第三章 灌浆浆液
灌浆浆液基本上可分为两类。一类是悬浮液，系采用固体颗粒浆材，例如水泥、粘土、沙等制成的浆液，其颗粒处于分散的悬浮状态；另一类是真溶液，系由化学浆材，例如环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸盐等制成的浆液。
基岩固结灌浆和帷幕灌浆均以水泥基浆液为主，遇到一些特殊地质条件，例如断层、破碎带、微细裂隙等，当使用水泥浆液难以达到预期效果时，方采用化学灌浆材料作为补充，并且化学灌浆也多是在水泥灌浆基础进行的。
第一节 浆液的选择
在大坝地基处理灌浆施工中，浆液的选择非常重要，在很大程度上直接关系到帷幕的防渗效果，地基岩石在固结灌浆后的力学性能、以及灌浆工程的费用。因此研究灌浆材料及其配浆工作一直是灌浆工程中的一个重要课题。通过多年来的试验研究和工程实践，在灌注浆液方面取得了很大成绩。
由于灌浆的目的和地基地质条件的不同，组成浆液的基本材料和浆液中各种材料的配合比例也有很大变化。一般讲用于大坝岩石地基灌浆的浆液应具备下列性能：
1.水泥浆液中水泥颗粒应具有一定细度，便于充填基岩中微细裂隙，通常的说法是，颗粒细度应为裂隙宽度的1/3～1/5，方能有效的充填，例如水泥粒径为80μm时，能灌入0.24 ～0.40mm宽度的岩体裂隙。
2.浆液应具有较好的稳定性，析水率低，因为固体颗粒过早析水沉积，将会影响浆液继续灌注。 3.浆液需具有良好的流动性，粘度不宜过大，以有利于灌注施工和增大浆液的扩散范围。
4.浆液填满岩体裂隙硬化形成结石后，应致密、均一，并具有良好的防渗性能、必要的强度和粘 结力。帷幕灌浆水泥结石在长时期高水头作用下，应能保持稳定，不产生溶蚀和破坏，耐久性强，28天强度宜达到5～10MPa；固结灌浆水泥结石应能满足地基安全承载和稳定的要求。
第二节 浆液性能试验
一、浆液密度
浆液密度与浆液所用浆材的配比直接相关，只要知道浆材配比，使用绝对容积的原理，就可以计算出浆液密度。浆液密度宜使用比重秤测定，因其简单易行，测值较准。浆液密度也可采用波美比重计测定，但其测值欠准，尤其不适于在浓度大的浆液中测试。
二、析水率
析水现象是由于浆液中固体颗粒的沉积而引起的，沉积后所析出的水的体积（V1）与浆液体积(V)的 比值，即α=V1/V,称为析水率。
水泥浆的析水率与浆液的浓度、水泥颗粒细度以及水泥品种等因素有关，同样水泥品种，同样水灰比的情况下，水泥颗粒愈细，析水率愈小。
常用的试验方法为，取200mL水泥浆，盛于直径相同有刻度的玻璃量筒内（例如直径为3.5cm高度为25cm），用塞子塞紧加以摇荡或在量筒内使用长棍快速搅拌，使浆液混合均匀。然后将量筒静放在试验
台上，水泥颗粒开始下沉，清水厚度自上向下逐渐增加，每隔一定时间，读记清水厚度一次，一直继续到清水高度呈稳定状态停止。稳定标准一般是连续三个析水值的读数相同或者有微小差距。这个析水的全过程时间称为析水时间。
最好是同时做几组平行试验，以其平均值作为试验成果。试验工作宜在常温20℃左右的情况下进行。
三、浆液流动性
水泥浆液流动性与浆液所用的水灰比直接相关，水灰比愈大，稠度愈小，流动性表现为愈大。但水泥的品种、细度、浆温等因素对其也有一定影响。
水泥浆液流动性经常采用标准漏斗或马什(Marsh)漏斗测定。两种漏斗的规格尺寸见图3-1 和图3-2。测试成果以秒（s）表示。
本文中使用“浆液流动性”一词，表示其现在后“四”流变参数文中所述的塑性粘度有所区别。
１.标准漏斗
即以前称之为1006型泥浆粘度计。
测试方法：用清水将漏斗和量杯 冲洗干净，在漏斗上面设置过滤网，用以除掉浆液中的杂质。用手紧堵漏斗下部细管的管口。先用量杯将其下部200mL浆液通过过滤网注入漏斗内，继之将其上部500mL浆液注入。而后将量杯放在漏斗下，让500mL容积向上。手指离开漏斗细管下口，同时开动秒表，记下漏斗内流出500mL浆液所历经的时间，这个时间就代表浆液的流动性，以秒数表示。
用标准漏斗测得清水流出的时间一般应为15s，如测出时间不是15s，则测出值可用下式予以校正：
η1∶D=15∶S η1=15D/S η1—校正值；
D—实测浆液流动性值； S—实测水的流动性值。
2．马什漏斗
国内约在1990年以后开始应用，近期应用比较普遍。
测试方法：测试程序与标准漏斗相同，仅是将浆液倒入漏斗内1.5L，测记其流出1L所需的时间。 用马什漏斗测得清水和浆液流出的时间见表3-1。
*表-1用马什漏斗测定水泥浆液流动性值
*此表摘自隆巴迪《内聚力在岩石水泥灌浆中所起的作用》一文。
由表3-1中可以看出，用马什漏斗测试出的水泥浆液流动性值与漏斗表面粗糙程度有较大关系，平滑表面与粗糙表面两者测值之比约为0.80～0.87。故在用马氏漏斗测试浆液流动性之前，一定要先测试出水的流动性值（s），以为比较之用。
使用漏斗测出的水泥浆液流动性值实质上是浆液的流变性与漏斗表面粗糙程度的综合值，所以使用“表观粘度”一词比较合适。
实践经验认为：浆液粘度使用标准漏斗测试流动性值小于40s，以25～35s为好；使用马什漏斗测试值小于50s，应以28～38s为好。
四、流变参数
1．牛顿浆体和宾汉浆体
液体在流动时有两种不同的流态，即层流和紊流。
当流速较小时，液体中全部质点是以平行而互不混杂的方式形成流线，有条不紊的运动，这种流态叫做层流。
当流速较大时，液体质点互相混掺，互相碰撞，它们除了沿流向的运动以外，还作其它方向的运动。液体内部在互相混掺，互相碰撞中还会出现大大小小涡体，致使形成杂乱无章的运动，这种流态叫做紊流。
浆液在流动时具有不同的特性，按其流变性质考虑，可以将浆液分为“牛顿浆体”和“宾汉浆体”两类。
牛顿浆体为粘性流体，是一种没有刚度极易流动的液体。当液体受到外力的作用，即使这个力很小，液体也开始流动。图3-3分别表示出了牛顿浆体和宾汉浆体的流动速度υ与流动阻力F的关系。在一定的外力作用下，浆体的流动速度取决于该浆体的粘度。水和多数的化学浆液均属于牛顿浆体。
宾汉浆体则为粘－塑性流体，它是具有一定抗剪强度和固性的液体。当浆体受到外力作用时，若这个力小于浆体的屈伏强度(或称屈伏应力)，则只能使浆体变形作功，而不能使浆体流动。只有在外力超过屈伏强度时，浆体才开始流动。由固体颗粒材料制成的悬浮型浆液，例如水泥浆和粘土浆，除了一些非常稀薄的浆液以外，都属于宾汉体。
显然，宾汉浆体比牛顿浆体具有较高的流动阻抗，所以它较难进入微细缝隙，只有在较高的压力下，才能使它扩散到较远的距离。
国外资料认为，在层流条件下水泥浆液的性状属于宾汉浆体。当水灰比小于0.9（重量比）后，浆液的抗剪强度和塑性粘度都迅速地增加。
抗剪屈服强度τ0与水灰比Ｗ之间的关系，可以近似地用下述方程式表达： τ0=τ1e-５2
式中：τ1=3.5×10N/cm，
K=2.1。
塑性粘度η与水灰比W之间的关系，可以近似地用下述方程式表达。
K/W
3-1
η=η１e3-2
式中 η1为水的粘度(1cP)；
Ｋ为常数，变化在1.6～2.2之间。
表3-2中的计算值，系假定Ｋ＝1.8而求出的。
根据式（3－1）和(3－2)，可以计算出水泥浆的临界流动性与其水灰比之间的关系，如表3-2所示。
①
表3-2 纯水泥浆的抗剪强度和塑性粘度
Ｋ／Ｗ
从表3-2中可以看出，若从粘度角度考虑，用水灰比为5：1的水泥浆液作为灌浆初始用的浆液，应是完全可以的，而不需采用较5：1更稀的浆液。国内的试验资料与此类似，即水灰比为5：1水泥浆的粘度与10：1甚至20：1的很接近。
2．浆液流变参数的测定
流变参数常采用NXS-11型旋转粘度计或2NN-D6型旋转粘度计（即范式六速旋转粘度计）进行测定计算。测试成果以抗剪屈服强度τ０（Pa）和塑性粘度（又称塑性粘性系数）η（Pa.s或cP）表示。
1cP(厘泊)=0.01P(泊)=0.001Pa·s=1mPa·s表示。
NXS-11型旋转粘度计，分15档调节转子转速，可测牛顿浆体和宾汉浆体。稳定浆液的流变性可以用宾汉浆体描述，测试原理为：
滨汉浆体流动方程 τ=τ0+η
dv
dx
式中 τ—拉剪强度(又称剪切应力)(Pa)
τ0—抗剪屈服强度(Pa) η—塑性粘度(Pa·s) dv/dx—剪切速率(1/s)
以不同的剪切速率通过测量获得相应的剪切应力，绘制τ～dv/dx关系曲线，求出屈服强度和塑性粘
度。测试试例见图3-4。
η=
D2-D1
=tanθ
τ2-τ1
3．塑性粘度
浆液的塑性粘度是指浆液在运动时，具有不同流速的各层面间的内摩擦力，通常用η 表示，以“泊”（P）为单位，厘泊(cP)为1/100泊。
2
1泊等于层与层间相距1cm，速度相差1cm/s，在1cm面积上的摩擦力为1达因(dyne)。
τ=μdv/dy
２
1dyne/cm=μ
μ·
1/s
∴ μ=1dyne/cm×S=10dyne/m×S
(1N=105dyne)
∴ μ=0.1N/m２×S=0.1帕(Pa)·秒
1泊(P)=0.1帕秒(Pa·S)
1厘泊(cP)=1/100泊(P)=0.001帕秒 式中μ为粘性系数，即塑性粘度。 4．参数控制
浆液的抗剪屈服强度τ0宜小于20Pa，否则浆液流动性差，甚至泵送困难，一般以1～7Pa为宜。 浆液塑性粘度宜小于40cP，否则浆液显浓，不易灌入，一般以5～15cP为宜。 5．水泥浆流变参数试验资料示例见表3-3和表3-4，供读者应用参考。
表3-3 渡口525#普通硅酸盐水泥试验资料
２４２
表3-4 冀东525#普通硅酸盐水泥试验资料
五、凝结时间
按GB1346-1989标准，采用水泥稠度凝结测定仪测定浆液的初凝和终凝时间。
六、抗压强度
将浆液装入50mm×50mm×50mm试模中，试件成型2d折模，置于标准养护室内养护 至3d、7d、28d，参照SD105-1982标准中“混凝土立方体抗压强度试验”测定抗压强度。
七、弹性模量
将浆液装入Φ50mm×100mm的试模中，试件成型后2d拆模，置于标准养护室内28d，参照SD105-1982标准中“混凝土静力抗压弹性模量试验”进行。
八、渗透系数
将浆液装入上口直径Φ70mm，下口直径Φ80mm，高30mm的截圆锥内。试件2d拆模，置于标准养护室28d后，参照SD105-1982标准中“混凝土抗渗试验（一次加压法）”进行。
第三节水泥浆液
一、概述
水泥浆是由水泥和水混合经搅拌而制成的浆液。为了改进浆液性能，有时向浆液中加入少量外加剂。 水泥浆的胶结性能好，结石强度高，也便于施工，是大坝地基岩石灌浆工程中最普遍采用的一种浆 液。
配制水泥浆时，多依照重量比例配制，也有按体积比例配制的。我国各灌浆工程都采用重量比，帷幕灌浆使用范围一般多为水：水泥＝5∶1～0.5∶1，固结灌浆多为2∶1～0.5∶6。英、美等国多采用体积比，近年来也有改用重量比的。
二、适于灌注水泥浆的岩体的条件 （１）岩体的裂隙宽度大于0.2mm。
（２）岩体的单位吸水量大于0.01L/(min．m．m)或透水率大于1lu。 （３）一般灌浆规范或文献中规定地下水流速不大于600m/d，但实践经验认为地下水流速不大于80～100m/d，才可灌注水泥浆，超过此值，需考虑在浆液中掺加速凝剂。 （４） 地下水的化学成分不妨碍水泥浆的凝结和硬化。
三、使用水泥作为灌浆材料的主要特点
（１）水泥颗粒较细，强度为42.5、52.5级普通硅酸盐水泥，其粒径多小于80μm可以灌入宽度为 0.25～0.4mm的较小裂隙中，在压力作用下能扩散至一定范围。
（２） 水泥浆硬化所成的水泥结石，其强度和粘结强度都较高，能满足帷幕灌浆和固结灌浆的要求。 （３）浆液易配制，施工较方便。 （４）材料来源方便，价格较低。
四、水泥浆的配制和检验
配制水泥浆液一般有以下三种情况：
（１） 将水泥和水依照规定的比例直接拌合，这种情况最为简单。先将计量好的水放入搅拌筒内， 再将水泥按所规定的重量秤好后，放入筒中直接搅拌即可。例如欲配制各种浓度的水泥浆100Ｌ，其所用的水泥量和水量可由表3-5中查得。
（２） 在灌浆过程中，常需要将搅拌桶内的水泥浆变浓或变稀。一般也可按照表3-5中所列的加料
数值，再通过计算即可。
（３） 当采用集中制浆时，原浆的水灰比多采用0.6∶1或5∶1。将这种浆液输送到灌浆施工地点。在拌制所需浓度的水泥浆时，需要放入一定量的原浆，再加入一定量的水，其加入量可由表3-6中查得。计算方法见本章第十一节例三。
此外，在灌浆过程中，有时需要检验配制好的浆液的水灰比，以了解其是否符合规定的比值，最常用的方法就是测定浆液的密度，由密度值即可计算出浆液的水灰比。计算方法见本章第十一节例二。
表3-5 配制水泥浆用料量及浆液深度变换的加料量表（制浆量或原有浆量按100L计）
浆液中加入的水量的升数。（粗线框内的数字，右上角的为各种配比浆液的水泥含量公斤数；左下角的为各种配比浆液的水的含量公斤数。）
3
2.水泥密度以3g/cm计。
3.水灰比为0.9∶1时，密度为1.554； 0.7∶1时为1.662。
表3-6 配制水泥浆需用的原浆和加入水量表
(制浆量按100L计，原浆浓度水∶水泥=0.6∶1)
五、 水泥浆的各项试验
灌浆施工前，或在灌浆试验阶段，应根据灌浆的目的和受灌岩层的地质条件，对水泥浆液进行各项必要的有关试验，以了解浆液的性能，便于正确地操作，达到灌浆的目的。由于材料品种、技术设备条件的不同，已有的同类浆液性能试验成果虽然可以参照使用，但最好根据灌浆工程的具体情况做些必要的或是校验性的试验。 1．水泥浆密度
水泥浆密度是表示水泥浆浓度的一种方法。水泥浆浓度也可用水灰比来表示，所以水泥浆密度与水灰比有着直接的关系。在灌浆过程中，要检验或了解已制成水泥浆的水灰比的实际情况，可以通过测定浆液密度来完成。
测量水泥浆密度的方法见本章与第二节中所述。
图3-5中的曲线代表水泥浆密度与水灰比之间的关系。该关系曲线是以水泥比重按3计而绘制的，在实际应用中可能稍有误差。图3-6表示水泥浆比重与单位浆液体积内含有的水泥和水量的关系。
2．水泥浆析水率
析水率的测试方法见本章第二节中所述。
表3-7、表3-8、表3-9为试验室内所做水泥浆的析水率成果示例，使用的水泥为不同水泥厂生产的500号普通硅酸盐水泥。
图3-7为试验室内取200mL不同水灰比的浆液，其析水过程与全析水时间情况示例，使用的水泥也是500号普通硅酸盐水泥。
表3-7 水泥浆的析水率
表3-8 水泥浆的析水率
表3-9 水泥浆的析水率
从这些析水率试验资料中可以看出，稀的浆液的析水率可达80%～90%以上，1∶1浓度的浆液的析水率约为35%左右，说明灌浆过程中所灌入岩层裂隙或孔洞中的稀浆，其中大部分的水是要析出去的，仅有少部分的水是与水泥起化学作用而凝结成结石。
上述的析水率试验是在试验室内做的，与实际灌浆时浆液的析水率有所不同。在实际灌浆过程中，浆液一般是在相当大的压力作用下灌入岩层裂隙中去的，由于这种压力作用，全析水时间就会缩短，也要多挤出去一部分水，因而结石更密实，强度也会增高。
３．水泥浆流动性
水泥浆流动性试验方法见本章第二节中所述。
图3-8为一个水泥浆流动性与水灰比关系试验实例，使用的是500号普通硅酸盐水泥，采用标准漏斗测试，当水灰比为0.5∶1时，流出的时间就比较长了。
４．水泥浆搅拌时间
在灌浆过程中，为保持水泥浆呈均匀状态，必须连续搅拌。实践表明，搅拌超过一定时间后，不仅 浆液的凝结时间要延长，影响结石的强度，情况严重的甚至会发生浆液不凝的危险。
表3-10为一浆液搅拌时间与凝结情况的试例。由表中反映出，稀浆搅拌时间超过4h，则浆液失去 凝固的性质。图3-9是水泥结石强度与浆液搅拌时间关系的又一个实例，它反映了结石强度与搅拌时间关系特性的一般情况。由图3-9中可看出，当搅拌60min时，结石强度一般是最高的，搅拌时间超过2h ，结石强度开始下降；搅拌时间超过4h ，则结石强度急速下降。SL62-1994《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中规定：“浆液的搅拌时间，使用普通搅拌机时，应不少于3min；使用高速搅拌机时，宜不少于30s。水泥浆自制备至用完的时间宜小于4h。”
灌浆施工时，为保证浆液质量，凡是搅拌超过4h尚未灌入的浆液，除经专门试验，证明其性能尚可满足要求的仍可使用外，一般均宜视为废浆，不能再作灌注浆液。
５．水泥浆凝结时间
水泥浆的凝结程度分初凝与终凝两种，从浆液配制成起到产生初凝现象所历经的时间，称为初凝时间；到达产生终凝现象所历经的时间称为终凝时间。
为了适应灌浆施工的要求，水泥与水混合制成浆液后，既不能凝结太快，也不能凝结太慢。凝结太快，则等不到浆液扩散到要求的范围或尚未填满裂隙，就失去流动性，使继续灌注成为不可能，这在不同程度上将会影响灌浆质量。凝结太慢，不但在凝结前，浆液有被地下水流冲走的危险，影响灌浆质量，而且待凝需要一些时间，也会影响灌浆工程进度。因此，为了取得良好的灌浆质量和加快施工进度，要求初凝时间长一些，而终凝时间短一些。如果需要缩短凝结时间，使浆液速凝时，可在浆液
中掺加速凝剂。
