水泥基灌漿材料應用研究評述

韓宇棟 謝 月,2 岳清瑞 李 威 彭 博

水泥基灌漿材料應用研究評述

韓宇棟1謝 月1,2岳清瑞3李 威1彭 博1

(1. 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088；2. 北京紐維遜建筑工程技術有限公司，北京 100088；3. 北京科技大學城鎮化與城市安全研究院，北京 100083)

水泥基灌漿材料以其高流動性、微膨脹和高強度等重要特征，在各類工程中得到廣泛應用，并呈現出性能不斷分化的發展趨勢。針對水泥基灌漿材料的發展和應用，首先總結了其發展階段及概況；然后系統分析了水泥基灌漿材料按性能特征的分類和按應用領域的分類以及二者之間的相關性，進一步結合應用領域分類介紹了不同用途的水泥基灌漿材料典型應用案例；最后，對水泥基灌漿材料國內標準化發展歷程進行了重點梳理，對水泥基灌漿材料的未來發展和應用前景進行了展望，并提出了若干研究和工程應用建議。

水泥基灌漿材料；特征性能；應用；分類；標準

0 引 言

水泥基灌漿料（Cementitious Grouting Materials, 簡稱“灌漿材料”）主要原材料包括水泥、礦物摻和料、骨料、高效減水劑、膨脹劑、消泡劑、調凝劑、纖維材料、納米功能材料、拌和水等。原材料的配合比和種類發生變化，會使灌漿材料表現出不同的性能特征，這進一步決定了灌漿材料的主要用途及其基本分類?；诖?，根據不同環境所需的不同性能灌漿材料，可通過對原材料進行組合調整，制備出相應性能的灌漿材料。如：通過摻入早強劑制備早強型灌漿材料應用于早強搶修工程，通過摻入水下抗分散劑制備水下施工型灌漿材料應用于海洋工程或海上風電工程等。

灌漿材料從20世紀80年代引入我國應用至今，其相關的材料、試驗方法、施工應用技術方面的標準化工作取得了不斷的發展進步。為系統梳理灌漿材料應用研究進展，本文從灌漿材料的發展概況、基本用途分類、重大工程典型應用情況以及標準化歷程等5個方面進行分析評述，并結合實際工作中面臨的問題、挑戰和機遇，提出未來灌漿材料應用和發展的相關重要建議。

1 灌漿材料發展概況

1.1 技術萌芽期

灌漿技術最初起源于歐洲，并經歷了較為漫長的萌芽和緩慢發展時期。根據當時所使用原材料的不同，可大致分為19世紀上半葉的黏土注漿時期、19世紀中下半葉的水泥注漿時期、19世紀末至20世紀70年代的化學注漿時期[1]等幾個發展階段。在各時期，通過原材料和灌漿技術的不斷革新，為現代灌漿材料的出現、技術快速發展成熟、工業化規?；a應用奠定了基礎。

1.2 技術成熟期

1982年至21世紀初，灌漿材料經歷了飛速發展并趨于技術成熟的階段。Shimoda和Clarke分別在1982年和1984年使用超細水泥漿體加固具有微細裂隙的巖土體。1985年第15屆國際大壩會議后，日、美、法等國開發了超細水泥、濕磨水泥灌漿技術，灌漿材料進入加速發展時期。在這一時期，隨著國內工業化發展，為安裝大型工業機器設備，國內也逐漸開始研究灌漿材料并高速發展。1987年中國建材研究院成功研制出無收縮超早強二次灌漿系列產品，并先后成功應用于多項大型機器設備安裝工程[2]。1991年寶鋼五冶和冶金工業部建筑研究總院共同研制成功一種新型灌漿料，是國內首次選用普通硅酸鹽水泥、砂石和復合外加劑配制而成，可滿足高精度、大噸位等設備的安裝要求[3]。1993年冶金工業部建筑研究總院材料所研制出了新型設備灌漿材料type-C Grout Material稱CGM，該新型設備灌漿材料的物理力學和施工性能在當時已完全滿足設備安裝要求[4]；1996年在研制出常溫型灌漿料（CGM-2）的基礎上，冶金工業部建筑研究總院又研究開發出了適用于低溫條件下的（CGM-1）和適用于夏季施工（CGM-3）兩種產品。該系列產品于1997年2月通過了冶金部和建設部的技術鑒定，同年獲國家重點新產品稱號[5]。隨著灌漿材料的應用范圍越來越廣，該行業在國內迅速發展壯大。2008年正式發布國內第一本灌漿材料國家標準GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應用技術規程》[6]，標志著國內灌漿材料的發展已逐漸進入成熟期。

