遍会发生硬化收缩. 以该类水泥作为胶凝材料时，会对施工进度和质量产生一定影响，对早期强度有要求的工程应用此类灌浆料就会受到限制.

3）硅酸盐-硫铝酸盐复合类. 以该类复合水泥作为胶凝材料，然后加入石膏等外加剂来调整钙矾石的形成，可以改变材料的力学及膨胀特性. 由于这种灌浆材料的组分复杂，往往需要反复调试才能达到理想配比.

任宏伟等［28］进行了复合水泥制备灌浆料的试验研究，发现硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥掺量比为3∶7时，灌浆料力学性能得到了显著提高. 靳丽莉和高英俊［29］研究了不同硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥掺量对灌浆料流动度、泌水性和抗折抗压强度的影响，得到的半柔性路面灌浆料最优配合比中，两者水泥质量比为5.7∶1.

3.2 矿物掺合料

除了水泥之外，还会添加一些矿物掺合料来提高水泥基灌浆材料的流动性和力学强度，降低泌水率. 普通混凝土中经常使用的矿粉、粉煤灰、微硅粉等，在水泥基灌浆材料中也有着重要的用途，这些掺合料能有效作用于浆体-骨料界面，增强其黏结能力，同时填充材料之间的空隙，使其变得更加密实［30］.

Şahmaran等［31］的研究显示，通过添加浮石粉的方式，能够有效增强材料性能，如果搭配减水剂使用，则能起到更好的效果. Shannag［32］的研究表明，通过添加粉煤灰、微硅粉、矿渣粉等掺合料，可有效提升材料的各方面性能指标，如强度、可靠性、使用年限等.

黄政宇和钱峰［33］在制备DSP早强高强灌浆材料的过程中，发现适当的硅灰掺量，可以明显提高灌浆料的强度和流动性，掺量过多或过少都达不到最佳. 王栋民等［34］对复合胶凝材料进行了研究，发现以水泥、膨胀剂、磨细矿渣组成的三元复合胶凝体系的各方面表现都比较良好，研究表明，可用其制备具有良好体积稳定性的高性能膨胀混凝土，并且指出矿渣的掺入可以有效削减由于膨胀剂过量而导致的高膨胀率，从而避免了由此造成的膨胀破坏. Mirza等［35］指出将粉煤灰掺入灌浆料中，可以增加流动性，提高其稳定性，减小干燥收缩.

3.3 减水剂

水泥基灌浆材料通常情况下要求有较大的流动度和较高早期强度和后期强度，掺入高效减水率的减水剂是必不可少的. 目前，各种减水剂都有粉体形式，均可用于水泥基灌浆材料中. 聚羧酸系减水剂因减水率高，已成为目前国内应用量最大的一类减水剂，占高性能减水剂市场产量的80%［36］. 对该减水剂的使用不仅提升了材料流动度，而且能够有效控制材料的水灰比，增加材料强度，同时还能有效减少30 min 流动度损失. 但聚羧酸系减水剂引气量大，在硬化后的水泥基灌浆材料中会留有很多的气泡，因此，在使用聚羧酸系减水剂时，会同时掺入消泡剂来改善浆体内部微观结构，提高硬化后的强度.

Costas等［37］研究了不同类型减水剂对水泥基灌浆料各方面性能的影响，发现聚羧酸系减水剂在改善材料的黏度、泌水率指标，以及延长凝结时间等方面，比萘系减水剂的表现更好，并且聚羧酸系高效减水剂能够有效提高最终强度.

3.4 膨胀剂

水泥基灌浆材料通过掺加中后期膨胀剂和塑性膨胀剂来保证材料的膨胀性能，前者保证材料硬化阶段的膨胀，后者保证材料塑性阶段的膨胀.

