第2章 湿磨细水泥灌浆材料的制备

2.1 概述

近几十年来，我国在水工建筑物地基处理和地下工程施工方面，广泛采用灌浆方法，这是因为灌浆方法具有适应性广、施工简便和费用低廉等优点。随着水电建设事业的不断发展，修建的大坝越来越多，地质条件良好的坝址多已被尽先开发，近期在选择坝址的过程中，常常遇到复杂地基，如软弱岩石、岩溶发育岩石、火山裂隙岩、断层破碎岩石及深厚砂砾石覆盖层等，并也常常遇到一些随之而来的复杂地质问题均须进行处理。这种形势有力地促进了灌浆技术的发展。尽管以各种新材料为前导的灌浆新技术和新工艺不断向前发展，但是因为环境保护、可持续发展和经济等方面原因，目前水泥灌浆仍然是基础处理最主要的手段。为了满足灌浆工程的更高要求，近来世界各国越来越重视发展水泥灌浆新技术的研究，已形成用水泥灌浆技术解决复杂基础处理的趋势。

灌浆技术的研究通常包含以下三个方面的内容。

（1）灌浆的对象。灌浆作为一种工程技术手段，就是让自然状态下的岩土、混凝土等介质通过灌浆达到改善力学性状，满足工程需要的目的。因此对灌浆对象的基本特性——岩土及其断裂破碎带或泥化夹层，混凝土与基岩—土体交接层面及其混凝土本身的缝隙等，它们的产状、组构与成分均是灌浆前必须要弄清的课题。

（2）灌浆的材料。针对不同的灌浆对象和工程目的常常需要使用不同的灌浆材料，这些材料主要包括水泥浆液、化学浆液及其他的复合浆材等材料。灌浆材料的特性将直接影响灌浆的工艺，并对灌浆效果起着决定性的作用。对灌浆材料的创新研究，一直以来伴随着整个灌浆技术研究的发展进程。湿磨细水泥灌浆新材料的开发就是秉承这一规律的产物。对灌浆材料的特性研究包括：对各种浆材的物理性能和化学成分，以及浆材凝结体的力学特性和微观结构等方面的一系列专门研究。

（3）灌浆的工艺。即如何将灌浆材料有效地注入被灌对象，让它们形成一个整体，达到提高被灌体力学性能的目的。灌浆的工艺与灌浆的对象和灌浆使用何种材料密切相关，同时还与灌浆设备的科技发展水平相辅相成。灌浆工艺的选择往往需要通过一系列的工程灌浆现场试验来确定。一项灌浆技术是否可行，只有通过大量的工程应用实践才能得到很好的验证。

被灌岩体裂隙的宽度是客观存在的，水泥颗粒的大小及其在浆液中的分散性是影响浆液稳定性和流动性的主要因素。一般水泥的最大颗径在44～100μm范围内，这种颗粒使水泥浆液难以灌入渗透系数小于k=5×10-4cm/s的粗砂体或裂隙宽度小于0.6mm的岩体中。针对三峡岩体地质特点，在水泥灌浆材料研究中，重点是解决水泥浆材对断层破碎带和岩体细裂隙的可灌性，并改善浆材性能。为此，开展基于水泥颗粒细化的湿磨细水泥浆材的制备和灌浆技术研究，是解决上述难题的关键所在，也为解决三峡工程主体建筑物基础裂隙岩体的防渗加固灌浆问题提供了技术支撑。为了解决普通水泥浆材对微细裂隙可灌性较差，如施工中常出现的“失水回浓”等工程问题，提高水泥浆液的可灌性，增强水泥灌浆效果，扩大水泥灌浆应用范围，国内外近年来经过不断地探索和总结，成功地采用超细水泥灌浆和湿磨细水泥灌浆取得了较好的效果。

日本于20世纪80年代初首先研制出磨细的超细水泥灌浆材料（简称MC）。超细水泥灌浆材料由极细的水泥颗粒组成，其粒径平均为4μm，最大颗粒直径约等于10μm，比表面积在8000cm2/g以上，这一性质使超细水泥浆液有很好的可灌性，能灌入渗透系数k=1×10-3～1×10-4cm/s的细砂。因此，超细水泥浆液的灌入性与化学浆液相近似，而其结石强度又大大高于化学灌浆材料，且对地下水和环境均不产生污染。因为这些特点，超细水泥浆液在日本很快得到广泛应用，先后用于隧洞、电站及坝基等的防渗和加固处理。

美国继1982年新奥尔良土工灌浆会议之后，也从日本引进了MC—500超细水泥灌浆先后用于封堵地下水流，加固大坝基础、封闭板桩间隙、加固隧洞边墙，大坝防渗以及各种地下建筑物开挖前的预处理等，取得了较好的效果。经过近年来的工程实践，国外有人认为超细水泥浆液是化学浆液的理想代用品，它即有化学浆液的良好可灌性，同时又具有水泥浆液的力学性能，而且价格较低廉。

针对三峡工程提出的断层破碎带加固处理和岩体微细裂隙的可灌性问题，我国的水利科研工作者早在20世纪60年代起就提出通过提高水泥颗粒细度来提升水泥灌浆材料的可灌性。为获得细水泥灌浆材料，开展了一系列水泥颗粒细化的技术研究。水泥颗粒的细化一般有干法和湿法两种技术方法。这里主要介绍湿法制备细水泥灌浆材料的方法。