1.3 性能分化期

2010年前后，灌漿材料的發展進一步進入超高性能化和性能分化期。國內外研究者們嘗試了包括提高原材料的品質、基于最緊密堆積理論調整各原材料的摻量配比、摻加纖維[7]和納米功能材料等各種手段，以期提高灌漿材料的各項性能。Khayat等[8]研究表明在水泥基材料中加入水溶性聚合物增稠材料能改善水泥基材料的粘聚力和保水性，抗離析并防止集料下沉，改善其抗凍耐久性和力學性能，Sahmaran等[9]發現在灌漿材料中加入天然浮石粉和超塑化劑能明顯改善灌漿材料的流變性能。德國BASF公司研制的MASTERFLOW?系列灌漿材料28 d抗壓強度可以達到140 MPa以上[10]，并于2009年開始投入工程。瑞士Sika公司與丹麥Densit公司也先后研制了SikaGrout?系列、DUCORIT?系列灌漿材料，28 d抗壓強度分別可以達到125 MPa、140 MPa以上。而這一時期，國內的高性能灌漿材料主要依靠國外進口，迫切需要生產出高性能灌漿材料，以打破國外對高端灌漿材料市場的壟斷。在此背景下，國內灌漿材料研發生產的高性能化和細分化快速發展。截至2015年，國內從事水泥基灌漿料生產的企業就已經達到五百余家，年產量達300～500萬t[11]。北京紐維遜建筑工程技術有限公司、中交港灣（上海）科技有限公司、江蘇蘇博特新材料股份有限公司等研制出的WP、優固特?和JGM-SP系列灌漿材料，28 d抗壓強度均可以達到120 MPa以上，性能優異。此外，隨著灌漿材料的深入發展，其性能越來越高并可針對性調控特定性能，使得灌漿材料由最先廣泛應用于設備基礎安裝與地腳螺栓錨固、混凝土結構改造與加固、工程修補和搶修領域，先拓展應用于鐵路橋梁支座灌漿、預應力工程孔道灌漿、裝配式建筑套筒灌漿等領域，再拓展應用于陸上風電工程塔筒基礎法蘭錨栓連接、海上風電工程塔筒單樁或導管架基礎連接、核電工程耐熱灌漿、極地工程負溫灌漿、沖擊打擊防護工程等領域。

縱觀40余年來灌漿材料的發展歷程，該材料在諸多領域中都發揮了舉足輕重的作用。但國內發展研究水平與國外依然有一定的差距，存在不適應國內能源、建材、交通運輸等行業經濟發展，以及與社會產業升級不匹配的問題。在此背景下，需要進一步對灌漿材料的國內外研究進展進行客觀的評述分析。

2 水泥基灌漿材料的分類

目前灌漿材料通常有兩種分類方式，按用途分類和按性能特征分類。以下詳述其按材料性能特征分類的基本情況，并厘清灌漿材料基本組成、性能分類和工程應用分類三者之間的關系。

2.1 普通型及經濟型

普通型灌漿材料通常用于地腳螺栓錨固、植筋、設備基礎二次灌漿，以及建筑物的梁、板、柱、基礎和地坪的補強加固等場景，具有較高強度、較大流動度以及一定程度的微膨脹，應用最為廣泛。經濟型灌漿材料，通常是為了降低原材料成本、節約資金，緩解工業固體廢物、城市建筑垃圾的環境問題以及天然河沙、水泥等傳統原料緊缺的問題[12]，本著節材、就地取材、廢棄物資源化利用的原則，用部分固體廢物作為其原材料。如：陳嘉康[13]利用未經處理的磷石膏和原狀粉煤灰作為主要膠結材，添加10%以內的硅酸鹽水泥作為膠凝材料，制備出一種具有自流平特性、性能穩定的填充灌漿料；趙佟慶[14]使用廢棄黏土磚粉、礦渣粉為主要原材料，制備出一種滿足綠色化要求的新型高性能灌漿料。