传统的膨胀剂主要分为硫铝酸钙型和氧化钙型两类，但硫铝酸钙型膨胀剂存在膨胀可调性差、长期体积稳定性不良的问题［38］，氧化钙型膨胀剂也存在膨胀过快，膨胀速度无法调节的缺点. 相比之下，氧化镁型膨胀剂的性能表现更为出色，包括更为稳定的水化产物、可按需调节的膨胀性能、较小的后期收缩等，故被广泛地应用到水泥基灌浆材料中.

汪圆圆［39］通过在水泥压浆料中添加不同比例的塑性膨胀剂，发现一定量的塑性膨胀剂可有效提升压浆料的自由膨胀率，对减少材料凝结时间也有一定效果，且具有消除有害孔、增加微细孔的作用，最重要的是能够较好地保持材料原有的强度. 曾明和周紫晨［40］以聚醚、聚醇为原料研制特定的塑性膨胀剂，并将其掺入水泥基灌浆材料中，在3 h内的塑性膨胀表现良好，不同试验样本的膨胀率都在0.8%～1.2%左右.

Zhang等［41］研究了塑性膨胀剂对高性能水泥基灌浆料的影响，随其掺量的改变，塑性膨胀剂对灌浆料的流动性、机械强度和尺寸稳定性有较大影响. 塑性膨胀剂对灌浆料的流动性有轻微的降低，其用量变化的影响不显著，掺量与灌浆料强度呈负相关关系. 随着掺量的增加，塑性膨胀剂提高了浆体的竖向膨胀率，浆体有着优良的早龄期尺寸稳定性，但也带来了干燥收缩的增加.

3.5 消泡剂

水泥基灌浆材料在配制时，由于其水胶比低，掺加高效减水剂和超细矿物掺合料等，往往使得浆体较为黏稠，容易导致水泥基灌浆材料浆体在搅拌过程中产生的气泡无法有效排出，这些没有排出的气泡在浆体硬化后形成宏观缺陷，最后影响浆体强度发展以及材料的耐久性能，解决这一问题的有效措施是添加消泡剂，目前比较常见的消泡剂有聚醚类、有机硅类等.

徐海源等［42］通过研究发现优选合适消泡剂可提升灌浆料表观质量的机理在于其消泡速率更快，同时还能改善浆体黏度，并降低了总气泡的数量.

3.6 絮凝剂

在常规水泥基灌浆材料中加入絮凝剂后经配合比调整，即可配制出初始流动度、水下抗分散性和水陆强度比等都满足要求的水下灌浆材料.

絮凝剂也称为水下抗分散剂等，是水下灌浆材料的重要组成部分. 20世纪80年代，国内某研究院所与国外机构进行合作，成功研制出了适用于配置水下混凝土的絮凝剂，此后其他一些科研单位也相继研发出了更多高性能的絮凝剂［43］.

郭自利等［44］利用膨润土、纤维素和高吸水树脂复配出性能良好的SHB型絮凝剂，掺入该絮凝剂的混凝土具有水下抗分散性的同时，也具有良好的流动性. 丁庆军等［45］采用硅酸盐水泥配置出的超早强微膨胀水下灌浆料，初始扩展度达270 mm，水陆强度比大于0.85，且水下抗分散性能良好. 赖洋羿等［46］通过掺加不同量的UWB-Ⅲ型抗分散剂、聚羧酸高效减水剂等进行正交实验，发现用水量是影响灌浆料流动度和抗压强度的重要因素；UWB-Ⅲ型抗分散剂掺入会降低灌浆料的流动性能，但能使灌浆料水下不离析、不分散，掺入量大于1.0%后对后期强度有一定影响；聚羧酸型减水剂能提高灌浆料的流动性，但掺量大于0.4%后对灌浆料抗压强度不利.

3.7 其他添加剂

在配置水泥基灌浆材料时，为了提高某个方面的特殊性能，还会加入一些缓凝剂、增稠剂、早强剂等其他类型的添加剂.