各种配合比的水泥浆的初、终凝时间的测定，可参照国家标准GB/T1346-1989中规定的方法进行。 ６．水泥浆结石强度
室内试验，水泥浆结石强度与成型压力、水泥的标号、浆液的浓度以及搅拌时间等因素有关。室内有压排水成型试验表明，在0.3MPa成型压力下，水灰比0.8～5浆液的结石的28d抗压强度均在30MPa以上。成型压力越大，强度越高。结石强度也是反映灌浆质量的重要指标。高压灌浆有利于浆液的扩散和排除浆液中的水分，在岩体裂隙中形成充填饱满的、强度高的结石。今仅以高压灌浆封孔为例，采用水灰比为1∶1的水泥浆，以3MPa灌浆压力封孔，7d后从孔内取出的结石的抗压强度，一般就可达到20MPa以上。结石密度也明显加大。
对帷幕灌浆来讲，要求结石密实性强，基本不透水，耐久性好；对固结灌浆，则还要求更高的抗压强度和粘结强度。
水泥浆结石强度室内试验可参照有关混凝土强度试验的方法进行，见本章第二节中所述。 ７． 结石的孔隙率和密度
（１） 水泥结石的孔隙率。水泥结石的孔隙率与浆液的水灰比、龄期及养护条件有关。图3-10是一试验成果示例。从该图中看出，孔隙率是随着水灰比的增加而显著上升，在水中养护的情况下，结石孔隙率比空气中养护的要小。
（２） 水泥结石的密度 水泥结石的密度与孔隙率有关，它是随着浆液水灰比的减少而增大。根据
3
室内试验得出，当水灰比在0.4～10之间变化时，水泥结石密度则在1.95～1.13g/cm的范围内变化，图3-11是一试例，可供参考。实质上，在灌浆施工时，水泥结石的密度也与灌浆压力有很大关系，灌浆压力大，则水泥结石密度也会加大。
由此看出，为增大结石的密度，即提高结石的密实性和强度，最好少用稀的浆液。但在裂隙细微、采用一般细度的水泥材料，若使用较稀的浆液灌注，宜尽可能采用较大的压力，使灌入裂隙中较稀的浆液多挤出一些水，降低其水灰比，从而降低结石的孔隙率，增加结石的密度。
第四节 细水泥浆液及改性磨细水泥浆液
细水泥浆系指干磨细水泥浆、湿磨细水泥浆和超细水泥浆，主要作用是灌注基岩微细裂隙。 干磨水泥浆或超细水泥浆是使用磨细水泥或超细水泥（见前第二章第三节）与水混合进行搅拌制 成。应予注意的是在搅拌成浆时，必须采用转速大于1400r/min的高速搅拌机和掺入高效减水剂。湿磨细水泥浆则是将普通水泥浆通过湿磨机加工，使水泥颗粒细化而成。
一般讲干磨或湿磨细水泥浆中水泥最大粒径Dmax在35μm 以下，平均粒径D50为6～10μm，基岩中宽度小于0.2mm甚至小于0.1mm的微细裂隙较易灌入。而超细水泥浆，Dmax一般在12μm以下，Ｄ50为3～6μm，能灌入宽度更微细的裂隙。
一、 干磨细水泥浆（以下简称磨细水泥浆）
改性磨细水泥（见前第二章第三节）的研究是我国“七五”科技攻关项目之一。1990年1月首次应用于新安江大坝二、三坝良帷幕补强灌浆试验，取得了良好的灌浆效果，1990年10月通过部级科技鉴定，以后又在福建古田溪三级电站大坝、安徽梅山水库大坝的防修补强灌浆，1996年长江三峡基岩灌浆试验等工程上应用，以及2001年在湖南江垭水电站大坝7#、8#坝段基岩层间溶蚀带补强灌浆中结合化学灌浆使用，灌浆效果均较好，达到了预期目的，但使用量均较小。河北省大黑汀水库坝基除险加固工程采用改性磨细水泥对坝基存在的微细裂隙的基岩进行了灌浆，是国内首次较大规模的应用。详见第十一章工程实例。
（一）干磨细水泥浆性能
1．1990年在新安江大坝二、三坝段帷幕补强灌浆灌浆试验所用的改性磨细水泥是用冀东525#早强普通硅酸盐水泥，掺入膨胀剂、促凝剂、助磨剂等在工地磨细而成，当时减水剂是在水泥浆搅拌时加入的。冀东水泥性能见表3-11。
磨细后水泥性能：
3
(1) 密度和细度。密度3.07g/cm，最大粒径24μm，颗粒组成情况见表3-12。
表3-11冀东水泥细度、矿物组成和化学成分
表3-12水泥颗粒组成
（2）凝结时间。磨细水泥颗粒细，且加有促凝剂，在水灰比相同的情况下，凝结时间较短，当水灰比为0.4时，冀东水泥浆初凝时间约为4h40min，终凝时间约7h10min，而磨细后相应为2h50min和4h。 （3）析水率。水泥经磨细后析水率较低，水灰比为2.0、1.5、1.0和0.7时，其析水率分别为37%、19%、4%和基本不析水。
（4）流变参数。浆液的流变性随水泥磨细程度的增加而有改变，因此需要加入高效减水剂以提高浆液的流动性。
当水灰比为0.7时，磨细水泥抗剪强度为15Pa，塑性粘度η为6.5 cP。掺入高效减水剂0.8%，抗剪强度降低约42%，塑性粘度降低21%。
2．1996年长江三峡工程主体建筑物基岩灌浆试验所用改性磨细水泥是用江山水泥厂的525#Ｒ普通硅酸盐水泥加入特制的灌浆剂（含高效减水剂）共同细磨制成。（注：灌浆剂为诸多外加剂之和的总称。） 江山525#Ｒ水泥细度为80μm方孔筛筛余量4.9%。凝结时间初凝2h27min，终凝3h28min。
磨细后改性水泥和水泥浆的主要性能如下：
（１）细度水泥的最大粒径Dmax为13.8μm，平均粒径Ｄ50为3.7μm，接近超细水泥的标准。 （２）凝结时间初凝1h38min，终凝3h9min。
（３）析水率当水灰比为2.0、1.5、1.0和0.7时，其析水率分别为：14.1%、5.8%、1.2%和0。 （４）流动性采用标准漏斗测试，当水灰比为2.0、1.5、1.0和0.7时，其流动性分别为16s、18 s、 20s和大于45s。
（５）流变参数用旋转粘度计测试，当水灰比为2.0、1.5、1.0和0.7时浆体的流变曲线，见图3-12。从曲线看，浆体为宾汉体。其抗剪强度和塑性粘度见表3-13。
表3-13不同W/C时浆体的流变参数
①
（二）磨细水泥在帷幕灌浆工程上的应用 详见第十一章工程实例。
河北省大黑汀水库是开发滦河和引滦入津的大型骨干工程。大坝为混凝土宽缝重力坝，坝高 52.8m。坝基主要为角闪斜长片麻岩和花岗片麻岩，节理裂隙极为发育，微细裂隙多。
大坝于1973年动工共建，1986年竣工投入运行。1989年，主廊道排水孔和缝隙内出现析出物，1994年析出物显著增多，并有逐年增大的趋势，进一步发展可能危及大坝安全，经研究确定对坝基的防渗进行补强灌浆，Ｆ1～33#坝段共计47个坝段，采用改性磨细水泥施灌，其它部位采用强度52.5级普通硅酸盐水泥灌注。
改性磨细水泥灌浆地段，全长770m，设计工作量为：砼钻孔进尺515m，基岩钻孔进尺9387m，孔深①
注 本文资料主要摘自参考资料
一般入岩25m，防渗标准为1Ｌu。1999年8月开始施工，先进行灌浆试验，而后为生产性试验灌浆和正式灌浆施工，于2001年竣工。
1.改性磨细水泥性能见表3.4-4。
2．改性水泥检测成果 在工地对水泥品质每30t进行一次抽检，检测成果见3.4-5。
表3.4-4改性水泥技术性能
表3.4-5改性水泥检测成果表
3．灌浆施工工艺
灌浆采用孔口封闭灌浆法，分为三序施工，最大灌浆压力3MPa。灌浆浆液采用ZJ-400L高速搅拌机制浆，搅拌时间45～60s，SNS100/10灌浆泵灌注。浆液配比一般为2：1、1：1、0.6：1三级。灌浆全过程采用自动记录仪对灌浆压力、注入量实行监控和记录。水泥注入总量195t占耗用量466t的41.8%，水泥损耗率高，故应结合地质条件，工地布置等情况进一步研究经济合理的灌浆工艺，采取各项有利措施，降低成本，提高效益。
4.灌浆资料成果分析见表3.4-6和表3.4-7。 ５．结论
大黑汀水库坝基帷幕补强灌浆，在Ｆ1～33#坝段部位采用高压灌浆工艺和改性磨细水泥对微细裂隙进行灌注和处理断层十分有效，提高了灌浆帷幕的防渗能力。降低了坝基物压力减少了排水孔排水量和坝基析出物，提高了大坝坝基安全度。设计和施工都是成功的。 帷幕灌浆工程年需用改性磨细水泥量若大于400t时，采用新型高细磨现场生产较为经济。生产简单，质量控制稳定，运输和储存方便。
表3.4-6 改性水泥灌浆各次序孔透水率区间段数和频率
表3.4-7 改性水泥灌浆单位注入量段数和频率
二、 超细水泥浆
超细水泥是将颗粒磨得极细的水泥，其粒径较磨细水泥还小，一般讲其最大颗粒Dmax在12μm以下，平均粒径D50为3～6μm。日本比较早地进行研制超细水泥及其灌浆技术，其所生产的超细水泥Dmax为
2-3-4
10μm，D50为4μm，比表面积为8000cm/g，能渗入到渗透系数为10～10cm/s的细砂层中。1982年美国纽奥尔良土工灌浆合成上首次发表了日本研制和应用超细水泥的资料。我国在水利水电工程中，中国水利水电科学研究院在四川省二滩水电站弱风化岩体基岩加固灌浆试验中首先采用了超细水泥。 中国水利水电科学研究院生产的超细水泥性能见表3-14。
表3-14超细水泥成分及基本性能
在灌浆试验中采用了以渡口水泥厂生产的625号硅酸盐水泥为主，超细水泥为辅的原则进行灌注。由于浆液灌入能力往往取决于浆液中的较大颗粒，因此超细水泥浆液不宜同普通水泥浆液在同一灌浆段中掺混在一起使用，在试验施工中需研究和探讨两种浆液在先后次序和不同段位上如何采用的问题。 该工程灌浆试验原则上规定，使用超细水泥可按岩体单位吸水率和灌浆孔序控制。Ⅰ、Ⅱ序孔中ω小于0.03L/min.m.m的孔段和Ⅲ序孔各孔段中采用，或仅在Ⅲ序孔中ω值较小的孔段中使用。超细水泥灌浆采用1：1和0.6：1两个比级。浆液中加入高效减水剂并通过胶体磨快速搅拌、分散。灌浆试验取得了良好效果，达到了预期目的。
宏观看，超细水泥在析水率、流动性和凝结时间等方面有着与磨细水泥类似的规律。
1990年以后由于改性磨细水泥研制成功，并取得了较好的灌浆效果，对于岩体中微细裂隙或基岩中存在的断层、层间溶蚀带等不良地质条件部位，一般多采用高压改性磨细水泥或高压改性磨细水泥和化学材料复合灌浆方法处理，超细水泥的应用就不很普遍了。
三、 湿磨细水泥浆
湿磨细水泥浆是将普通水泥浆通过湿磨机研磨改性后，制成粒径更细的水泥浆液，供为灌注基岩微细裂隙之用。
（一）湿磨机的类型
经常使用的有下列两种型式：
一种型式类似胶体磨，由料斗、磨头、粒度调节盘、高速电动机、排浆口及循环系统构成。磨头 内有齿式定盘和转盘，电动机直接驱动转盘，使其与定盘作相对高速转动。将已拌制好的水泥浆由料斗内输入，通过定盘和转盘间的间隙，经受很大的剪切力、摩擦力、离心力的作用，同时还受到转盘转动过程中产生的高频振动作用，从而使水泥颗粒高效地被粉碎、分散和搅拌，达到颗粒进一步细化的目的。细化粒度可用粒度调节盘调整。
长江委科学院于1990年研制GSM型湿磨机，见图3-13。整机尺寸Φ400mm×1200mm，重量125kg，制浆能力40～45L/min以上，动力动率5.5kW。通过湿磨机，水泥粒径Dmax＜40μm，D50约为8～10μm
2
比表面积大于5000cm/g。湿磨时间以2～3min为宜。适用于水灰比为2.1、0.6的水泥浆。
湿磨水泥制浆及灌浆工艺流程见图3.4-3。
另一种型式为筒型湿磨机，磨机主要由机身、磨筒、轴承座、传动系统、冷却系统、送料系统、电器系统和研磨介质以及电动机等组成。由电动机通过皮带传动，带动磨筒内的圆盘高速转动、强烈搅拌筒内的研磨介质和水泥浆，使得筒内的水泥浆受到剪切、冲击、分散和研磨等作用，从而达到将水泥颗粒粉碎的目的。
中国水利水电基础工程局研制的SM型湿磨机见图3-15。整板尺寸1200mm×880mm×1350mm,重量1000kg，制浆能力40Lmin以上，动力动率15kW,转速1055r/min,介质为粒径2～3mm瓷珠。水泥浆水灰
2
比1：1时，湿磨时间5min为宜。比表面积可达7800cm/g，见表3-15。研磨10min， Dmax为30μm
，
D50约为6μm。研磨时间愈长，颗粒愈细。测试成果见图3-16。施工实践认为研磨时间以2min左右为宜。
表3-15湿磨细水泥浆比表面积测试成果
（二）湿磨水泥浆性能 湿磨水泥浆的性能依所使用水泥的品种、湿磨机的类型、高效减水剂的掺入以及湿磨时间等的不同而异，这里仅介绍其大致的情况，列举一些试验资料供读者了解、研究和应用。 1．细度，增加湿磨时间，水泥比表面积增大，颗粒总体细度提高，对降低Dmax、D50尺寸显著。使用SM型湿磨机试验成果见表3.4-10。
表3-16 GSM型湿磨机试验成果(W/C=1∶1)
湿磨水泥浆常常采用激光衍射法或沉降法测定其细度，前者自动化程度高，测试精度高、速度快，但设备较为复杂精密，价格昂贵。后者价格较便宜，适合在工地使用。 光透射粒度测定仪是利用颗粒在液体中沉降过程符合stokes定律，采用光透过量来测定水泥粒径的。
在给定沉降高度情况下，测量不同大小颗粒的不同沉降时间与光透过量的关系，即通过光透过量和液体浓度的关系来测定颗粒粒径。表3-17为使用该仪器对几种水泥品的测试成果。
斯托克定律
Vs=
x2ρs-ρfg
18μ
()
式中：Vs——颗粒沉降速度； ρf——浆液密度；
x——粒子直径； g——重力加速度； ρs——粒子密度； μ——液体粘度。
表3-17 光秀射粒度测定仪对水泥样品测试成果(累积筛余%)
2．析水率，析水率随湿磨时间增加
减小，见表3-18。
3．流动性，流动性随湿磨时间增加，流出时间增大流动性减小，见表3.4-12(采用马什漏斗)。 4．凝结时间，湿磨水泥比普通水泥凝结时间有所延长。
5．流变参数，湿磨水泥的抗剪强度和塑性粘度比普通水泥大的较多，而且随湿磨时间的延长而增大。 见表3-18。
表3-18湿磨水泥浆液性能试验
6． 抗压强度、弹性模量和渗透系数，当水灰比一定时，浆液结石的抗压强度Ｒ、弹性模量Ｅ和渗透系数的Ｋ随研磨时间延长而降低。见表3-19。
总结上述情况，湿磨机研磨时间一般以不超过2min为宜。
表3-19湿磨水泥浆液结石性能试验
（三）湿磨水泥浆的应用
GSM型湿磨机不仅能将水泥浆中的水泥颗粒研磨的更细，还可起到快速搅拌和分散作用，对改进浆 液性能有利。GSM型湿磨机应用比较普遍，因其工艺简单，灌注效果也较好，很多工程均在使用。例如湖南省有五强溪水电站，大坝为砼重力坝，基岩为前震旦系板溪群石英岩、石英砂岩、砂质板岩、千枚状板岩，岩体中软弱夹层和微细裂隙十分发育。左岸18#～25#坝段，右岸13#～15#坝段经采用525#普通硅酸盐水泥，帷幕防渗标准达不到透水率q＜1lu的要求，经研究确定在该部位帷幕中间增加一排湿磨水泥灌浆孔，灌浆进尺约1000m。经灌注后效果显著。18～23坝段，经湿磨水泥灌浆后q≤1Lu所占百分率由灌前72.5%上升到97.6%；24#～25#坝段由51.3%上升到100%，达到了设计要求。院基寺水库使用湿磨细水泥处理F4新层破碎带达到了预期效果。类似这样实例较多。我国著名的三峡大坝，由于基岩岩体中微细裂隙发育在基岩固结和帷幕灌浆中较为普遍地使用了湿磨细水泥浆。
另外，湖北省隔河岩大坝在坝体接缝灌浆施工中对于张开度小于0.5mm的接缝，也采用湿磨水泥浆灌注，取得良好灌浆效果。
应提醒注意的是对GSM型湿磨机应做好保养和维护，在每一次灌浆后均需加以很好地冲洗。将机体内水泥浆洗净，防止其在机体胶结，影响湿磨机的正常运行。
第五节 稳定浆液
广义讲，稳定浆液系指2小时内析水率小于4%或5%的浆液。达到此指标的浆液类别很多，例如高标号的普通硅酸盐水泥，当水灰比为0.5时，或一般普通硅酸盐水泥，水灰为1、0.8、0.6掺入适量的膨润土时，或改性磨细水泥水灰比为1时，以及流动性较小的水泥粘土浆等在2小时内析水率均小于5%。 采用稳定浆液进行灌注的主要优点是：（1）稳定浆液析水少，不会因灌浆后由于浆液中多余水分的析出逸走而留下来较多的末能填满的空隙，有利于将受灌岩体中的空隙充满填实；（2）稳定浆液结石的结构密实，力学强度高，抗溶蚀能力强，与缝隙两壁的粘附力也较高；（3）相对来说，使用稳定浆液灌浆，可减小表面抬动，也可避免不必要的大量的吸浆，节约浆材；（4）灌注时间相对较短。
一、稳定浆液在灌浆施工中的应用
我国水利水电工程较早地使用稳定浆液进行灌浆的是在1990年新疆自治区克孜尔水率右坝肩倾倒体的固结灌浆。当时对灌浆浆液的提出要求为：（1）析水率小于5％；（2）28天龄期抗压强度大于10MPa；（3
）标准漏斗测试流动性控制在25～30s。
使用的原材料有：
2
1.水泥，拜城水泥厂生产的425#普通硅酸盐水泥，其细度为通过4900孔/cm筛余量10%，相对偏粗。 2.膨润土，托克逊膨润土厂产品，其物理和化学性能见表3-20和表3-21。
表3-20 膨润土物理性能
表3-21 膨润土主要矿物组成与化学成分(以%数表示)
注：PH值非%含量，烧失量约10%。
3.分散剂，淮南矿物与合成材料厂生产的熊猫牌NF高效减水剂。 4.水，昌吉自来水公司自来水。
制浆方法：采用两级搅拌，第一级较低速搅拌，搅拌机转速约为800 r/min；第二级高速搅拌，将 第一级搅拌的浆液再通过JTM50型胶体磨(800r/min)再一次搅拌。膨润土必须先用水浸泡，浸泡时间大于24h，使其充分膨胀，再按每次用量放入有水的容器内，搅拌均匀后加入第一级正在搅拌的水泥浆中。
通过室内试验得出如下结论