2.2 早強搶修型

在工業與民用及市政混凝土工程中，經常發生混凝土道路、基礎、結構的破損，須要進行緊急搶修和加固，以保證正常生產和運輸。在工程搶修及加固施工中，要求混凝土在數小時甚至1 h內達到相當高的強度及其他物理力學性能，以滿足恢復交通、快速安裝設備、恢復正常生產的需要，因此早強型灌漿料應運而生，一般可以通過表1所示的技術路線進行制備。

2.3 高強和超高強型

當前國內灌漿材料（不摻加任何增強纖維）的抗壓強度多數難以突破130 MPa，這使得國內高強度灌漿材料市場絕大部分被進口品牌壟斷，因此國內亟需自主研發、生產高強水泥基灌漿料?；诓牧蠈W基本原理，表2所示技術路線可為實現灌漿材料高強化提供參考。

2.4 超流態型

在預應力箱梁等工程構件中，預應力筋后張法施工通常須要使用超流態的灌漿材料，一般可以通過表3中的方法來提高灌漿材料的流動度。

表1 早強搶修型灌漿材料制備技術路線與研究結果

表2 高強和超高強型灌漿材料制備技術路線與研究結果

續表2

技術路線具體方法研究結果 提高材料堆積密實度對各種原材料按照粒徑分布曲線進行緊密堆積設計，提高整體堆積密度胡星等[25]基于Dinger-Funk方程的最緊密堆積理論對灌漿材料進行配合設計，通過調整不同細度原材料的摻量，使體系處于最緊密堆積狀態。此時，材料1，3，28 d抗壓強度均最高，較最低堆積密度時提高106.7%、26.0%、20.0% 纖維材料增強摻入鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維等對灌漿材料增強、增韌[7]丁成[27]通過對水膠比、膠砂比、各原材料的摻量進行篩選研究，得到28 d抗壓強度最高為120.8 MPa的灌漿材料，后通過摻入體積摻量為0.5%、1.0%的12 mm短切鋼纖維實現材料28 d抗壓強度分別提升到145.2 MPa，158.2 MPa，抗折強度也均明顯提升 納米材料改性摻入納米SiO2、碳納米管、納米TiO2、納米Al2O3、氧化石墨烯等，提高材料密實度[27]羅曉峰[23]等通過調整水膠比、膠砂比、礦物摻和料得到灌漿材料28 d抗壓強度最高為101.89 MPa，而后分別單摻占膠凝材料0.9%的納米SiO2、0.6%的碳納米管、0.3%的氧化石墨烯后，其28 d抗壓強度依次對應達到132.89，125.16，135.87 MPa

表3 超流態型灌漿材料制備技術路線與研究結果

2.5 低、負溫施工型

我國幅員遼闊，工程建設環境條件復雜。華北、東北和西北地區受地理位置和氣候的影響，冬季持續時間比較長，長期的低溫會嚴重影響施工效率和工程質量。對于一些極地工程，其環境溫度則非常低，普通灌漿料根本無法自發硬化。因此研究者們不斷探索研制低、負溫環境可以使用的低、負溫施工型灌漿材料，其制備可通過表4所示的技術路線進行。

2.6 耐熱、耐高溫型

冶金、核電、建材行業的設備設施基礎、工業建筑、管道塔壁內襯等常會遇到高溫服役的工況，這些環境的溫度范圍可從200 ℃直至1 000 ℃ 以上，同時還要求結構材料常溫下即具有較高的早期強度和最終強度，由此推動了耐熱和耐高溫灌漿料的研發和應用。葉顯等[38]研究了不同摻量粉煤灰、S95礦粉、超細礦粉、硅灰對灌漿料的耐高溫性能的影響，發現粉煤灰摻量為10 %時，灌漿料在300 ℃和400 ℃時的殘余強度比分別高達141.01%和119.74%；摻入S95礦粉、硅灰、超細礦粉后灌漿料在300 ℃時均可提高材料的殘余強度比，此外均可一定程度降低材料體積損失率，但摻入超細粉體不利于灌漿料熱震性能的提高。葉顯等[39]研究發現玄武巖纖維可明顯提高灌漿材料的耐熱性能，通過對試件分別進行110 ℃烘干處理、300 ℃、400 ℃、500 ℃熱處理后，發現外摻不同質量分數的玄武巖纖維可提高試件抗壓強度比，最高分別為6.9%、8.2%、18.0%、8.3%，此外摻入玄武巖纖維可有效降低高溫后至冷卻期間產生的體積收縮，并且抑制高溫條件下的體積膨脹，以及一定程度提高其抗熱震性能。