为了获得湿磨细水泥灌浆材料的最佳制备方法，我国以长江水利委员会长江科学院、中国水利水电集团天津基础局为代表的多个相关研究单位从20世纪80年代开始进行了湿法磨细水泥灌浆材料的制备研究，该法着眼于呈流态水泥浆液的细化处理，可根据岩基的具体情况任意改变水泥颗粒粒径，从而克服了干法生产细水泥灌浆材料所出现的问题，具有较好的经济性。

湿磨细水泥不同于干磨超细水泥最主要之处在于，它是通过一种特殊的研磨设备在灌浆工程施工现场制备而成的一种水泥浆材，而干磨超细水泥是一种在水泥厂就按水泥标准细度制备好的干粉水泥。因此，湿磨细水泥浆材制备的关键首先是要研发出一种能满足水泥灌浆细度要求，高效、能耗低、经济且生产工艺与水泥灌浆工艺完全兼容的设备——水泥湿磨机。目前，在水利行业应用最多的典型水泥湿磨机是长江科学院研发的GSM、GSW系列磨盘式水泥湿磨机。

为了试验研究长江三峡水利枢纽岩体力学和相关的工程技术问题，1958年10月6日国家在长江水利委员会正式成立18个由主持单位和协作单位组成的“三峡岩基专题研究组”，下设有灌浆专题试验研究小组，1985年以后的三峡工程坝基灌浆试验研究工作主要由长江科学院组织进行。由长江科学院研发的水工裂隙岩体湿磨细水泥浆材灌浆成套技术，从1988年至今已经有20多年的历程，从技术研发、关键设备研制、浆材性能试验、工程现场试验到大规模工程应用实践主要经历了以下几个阶段：

第1阶段，1988～1990年6月。湿磨细水泥浆材的制备核心设备—水泥湿磨机被研制出。1989年底研制出第一台样机，定为JTM135S—I型。1990年6月完成对JTM135S—I型样机的改进，改名为GSM—I型高效水泥湿磨机，此型号生产了10多台，主要提供给各施工单位进行湿磨细水泥灌浆现场试验使用。

这一阶段工作完成后，于1990年8月水利部组织有关专家对该技术的初步成果进行了评审，专家组一致认为该研究项目技术路线正确，工艺先进，其成果对存在细裂隙的岩体和混凝土接缝的灌浆处理具有明显的社会效益和经济效益，建议尽快通过现场中试后组织鉴定，以便推广应用。同时，对浆材和磨机的某些性能要继续进行改进和提高。

第2阶段，1991～1995年。在这一阶段进行了以下几方面的工作：

（1）提高水泥湿磨机连续生产能力的研究。主要包括两方面的内容：一是提高水泥湿磨机磨齿的耐磨性，二是进一步完善湿磨细水泥浆材的制浆工艺。主要工作是在GSM—I型的基础上又进行了设备的改进。对水泥湿磨机的进料系统及出料系统进行了改进，定名为GSM—II型，该型设备与GSM—I型比较制浆能力提高了近4倍，达到60～70L/min。此型共生产了20多台，主要应用于湿磨细水泥浆材制备的生产性试验。

在上述生产性试验应用过程中，发现由于上述水泥湿磨机的电机与磨齿连接处采用的是普通机械密封，当连续制备大量的水泥浆材以后，普通机械密封的效果有所下降，部分水泥湿磨机在使用过程中出现漏浆现象，并偶有导致电机被烧坏的发生。为此，又改进了密封系统，用迷宫节流型替代普通机械密封型，使密封效果有了提高，改进后的机型为GSM—III型。

（2）根据工程应用需要，为配合湿磨细水泥灌浆技术的研究和推广，研究了湿磨细水泥浆材细度现场检测和控制技术，研制出NSKC—I型细度测试仪。

（3）进行了大规模的现场灌浆试验和应用。在此期间，先后进行了黄陂院基寺水库二坝坝基防渗灌浆帷幕采用湿磨细水泥灌浆现场试验和应用；清江隔河岩大坝接缝灌浆工程；温峡口水库加固工程防渗湿磨细水泥灌浆试验；湖南五强溪水电站防渗帷幕现场试验；江西万安水电站坝基防渗帷幕灌浆试验。

第3阶段，1996～2002年。随着三峡工程现场灌浆试验的开始，主要工作有两项：①GSM—III水泥湿磨机的改进定型，让水泥湿磨机进入市场，该型设备作为定型产品进行了大规模生产应用，先后生产了近百台，主要应用于三峡工程，同时基于该型设备，开展了湿磨细水泥浆材性能的一系列研究工作；②结合三峡工程的水泥灌浆实际需要，开展了有针对性的湿磨细水泥浆材性能可调控研究和三峡工程现场固结和帷幕灌浆试验，以及湿磨细水泥、干磨超细水泥和改性水泥等三种水泥灌浆材料的现场对比试验。

第4阶段，2003年至今。在总结三峡工程GSM水泥湿磨机应用的经验基础上，改型研制了GSW卧式水泥湿磨机，获得国家发明专利。同时开发出NSKC—2细度检测仪。

随着湿磨细水泥灌浆技术的日益成熟和在三峡工程的成功大规模应用，在三峡工程水泥灌浆结束后，该项技术陆续在国内外数十个水电、民用、矿山等领域得到推广使用，在此基础上，2012年水利部制定颁布了水利行业标准《湿磨细水泥浆材试验和应用技术规程》（SL578—2012）。