１． 当水灰比为0.6、0.8、1和2时，膨润土加入量约需1%、3%、5%、和10%就可达到稳定浆液对析水率的要求。但浆液粘度高、流动性差，影响浆液的可灌性。
２． 加入高效减水剂，可以改善浆液流动性，并可减少膨润土的掺入量。见表3-22。
３． 胶体磨快速旋转，可将水泥颗粒分散、磨细和乳化。低含水稳定性水泥浆通过胶体磨后，可以降低析水率，改进流动性，提高稳定性，也有利于加大可灌性。水灰比愈小，效果愈显著。
４． 低水灰比水泥浆中掺入膨润土制造稳定浆液，必须加入高效减水剂和采用快速搅拌设备。通过室内试验，推荐灌注浆液采用的比见表3-23。
表3-22 减水剂掺量对浆液性能的影响
注 （）内数据为未过胶体磨。
表3-23 克孜尔水库右坝肩倾倒体固结灌浆推荐浆液的配合比及其性能
采用稳定浆液灌浆，浆液多为一个比级，操作简单，灌浆时间短，进度快，有些工程常喜采用。另外在采用灌浆强度法GIN法灌浆时，也是采用一个比级的稳定浆液。唯应注意的是稳定浆液的抗剪强度和塑性粘度均较同水灰比的水泥浆大，实践经验表明，有的工程由于地质条件或其他一些因素的关系，开灌时采用稳定浆液，吸浆量不大，但改用水灰比为2∶1或1∶1的纯水泥浆灌注，吸浆量却较大，故在施工工艺上采用先灌注水灰比2∶1或1∶1的纯水泥浆，检验注入率情况，而后再灌注稳定浆液的技
术措施。
二、稳定浆液配比示例
为了使读者便于参考和应用，本节介绍两个试验实例。
１．为了某工程灌浆试验使用，在试验室内进行了稳定浆液试验，推荐浆液配比见表3-24。
表3-24 稳定浆液推荐配比
2
注：水泥为峨嵋水泥厂产52.5级普通硅酸盐水泥，80μm筛筛余量＜3%，比表面积3250cm/g。膨润土为四川省三台是产品。高效减水剂UNF—5为天津市雍阳减水剂产品。
２．黄河小浪底工程2#灌浆洞桩号0+764～0+807段，长43m，进行了GIN法施工，完成灌浆1564m。 稳定浆液试验成果见表3-25。现场施工采用第2组配方制浆。
表3-25 黄河小浪底大坝堆量灌浆GIN法施工同稳定浆液配比及其性能
注 水泥为河南省渑池县生产的“仰韶牌525号”普通硅酸盐水泥；膨润土为山东昌邑县钢膨润土；减水剂为天津雍阳减水剂厂生产的UNF—5。
第六节 水泥砂浆及水泥粘土砂浆
一、水泥砂浆
在具有宽大裂隙、溶洞、地下水流速很大以及耗浆量很大的岩层中灌浆时，常采用水泥砂浆灌注。灌注水泥砂浆的优点有：浆液流动度较小，不易流失，结石强度高，粘结力强，耐久性和抗渗性好，砂料可就地取材，节约水泥。
配制水泥砂浆时，浆液中水与水泥之比值(水：水泥)宜等于1或小于1，否则在水泥浆中加入的砂很易沉淀。例如有的工程采用的配比为水泥：砂：水=1：1：0.6。有的工程采用1：0.5：1。若采用较大的水灰比值，为了防止和减少砂粒沉淀，宜于掺加膨润土，用量可为水泥重量的5％以下，并应通过试验确定。
1．水泥砂浆应具备的技术性能
作为灌注浆液的水泥砂浆应具备的技术性能如下：
(1)适合于受灌岩层的地质条件和灌注施工的凝结时间。 (2)在一定时间内保持稳定状态，不离析沉淀。
(3)具有一定的流动性，使浆液在岩层裂隙中能够扩散至一定范围。 (4)结石强度应满足要求。 (5)结石的收缩性要小。 2．水泥砂浆试验项目
为了了解水泥砂浆的基本性能，可做流动性、析水率、凝结时间和强度等项试验。试验方法可参照混凝土工程中的有关砂浆试验方法进行。必要时间再考虑进行流变参数试验。
水泥砂浆是比较不够稳定的一种浆液，在灌注过程中总会产生一定程度的分离现象。为了改善砂浆的性能，可在砂浆中掺人一些塑化剂、膨润土或粉煤灰，对提高浆液的稳定性和流动性均有好处。 二、水泥粘土砂浆
水泥粘土砂浆具有比较良好的稳定性、抗渗性，也有一定的强度。这种浆液在受压时比水泥粘土浆的脱水速度快，因此，此种浆液可以用于静水头压力较大情况下的大洞穴的充填灌浆。
水泥、粘土和砂这三种材料在浆液中各有其主要作用：水泥起固结强度作用，粘土起促进浆液的稳定作用，砂起填充裂隙空洞的作用。
拌制水泥粘土砂浆时，宜先配制成水泥粘土浆，而后加入砂。
第七节 水泥粉煤灰浆液
粉煤灰可以作为一种掺合料，在水泥浆液中掺入进行灌注。其主要优点为：节约水泥，降低造价，抗溶出性侵蚀能力强。由于粉煤灰密度小，拌制成水泥粉煤灰浆时，易产生分离现象，故在加料顺序和制浆措施方面应予特别注意。有人建议在贮存罐中就先将水泥与粉煤灰按制浆配比混合在一起，而后输出再与水混合搅拌成浆，可以减少分离。东风水电站帷幕灌浆试验认为：在低水胶比W/（C+F）≤0.7时，若粉煤灰（F）和水泥(C)混合均匀，不会发生分离。
对粉煤灰质量必须严格控制。主要有三项，一是细度应小于同时使用水泥的细度；二是烧失量宜小于或等于5%(SL62-1994《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中规定宜小于8%)；三是SO3含量宜小于3%。
为了改善水泥粉煤灰浆的性能，在拌制浆液时还必须加入适量的外加剂为高效减水剂等。并应采用高速搅拌机。本书编者认为水泥粉煤灰浆比较适合用于卵砾石层和堆石体灌注，也可作为补强灌浆或基岩注入量大的孔段灌注之用。若作为基岩中帷幕灌浆使用的浆液，尚需慎重。 下面列举两个在灌浆试验中应用粉煤灰的工程实例： 一、贵州省东风水电站
东风大坝坝高162m，基岩为石灰岩、岩溶极为发育。1988年当时水利电力部贵阳勘测设计院科研所为贵州省东风水电站灌浆工程稳定性混合浆液进行了大量室内试验研究工作，水泥粉煤灰浆是其重要研究项目之一。1990年在东风水电站工地进行了灌浆试验，使用纯水泥浆和水泥粉煤灰浆两种浆材。推荐的水泥粉煤灰浆的配比及其性能见表3-26。
表3-26 浆液配比及其性能
1990年9月，为在帷幕灌浆正式施工中如何应用水泥粉煤灰浆的问题，召开了技术咨询会，专家组主要意见为：
(1)灌浆试验表明，使用纯水泥浆或使用水泥粉煤灰浆进行灌浆，均可达到设计要求的标准。但坝基帷幕灌浆采用水泥粉煤灰浆在国内尚无先例，在国际上也很少见，缺少参考资料和实践经验，必须慎重。
(2)本次灌浆试验，灌浆孔数少，仅有6个，深度也较浅，最深孔70m，仅1个，其余孔深40m，施工工艺、集中制浆系统的布设、制浆和输浆的方法，以及外加剂的使用等尚无成熟经验，均需进一步研究，妥善解决。
(3)鉴于东风大坝坝基帷幕的重要性，加以基岩岩溶发育，地质条件复杂，灌浆孔深，施工难度很大等的特点，加以目前帷幕灌浆施工已迫近，工期又非常紧张，已不允许在现场再进行过多的试验工作，而我们对水泥粉煤灰浆灌浆施工实践经验很少没有确切把握（注：指当时情况而言），故建议：厂坝区重要部位帷幕灌浆仍应采用纯水泥浆，因为至少已有乌江渡高坝工程成熟的经验可以借鉴；库区帷幕灌浆可以采用水泥粉煤灰浆。
(4)必须严格控制粉煤灰质量，严格控制水泥粉煤灰浆制浆程序和浆液性能质量。
东风水电站坝基帷幕灌浆在实际施工中由于粉煤灰质量和来源受限以及其他一些原因，仅有少数地段采用了水泥粉煤灰浆进行灌注，灌浆工程量不多。
二、四川省治勒水库帷幕灌浆试验
治勒水库大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高125.5m，坝址下伏深厚的第四系堆积物，按沉积环境和水文地质特征分为五个岩组。右岸帷幕灌浆穿过第三岩组厚度46～154m的卵砾石与粉质壤土3层，
-3
卵砾石的粒径多为2～6cm，渗透系数Ｋ一般为（1.27～5.19）×10cm/s，粉质壤土Ｋ值一般不小于2.2
-5
×10cm/s。实质上属于砂砾石层灌浆范畴。
1993年中国水利水电科学研究院为四川省治勒水电站坝基灌浆试验所用浆材进行了大量的室内试验，得出的主要结论如下：
１．水泥粘土浆结石强度低，溶蚀大，耐久性差。
２．水泥粉煤灰浆，粉煤灰掺量为水泥重量的30%左右，水胶比0.6～1.0，浆液稳定，粘度适中， 可灌性好，抗溶蚀性强，耐久性好，推荐采用。
推荐四种配比，见表3-27。
1993年4月至1995年6月在工地进行了灌浆试验，采用了水泥粉煤灰浆，灌浆效果良好，达到了预期目的。
表3-27 浆流配比及其性能
*注： 将试样养护28天，砸成碎块，筛出粒径5～１0mm的碎块，取200g置于蒸馏水中，渗漏量每天200mL，观察
CaO溶出量，累积到90天的溶出值。
三、湖北省高坝洲水利枢纽帷幕灌浆浆材室内试验
大坝高57m基岩为古岩溶角砾岩和白云岩。1994年长江科学院岩基所为该坝帷幕灌浆试验进行了水泥粉煤灰浆配比及性能试验。试验了在四种水灰比（2，1，0.8，0.6）浆液中分别掺入0%、10%、20%、30%、40%和50%的粉煤灰（重量比）的水泥粉煤灰浆，以及掺入粉煤灰30%、水胶比0.5∶1和高效减水剂的浆液的性能。得出的结论如下：
１．浆液的密度随粉煤灰掺入量的增加而降低。 ２．浆液的析水率随粉煤灰的增加而降低。
３．浆液的流动性随粉煤灰的增加，漏斗粘度（s）加大，流动性减小。
４．浆液的凝结时间较不掺者延长，掺入量增加，凝结时间加长。本次试验在掺入量超过40%后，凝结时间反而减少，即掺入50%的较40%的凝结时间略小。
５．浆液28天的抗压强度和水胶比与粉煤灰掺量成反比，和养护期成正比，水胶比等于或小于1：1时，掺入10%～50%的粉煤灰，以及水胶比2：1时掺入10%～30%的粉煤灰，其28天抗压强度均大于10MPa。 ６．掺入细粉煤灰（筛含量3.44%）与掺入粗粉煤灰(11.43%)的相同水胶比的浆液相比，析水率减少，漏斗测试时间减少，流动性增大。
７．掺入高效减水剂，对改善浆液性能效果明显，增大了流动性。
８．水胶比大于2：1的浆液，不适合掺粉煤灰，等于2：1时，掺量多控制在20%以内，小于2：1时，掺量可达到50%，试验成果推荐掺入量30%为宜。
９． 制浆时宜先将水泥和粉煤灰搅拌均匀后再加到水中进行高速搅拌。
推荐浆液的配比为：粉煤灰掺量30%，水胶比0.6，加入0.5%的高效减水剂。
第八节 水泥粘土浆液
水泥粘土浆是由水泥和粘土两种材料与水混合搅拌后形成的浆液。粘土具有细度高、分散性强、制
成的浆液稳定性高、可就地取材等优点，但纯粘土浆结石强度太低，抗渗压和抗冲的性能很弱。水泥的优点是强度高，但浆液的稳定性差。水泥和粘土混合制浆，在很大程度上可以相互弥补缺点，构成良好的灌注浆液。
水泥粘土浆稳定性好，具有一定的触变性能和胶凝强度，弹性模量不高，防渗能力强，造价较低，适合于多孔介质中灌注，故主要是应用在灌注砂砾（卵）石地层。国内外大坝砂砾（卵）石地基防渗帷幕几乎都是采用水泥粘土浆进行灌注的。
我国自20世纪60年代以后，由于混凝土防渗墙技术发展很快，且在地基防渗处理方面卓有成效，故当大坝地基砂砾（卵）石层厚度小于40m，或稍再深一些地基防渗处理多喜采用混凝土防渗墙施工方案，而很少应用灌浆方案。进入21世纪以后，新建工程例如冶勒水电站、下板地水库等由于坝基砂、砾（卵）石层厚度大于140m，防渗结构采取了防渗墙和灌浆帷幕相结合的墙幕方案，帷幕灌浆浆液仍采用了水泥粘土浆。
一、浆液成分的组合比例
１．水泥与粘土的比例，帷幕灌浆施工要求结石强度高一些和凝结时间快一些的工程，粘土掺量可 少一些，例如为水泥重量40%、60%；反之，则可多一些，例如水泥：粘土可为1：1、1：2、1：3甚至1：4。对临时性低水头的防渗工程，可采用掺粘土量大的配比。 ２．水与干料的比例（水固比），也就是水：（水泥＋粘土），一般多采用3：1～1：1(重量比)。例如2001年施工的重庆市黔江区小南海天然坝体（因地表山崩堵塞溪流而构成的天然大坝）防渗灌浆，就是采用了水泥粘土浆，根据不同的部位，采用了水泥：粘土＝1：0.4和1：0.6两种比例，灌浆时水固比采用3：1、2：1、1：1三个比级。灌浆效果良好。
二、浆液的配制
配制水泥粘土浆所用粘土分为粘土干料（指经过烘干后加工磨细的粘土）和粘土原浆两种。使用粘土干料制浆，仅将各种材料按规定的配比、程序，直接混合并经搅拌制成水泥粘土浆，比较简便、易行。采用粘土原浆制浆，应先将粘土在水中充分浸泡后，拌制成密度比较大的“粘土原浆”，测试其密度。制浆时先向搅拌桶（上桶）内加入适量的水，再加入计量好的水泥，搅拌成水泥浆，而后再放入已测知密度的粘土原浆若干升（根据需要配制的粘土量计算出粘土原浆的体积），再按照预制浆液的体积补加适量的水，就可制成符合配比要求的水泥粘土浆了。拌制水泥粘土浆所需用的水泥、粘土原浆和水量，可预先计算好列成表，便于配制浆液时用，参见表3-28。
3
举例：欲配制水泥：粘土：水＝1：1：4的水泥粘土浆150Ｌ，所使用的粘土原浆的密度为1. 4g/cm，求需用的水泥、粘土原浆和水量。
经查表3-28，再计算得出水泥用量应为1.5×20.9kg=31.4kg；粘土原浆1.5×33.3L=50L；水1.5×59.7=90L。
三、浆液性能试验
灌浆用水泥粘土浆的性能的试验，主要项目仍为密度、析水率、流动性、流变参数、凝结时、抗压 强度等，试验方法参考普通水泥浆。
四、室内试验资料示例
1988年中国水利水电科学研究院岩土所曾为乌鲁木齐市乌拉泊水库大坝卵砾石地基（k=15～50m/d） 加固处理帷幕灌浆试验所需用的浆材进行了大量的室内试验工作。
3
试验所用水泥为425号普通硅酸水泥，表观密度3.1g/cm。粘土取自现场，液限28%，塑限18.5%， 塑性指数9.5%。颗粒分析粒径小于0.005mm的占65%，大于0.05的占5%，属重粘土。试验分为：水/（水
泥＋粘土）＝1、2、3、4四类，每类水固比中又分为粘土：水泥＝1、2、3、4四种，共计16组。通过室内试验，推荐五种浆液的比，见表3-29。
表3-29 浆液的配比及性能
注：1.*初凝时间是采用建材试验中的维卡代测定的。
2.通常情况下，砂砾石地基帷幕灌浆要求R28宜大于0.5MPa。 3.制浆时应加入适量的高效减水剂，可以改善浆体的流动性。
第九节 膏状浆液
从一般概念上讲，膏状浆液系指抗剪屈服强度τ０大于20Pa的混合浆液，状似牙膏，流动性小。 膏状浆液适用于大孔隙地层（如岩溶空洞、岩体宽大裂隙、堆石体等）中的灌浆。由于其存在着明显的塑性特征，在大孔隙地层灌浆过程中具有良好的浆液流动可控性，有利于对该类地层灌浆浆液扩散的控制。
在第十一章中列举贵州省红枫水电站堆石坝坝体的帷幕灌浆工程实例，借以说明膏状浆液配比、性能及其应用的情况。
红枫水电站大坝为木斜墙堆石坝，1958年动工兴建，1960年建成发电。最大坝高52.5m，坝段长度416m，其中木斜防渗坝段长211m ，余下的坝段为混凝土斜墙。坝体上游干砌石楔形体为不规则块状灰岩，
33
体积11.2万m，孔隙率达30％；下游部位为堆石体，体积18.9万m，孔隙率高达38％，坝体剖面见图3.9-10。坝基岩石主要为白云质灰岩，设置了单排孔灌浆帷幕。
图3.9-1红枫坝体和灌浆孔布置剖面图
二、防渗方案选择
木斜墙原设计使用年限15～20年，截止1984年，水库已运行20多年，木板开始腐烂，必须及时处 理。由于该水库需向多家工厂、企业供水，不允许放空水库，只能在保持水库正常运用的条件下进行处理。对各种防渗方案分析比较后，于1987年最终选定了坝体帷幕灌浆防渗方案。
三、帷幕灌浆的难点
可钻性、可控性、可灌性和安全性，以及能否成幕是红枫堆石坝坝体帷幕灌浆的主要难点。
(1)钻孔难。灌浆帷幕位于干砌石体内，钻孔漏水量大，钻进时孔口不回水，孔壁也不稳定。干孔 钻进，易发生事故，如使用泥浆护壁，可能会影响灌浆质量。钻斜孔更加困难。为此首先必须解决钻孔方法问题。
(2)配制浆液难。砌石体孔隙率高，孔隙大小悬殊。灌注大孔隙，耗浆量大，灌浆易失控；一旦浆液向下游扩散过远，将影响坝体排水而危及工程安全；灌注细小孔隙，可灌性差，难以灌注。浆液的可控性和可灌性问题十分突出。
（3）灌浆施工难。在水库运行期间，高水头作用下进行灌浆，难度大。更为困难的是，必须保证木斜墙绝对安全，砌石体孔隙率高，连通性好，而木斜墙防渗体系单薄，万一遭受灌注浆液的抬动破坏，就会造成重大事故。因此必须严格控制灌浆压力和限制注入率，制定详细的灌浆施工细则，确保安全。 (4)成幕难。在前述三大难点前提下．如何能保证帷幕的的连续性和完整性，满足防渗要求是最后一个大难题。
四、灌浆试验
先在室内做了大量浆材试验，共配制了几十种浆液。测试其各项性能。而后在工地进行灌浆试验，取得初步成果后，又在0+177～0+209m和0+165.5～0+173.5m地段进行试验性灌浆施工。经过两年多的努力。灌浆试验成功，证实坝体帷幕灌浆方案技术上切实可行。 五、防渗帷幕灌浆设计和施工
防渗帷幕灌浆地段为0+010.75～0+253.00m，全长242．25m。 (l)幕体防渗标准，见表3.9-1。
表3.9-1 防 渗 标 准
(2)帷幕排数和灌浆孔深度。除大坝两端为单排孔外，其余部位为三排孔或四排孔。三排孔各排钻孔倾角：下游A排90°，上游D排83°，中间C排86°。边排孔孔距1～2m，中间排孔孔距1～1.5m。四排孔钻孔角度：A排90°、D排81°，中间的B、C排分别为87°和84°。见图9-3。边排孔孔距1～1.5m，中间排孔距1.5m。施工中个别地段少数排孔距加密到0.5m.