表4 低、負溫施工型灌漿材料制備途徑與研究結果

續表4

技術路線具體方法研究結果 防凍劑、早強劑、激發劑等外加劑常用包括碳酸鋰、甲酸鈣、硝酸鈉、碳酸鈉、硫酸鈉等；激發劑常用七鋁酸十二鈣[35]馬正先[36]等研究表明，碳酸鋰作為促凝劑對負溫灌漿材料有明顯的促凝和提升抗壓強度的作用，當碳酸鋰摻量由0%增加到0.25%時，其1，3，28 d抗壓強度分別提升約23.5%、17.6%、3.1%，初凝、終凝時間分別降低70.4%、67.0%；硝酸鈉、甲酸鈣、硫酸鈉作為防凍劑均對負溫灌漿材料抗壓強度有一定程度的促進作用，研究表明當硝酸鈉、甲酸鈣、硫酸鈉摻量分別為0.6%、0.2%、1.6%時，其對1 d抗壓強度提升分別約為8.4%、1.4%、9.9% 熱養護蓄熱法養護、電加熱法養護、蒸汽養護等孫小巍等[37]發現，升高拌和水溫度和預熱養護有助于提高低負溫環境灌漿料的早期強度，當環境溫度分別為5℃、0℃時，拌和水溫從0.5℃提高到30℃，1 d抗壓強度分別提高105.1%、278.9%；當環境溫度分別為–5℃時，在（20±3）℃溫度條件下預養10 h，灌漿材料1，3，28 d抗壓強度分別提升512.5%、23.1%、13.0%

2.7 水下施工型

對于需要水下注漿的工程，如海上風電灌漿尤其是導管架灌漿、水下結構修復加固等，要求材料在泵送流態階段具有較高流動黏稠性和高度穩定性。一般通過添加不同功能的外加劑來實現材料的水下可施工。賴洋羿等[40]通過在水泥基灌漿料中摻入UWB-Ⅲ型抗分散劑，實現了良好的水下工作性能和強度性能，當其摻量為膠材的1.0%時，水下澆筑成型試塊28 d抗壓強度比水上澆筑成型試塊提高1.5%。UWB-Ⅲ型抗分散劑的有效成分為聚糖類高分子化合物，其較長分子鏈的活性官能團可吸附細小顆粒，將顆粒鏈接成穩定的網狀結構，從而具有優良的絮凝效果，但會一定程度降低漿體流動度。高鑫等[41]摻入纖維素醚可使水下修補灌漿料具有良好的保水效果，同時水化體系穩定且具有增稠效果；而摻入膠粉后，膠粉分散水化并與水泥硬化漿體形成理想的黏結體系，且二者復摻有利于提高灌漿料的拉伸黏結強度。

2.8 含豆石粗骨料型

灌漿料相比傳統混凝土價格高。對于灌漿料體量較大的工程，為了降低成本，通常采用在普通灌漿料中加入一定量豆石的方法，以期達到降低成本、提升力學性能、減縮抗裂的綜合目的。呂闊等[42]通過加固工程實例說明加入適量的豆石的灌漿料能滿足工程應用的要求。研究發現，在用水量13%的條件下，灌漿料硬化后的抗壓強度隨著豆石含量的增加呈下降趨勢，當摻量從0%增加到40%時，3 d、28 d抗壓強度分別降低13.8%、12.5%。但豆石含量不超過30%時，灌漿材料流動度較好，強度下降不明顯。吳元等[43]通過研究用水量和豆石摻量對豆石型灌漿料的影響發現，豆石型灌漿料的力學強度隨加水量的增大而降低。當豆石摻量為25%時，用水量從12%增加到14%，材料28 d軸心抗壓強度下降約32.4%。當用水量小于14%時，其力學強度隨豆石摻量的增大而提高，當豆石摻量從0%增加到35%時，材料28 d軸心抗壓強度提高約8.5%。此外，研究還發現，豆石型灌漿料的抗拉強度比同等級的普通混凝土高40%左右。汪秀石等[44]研究發現，豆石型灌漿料具有早強特性，3 d抗壓、抗拉強度可達到28 d值的80%左右；且豆石型灌漿料標準立方體抗壓強度與標準棱柱體軸心抗壓強度的轉化系數明顯大于普通混凝土，為0.91，說明豆石型灌漿料的軸心抗壓強度高于同等級的混凝土。