孙长征等［47］选取了市面上常见的一些缓凝剂，然后加入不同量的硼砂、葡萄糖酸钠，测试其对超早强灌浆料的性能有何影响，发现两者配比为1∶4，掺量在0.45%～0.55%之间时，材料的初始流动度、30 min 流动度、力学性能、早期强度等各项性能指标达到最优.

胡铁钢等［48］通过添加不同量的增稠剂，测试其对灌浆料的抗离析、抗开裂性能有何影响. 结果表明，黏度改性剂A和低黏度纤维素醚在0.05%和0.01%的掺量条件下，都具有良好的保水性能和黏聚性能，不明显影响灌浆料的流动度，流动度在300 mm以上，大大改善了灌浆料的抗泌水离析能力，对灌浆料早期强度无影响. 纤维素醚能够有效增强材料的早期抗裂能力，数据显示其抗开裂性能比不低于50%.

3.8 骨料

粗细程度、颗粒级配是衡量骨料好坏的两大重要指标，其在很大程度上影响着浆体的强度、工作性能、密实度等. 若骨料纯度不够，表面黏附有害杂质，还会妨碍水泥与骨料界面之间的黏结.

Siong等［49］以不同级配的砂子作为骨料配制水泥基灌浆材料，发现砂子的颗粒越粗，所配制灌浆料的流动度越大，同时在水胶比较低的情况下，以粗砂配制的灌浆料在7 d、28 d时的强度明显高于以细砂配制的灌浆料. 冷达等［50］的研究表明，材料的强度及流动性与砂的细度模数呈正相关关系，但保水性、黏聚性则与之呈负相关关系.

除天然砂和石英砂外，也有部分研究将尾矿砂用作细骨料. 刘云宵等［51］利用铁尾矿砂为骨料，制备水泥基灌浆料，与石英砂灌浆料相比，流变学参数几乎一致，硬化后，铁尾矿砂灌浆料较石英砂灌浆料孔隙率低，无害孔较多，少害孔及有害孔较少，铁尾矿砂自身硬度较石英砂低，但铁尾矿砂灌浆料界面过渡区更为密实，界面显微硬度略高.

综上所述，水泥基灌浆材料组成材料种类较多，主要组成可分为水泥、矿物掺合料、外加剂、骨料这四大类. 其中水泥根据灌浆材料工作需求的不同进行选取即可；矿物掺合料对性能有一定影响，主要是基于灌浆材料性能考虑进行优选；外加剂种类丰富，功能各不相同，但通常都是对灌浆材料单一性能影响较大，可根据性能需求进行选择；骨料必须有一定的颗粒级配以保证灌浆材料的和易性和致密性，除天然砂和石英砂外，工业废渣也可作为骨料.

4 结语

水泥基灌浆材料在各类工程中有着广泛的运用，并且发挥着不可替代的作用，但与此同时，仍有一些问题值得注意. 如市面上水泥基灌浆材料一般为袋装，在施工现场加水搅拌后使用，但当一次性用量过大时，容易搅拌不均匀，从而影响灌浆材料的各项性能，经常出现早期强度低、泌水离析等问题；针对大体积灌浆体，在灌浆过程中容易出现灌浆不足，或者由于特殊环境的影响出现干燥收缩等问题；在一些大型机械安装方面，如风力发电机基础安装，由于灌浆连接段会受到往复荷载的作用，较短使用时间后水泥基灌浆材料往往会出现疲劳破坏等问题.

水泥基灌浆材料的性能优越，在工程修补填充作业中有着广泛的应用前景. 今后水泥基灌浆材料的发展，主要是以提高性能和扩展应用场景为主，并向绿色可持续发展方向发展，其可能的研究方向包括：①开发高性能灌浆材料；②开发新型掺合料和外加剂；③灌浆材料内部微观结构不同所引起的宏观性能的差异；④特定工况下灌浆材料耐久性评价体系；⑤固体废弃物在灌浆材料中的应用；⑥灌浆材料散装运输和自动化的施工设备.