C排孔深入基岩20m左右，作为基岩灌浆帷幕，其余各排孔均深入基岩1m。
(3)灌注浆液。采用水泥、粉煤灰、黏土、赤泥和减水剂等多种材料配制成的膏状浆液或稳定浆液，塑性屈服强度τ0值大，一般在20Pa以上，大值达84Pa；塑性黏度η值高，一般在0．2Pa·s以上，大值达0.52Pa·s(原西德稠水泥浆，τ０=10～35Pa，η＝0.1～0.4Pa·s)。浆液的可控性强，可灌性好，适合红枫堆石坝体帷幕灌浆，而且省时、省料、成幕质量好。 浆液配方及其性能见表3.9-2。
(4)钻孔。采用小口径金刚石钻具清水钻进，供水要充足，成功地解决了干砌石坝体钻孔的困难。
(5)灌浆方法。采用孔口封闭、孔内循环灌浆法。
(6)灌浆次序。先边排孔，再中间排孔，最后为C排孔。每排孔分为三序。
表3.9-2灌注浆液主要配方及其性能
(7)灌浆段长。下、上游排孔，Ⅰ、Ⅱ序孔段长lm，Ⅲ序孔l～1.5m；中间排孔，Ⅰ、Ⅱ序孔段 长1～1.5m，Ⅲ序孔1～2m。基岩中灌浆段长度：第一段为2m，第二段为3m，第三段及其以下为5m。
(8)灌浆压力。下、上游排孔起始段0．20～0．25MPa，15m以下最大压力分别达到0．7、0．8MPa；中间排孔起始段0.25～0.3MPa，15m以下达到1.0～1.2MPa。
六、工程量和灌浆质量检查
红枫水电站工程于1988年开始灌浆试验，1992年帷幕灌浆竣工，帷幕灌浆施工总计完成坝体帷幕钻孔 605个，灌浆21406m，注入干料29974.5t(其中水泥15358．5t， 粉煤灰6668．9t，黏土5925.8t，赤泥1982.5t，减水剂38.8t)，平均单位干料注入量1400kg/m。基岩帷幕钻孔151个(其中140个孔是坝体帷幕孔延长的)，灌浆3445m，注入干料452．3t(其中水泥310.4t，黏土94.8t，赤泥45.6t，减水剂1.5t)，平均单位干料注入量131kg/m。
防渗帷幕共钻检查孔23个，压水试验455段，其中坝体部位393段，合格的383段，占97.5％，不合格部位均又做了补灌处理；基岩部位62段，全部合格。
第十节 水泥—水玻璃浆液
在水泥浆液中加入水玻璃，有两种作用。一种是将水玻璃作为速凝剂加入浆液中，促使浆液很快凝结；另一种是作为浆液中的组成成分，将水泥浆液和水玻璃溶液按照一定比例，使用双液灌浆施工方法，进行灌浆。前者水玻璃的用量少，在水泥浆液中加入一般多为水泥重量的3～5％；后者用量较多，其具体用量根据灌注对象的情况和要求浆液应具有的性能而定。本节中论述的水泥—水玻璃浆液系指后者。 水泥—水玻璃浆液具有许多优点，例如：凝结时间短，可以从几秒钟到几十分钟，并且可以有效而比较准确的控制，结石率高，可达95％以上；有一定的强度，最适于在漏水量大的孔段中使用。
一、水泥—水玻璃浆液特性
水泥与水拌和成水泥浆液后，由于水解和水化作用，产生活性很强的氢氧化钙。水玻璃与氢氧化钙起作用，生成具有一定强度的凝胶体——水化硅酸钙，其反应式如下：
Ca(OH)２+Na2O·nSiO2+mH2O→CaO·nSiO2+mH2O+2NaOH
随着反应的继续进行，凝胶体越来越多，强度也越来越高。
水泥—水玻璃浆液具有下述特性，在使用时应予注意，即：在水灰比(W ：C)已经固定的水泥浆液中加入水玻璃，最初，浆液凝结时间随着加入水玻璃量的增加而逐渐缩短，当超过一定的比例值以后，则浆液凝结时间随着加入水玻璃量的增加，转变为逐渐加长，见图3-17。凝结时间最短时的水玻璃占水泥浆液体积的百分数称之为“凝结转点比值”。该比值的大小因使用水泥的品种、水泥浆液的浓度、水玻璃的模数、水玻璃溶液的浓度不同而异，无一定值，主要应通过试验而定，一般多在l0～20％之间。在凝结转点比值状况下，凝结时间最短。
三、 水泥—水玻璃浆液的原材料 (一)水泥浆
一般多使用425号普通硅酸盐水泥制浆，水泥浆的水灰比多在0.5∶1～2∶1之间，最常用的为0.8∶1～1∶1。
(二)水玻璃(Na２Ｏ·nSiO2)
在购置水玻璃时，应注意水玻璃的模数，在使用时要控制好水玻璃的浓度。 1．模数M
模数M含义如下：
M=
SiO2克分子数
Na2O克分子数
模数大时，二氧化硅含量高，凝胶时间快，结石强度高；模数小时，二氧化硅含量低，相对来说，凝胶时间慢，结石强度较低。市售的水玻璃溶液，其模数在1.5～3.5之间。灌浆用水玻璃溶液的模数一般以2.4～3.0为宜。
当水玻璃的模数大时，可加入适量的氢氧化钠，以降低模数；当模数小时，需要加入适量的硅胶，以提高模数。由于模数改变与测定比较困难，所以当水玻璃使用量大，需要订货时，一定要向厂家说清所要求的模数，以便水玻璃出厂后即可使用。 2．浓度
水玻璃的浓度通常用波美度(°Be′)表示，用波美度计来测定．浓度太大，粘度增加，可灌性差；浓度太小，则强度降低，常用值为30～45波美度。
出厂的水玻璃浓度一般均较高，常为50～60波美度，所以在使用时应加水进行稀释。稀释时，需要加入的水量，可用下式计算：
V原d原+V水d水=V新d新⎫
⎬ (3.3)
V原+V水=V新
⎭
式中 V原——稀释前的水玻璃体积；
d原——稀释前的水玻璃比重； V水——需要加入的水量；
d水——水的比重(d水＝1)；
V新——稀释后新的水玻璃体积； d新——稀释后新的水玻璃密度。
欲解上述联立方程，还需知道水玻璃的波美度与密度d间的关系，两者的换算式为：
d=
145
（3.4） ︒
'145-Be
举例现有水玻璃的浓度为55波美度，今欲配成40波美度的水玻璃50L，求需要用的55波美度水玻
璃量和加入的水量。
解：利用式(3.4)，得：
d原=d新
145
=1.61
145-55145==1.38 145-40
将已知值V新=50，d水=1，d新=1.38，d原=1.61代入式(3.3)，得：
{V
解此方程，得：
原
⨯1.61+V水=50⨯1.38
V原+V水=50
V原=31 V水=19
答：需要用55波美度水玻璃31L，再加上19L水，即可配制成。 三、水泥—水玻璃浆液性能试验
由于水玻璃和水泥的品种较多，使用的浓度和配合比也不尽相同，所以，其他单位的试验资料仅可 供为参考，在本工程使用之前，必须做些简易的室内试验，以便比较准确地了解浆液性能，从而可以有效地使用。
测定的主要项目有：凝胶时间，粘度和强度，其次是稳定性和析水率等。
分组试验的方法：选用425号普通硅酸盐水泥(或其他任一种水泥)，水玻璃的模数取为定值(例如 M=2.8)，一般不再变更。此外，有三个主要参数，即水玻璃的浓度，水泥浆的浓度，水泥浆与水玻璃的配合比。固定两个参数，改变一个参数，测定其相应情况下的浆液性能。
例1 选用水泥浆的浓度为1∶1，水玻璃浓度为35波美度，改变两者的配合比，进行浆液性能试验，试验成果数据可列入如表3-30所示的格式中。
例2水玻璃浓度为40波美度，水泥浆与水玻璃体积比为1∶0.6，改变水泥浆的浓度，进行浆液性能试验，试验成果数据可列入如表3-31所示的格式中。余可类推，不再一一举出。
表3-30 各种配比的水泥—水玻璃浆液的性能示例格式
表3-31 各种水灰比的水泥—水玻璃浆液的性能示例格式
水泥—水玻璃浆的粘度测定与粘土浆粘度测定的方法相同，可采用标准漏斗粘度计测定，也以秒数表示。
凝胶时间测定尚无统一标准，这里介绍两种方法，也都是相对的概念，仅供参考。 (1)浆液搅拌后，置放于盆状器皿或玻璃容器中，直径以大一些为好，将盆底或容器倾斜至60(或45)，浆液面对器皿不产生相对运动时，认为已经凝胶。
(2)浆液搅拌后，静置于器皿中，以手指轻按，直至按不出指印时，认为已经凝胶。 今列出两个试验成果资料如表3-32和表3-33所示，作为示例。
表3-32 水泥浆与水玻璃体积比对水泥—水玻璃浆液凝胶时间和结石体抗压强度的关系
①
①
摘自煤矿注浆堵水资料造编，煤矿研究院北京研究所编
表3-33 水泥浆浓度、水泥浆与水玻璃体积比对水泥-水玻璃凝胶时间和结石体抗压强度的影响*
四、水泥—水玻璃浆液基本性能
根据许多试验资料成果分析，发现凝胶时间有一定的规律性，抗压强度则规律性较差。 1．凝胶时间
(1)其它条件相同时，水灰比愈小，即水泥浆浓度增加，则凝胶时间愈短。
(2)其它条件相同时，水玻璃浓度在30～50波美度范围内时，水玻璃浓度减小，凝结时间缩短。 (3)其它条件相同时，水泥浆与水玻璃的体积比在1∶0.3～1∶1范围内，水玻璃用量较少，凝胶时 间较短。
2．抗压强度
(1)水泥浆浓度越大，抗压强度越高．
(2)水玻璃浓度的改变，对抗压强度的影响无一定规律，经仔细研究似有以下倾向：当水泥浆浓度 大时(例如水：水泥＝0.5：1)，水玻璃浓度增加，抗压强度也增加；当水泥浆浓度小时(例如水∶水泥=1.5∶ 1)，水玻璃浓度增加，抗压强度反而降低，故在这种情况下，使用低浓度的水玻璃可能要好一些。
综合各地灌浆施工经验，可得出这样的认识：水泥—水玻璃浆液的适宜配方为：水玻璃模数2.4～2.8， 浓度30～45波美度；可采用425号普通硅酸盐水泥；水泥浆的水灰比0.8∶1～1∶1；水泥浆与水玻璃的体积比1∶0.6～1∶0.8。如果在漏水量大或流速大的孔段中灌浆，需要急速凝胶的，除采用浓度大的水泥浆外(水∶水泥＝1∶1)，水泥浆—水玻璃的体积比值宜采用较小值，例如0.25，0.3或0.4，但也需通过试验确定。
我们在室内曾用425号普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6：1的水泥浆，水玻璃浓度为40波美度，水 泥浆与水玻璃体积比为1∶0.3两种浆液混合好，不到1min即行凝胶。
青海南门峡水库，坝基为中厚层结晶灰岩和鲕状灰岩，溶洞和溶蚀裂隙比较发育，在灌注F62断层 时，涌水量达60L/s，用水泥浆灌注效果很差，后用水泥—水玻璃浆液灌注(水泥浆水灰比为1∶1，水玻 璃浓度为45波美度，水泥与水玻璃体积比为1∶0.3)，效果很好。共用水泥近9t，水玻璃近2t。
我国煤炭、冶金部门在其所属厂矿进行灌浆工作中，采用水泥—水玻璃浆液的较多，而在水利水电 工程大坝基础处理灌浆工作中采用的却较少，鉴于这种浆液有较多的优点，特别是适用于漏水量大的岩层，建议今后在灌浆工作中可考虑采用。
第十一节 浆液配料用量计算
3
本节列举了5个简单的计算试例，供初学者参考（设水泥密度为3g/cm）。
（1）试求水灰比为2∶1的水泥浆的密度。 取100kg水泥，200kg水拌合成水泥浆，其体积V=
100
+200=233.3L。 3
答：水泥浆的密度=
300kg
=1.286kg/L。
233.3L
3
（2）水泥浆的密度为1.5g/cm, 求其水灰比。 设取100L的水泥浆人，则其重量为150kg。 列方程式：设水泥重量为C（kg），水的重量为W（kg）； 则WC
+=100 （1） 13W+C=1.5 （2）
100
解方程得W = 75kg, C = 75kg。
答：水泥浆的水灰比为75∶75，即1∶1。
（3）集中供浆，原浆水灰比为0.5∶1，今欲配制水灰比2∶1的水泥浆100L，求需加入原浆多少升，再加多少升水。
分为四个程序解：
1)先求出1L水灰比为0.5∶1的原浆中，水泥和水各为多少？
0.51
+=0.883L。 13
10.5
于是1L原浆中，水泥应为 =1.2kg， 水为=0.6L。
0.8830.883
0.5L水和1kg水泥拌合后原浆体积V=
2)再求出配制100L的水灰比为2∶1的水泥浆，需用水和水泥各为多少？
∶C＝2∶1 （1）
WC＋＝100 （2） 13
43
＝35.8L。
1.2
解方程得：W＝86L，C＝43kg。
3）配制100L水灰比为2∶1的水泥浆需用原浆V1＝
4）配制100L水灰比为2∶1的水泥浆尚需加入水量W1＝86－35.8×0.6＝64.5L。
（4）欲将80升水灰比为5∶1的稀水泥浆配制成水灰比为2∶1的较浓水泥浆，需加入多少水泥？ 设80L水灰比为5∶1的水泥浆中水泥重量为C，水的重量为W，x为应加入的水泥量。 W/C=5/1 （稀浆的配比关系） 列方程式 WC
＋＝80 （根据绝对容积理论） 13
W/(C+x)=2/1 （较浓浆液的配比关系） 解方程得x＝22.5kg。
答：需加入水泥22.5kg（加入水泥后，浆液的体积为80＋
22.5
。 ＝87.5L）
3
（5）欲将80L水灰比为3∶1的水泥浆配制成水灰比为5∶1的水泥浆，需加入多少水量？ 设80L水灰比为3∶1的水泥浆中的水泥重量为C，水的重量为W，x为应加入的水量。
W/C=3/1 （原水泥浆配比关系） 列方程式WC
+=80 （根据绝对容积理论） 13
(W+x)/C=5/1 （新水泥浆配比关系） 解方程得x=48L。
答：应加入水量48L（加入水后，浆液体积为80＋48＝128L）。
第三章 灌浆浆液
灌浆浆液基本上可分为两类。一类是悬浮液，系采用固体颗粒浆材，例如水泥、粘土、沙等制成的浆液，其颗粒处于分散的悬浮状态；另一类是真溶液，系由化学浆材，例如环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸盐等制成的浆液。
基岩固结灌浆和帷幕灌浆均以水泥基浆液为主，遇到一些特殊地质条件，例如断层、破碎带、微细裂隙等，当使用水泥浆液难以达到预期效果时，方采用化学灌浆材料作为补充，并且化学灌浆也多是在水泥灌浆基础进行的。
第一节 浆液的选择
在大坝地基处理灌浆施工中，浆液的选择非常重要，在很大程度上直接关系到帷幕的防渗效果，地基岩石在固结灌浆后的力学性能、以及灌浆工程的费用。因此研究灌浆材料及其配浆工作一直是灌浆工程中的一个重要课题。通过多年来的试验研究和工程实践，在灌注浆液方面取得了很大成绩。
由于灌浆的目的和地基地质条件的不同，组成浆液的基本材料和浆液中各种材料的配合比例也有很大变化。一般讲用于大坝岩石地基灌浆的浆液应具备下列性能：
1.水泥浆液中水泥颗粒应具有一定细度，便于充填基岩中微细裂隙，通常的说法是，颗粒细度应为裂隙宽度的1/3～1/5，方能有效的充填，例如水泥粒径为80μm时，能灌入0.24 ～0.40mm宽度的岩体裂隙。
2.浆液应具有较好的稳定性，析水率低，因为固体颗粒过早析水沉积，将会影响浆液继续灌注。 3.浆液需具有良好的流动性，粘度不宜过大，以有利于灌注施工和增大浆液的扩散范围。
4.浆液填满岩体裂隙硬化形成结石后，应致密、均一，并具有良好的防渗性能、必要的强度和粘 结力。帷幕灌浆水泥结石在长时期高水头作用下，应能保持稳定，不产生溶蚀和破坏，耐久性强，28天强度宜达到5～10MPa；固结灌浆水泥结石应能满足地基安全承载和稳定的要求。
第二节 浆液性能试验
一、浆液密度
浆液密度与浆液所用浆材的配比直接相关，只要知道浆材配比，使用绝对容积的原理，就可以计算出浆液密度。浆液密度宜使用比重秤测定，因其简单易行，测值较准。浆液密度也可采用波美比重计测定，但其测值欠准，尤其不适于在浓度大的浆液中测试。
二、析水率
析水现象是由于浆液中固体颗粒的沉积而引起的，沉积后所析出的水的体积（V1）与浆液体积(V)的 比值，即α=V1/V,称为析水率。
水泥浆的析水率与浆液的浓度、水泥颗粒细度以及水泥品种等因素有关，同样水泥品种，同样水灰比的情况下，水泥颗粒愈细，析水率愈小。
常用的试验方法为，取200mL水泥浆，盛于直径相同有刻度的玻璃量筒内（例如直径为3.5cm高度为25cm），用塞子塞紧加以摇荡或在量筒内使用长棍快速搅拌，使浆液混合均匀。然后将量筒静放在试验
台上，水泥颗粒开始下沉，清水厚度自上向下逐渐增加，每隔一定时间，读记清水厚度一次，一直继续到清水高度呈稳定状态停止。稳定标准一般是连续三个析水值的读数相同或者有微小差距。这个析水的全过程时间称为析水时间。
最好是同时做几组平行试验，以其平均值作为试验成果。试验工作宜在常温20℃左右的情况下进行。
三、浆液流动性
水泥浆液流动性与浆液所用的水灰比直接相关，水灰比愈大，稠度愈小，流动性表现为愈大。但水泥的品种、细度、浆温等因素对其也有一定影响。