3 水泥基灌漿材料組成與分類相關關系分析

由文獻[25–27, 29]分析可見，灌漿材料的組成不同會直接影響其性能，因此可通過調控原材料組分實現對灌漿材料性能的針對性調節，并可根據表現出來的主要性能進行分類。不同性能分類的灌漿材料可應用于不同的工程領域，滿足不同的用途。以下將詳細說明不同用途灌漿材料的工程應用情況。經梳理，灌漿材料的基本組成、性能分類、工程應用分類三者關系見圖1。由此可見灌漿材料應用領域非常廣闊，涵蓋大部分工業與民用建筑和基礎設施。

圖1 水泥基灌漿材料基本組成、按性能分類、按應用分類三者關系

4 水泥基灌漿材料工程應用典型案例

4.1 冶金、礦山和石化工程

由于灌漿材料具有高強度、微膨脹、較高的流動性、抗油滲性和較強的鋼筋握裹力，施工方便，不受現場條件限制[45]等特性，剛好可滿足90年代冶金工業、鋼鐵工業、機械工業中大型設備安裝、地腳螺栓錨固等的重要需求，因此灌漿材料也從這時候開始正式發展起來。中國建筑材料研究院于1987年成功研制出無收縮超早強二次灌漿系列產品，并先后應用于大連重型機器廠12 m長高精度大型數控鍵銑床的安裝、哈爾濱飛機制造公司1 300 t大型鍛壓機床底座注漿、北京第一機床廠23.8 m長的導軌磨床和5 m長橋式銑床安裝，以及天津大港發電廠兩臺意大利汽輪發電機組安裝等工程[46]。設備基礎安裝二次灌漿典型示意圖如圖2所示。

圖2 設備基礎安裝二次灌漿

4.2 市政和交通工程

4.2.1 道路和橋面搶修灌漿材料

對于鐵路、公路、機場、橋梁等工程的搶修，通常要求在很短的時間內即可恢復交通和正常使用，因此對于此類工程，通常采用具有超早強、早高強特性的灌漿材料。中冶集團建筑研究總院新型建材研究所2004年成功開發出一種水泥基搶修料，流動度大于270 mm，1 h抗壓強度大于30 MPa，并應用于北京某地鐵工程中，晚間進行施工，次日便順利通車，取得良好效果；應用于秦皇島碼頭沉箱修復工程中，施工后1 h便可承載，2 h后可正常浸泡在海水中，性能不受影響[47]。

4.2.2 高鐵橋梁盆式橡膠支座安裝用灌漿材料

在高速鐵路或客運專線工程中，梁體支座與墩臺之間空間小，存在支座固定以及支座墩臺有機結合比較困難、混凝土澆筑振搗不便、強度增大慢、不利于工程進度等缺點，引入具有高流態、高強度性能的灌漿材料可以有效解決該問題。我國京滬高鐵、武廣客專、鄭西客專、成昆線、京廣線、京九線等都應用了初始流動度320 mm、30 min流動度300 mm、2 h抗壓強度大于30 MPa，28 d抗壓強度達50～70 MPa的支座灌漿材料。薄祥照使用HGM高強無收縮灌漿材料對杭州灣跨海大橋箱梁支座進行灌漿，發現采用該種材料具有提高工程質量、加快工程進度、提高安全度、改善環保條件、節約成本等優點[48]。