水泥浆液流动性经常采用标准漏斗或马什(Marsh)漏斗测定。两种漏斗的规格尺寸见图3-1 和图3-2。测试成果以秒（s）表示。
本文中使用“浆液流动性”一词，表示其现在后“四”流变参数文中所述的塑性粘度有所区别。
１.标准漏斗
即以前称之为1006型泥浆粘度计。
测试方法：用清水将漏斗和量杯 冲洗干净，在漏斗上面设置过滤网，用以除掉浆液中的杂质。用手紧堵漏斗下部细管的管口。先用量杯将其下部200mL浆液通过过滤网注入漏斗内，继之将其上部500mL浆液注入。而后将量杯放在漏斗下，让500mL容积向上。手指离开漏斗细管下口，同时开动秒表，记下漏斗内流出500mL浆液所历经的时间，这个时间就代表浆液的流动性，以秒数表示。
用标准漏斗测得清水流出的时间一般应为15s，如测出时间不是15s，则测出值可用下式予以校正：
η1∶D=15∶S η1=15D/S η1—校正值；
D—实测浆液流动性值； S—实测水的流动性值。
2．马什漏斗
国内约在1990年以后开始应用，近期应用比较普遍。
测试方法：测试程序与标准漏斗相同，仅是将浆液倒入漏斗内1.5L，测记其流出1L所需的时间。 用马什漏斗测得清水和浆液流出的时间见表3-1。
*表-1用马什漏斗测定水泥浆液流动性值
*此表摘自隆巴迪《内聚力在岩石水泥灌浆中所起的作用》一文。
由表3-1中可以看出，用马什漏斗测试出的水泥浆液流动性值与漏斗表面粗糙程度有较大关系，平滑表面与粗糙表面两者测值之比约为0.80～0.87。故在用马氏漏斗测试浆液流动性之前，一定要先测试出水的流动性值（s），以为比较之用。
使用漏斗测出的水泥浆液流动性值实质上是浆液的流变性与漏斗表面粗糙程度的综合值，所以使用“表观粘度”一词比较合适。
实践经验认为：浆液粘度使用标准漏斗测试流动性值小于40s，以25～35s为好；使用马什漏斗测试值小于50s，应以28～38s为好。
四、流变参数
1．牛顿浆体和宾汉浆体
液体在流动时有两种不同的流态，即层流和紊流。
当流速较小时，液体中全部质点是以平行而互不混杂的方式形成流线，有条不紊的运动，这种流态叫做层流。
当流速较大时，液体质点互相混掺，互相碰撞，它们除了沿流向的运动以外，还作其它方向的运动。液体内部在互相混掺，互相碰撞中还会出现大大小小涡体，致使形成杂乱无章的运动，这种流态叫做紊流。
浆液在流动时具有不同的特性，按其流变性质考虑，可以将浆液分为“牛顿浆体”和“宾汉浆体”两类。
牛顿浆体为粘性流体，是一种没有刚度极易流动的液体。当液体受到外力的作用，即使这个力很小，液体也开始流动。图3-3分别表示出了牛顿浆体和宾汉浆体的流动速度υ与流动阻力F的关系。在一定的外力作用下，浆体的流动速度取决于该浆体的粘度。水和多数的化学浆液均属于牛顿浆体。
宾汉浆体则为粘－塑性流体，它是具有一定抗剪强度和固性的液体。当浆体受到外力作用时，若这个力小于浆体的屈伏强度(或称屈伏应力)，则只能使浆体变形作功，而不能使浆体流动。只有在外力超过屈伏强度时，浆体才开始流动。由固体颗粒材料制成的悬浮型浆液，例如水泥浆和粘土浆，除了一些非常稀薄的浆液以外，都属于宾汉体。
显然，宾汉浆体比牛顿浆体具有较高的流动阻抗，所以它较难进入微细缝隙，只有在较高的压力下，才能使它扩散到较远的距离。
国外资料认为，在层流条件下水泥浆液的性状属于宾汉浆体。当水灰比小于0.9（重量比）后，浆液的抗剪强度和塑性粘度都迅速地增加。
抗剪屈服强度τ0与水灰比Ｗ之间的关系，可以近似地用下述方程式表达： τ0=τ1e-５2
式中：τ1=3.5×10N/cm，
K=2.1。
塑性粘度η与水灰比W之间的关系，可以近似地用下述方程式表达。
K/W
3-1
η=η１e3-2
式中 η1为水的粘度(1cP)；
Ｋ为常数，变化在1.6～2.2之间。
表3-2中的计算值，系假定Ｋ＝1.8而求出的。
根据式（3－1）和(3－2)，可以计算出水泥浆的临界流动性与其水灰比之间的关系，如表3-2所示。
①
表3-2 纯水泥浆的抗剪强度和塑性粘度
Ｋ／Ｗ
从表3-2中可以看出，若从粘度角度考虑，用水灰比为5：1的水泥浆液作为灌浆初始用的浆液，应是完全可以的，而不需采用较5：1更稀的浆液。国内的试验资料与此类似，即水灰比为5：1水泥浆的粘度与10：1甚至20：1的很接近。
2．浆液流变参数的测定
流变参数常采用NXS-11型旋转粘度计或2NN-D6型旋转粘度计（即范式六速旋转粘度计）进行测定计算。测试成果以抗剪屈服强度τ０（Pa）和塑性粘度（又称塑性粘性系数）η（Pa.s或cP）表示。
1cP(厘泊)=0.01P(泊)=0.001Pa·s=1mPa·s表示。
NXS-11型旋转粘度计，分15档调节转子转速，可测牛顿浆体和宾汉浆体。稳定浆液的流变性可以用宾汉浆体描述，测试原理为：
滨汉浆体流动方程 τ=τ0+η
dv
dx
式中 τ—拉剪强度(又称剪切应力)(Pa)
τ0—抗剪屈服强度(Pa) η—塑性粘度(Pa·s) dv/dx—剪切速率(1/s)
以不同的剪切速率通过测量获得相应的剪切应力，绘制τ～dv/dx关系曲线，求出屈服强度和塑性粘
度。测试试例见图3-4。
η=
D2-D1
=tanθ
τ2-τ1
3．塑性粘度
浆液的塑性粘度是指浆液在运动时，具有不同流速的各层面间的内摩擦力，通常用η 表示，以“泊”（P）为单位，厘泊(cP)为1/100泊。
2
1泊等于层与层间相距1cm，速度相差1cm/s，在1cm面积上的摩擦力为1达因(dyne)。
τ=μdv/dy
２
1dyne/cm=μ
μ·
1/s
∴ μ=1dyne/cm×S=10dyne/m×S
(1N=105dyne)
∴ μ=0.1N/m２×S=0.1帕(Pa)·秒
1泊(P)=0.1帕秒(Pa·S)
1厘泊(cP)=1/100泊(P)=0.001帕秒 式中μ为粘性系数，即塑性粘度。 4．参数控制
浆液的抗剪屈服强度τ0宜小于20Pa，否则浆液流动性差，甚至泵送困难，一般以1～7Pa为宜。 浆液塑性粘度宜小于40cP，否则浆液显浓，不易灌入，一般以5～15cP为宜。 5．水泥浆流变参数试验资料示例见表3-3和表3-4，供读者应用参考。
表3-3 渡口525#普通硅酸盐水泥试验资料
２４２
表3-4 冀东525#普通硅酸盐水泥试验资料
五、凝结时间
按GB1346-1989标准，采用水泥稠度凝结测定仪测定浆液的初凝和终凝时间。
六、抗压强度
将浆液装入50mm×50mm×50mm试模中，试件成型2d折模，置于标准养护室内养护 至3d、7d、28d，参照SD105-1982标准中“混凝土立方体抗压强度试验”测定抗压强度。
七、弹性模量
将浆液装入Φ50mm×100mm的试模中，试件成型后2d拆模，置于标准养护室内28d，参照SD105-1982标准中“混凝土静力抗压弹性模量试验”进行。
八、渗透系数
将浆液装入上口直径Φ70mm，下口直径Φ80mm，高30mm的截圆锥内。试件2d拆模，置于标准养护室28d后，参照SD105-1982标准中“混凝土抗渗试验（一次加压法）”进行。
第三节水泥浆液
一、概述
水泥浆是由水泥和水混合经搅拌而制成的浆液。为了改进浆液性能，有时向浆液中加入少量外加剂。 水泥浆的胶结性能好，结石强度高，也便于施工，是大坝地基岩石灌浆工程中最普遍采用的一种浆 液。
配制水泥浆时，多依照重量比例配制，也有按体积比例配制的。我国各灌浆工程都采用重量比，帷幕灌浆使用范围一般多为水：水泥＝5∶1～0.5∶1，固结灌浆多为2∶1～0.5∶6。英、美等国多采用体积比，近年来也有改用重量比的。
二、适于灌注水泥浆的岩体的条件 （１）岩体的裂隙宽度大于0.2mm。
（２）岩体的单位吸水量大于0.01L/(min．m．m)或透水率大于1lu。 （３）一般灌浆规范或文献中规定地下水流速不大于600m/d，但实践经验认为地下水流速不大于80～100m/d，才可灌注水泥浆，超过此值，需考虑在浆液中掺加速凝剂。 （４） 地下水的化学成分不妨碍水泥浆的凝结和硬化。
三、使用水泥作为灌浆材料的主要特点
（１）水泥颗粒较细，强度为42.5、52.5级普通硅酸盐水泥，其粒径多小于80μm可以灌入宽度为 0.25～0.4mm的较小裂隙中，在压力作用下能扩散至一定范围。
（２） 水泥浆硬化所成的水泥结石，其强度和粘结强度都较高，能满足帷幕灌浆和固结灌浆的要求。 （３）浆液易配制，施工较方便。 （４）材料来源方便，价格较低。
四、水泥浆的配制和检验
配制水泥浆液一般有以下三种情况：
（１） 将水泥和水依照规定的比例直接拌合，这种情况最为简单。先将计量好的水放入搅拌筒内， 再将水泥按所规定的重量秤好后，放入筒中直接搅拌即可。例如欲配制各种浓度的水泥浆100Ｌ，其所用的水泥量和水量可由表3-5中查得。
（２） 在灌浆过程中，常需要将搅拌桶内的水泥浆变浓或变稀。一般也可按照表3-5中所列的加料
数值，再通过计算即可。
（３） 当采用集中制浆时，原浆的水灰比多采用0.6∶1或5∶1。将这种浆液输送到灌浆施工地点。在拌制所需浓度的水泥浆时，需要放入一定量的原浆，再加入一定量的水，其加入量可由表3-6中查得。计算方法见本章第十一节例三。
此外，在灌浆过程中，有时需要检验配制好的浆液的水灰比，以了解其是否符合规定的比值，最常用的方法就是测定浆液的密度，由密度值即可计算出浆液的水灰比。计算方法见本章第十一节例二。
表3-5 配制水泥浆用料量及浆液深度变换的加料量表（制浆量或原有浆量按100L计）
浆液中加入的水量的升数。（粗线框内的数字，右上角的为各种配比浆液的水泥含量公斤数；左下角的为各种配比浆液的水的含量公斤数。）
3
2.水泥密度以3g/cm计。
3.水灰比为0.9∶1时，密度为1.554； 0.7∶1时为1.662。
表3-6 配制水泥浆需用的原浆和加入水量表
(制浆量按100L计，原浆浓度水∶水泥=0.6∶1)
五、 水泥浆的各项试验
灌浆施工前，或在灌浆试验阶段，应根据灌浆的目的和受灌岩层的地质条件，对水泥浆液进行各项必要的有关试验，以了解浆液的性能，便于正确地操作，达到灌浆的目的。由于材料品种、技术设备条件的不同，已有的同类浆液性能试验成果虽然可以参照使用，但最好根据灌浆工程的具体情况做些必要的或是校验性的试验。 1．水泥浆密度
水泥浆密度是表示水泥浆浓度的一种方法。水泥浆浓度也可用水灰比来表示，所以水泥浆密度与水灰比有着直接的关系。在灌浆过程中，要检验或了解已制成水泥浆的水灰比的实际情况，可以通过测定浆液密度来完成。
测量水泥浆密度的方法见本章与第二节中所述。
图3-5中的曲线代表水泥浆密度与水灰比之间的关系。该关系曲线是以水泥比重按3计而绘制的，在实际应用中可能稍有误差。图3-6表示水泥浆比重与单位浆液体积内含有的水泥和水量的关系。
2．水泥浆析水率
析水率的测试方法见本章第二节中所述。
表3-7、表3-8、表3-9为试验室内所做水泥浆的析水率成果示例，使用的水泥为不同水泥厂生产的500号普通硅酸盐水泥。
图3-7为试验室内取200mL不同水灰比的浆液，其析水过程与全析水时间情况示例，使用的水泥也是500号普通硅酸盐水泥。
表3-7 水泥浆的析水率
表3-8 水泥浆的析水率
表3-9 水泥浆的析水率
从这些析水率试验资料中可以看出，稀的浆液的析水率可达80%～90%以上，1∶1浓度的浆液的析水率约为35%左右，说明灌浆过程中所灌入岩层裂隙或孔洞中的稀浆，其中大部分的水是要析出去的，仅有少部分的水是与水泥起化学作用而凝结成结石。
上述的析水率试验是在试验室内做的，与实际灌浆时浆液的析水率有所不同。在实际灌浆过程中，浆液一般是在相当大的压力作用下灌入岩层裂隙中去的，由于这种压力作用，全析水时间就会缩短，也要多挤出去一部分水，因而结石更密实，强度也会增高。
３．水泥浆流动性
水泥浆流动性试验方法见本章第二节中所述。
图3-8为一个水泥浆流动性与水灰比关系试验实例，使用的是500号普通硅酸盐水泥，采用标准漏斗测试，当水灰比为0.5∶1时，流出的时间就比较长了。
４．水泥浆搅拌时间
在灌浆过程中，为保持水泥浆呈均匀状态，必须连续搅拌。实践表明，搅拌超过一定时间后，不仅 浆液的凝结时间要延长，影响结石的强度，情况严重的甚至会发生浆液不凝的危险。
表3-10为一浆液搅拌时间与凝结情况的试例。由表中反映出，稀浆搅拌时间超过4h，则浆液失去 凝固的性质。图3-9是水泥结石强度与浆液搅拌时间关系的又一个实例，它反映了结石强度与搅拌时间关系特性的一般情况。由图3-9中可看出，当搅拌60min时，结石强度一般是最高的，搅拌时间超过2h ，结石强度开始下降；搅拌时间超过4h ，则结石强度急速下降。SL62-1994《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中规定：“浆液的搅拌时间，使用普通搅拌机时，应不少于3min；使用高速搅拌机时，宜不少于30s。水泥浆自制备至用完的时间宜小于4h。”
灌浆施工时，为保证浆液质量，凡是搅拌超过4h尚未灌入的浆液，除经专门试验，证明其性能尚可满足要求的仍可使用外，一般均宜视为废浆，不能再作灌注浆液。
５．水泥浆凝结时间
水泥浆的凝结程度分初凝与终凝两种，从浆液配制成起到产生初凝现象所历经的时间，称为初凝时间；到达产生终凝现象所历经的时间称为终凝时间。
为了适应灌浆施工的要求，水泥与水混合制成浆液后，既不能凝结太快，也不能凝结太慢。凝结太快，则等不到浆液扩散到要求的范围或尚未填满裂隙，就失去流动性，使继续灌注成为不可能，这在不同程度上将会影响灌浆质量。凝结太慢，不但在凝结前，浆液有被地下水流冲走的危险，影响灌浆质量，而且待凝需要一些时间，也会影响灌浆工程进度。因此，为了取得良好的灌浆质量和加快施工进度，要求初凝时间长一些，而终凝时间短一些。如果需要缩短凝结时间，使浆液速凝时，可在浆液
中掺加速凝剂。
各种配合比的水泥浆的初、终凝时间的测定，可参照国家标准GB/T1346-1989中规定的方法进行。 ６．水泥浆结石强度
室内试验，水泥浆结石强度与成型压力、水泥的标号、浆液的浓度以及搅拌时间等因素有关。室内有压排水成型试验表明，在0.3MPa成型压力下，水灰比0.8～5浆液的结石的28d抗压强度均在30MPa以上。成型压力越大，强度越高。结石强度也是反映灌浆质量的重要指标。高压灌浆有利于浆液的扩散和排除浆液中的水分，在岩体裂隙中形成充填饱满的、强度高的结石。今仅以高压灌浆封孔为例，采用水灰比为1∶1的水泥浆，以3MPa灌浆压力封孔，7d后从孔内取出的结石的抗压强度，一般就可达到20MPa以上。结石密度也明显加大。
对帷幕灌浆来讲，要求结石密实性强，基本不透水，耐久性好；对固结灌浆，则还要求更高的抗压强度和粘结强度。
水泥浆结石强度室内试验可参照有关混凝土强度试验的方法进行，见本章第二节中所述。 ７． 结石的孔隙率和密度
（１） 水泥结石的孔隙率。水泥结石的孔隙率与浆液的水灰比、龄期及养护条件有关。图3-10是一试验成果示例。从该图中看出，孔隙率是随着水灰比的增加而显著上升，在水中养护的情况下，结石孔隙率比空气中养护的要小。
（２） 水泥结石的密度 水泥结石的密度与孔隙率有关，它是随着浆液水灰比的减少而增大。根据
3
室内试验得出，当水灰比在0.4～10之间变化时，水泥结石密度则在1.95～1.13g/cm的范围内变化，图3-11是一试例，可供参考。实质上，在灌浆施工时，水泥结石的密度也与灌浆压力有很大关系，灌浆压力大，则水泥结石密度也会加大。
由此看出，为增大结石的密度，即提高结石的密实性和强度，最好少用稀的浆液。但在裂隙细微、采用一般细度的水泥材料，若使用较稀的浆液灌注，宜尽可能采用较大的压力，使灌入裂隙中较稀的浆液多挤出一些水，降低其水灰比，从而降低结石的孔隙率，增加结石的密度。
第四节 细水泥浆液及改性磨细水泥浆液
细水泥浆系指干磨细水泥浆、湿磨细水泥浆和超细水泥浆，主要作用是灌注基岩微细裂隙。 干磨水泥浆或超细水泥浆是使用磨细水泥或超细水泥（见前第二章第三节）与水混合进行搅拌制 成。应予注意的是在搅拌成浆时，必须采用转速大于1400r/min的高速搅拌机和掺入高效减水剂。湿磨细水泥浆则是将普通水泥浆通过湿磨机加工，使水泥颗粒细化而成。
一般讲干磨或湿磨细水泥浆中水泥最大粒径Dmax在35μm 以下，平均粒径D50为6～10μm，基岩中宽度小于0.2mm甚至小于0.1mm的微细裂隙较易灌入。而超细水泥浆，Dmax一般在12μm以下，Ｄ50为3～6μm，能灌入宽度更微细的裂隙。
一、 干磨细水泥浆（以下简称磨细水泥浆）
改性磨细水泥（见前第二章第三节）的研究是我国“七五”科技攻关项目之一。1990年1月首次应用于新安江大坝二、三坝良帷幕补强灌浆试验，取得了良好的灌浆效果，1990年10月通过部级科技鉴定，以后又在福建古田溪三级电站大坝、安徽梅山水库大坝的防修补强灌浆，1996年长江三峡基岩灌浆试验等工程上应用，以及2001年在湖南江垭水电站大坝7#、8#坝段基岩层间溶蚀带补强灌浆中结合化学灌浆使用，灌浆效果均较好，达到了预期目的，但使用量均较小。河北省大黑汀水库坝基除险加固工程采用改性磨细水泥对坝基存在的微细裂隙的基岩进行了灌浆，是国内首次较大规模的应用。详见第十一章工程实例。
（一）干磨细水泥浆性能
1．1990年在新安江大坝二、三坝段帷幕补强灌浆灌浆试验所用的改性磨细水泥是用冀东525#早强普通硅酸盐水泥，掺入膨胀剂、促凝剂、助磨剂等在工地磨细而成，当时减水剂是在水泥浆搅拌时加入的。冀东水泥性能见表3-11。
磨细后水泥性能：
3
(1) 密度和细度。密度3.07g/cm，最大粒径24μm，颗粒组成情况见表3-12。
表3-11冀东水泥细度、矿物组成和化学成分
表3-12水泥颗粒组成
（2）凝结时间。磨细水泥颗粒细，且加有促凝剂，在水灰比相同的情况下，凝结时间较短，当水灰比为0.4时，冀东水泥浆初凝时间约为4h40min，终凝时间约7h10min，而磨细后相应为2h50min和4h。 （3）析水率。水泥经磨细后析水率较低，水灰比为2.0、1.5、1.0和0.7时，其析水率分别为37%、19%、4%和基本不析水。
（4）流变参数。浆液的流变性随水泥磨细程度的增加而有改变，因此需要加入高效减水剂以提高浆液的流动性。
当水灰比为0.7时，磨细水泥抗剪强度为15Pa，塑性粘度η为6.5 cP。掺入高效减水剂0.8%，抗剪强度降低约42%，塑性粘度降低21%。
2．1996年长江三峡工程主体建筑物基岩灌浆试验所用改性磨细水泥是用江山水泥厂的525#Ｒ普通硅酸盐水泥加入特制的灌浆剂（含高效减水剂）共同细磨制成。（注：灌浆剂为诸多外加剂之和的总称。） 江山525#Ｒ水泥细度为80μm方孔筛筛余量4.9%。凝结时间初凝2h27min，终凝3h28min。
磨细后改性水泥和水泥浆的主要性能如下：
（１）细度水泥的最大粒径Dmax为13.8μm，平均粒径Ｄ50为3.7μm，接近超细水泥的标准。 （２）凝结时间初凝1h38min，终凝3h9min。
（３）析水率当水灰比为2.0、1.5、1.0和0.7时，其析水率分别为：14.1%、5.8%、1.2%和0。 （４）流动性采用标准漏斗测试，当水灰比为2.0、1.5、1.0和0.7时，其流动性分别为16s、18 s、 20s和大于45s。
（５）流变参数用旋转粘度计测试，当水灰比为2.0、1.5、1.0和0.7时浆体的流变曲线，见图3-12。从曲线看，浆体为宾汉体。其抗剪强度和塑性粘度见表3-13。
表3-13不同W/C时浆体的流变参数
①
（二）磨细水泥在帷幕灌浆工程上的应用 详见第十一章工程实例。
河北省大黑汀水库是开发滦河和引滦入津的大型骨干工程。大坝为混凝土宽缝重力坝，坝高 52.8m。坝基主要为角闪斜长片麻岩和花岗片麻岩，节理裂隙极为发育，微细裂隙多。
大坝于1973年动工共建，1986年竣工投入运行。1989年，主廊道排水孔和缝隙内出现析出物，1994年析出物显著增多，并有逐年增大的趋势，进一步发展可能危及大坝安全，经研究确定对坝基的防渗进行补强灌浆，Ｆ1～33#坝段共计47个坝段，采用改性磨细水泥施灌，其它部位采用强度52.5级普通硅酸盐水泥灌注。
改性磨细水泥灌浆地段，全长770m，设计工作量为：砼钻孔进尺515m，基岩钻孔进尺9387m，孔深①
注 本文资料主要摘自参考资料
一般入岩25m，防渗标准为1Ｌu。1999年8月开始施工，先进行灌浆试验，而后为生产性试验灌浆和正式灌浆施工，于2001年竣工。
1.改性磨细水泥性能见表3.4-4。
2．改性水泥检测成果 在工地对水泥品质每30t进行一次抽检，检测成果见3.4-5。
表3.4-4改性水泥技术性能
表3.4-5改性水泥检测成果表
3．灌浆施工工艺
灌浆采用孔口封闭灌浆法，分为三序施工，最大灌浆压力3MPa。灌浆浆液采用ZJ-400L高速搅拌机制浆，搅拌时间45～60s，SNS100/10灌浆泵灌注。浆液配比一般为2：1、1：1、0.6：1三级。灌浆全过程采用自动记录仪对灌浆压力、注入量实行监控和记录。水泥注入总量195t占耗用量466t的41.8%，水泥损耗率高，故应结合地质条件，工地布置等情况进一步研究经济合理的灌浆工艺，采取各项有利措施，降低成本，提高效益。
4.灌浆资料成果分析见表3.4-6和表3.4-7。 ５．结论
大黑汀水库坝基帷幕补强灌浆，在Ｆ1～33#坝段部位采用高压灌浆工艺和改性磨细水泥对微细裂隙进行灌注和处理断层十分有效，提高了灌浆帷幕的防渗能力。降低了坝基物压力减少了排水孔排水量和坝基析出物，提高了大坝坝基安全度。设计和施工都是成功的。 帷幕灌浆工程年需用改性磨细水泥量若大于400t时，采用新型高细磨现场生产较为经济。生产简单，质量控制稳定，运输和储存方便。
表3.4-6 改性水泥灌浆各次序孔透水率区间段数和频率
表3.4-7 改性水泥灌浆单位注入量段数和频率
二、 超细水泥浆
超细水泥是将颗粒磨得极细的水泥，其粒径较磨细水泥还小，一般讲其最大颗粒Dmax在12μm以下，平均粒径D50为3～6μm。日本比较早地进行研制超细水泥及其灌浆技术，其所生产的超细水泥Dmax为
2-3-4
10μm，D50为4μm，比表面积为8000cm/g，能渗入到渗透系数为10～10cm/s的细砂层中。1982年美国纽奥尔良土工灌浆合成上首次发表了日本研制和应用超细水泥的资料。我国在水利水电工程中，中国水利水电科学研究院在四川省二滩水电站弱风化岩体基岩加固灌浆试验中首先采用了超细水泥。 中国水利水电科学研究院生产的超细水泥性能见表3-14。
表3-14超细水泥成分及基本性能
在灌浆试验中采用了以渡口水泥厂生产的625号硅酸盐水泥为主，超细水泥为辅的原则进行灌注。由于浆液灌入能力往往取决于浆液中的较大颗粒，因此超细水泥浆液不宜同普通水泥浆液在同一灌浆段中掺混在一起使用，在试验施工中需研究和探讨两种浆液在先后次序和不同段位上如何采用的问题。 该工程灌浆试验原则上规定，使用超细水泥可按岩体单位吸水率和灌浆孔序控制。Ⅰ、Ⅱ序孔中ω小于0.03L/min.m.m的孔段和Ⅲ序孔各孔段中采用，或仅在Ⅲ序孔中ω值较小的孔段中使用。超细水泥灌浆采用1：1和0.6：1两个比级。浆液中加入高效减水剂并通过胶体磨快速搅拌、分散。灌浆试验取得了良好效果，达到了预期目的。
宏观看，超细水泥在析水率、流动性和凝结时间等方面有着与磨细水泥类似的规律。
1990年以后由于改性磨细水泥研制成功，并取得了较好的灌浆效果，对于岩体中微细裂隙或基岩中存在的断层、层间溶蚀带等不良地质条件部位，一般多采用高压改性磨细水泥或高压改性磨细水泥和化学材料复合灌浆方法处理，超细水泥的应用就不很普遍了。
三、 湿磨细水泥浆
湿磨细水泥浆是将普通水泥浆通过湿磨机研磨改性后，制成粒径更细的水泥浆液，供为灌注基岩微细裂隙之用。
（一）湿磨机的类型
经常使用的有下列两种型式：
一种型式类似胶体磨，由料斗、磨头、粒度调节盘、高速电动机、排浆口及循环系统构成。磨头 内有齿式定盘和转盘，电动机直接驱动转盘，使其与定盘作相对高速转动。将已拌制好的水泥浆由料斗内输入，通过定盘和转盘间的间隙，经受很大的剪切力、摩擦力、离心力的作用，同时还受到转盘转动过程中产生的高频振动作用，从而使水泥颗粒高效地被粉碎、分散和搅拌，达到颗粒进一步细化的目的。细化粒度可用粒度调节盘调整。
长江委科学院于1990年研制GSM型湿磨机，见图3-13。整机尺寸Φ400mm×1200mm，重量125kg，制浆能力40～45L/min以上，动力动率5.5kW。通过湿磨机，水泥粒径Dmax＜40μm，D50约为8～10μm
2
比表面积大于5000cm/g。湿磨时间以2～3min为宜。适用于水灰比为2.1、0.6的水泥浆。
湿磨水泥制浆及灌浆工艺流程见图3.4-3。
另一种型式为筒型湿磨机，磨机主要由机身、磨筒、轴承座、传动系统、冷却系统、送料系统、电器系统和研磨介质以及电动机等组成。由电动机通过皮带传动，带动磨筒内的圆盘高速转动、强烈搅拌筒内的研磨介质和水泥浆，使得筒内的水泥浆受到剪切、冲击、分散和研磨等作用，从而达到将水泥颗粒粉碎的目的。
中国水利水电基础工程局研制的SM型湿磨机见图3-15。整板尺寸1200mm×880mm×1350mm,重量1000kg，制浆能力40Lmin以上，动力动率15kW,转速1055r/min,介质为粒径2～3mm瓷珠。水泥浆水灰
2
比1：1时，湿磨时间5min为宜。比表面积可达7800cm/g，见表3-15。研磨10min， Dmax为30μm
，
D50约为6μm。研磨时间愈长，颗粒愈细。测试成果见图3-16。施工实践认为研磨时间以2min左右为宜。
表3-15湿磨细水泥浆比表面积测试成果
（二）湿磨水泥浆性能 湿磨水泥浆的性能依所使用水泥的品种、湿磨机的类型、高效减水剂的掺入以及湿磨时间等的不同而异，这里仅介绍其大致的情况，列举一些试验资料供读者了解、研究和应用。 1．细度，增加湿磨时间，水泥比表面积增大，颗粒总体细度提高，对降低Dmax、D50尺寸显著。使用SM型湿磨机试验成果见表3.4-10。
表3-16 GSM型湿磨机试验成果(W/C=1∶1)
湿磨水泥浆常常采用激光衍射法或沉降法测定其细度，前者自动化程度高，测试精度高、速度快，但设备较为复杂精密，价格昂贵。后者价格较便宜，适合在工地使用。 光透射粒度测定仪是利用颗粒在液体中沉降过程符合stokes定律，采用光透过量来测定水泥粒径的。
在给定沉降高度情况下，测量不同大小颗粒的不同沉降时间与光透过量的关系，即通过光透过量和液体浓度的关系来测定颗粒粒径。表3-17为使用该仪器对几种水泥品的测试成果。
斯托克定律
Vs=
x2ρs-ρfg
18μ
()
式中：Vs——颗粒沉降速度； ρf——浆液密度；
x——粒子直径； g——重力加速度； ρs——粒子密度； μ——液体粘度。
表3-17 光秀射粒度测定仪对水泥样品测试成果(累积筛余%)
2．析水率，析水率随湿磨时间增加
减小，见表3-18。
3．流动性，流动性随湿磨时间增加，流出时间增大流动性减小，见表3.4-12(采用马什漏斗)。 4．凝结时间，湿磨水泥比普通水泥凝结时间有所延长。
5．流变参数，湿磨水泥的抗剪强度和塑性粘度比普通水泥大的较多，而且随湿磨时间的延长而增大。 见表3-18。
表3-18湿磨水泥浆液性能试验
6． 抗压强度、弹性模量和渗透系数，当水灰比一定时，浆液结石的抗压强度Ｒ、弹性模量Ｅ和渗透系数的Ｋ随研磨时间延长而降低。见表3-19。
总结上述情况，湿磨机研磨时间一般以不超过2min为宜。
表3-19湿磨水泥浆液结石性能试验
（三）湿磨水泥浆的应用
GSM型湿磨机不仅能将水泥浆中的水泥颗粒研磨的更细，还可起到快速搅拌和分散作用，对改进浆 液性能有利。GSM型湿磨机应用比较普遍，因其工艺简单，灌注效果也较好，很多工程均在使用。例如湖南省有五强溪水电站，大坝为砼重力坝，基岩为前震旦系板溪群石英岩、石英砂岩、砂质板岩、千枚状板岩，岩体中软弱夹层和微细裂隙十分发育。左岸18#～25#坝段，右岸13#～15#坝段经采用525#普通硅酸盐水泥，帷幕防渗标准达不到透水率q＜1lu的要求，经研究确定在该部位帷幕中间增加一排湿磨水泥灌浆孔，灌浆进尺约1000m。经灌注后效果显著。18～23坝段，经湿磨水泥灌浆后q≤1Lu所占百分率由灌前72.5%上升到97.6%；24#～25#坝段由51.3%上升到100%，达到了设计要求。院基寺水库使用湿磨细水泥处理F4新层破碎带达到了预期效果。类似这样实例较多。我国著名的三峡大坝，由于基岩岩体中微细裂隙发育在基岩固结和帷幕灌浆中较为普遍地使用了湿磨细水泥浆。
另外，湖北省隔河岩大坝在坝体接缝灌浆施工中对于张开度小于0.5mm的接缝，也采用湿磨水泥浆灌注，取得良好灌浆效果。
应提醒注意的是对GSM型湿磨机应做好保养和维护，在每一次灌浆后均需加以很好地冲洗。将机体内水泥浆洗净，防止其在机体胶结，影响湿磨机的正常运行。
第五节 稳定浆液
广义讲，稳定浆液系指2小时内析水率小于4%或5%的浆液。达到此指标的浆液类别很多，例如高标号的普通硅酸盐水泥，当水灰比为0.5时，或一般普通硅酸盐水泥，水灰为1、0.8、0.6掺入适量的膨润土时，或改性磨细水泥水灰比为1时，以及流动性较小的水泥粘土浆等在2小时内析水率均小于5%。 采用稳定浆液进行灌注的主要优点是：（1）稳定浆液析水少，不会因灌浆后由于浆液中多余水分的析出逸走而留下来较多的末能填满的空隙，有利于将受灌岩体中的空隙充满填实；（2）稳定浆液结石的结构密实，力学强度高，抗溶蚀能力强，与缝隙两壁的粘附力也较高；（3）相对来说，使用稳定浆液灌浆，可减小表面抬动，也可避免不必要的大量的吸浆，节约浆材；（4）灌注时间相对较短。
一、稳定浆液在灌浆施工中的应用
我国水利水电工程较早地使用稳定浆液进行灌浆的是在1990年新疆自治区克孜尔水率右坝肩倾倒体的固结灌浆。当时对灌浆浆液的提出要求为：（1）析水率小于5％；（2）28天龄期抗压强度大于10MPa；（3
）标准漏斗测试流动性控制在25～30s。
使用的原材料有：
2
1.水泥，拜城水泥厂生产的425#普通硅酸盐水泥，其细度为通过4900孔/cm筛余量10%，相对偏粗。 2.膨润土，托克逊膨润土厂产品，其物理和化学性能见表3-20和表3-21。
表3-20 膨润土物理性能
表3-21 膨润土主要矿物组成与化学成分(以%数表示)
注：PH值非%含量，烧失量约10%。
3.分散剂，淮南矿物与合成材料厂生产的熊猫牌NF高效减水剂。 4.水，昌吉自来水公司自来水。
制浆方法：采用两级搅拌，第一级较低速搅拌，搅拌机转速约为800 r/min；第二级高速搅拌，将 第一级搅拌的浆液再通过JTM50型胶体磨(800r/min)再一次搅拌。膨润土必须先用水浸泡，浸泡时间大于24h，使其充分膨胀，再按每次用量放入有水的容器内，搅拌均匀后加入第一级正在搅拌的水泥浆中。
通过室内试验得出如下结论
１． 当水灰比为0.6、0.8、1和2时，膨润土加入量约需1%、3%、5%、和10%就可达到稳定浆液对析水率的要求。但浆液粘度高、流动性差，影响浆液的可灌性。
２． 加入高效减水剂，可以改善浆液流动性，并可减少膨润土的掺入量。见表3-22。
３． 胶体磨快速旋转，可将水泥颗粒分散、磨细和乳化。低含水稳定性水泥浆通过胶体磨后，可以降低析水率，改进流动性，提高稳定性，也有利于加大可灌性。水灰比愈小，效果愈显著。
４． 低水灰比水泥浆中掺入膨润土制造稳定浆液，必须加入高效减水剂和采用快速搅拌设备。通过室内试验，推荐灌注浆液采用的比见表3-23。
表3-22 减水剂掺量对浆液性能的影响
注 （）内数据为未过胶体磨。
表3-23 克孜尔水库右坝肩倾倒体固结灌浆推荐浆液的配合比及其性能
采用稳定浆液灌浆，浆液多为一个比级，操作简单，灌浆时间短，进度快，有些工程常喜采用。另外在采用灌浆强度法GIN法灌浆时，也是采用一个比级的稳定浆液。唯应注意的是稳定浆液的抗剪强度和塑性粘度均较同水灰比的水泥浆大，实践经验表明，有的工程由于地质条件或其他一些因素的关系，开灌时采用稳定浆液，吸浆量不大，但改用水灰比为2∶1或1∶1的纯水泥浆灌注，吸浆量却较大，故在施工工艺上采用先灌注水灰比2∶1或1∶1的纯水泥浆，检验注入率情况，而后再灌注稳定浆液的技