4.2.3 預應力孔道壓漿劑

預應力孔道壓漿劑在預應力混凝土結構（一般是預應力箱梁、節段拼裝式橋梁）中廣泛應用。對于后張梁預應力管道，需要充填壓漿劑使孔道內漿體飽滿密實，以有效防止預應力鋼材銹蝕、保證預應力束與混凝土結構之間的有效應力傳遞，因此預應力孔道壓漿劑的顯著特征就是超高流態，其流動性通過專門的流錐試驗進行測試評價。此外，硬化漿體還需要具有較高的強度、無收縮微膨脹性、較高的彈性模量以及黏接力，從而消除預應力混凝土結構或構件中應力變化對錨具的影響，延長錨具的使用壽命。2018年在佛開高速橋梁修補工程中，工程人員采用壓漿劑對九江大橋段破損孔洞管道不密實處進行補充壓漿，通過內窺和開槽檢測，均未發現不良情況，且對現場留樣試塊進行力學性能測試，7 d、28 d抗壓/抗折強度分別達到60.2 MPa/12.7 MPa、74.1 MPa/ 14.6 MPa[49]。

4.3 建筑工程

4.3.1 結構加固修復、性能提升用灌漿材料

對于出現破壞、承載力不足的混凝土結構，為提升性能、延長使用壽命，可使用灌漿材料進行改造加固。加固方法通常分為三類，即混凝土柱加大截面法灌漿加固、混凝土柱外粘型鋼法灌漿加固和混凝土柱外包鋼法灌漿加固，示意圖見圖3。李祖輝等[50]利用灌漿材料采用擴大截面法對鋼筋混凝土梁進行加固，并測試加固后力學性能，得出加固后的鋼筋混凝土梁的開裂承載能力較加固前可提高 5～7倍的結論。

4.3.2 裝配式建筑鋼筋套筒連接用灌漿材料

裝配式建筑是通過節點將整個建筑的承重及維護輔助構件連接起來的，因此構件節點連接的可靠性是衡量建筑物是否安全、可靠的關鍵。大量研究已經表明采用鋼筋套筒連接件作為節點連接方式是安全可靠的[51]。套筒灌漿連接分為半套筒灌漿連接和全套筒灌漿連接兩種，如圖4[52]所示，可以看出連接套筒與鋼筋的灌漿材料的性能將決定整個建筑結構的可靠性和安全性，因此通常采用高強并具有一定膨脹性的灌漿材料。灌漿完成后，通常還需要對套筒灌漿飽滿度、施工缺陷、黏結滑移等因素進行研究。杜永瀟等[53]采用壓電法進行灌漿飽滿度測試，并發現灌漿后與灌漿前的電壓比小于0.40時可認為套筒灌漿飽滿。北京中建建筑科學研究院[54]推薦采用氣測容積法進行鋼筋套筒灌漿密實度的檢測，并開發出專門的檢測儀器，至今已有一定的工程應用。

圖3 混凝土柱結構改造加固方法

圖4 套筒灌漿連接方式

4.3.3 鋼結構柱腳安裝用灌漿材料

隨著我國高層建筑不斷發展，為優化和改善結構抗震性能，型鋼混凝土結構在設計中的應用更為普遍。通常采用灌漿材料進行柱腳安裝，施工質量的好壞以及灌漿材料的性能直接關系到型鋼柱的安裝質量以及結構的整體穩定性，柱腳安裝示意圖見圖5。除灌漿材料本身特性外，柱腳注漿施工工藝也是一大關注熱點。李建普等[55]以保證漿體澆筑密實，以及保確鋼柱基礎牢固可靠為出發點，對柱腳注漿施工工藝進行了優化，包括基層鑿毛清理→型鋼柱安裝→基層清理濕潤→模板支設→注漿、振搗→養護→拆模整個過程，經驗證，該施工工藝在保證施工質量的同時還提高了經濟效益。