术措施。
二、稳定浆液配比示例
为了使读者便于参考和应用，本节介绍两个试验实例。
１．为了某工程灌浆试验使用，在试验室内进行了稳定浆液试验，推荐浆液配比见表3-24。
表3-24 稳定浆液推荐配比
2
注：水泥为峨嵋水泥厂产52.5级普通硅酸盐水泥，80μm筛筛余量＜3%，比表面积3250cm/g。膨润土为四川省三台是产品。高效减水剂UNF—5为天津市雍阳减水剂产品。
２．黄河小浪底工程2#灌浆洞桩号0+764～0+807段，长43m，进行了GIN法施工，完成灌浆1564m。 稳定浆液试验成果见表3-25。现场施工采用第2组配方制浆。
表3-25 黄河小浪底大坝堆量灌浆GIN法施工同稳定浆液配比及其性能
注 水泥为河南省渑池县生产的“仰韶牌525号”普通硅酸盐水泥；膨润土为山东昌邑县钢膨润土；减水剂为天津雍阳减水剂厂生产的UNF—5。
第六节 水泥砂浆及水泥粘土砂浆
一、水泥砂浆
在具有宽大裂隙、溶洞、地下水流速很大以及耗浆量很大的岩层中灌浆时，常采用水泥砂浆灌注。灌注水泥砂浆的优点有：浆液流动度较小，不易流失，结石强度高，粘结力强，耐久性和抗渗性好，砂料可就地取材，节约水泥。
配制水泥砂浆时，浆液中水与水泥之比值(水：水泥)宜等于1或小于1，否则在水泥浆中加入的砂很易沉淀。例如有的工程采用的配比为水泥：砂：水=1：1：0.6。有的工程采用1：0.5：1。若采用较大的水灰比值，为了防止和减少砂粒沉淀，宜于掺加膨润土，用量可为水泥重量的5％以下，并应通过试验确定。
1．水泥砂浆应具备的技术性能
作为灌注浆液的水泥砂浆应具备的技术性能如下：
(1)适合于受灌岩层的地质条件和灌注施工的凝结时间。 (2)在一定时间内保持稳定状态，不离析沉淀。
(3)具有一定的流动性，使浆液在岩层裂隙中能够扩散至一定范围。 (4)结石强度应满足要求。 (5)结石的收缩性要小。 2．水泥砂浆试验项目
为了了解水泥砂浆的基本性能，可做流动性、析水率、凝结时间和强度等项试验。试验方法可参照混凝土工程中的有关砂浆试验方法进行。必要时间再考虑进行流变参数试验。
水泥砂浆是比较不够稳定的一种浆液，在灌注过程中总会产生一定程度的分离现象。为了改善砂浆的性能，可在砂浆中掺人一些塑化剂、膨润土或粉煤灰，对提高浆液的稳定性和流动性均有好处。 二、水泥粘土砂浆
水泥粘土砂浆具有比较良好的稳定性、抗渗性，也有一定的强度。这种浆液在受压时比水泥粘土浆的脱水速度快，因此，此种浆液可以用于静水头压力较大情况下的大洞穴的充填灌浆。
水泥、粘土和砂这三种材料在浆液中各有其主要作用：水泥起固结强度作用，粘土起促进浆液的稳定作用，砂起填充裂隙空洞的作用。
拌制水泥粘土砂浆时，宜先配制成水泥粘土浆，而后加入砂。
第七节 水泥粉煤灰浆液
粉煤灰可以作为一种掺合料，在水泥浆液中掺入进行灌注。其主要优点为：节约水泥，降低造价，抗溶出性侵蚀能力强。由于粉煤灰密度小，拌制成水泥粉煤灰浆时，易产生分离现象，故在加料顺序和制浆措施方面应予特别注意。有人建议在贮存罐中就先将水泥与粉煤灰按制浆配比混合在一起，而后输出再与水混合搅拌成浆，可以减少分离。东风水电站帷幕灌浆试验认为：在低水胶比W/（C+F）≤0.7时，若粉煤灰（F）和水泥(C)混合均匀，不会发生分离。
对粉煤灰质量必须严格控制。主要有三项，一是细度应小于同时使用水泥的细度；二是烧失量宜小于或等于5%(SL62-1994《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中规定宜小于8%)；三是SO3含量宜小于3%。
为了改善水泥粉煤灰浆的性能，在拌制浆液时还必须加入适量的外加剂为高效减水剂等。并应采用高速搅拌机。本书编者认为水泥粉煤灰浆比较适合用于卵砾石层和堆石体灌注，也可作为补强灌浆或基岩注入量大的孔段灌注之用。若作为基岩中帷幕灌浆使用的浆液，尚需慎重。 下面列举两个在灌浆试验中应用粉煤灰的工程实例： 一、贵州省东风水电站
东风大坝坝高162m，基岩为石灰岩、岩溶极为发育。1988年当时水利电力部贵阳勘测设计院科研所为贵州省东风水电站灌浆工程稳定性混合浆液进行了大量室内试验研究工作，水泥粉煤灰浆是其重要研究项目之一。1990年在东风水电站工地进行了灌浆试验，使用纯水泥浆和水泥粉煤灰浆两种浆材。推荐的水泥粉煤灰浆的配比及其性能见表3-26。
表3-26 浆液配比及其性能
1990年9月，为在帷幕灌浆正式施工中如何应用水泥粉煤灰浆的问题，召开了技术咨询会，专家组主要意见为：
(1)灌浆试验表明，使用纯水泥浆或使用水泥粉煤灰浆进行灌浆，均可达到设计要求的标准。但坝基帷幕灌浆采用水泥粉煤灰浆在国内尚无先例，在国际上也很少见，缺少参考资料和实践经验，必须慎重。
(2)本次灌浆试验，灌浆孔数少，仅有6个，深度也较浅，最深孔70m，仅1个，其余孔深40m，施工工艺、集中制浆系统的布设、制浆和输浆的方法，以及外加剂的使用等尚无成熟经验，均需进一步研究，妥善解决。
(3)鉴于东风大坝坝基帷幕的重要性，加以基岩岩溶发育，地质条件复杂，灌浆孔深，施工难度很大等的特点，加以目前帷幕灌浆施工已迫近，工期又非常紧张，已不允许在现场再进行过多的试验工作，而我们对水泥粉煤灰浆灌浆施工实践经验很少没有确切把握（注：指当时情况而言），故建议：厂坝区重要部位帷幕灌浆仍应采用纯水泥浆，因为至少已有乌江渡高坝工程成熟的经验可以借鉴；库区帷幕灌浆可以采用水泥粉煤灰浆。
(4)必须严格控制粉煤灰质量，严格控制水泥粉煤灰浆制浆程序和浆液性能质量。
东风水电站坝基帷幕灌浆在实际施工中由于粉煤灰质量和来源受限以及其他一些原因，仅有少数地段采用了水泥粉煤灰浆进行灌注，灌浆工程量不多。
二、四川省治勒水库帷幕灌浆试验
治勒水库大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高125.5m，坝址下伏深厚的第四系堆积物，按沉积环境和水文地质特征分为五个岩组。右岸帷幕灌浆穿过第三岩组厚度46～154m的卵砾石与粉质壤土3层，
-3
卵砾石的粒径多为2～6cm，渗透系数Ｋ一般为（1.27～5.19）×10cm/s，粉质壤土Ｋ值一般不小于2.2
-5
×10cm/s。实质上属于砂砾石层灌浆范畴。
1993年中国水利水电科学研究院为四川省治勒水电站坝基灌浆试验所用浆材进行了大量的室内试验，得出的主要结论如下：
１．水泥粘土浆结石强度低，溶蚀大，耐久性差。
２．水泥粉煤灰浆，粉煤灰掺量为水泥重量的30%左右，水胶比0.6～1.0，浆液稳定，粘度适中， 可灌性好，抗溶蚀性强，耐久性好，推荐采用。
推荐四种配比，见表3-27。
1993年4月至1995年6月在工地进行了灌浆试验，采用了水泥粉煤灰浆，灌浆效果良好，达到了预期目的。
表3-27 浆流配比及其性能
*注： 将试样养护28天，砸成碎块，筛出粒径5～１0mm的碎块，取200g置于蒸馏水中，渗漏量每天200mL，观察
CaO溶出量，累积到90天的溶出值。
三、湖北省高坝洲水利枢纽帷幕灌浆浆材室内试验
大坝高57m基岩为古岩溶角砾岩和白云岩。1994年长江科学院岩基所为该坝帷幕灌浆试验进行了水泥粉煤灰浆配比及性能试验。试验了在四种水灰比（2，1，0.8，0.6）浆液中分别掺入0%、10%、20%、30%、40%和50%的粉煤灰（重量比）的水泥粉煤灰浆，以及掺入粉煤灰30%、水胶比0.5∶1和高效减水剂的浆液的性能。得出的结论如下：
１．浆液的密度随粉煤灰掺入量的增加而降低。 ２．浆液的析水率随粉煤灰的增加而降低。
３．浆液的流动性随粉煤灰的增加，漏斗粘度（s）加大，流动性减小。
４．浆液的凝结时间较不掺者延长，掺入量增加，凝结时间加长。本次试验在掺入量超过40%后，凝结时间反而减少，即掺入50%的较40%的凝结时间略小。
５．浆液28天的抗压强度和水胶比与粉煤灰掺量成反比，和养护期成正比，水胶比等于或小于1：1时，掺入10%～50%的粉煤灰，以及水胶比2：1时掺入10%～30%的粉煤灰，其28天抗压强度均大于10MPa。 ６．掺入细粉煤灰（筛含量3.44%）与掺入粗粉煤灰(11.43%)的相同水胶比的浆液相比，析水率减少，漏斗测试时间减少，流动性增大。
７．掺入高效减水剂，对改善浆液性能效果明显，增大了流动性。
８．水胶比大于2：1的浆液，不适合掺粉煤灰，等于2：1时，掺量多控制在20%以内，小于2：1时，掺量可达到50%，试验成果推荐掺入量30%为宜。
９． 制浆时宜先将水泥和粉煤灰搅拌均匀后再加到水中进行高速搅拌。
推荐浆液的配比为：粉煤灰掺量30%，水胶比0.6，加入0.5%的高效减水剂。
第八节 水泥粘土浆液
水泥粘土浆是由水泥和粘土两种材料与水混合搅拌后形成的浆液。粘土具有细度高、分散性强、制
成的浆液稳定性高、可就地取材等优点，但纯粘土浆结石强度太低，抗渗压和抗冲的性能很弱。水泥的优点是强度高，但浆液的稳定性差。水泥和粘土混合制浆，在很大程度上可以相互弥补缺点，构成良好的灌注浆液。
水泥粘土浆稳定性好，具有一定的触变性能和胶凝强度，弹性模量不高，防渗能力强，造价较低，适合于多孔介质中灌注，故主要是应用在灌注砂砾（卵）石地层。国内外大坝砂砾（卵）石地基防渗帷幕几乎都是采用水泥粘土浆进行灌注的。
我国自20世纪60年代以后，由于混凝土防渗墙技术发展很快，且在地基防渗处理方面卓有成效，故当大坝地基砂砾（卵）石层厚度小于40m，或稍再深一些地基防渗处理多喜采用混凝土防渗墙施工方案，而很少应用灌浆方案。进入21世纪以后，新建工程例如冶勒水电站、下板地水库等由于坝基砂、砾（卵）石层厚度大于140m，防渗结构采取了防渗墙和灌浆帷幕相结合的墙幕方案，帷幕灌浆浆液仍采用了水泥粘土浆。
一、浆液成分的组合比例
１．水泥与粘土的比例，帷幕灌浆施工要求结石强度高一些和凝结时间快一些的工程，粘土掺量可 少一些，例如为水泥重量40%、60%；反之，则可多一些，例如水泥：粘土可为1：1、1：2、1：3甚至1：4。对临时性低水头的防渗工程，可采用掺粘土量大的配比。 ２．水与干料的比例（水固比），也就是水：（水泥＋粘土），一般多采用3：1～1：1(重量比)。例如2001年施工的重庆市黔江区小南海天然坝体（因地表山崩堵塞溪流而构成的天然大坝）防渗灌浆，就是采用了水泥粘土浆，根据不同的部位，采用了水泥：粘土＝1：0.4和1：0.6两种比例，灌浆时水固比采用3：1、2：1、1：1三个比级。灌浆效果良好。
二、浆液的配制
配制水泥粘土浆所用粘土分为粘土干料（指经过烘干后加工磨细的粘土）和粘土原浆两种。使用粘土干料制浆，仅将各种材料按规定的配比、程序，直接混合并经搅拌制成水泥粘土浆，比较简便、易行。采用粘土原浆制浆，应先将粘土在水中充分浸泡后，拌制成密度比较大的“粘土原浆”，测试其密度。制浆时先向搅拌桶（上桶）内加入适量的水，再加入计量好的水泥，搅拌成水泥浆，而后再放入已测知密度的粘土原浆若干升（根据需要配制的粘土量计算出粘土原浆的体积），再按照预制浆液的体积补加适量的水，就可制成符合配比要求的水泥粘土浆了。拌制水泥粘土浆所需用的水泥、粘土原浆和水量，可预先计算好列成表，便于配制浆液时用，参见表3-28。
3
举例：欲配制水泥：粘土：水＝1：1：4的水泥粘土浆150Ｌ，所使用的粘土原浆的密度为1. 4g/cm，求需用的水泥、粘土原浆和水量。
经查表3-28，再计算得出水泥用量应为1.5×20.9kg=31.4kg；粘土原浆1.5×33.3L=50L；水1.5×59.7=90L。
三、浆液性能试验
灌浆用水泥粘土浆的性能的试验，主要项目仍为密度、析水率、流动性、流变参数、凝结时、抗压 强度等，试验方法参考普通水泥浆。
四、室内试验资料示例
1988年中国水利水电科学研究院岩土所曾为乌鲁木齐市乌拉泊水库大坝卵砾石地基（k=15～50m/d） 加固处理帷幕灌浆试验所需用的浆材进行了大量的室内试验工作。
3
试验所用水泥为425号普通硅酸水泥，表观密度3.1g/cm。粘土取自现场，液限28%，塑限18.5%， 塑性指数9.5%。颗粒分析粒径小于0.005mm的占65%，大于0.05的占5%，属重粘土。试验分为：水/（水
泥＋粘土）＝1、2、3、4四类，每类水固比中又分为粘土：水泥＝1、2、3、4四种，共计16组。通过室内试验，推荐五种浆液的比，见表3-29。
表3-29 浆液的配比及性能
注：1.*初凝时间是采用建材试验中的维卡代测定的。
2.通常情况下，砂砾石地基帷幕灌浆要求R28宜大于0.5MPa。 3.制浆时应加入适量的高效减水剂，可以改善浆体的流动性。
第九节 膏状浆液
从一般概念上讲，膏状浆液系指抗剪屈服强度τ０大于20Pa的混合浆液，状似牙膏，流动性小。 膏状浆液适用于大孔隙地层（如岩溶空洞、岩体宽大裂隙、堆石体等）中的灌浆。由于其存在着明显的塑性特征，在大孔隙地层灌浆过程中具有良好的浆液流动可控性，有利于对该类地层灌浆浆液扩散的控制。
在第十一章中列举贵州省红枫水电站堆石坝坝体的帷幕灌浆工程实例，借以说明膏状浆液配比、性能及其应用的情况。
红枫水电站大坝为木斜墙堆石坝，1958年动工兴建，1960年建成发电。最大坝高52.5m，坝段长度416m，其中木斜防渗坝段长211m ，余下的坝段为混凝土斜墙。坝体上游干砌石楔形体为不规则块状灰岩，
33
体积11.2万m，孔隙率达30％；下游部位为堆石体，体积18.9万m，孔隙率高达38％，坝体剖面见图3.9-10。坝基岩石主要为白云质灰岩，设置了单排孔灌浆帷幕。
图3.9-1红枫坝体和灌浆孔布置剖面图
二、防渗方案选择
木斜墙原设计使用年限15～20年，截止1984年，水库已运行20多年，木板开始腐烂，必须及时处 理。由于该水库需向多家工厂、企业供水，不允许放空水库，只能在保持水库正常运用的条件下进行处理。对各种防渗方案分析比较后，于1987年最终选定了坝体帷幕灌浆防渗方案。
三、帷幕灌浆的难点
可钻性、可控性、可灌性和安全性，以及能否成幕是红枫堆石坝坝体帷幕灌浆的主要难点。
(1)钻孔难。灌浆帷幕位于干砌石体内，钻孔漏水量大，钻进时孔口不回水，孔壁也不稳定。干孔 钻进，易发生事故，如使用泥浆护壁，可能会影响灌浆质量。钻斜孔更加困难。为此首先必须解决钻孔方法问题。
(2)配制浆液难。砌石体孔隙率高，孔隙大小悬殊。灌注大孔隙，耗浆量大，灌浆易失控；一旦浆液向下游扩散过远，将影响坝体排水而危及工程安全；灌注细小孔隙，可灌性差，难以灌注。浆液的可控性和可灌性问题十分突出。
（3）灌浆施工难。在水库运行期间，高水头作用下进行灌浆，难度大。更为困难的是，必须保证木斜墙绝对安全，砌石体孔隙率高，连通性好，而木斜墙防渗体系单薄，万一遭受灌注浆液的抬动破坏，就会造成重大事故。因此必须严格控制灌浆压力和限制注入率，制定详细的灌浆施工细则，确保安全。 (4)成幕难。在前述三大难点前提下．如何能保证帷幕的的连续性和完整性，满足防渗要求是最后一个大难题。
四、灌浆试验
先在室内做了大量浆材试验，共配制了几十种浆液。测试其各项性能。而后在工地进行灌浆试验，取得初步成果后，又在0+177～0+209m和0+165.5～0+173.5m地段进行试验性灌浆施工。经过两年多的努力。灌浆试验成功，证实坝体帷幕灌浆方案技术上切实可行。 五、防渗帷幕灌浆设计和施工
防渗帷幕灌浆地段为0+010.75～0+253.00m，全长242．25m。 (l)幕体防渗标准，见表3.9-1。
表3.9-1 防 渗 标 准
(2)帷幕排数和灌浆孔深度。除大坝两端为单排孔外，其余部位为三排孔或四排孔。三排孔各排钻孔倾角：下游A排90°，上游D排83°，中间C排86°。边排孔孔距1～2m，中间排孔孔距1～1.5m。四排孔钻孔角度：A排90°、D排81°，中间的B、C排分别为87°和84°。见图9-3。边排孔孔距1～1.5m，中间排孔距1.5m。施工中个别地段少数排孔距加密到0.5m.
C排孔深入基岩20m左右，作为基岩灌浆帷幕，其余各排孔均深入基岩1m。
(3)灌注浆液。采用水泥、粉煤灰、黏土、赤泥和减水剂等多种材料配制成的膏状浆液或稳定浆液，塑性屈服强度τ0值大，一般在20Pa以上，大值达84Pa；塑性黏度η值高，一般在0．2Pa·s以上，大值达0.52Pa·s(原西德稠水泥浆，τ０=10～35Pa，η＝0.1～0.4Pa·s)。浆液的可控性强，可灌性好，适合红枫堆石坝体帷幕灌浆，而且省时、省料、成幕质量好。 浆液配方及其性能见表3.9-2。
(4)钻孔。采用小口径金刚石钻具清水钻进，供水要充足，成功地解决了干砌石坝体钻孔的困难。
(5)灌浆方法。采用孔口封闭、孔内循环灌浆法。
(6)灌浆次序。先边排孔，再中间排孔，最后为C排孔。每排孔分为三序。
表3.9-2灌注浆液主要配方及其性能
(7)灌浆段长。下、上游排孔，Ⅰ、Ⅱ序孔段长lm，Ⅲ序孔l～1.5m；中间排孔，Ⅰ、Ⅱ序孔段 长1～1.5m，Ⅲ序孔1～2m。基岩中灌浆段长度：第一段为2m，第二段为3m，第三段及其以下为5m。
(8)灌浆压力。下、上游排孔起始段0．20～0．25MPa，15m以下最大压力分别达到0．7、0．8MPa；中间排孔起始段0.25～0.3MPa，15m以下达到1.0～1.2MPa。
六、工程量和灌浆质量检查
红枫水电站工程于1988年开始灌浆试验，1992年帷幕灌浆竣工，帷幕灌浆施工总计完成坝体帷幕钻孔 605个，灌浆21406m，注入干料29974.5t(其中水泥15358．5t， 粉煤灰6668．9t，黏土5925.8t，赤泥1982.5t，减水剂38.8t)，平均单位干料注入量1400kg/m。基岩帷幕钻孔151个(其中140个孔是坝体帷幕孔延长的)，灌浆3445m，注入干料452．3t(其中水泥310.4t，黏土94.8t，赤泥45.6t，减水剂1.5t)，平均单位干料注入量131kg/m。
防渗帷幕共钻检查孔23个，压水试验455段，其中坝体部位393段，合格的383段，占97.5％，不合格部位均又做了补灌处理；基岩部位62段，全部合格。
第十节 水泥—水玻璃浆液
在水泥浆液中加入水玻璃，有两种作用。一种是将水玻璃作为速凝剂加入浆液中，促使浆液很快凝结；另一种是作为浆液中的组成成分，将水泥浆液和水玻璃溶液按照一定比例，使用双液灌浆施工方法，进行灌浆。前者水玻璃的用量少，在水泥浆液中加入一般多为水泥重量的3～5％；后者用量较多，其具体用量根据灌注对象的情况和要求浆液应具有的性能而定。本节中论述的水泥—水玻璃浆液系指后者。 水泥—水玻璃浆液具有许多优点，例如：凝结时间短，可以从几秒钟到几十分钟，并且可以有效而比较准确的控制，结石率高，可达95％以上；有一定的强度，最适于在漏水量大的孔段中使用。
一、水泥—水玻璃浆液特性
水泥与水拌和成水泥浆液后，由于水解和水化作用，产生活性很强的氢氧化钙。水玻璃与氢氧化钙起作用，生成具有一定强度的凝胶体——水化硅酸钙，其反应式如下：
Ca(OH)２+Na2O·nSiO2+mH2O→CaO·nSiO2+mH2O+2NaOH
随着反应的继续进行，凝胶体越来越多，强度也越来越高。
水泥—水玻璃浆液具有下述特性，在使用时应予注意，即：在水灰比(W ：C)已经固定的水泥浆液中加入水玻璃，最初，浆液凝结时间随着加入水玻璃量的增加而逐渐缩短，当超过一定的比例值以后，则浆液凝结时间随着加入水玻璃量的增加，转变为逐渐加长，见图3-17。凝结时间最短时的水玻璃占水泥浆液体积的百分数称之为“凝结转点比值”。该比值的大小因使用水泥的品种、水泥浆液的浓度、水玻璃的模数、水玻璃溶液的浓度不同而异，无一定值，主要应通过试验而定，一般多在l0～20％之间。在凝结转点比值状况下，凝结时间最短。
三、 水泥—水玻璃浆液的原材料 (一)水泥浆
一般多使用425号普通硅酸盐水泥制浆，水泥浆的水灰比多在0.5∶1～2∶1之间，最常用的为0.8∶1～1∶1。
(二)水玻璃(Na２Ｏ·nSiO2)
在购置水玻璃时，应注意水玻璃的模数，在使用时要控制好水玻璃的浓度。 1．模数M
模数M含义如下：
M=
SiO2克分子数
Na2O克分子数
模数大时，二氧化硅含量高，凝胶时间快，结石强度高；模数小时，二氧化硅含量低，相对来说，凝胶时间慢，结石强度较低。市售的水玻璃溶液，其模数在1.5～3.5之间。灌浆用水玻璃溶液的模数一般以2.4～3.0为宜。
当水玻璃的模数大时，可加入适量的氢氧化钠，以降低模数；当模数小时，需要加入适量的硅胶，以提高模数。由于模数改变与测定比较困难，所以当水玻璃使用量大，需要订货时，一定要向厂家说清所要求的模数，以便水玻璃出厂后即可使用。 2．浓度
水玻璃的浓度通常用波美度(°Be′)表示，用波美度计来测定．浓度太大，粘度增加，可灌性差；浓度太小，则强度降低，常用值为30～45波美度。
出厂的水玻璃浓度一般均较高，常为50～60波美度，所以在使用时应加水进行稀释。稀释时，需要加入的水量，可用下式计算：
V原d原+V水d水=V新d新⎫
⎬ (3.3)
V原+V水=V新
⎭
式中 V原——稀释前的水玻璃体积；
d原——稀释前的水玻璃比重； V水——需要加入的水量；
d水——水的比重(d水＝1)；
V新——稀释后新的水玻璃体积； d新——稀释后新的水玻璃密度。
欲解上述联立方程，还需知道水玻璃的波美度与密度d间的关系，两者的换算式为：
d=
145
（3.4） ︒
'145-Be
举例现有水玻璃的浓度为55波美度，今欲配成40波美度的水玻璃50L，求需要用的55波美度水玻
璃量和加入的水量。
解：利用式(3.4)，得：
d原=d新
145
=1.61
145-55145==1.38 145-40
将已知值V新=50，d水=1，d新=1.38，d原=1.61代入式(3.3)，得：
{V
解此方程，得：
原
⨯1.61+V水=50⨯1.38
V原+V水=50
V原=31 V水=19
答：需要用55波美度水玻璃31L，再加上19L水，即可配制成。 三、水泥—水玻璃浆液性能试验
由于水玻璃和水泥的品种较多，使用的浓度和配合比也不尽相同，所以，其他单位的试验资料仅可 供为参考，在本工程使用之前，必须做些简易的室内试验，以便比较准确地了解浆液性能，从而可以有效地使用。
测定的主要项目有：凝胶时间，粘度和强度，其次是稳定性和析水率等。
分组试验的方法：选用425号普通硅酸盐水泥(或其他任一种水泥)，水玻璃的模数取为定值(例如 M=2.8)，一般不再变更。此外，有三个主要参数，即水玻璃的浓度，水泥浆的浓度，水泥浆与水玻璃的配合比。固定两个参数，改变一个参数，测定其相应情况下的浆液性能。
例1 选用水泥浆的浓度为1∶1，水玻璃浓度为35波美度，改变两者的配合比，进行浆液性能试验，试验成果数据可列入如表3-30所示的格式中。
例2水玻璃浓度为40波美度，水泥浆与水玻璃体积比为1∶0.6，改变水泥浆的浓度，进行浆液性能试验，试验成果数据可列入如表3-31所示的格式中。余可类推，不再一一举出。
表3-30 各种配比的水泥—水玻璃浆液的性能示例格式
表3-31 各种水灰比的水泥—水玻璃浆液的性能示例格式
水泥—水玻璃浆的粘度测定与粘土浆粘度测定的方法相同，可采用标准漏斗粘度计测定，也以秒数表示。
凝胶时间测定尚无统一标准，这里介绍两种方法，也都是相对的概念，仅供参考。 (1)浆液搅拌后，置放于盆状器皿或玻璃容器中，直径以大一些为好，将盆底或容器倾斜至60(或45)，浆液面对器皿不产生相对运动时，认为已经凝胶。
(2)浆液搅拌后，静置于器皿中，以手指轻按，直至按不出指印时，认为已经凝胶。 今列出两个试验成果资料如表3-32和表3-33所示，作为示例。
表3-32 水泥浆与水玻璃体积比对水泥—水玻璃浆液凝胶时间和结石体抗压强度的关系
①
①
摘自煤矿注浆堵水资料造编，煤矿研究院北京研究所编
表3-33 水泥浆浓度、水泥浆与水玻璃体积比对水泥-水玻璃凝胶时间和结石体抗压强度的影响*
四、水泥—水玻璃浆液基本性能
根据许多试验资料成果分析，发现凝胶时间有一定的规律性，抗压强度则规律性较差。 1．凝胶时间
(1)其它条件相同时，水灰比愈小，即水泥浆浓度增加，则凝胶时间愈短。
(2)其它条件相同时，水玻璃浓度在30～50波美度范围内时，水玻璃浓度减小，凝结时间缩短。 (3)其它条件相同时，水泥浆与水玻璃的体积比在1∶0.3～1∶1范围内，水玻璃用量较少，凝胶时 间较短。
2．抗压强度
(1)水泥浆浓度越大，抗压强度越高．
(2)水玻璃浓度的改变，对抗压强度的影响无一定规律，经仔细研究似有以下倾向：当水泥浆浓度 大时(例如水：水泥＝0.5：1)，水玻璃浓度增加，抗压强度也增加；当水泥浆浓度小时(例如水∶水泥=1.5∶ 1)，水玻璃浓度增加，抗压强度反而降低，故在这种情况下，使用低浓度的水玻璃可能要好一些。
综合各地灌浆施工经验，可得出这样的认识：水泥—水玻璃浆液的适宜配方为：水玻璃模数2.4～2.8， 浓度30～45波美度；可采用425号普通硅酸盐水泥；水泥浆的水灰比0.8∶1～1∶1；水泥浆与水玻璃的体积比1∶0.6～1∶0.8。如果在漏水量大或流速大的孔段中灌浆，需要急速凝胶的，除采用浓度大的水泥浆外(水∶水泥＝1∶1)，水泥浆—水玻璃的体积比值宜采用较小值，例如0.25，0.3或0.4，但也需通过试验确定。
我们在室内曾用425号普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6：1的水泥浆，水玻璃浓度为40波美度，水 泥浆与水玻璃体积比为1∶0.3两种浆液混合好，不到1min即行凝胶。
青海南门峡水库，坝基为中厚层结晶灰岩和鲕状灰岩，溶洞和溶蚀裂隙比较发育，在灌注F62断层 时，涌水量达60L/s，用水泥浆灌注效果很差，后用水泥—水玻璃浆液灌注(水泥浆水灰比为1∶1，水玻 璃浓度为45波美度，水泥与水玻璃体积比为1∶0.3)，效果很好。共用水泥近9t，水玻璃近2t。
我国煤炭、冶金部门在其所属厂矿进行灌浆工作中，采用水泥—水玻璃浆液的较多，而在水利水电 工程大坝基础处理灌浆工作中采用的却较少，鉴于这种浆液有较多的优点，特别是适用于漏水量大的岩层，建议今后在灌浆工作中可考虑采用。
第十一节 浆液配料用量计算
3
本节列举了5个简单的计算试例，供初学者参考（设水泥密度为3g/cm）。
（1）试求水灰比为2∶1的水泥浆的密度。 取100kg水泥，200kg水拌合成水泥浆，其体积V=
100
+200=233.3L。 3
答：水泥浆的密度=
300kg
=1.286kg/L。
233.3L
3
（2）水泥浆的密度为1.5g/cm, 求其水灰比。 设取100L的水泥浆人，则其重量为150kg。 列方程式：设水泥重量为C（kg），水的重量为W（kg）； 则WC
+=100 （1） 13W+C=1.5 （2）
100
解方程得W = 75kg, C = 75kg。
答：水泥浆的水灰比为75∶75，即1∶1。
（3）集中供浆，原浆水灰比为0.5∶1，今欲配制水灰比2∶1的水泥浆100L，求需加入原浆多少升，再加多少升水。
分为四个程序解：
1)先求出1L水灰比为0.5∶1的原浆中，水泥和水各为多少？
0.51
+=0.883L。 13
10.5
于是1L原浆中，水泥应为 =1.2kg， 水为=0.6L。
0.8830.883
0.5L水和1kg水泥拌合后原浆体积V=
2)再求出配制100L的水灰比为2∶1的水泥浆，需用水和水泥各为多少？
∶C＝2∶1 （1）
WC＋＝100 （2） 13
43
＝35.8L。
1.2
解方程得：W＝86L，C＝43kg。
3）配制100L水灰比为2∶1的水泥浆需用原浆V1＝
4）配制100L水灰比为2∶1的水泥浆尚需加入水量W1＝86－35.8×0.6＝64.5L。
（4）欲将80升水灰比为5∶1的稀水泥浆配制成水灰比为2∶1的较浓水泥浆，需加入多少水泥？ 设80L水灰比为5∶1的水泥浆中水泥重量为C，水的重量为W，x为应加入的水泥量。 W/C=5/1 （稀浆的配比关系） 列方程式 WC
＋＝80 （根据绝对容积理论） 13
W/(C+x)=2/1 （较浓浆液的配比关系） 解方程得x＝22.5kg。
答：需加入水泥22.5kg（加入水泥后，浆液的体积为80＋
22.5
。 ＝87.5L）
3
（5）欲将80L水灰比为3∶1的水泥浆配制成水灰比为5∶1的水泥浆，需加入多少水量？ 设80L水灰比为3∶1的水泥浆中的水泥重量为C，水的重量为W，x为应加入的水量。
W/C=3/1 （原水泥浆配比关系） 列方程式WC
+=80 （根据绝对容积理论） 13
(W+x)/C=5/1 （新水泥浆配比关系） 解方程得x=48L。
答：应加入水量48L（加入水后，浆液体积为80＋48＝128L）。