4.4 海洋工程

海洋工程用灌漿材料主要用于海洋平臺和升壓站鋼管樁嵌巖。由于國內外很多海域存在土壤覆蓋層薄、基巖埋藏淺的地質特點，為滿足單樁基礎穩定性要求，需要進行嵌巖樁的設計[56]。根據基巖的單軸抗壓強度不同，嵌巖樁大致可分為如圖6所示的3類[57]。對于Ⅱ、Ⅲ型嵌巖樁，通常使用高強灌漿料將樁與巖體連接起來，灌漿材料的性能則會直接影響樁的安裝效果。通常要求應用于該類工程的灌漿材料具有很好的水下抗分散性能。中國石油集團工程技術研究院早在20世紀90年代開始研發海洋工程水下不分散混凝土用絮凝劑/抗分散劑，并不斷精進。其研發的UWB-Ⅱ型絮凝劑，摻量為水泥質量的2.0%～3.0%，同摻法摻入，能夠賦予普通混凝土超強的抗分散性、適宜的流動性和滿意的施工性能，從根本上平衡好水下混凝土的抗分散性能、施工性能和力學性能三者之間的矛盾，成功實現了水下混凝土的自流平和自密實[58]，在國內有較高的行業影響力。為適應國內海洋工程市場，北京紐維遜建筑工程技術有限公司于2018年研制出一種具有強度高、耐久性好、微膨脹、可自密實等優點的應用于海洋工程的灌漿材料[59]。中交港灣（上海）科技有限公司于2019年進一步研制一種用于植入型嵌巖單樁的緩凝型抗水分散灌漿材料，具有抗水分散性好、抗離析性強、流動性大、流動度經時損失小、可施工時間長、后期強度高等優點[60]，并已應用于多項海上風電工程。

圖5 預制鋼筋混凝土柱或插入式鋼結構柱柱腳灌漿

圖6 海洋工程嵌巖樁分類

4.5 風電工程

4.5.1 陸地風電塔筒基礎連接用灌漿材料

在全球氣候變暖、我國提出碳達峰、碳中和“3060”目標的大背景下，清潔環保的風力發電成為能源行業越來越推崇的可再生能源。當前，通常采用高流態的高強灌漿材料將風力發電機組的鋼塔筒與風機基礎連接起來，其28 d抗壓強度通常大于80 MPa[61]。陸上風電工程典型預應力錨栓基礎示意圖如圖7所示。鄒偉等在江蘇金湖風電場灌漿工程中，采用滿足Q/WYJ 027—2019《超高強灌漿料》中Ⅱ型指標要求的28 d抗壓強度不小于120 MPa的超高性能灌漿材料，取得良好施工效果，并發現風電基座灌漿材料澆筑完畢后，在漿體的不同水化階段及時采取相應保溫保濕養護措施，能夠有效降低硬化漿體的開裂風險[62]。

4.5.2 海上風電塔筒基礎連接用灌漿材料

陸地風能開發歷史已久，技術體系相對成熟，風資源利用已逐漸趨于飽和；而面積廣闊、優質風能資源儲量更為豐富的海洋，逐漸成為風電開發的新主戰場。海上風機塔筒與下部樁基之間，可采用導管架或單樁灌漿連接，一方面便于調平風機，另一方面可以減少焊接帶來的應力集中[63]。海上風電工程基礎灌漿連接結構示意見圖8。海上風電灌漿材料性能要求較高，通常須具有超高強度、可控的微膨脹以及水下施工抗分散等性能。通常要求在不加鋼纖維的條件下，28 d抗壓強度能達到120 MPa以上。長期以來，我國海上風電工程灌漿材料主要依靠進口。近五年來，國內開始不斷提升和完善高性能灌漿材料的研發和生產技術。中交三航局汪冬冬團隊通過添加納米礦物摻和料、聚合物改性、補償收縮等技術，成功研制出超高性能灌漿材料，其UHPG、SKG系列產品28 d抗壓強度最高可分別超過120 MPa、100 MPa，率先在此領域打破了國外壟斷并擁有自主知識產權[64]，其相關產品先后成功應用于珠海桂山海上風電示范項目一期工程以及中廣核廣東陽江南鵬島400 MW海上風電項目等大型工程中。

圖7 陸上風電工程預應力錨栓式基礎典型示意

圖8 海上風電工程基礎灌漿連接典型結構示意

4.6 特種工程灌漿材料

4.6.1 耐高溫工程用耐熱灌漿材料

對于熱荷設備基礎墊層、二次澆注層、熱輻射環境建筑結構、各種高溫場所的設備灌漿、地面修補、鋼廠軌道灌漿等高溫工程，通常需要使用具有耐高溫性能的灌漿材料。王國鋒等[65]研制出一種耐900℃高溫C80水泥基微膨脹灌漿料，具有流動性好、塑性微膨脹無收縮、高強、低成本等特點，且具有優良的耐高溫性能，高溫時不易開裂、碎撒和粉化。中國路橋工程公司通過在灌漿材料中使用多種耐火材料，以鑄造用耐火材料作為骨料，以鑄造用耐火材料微粉作為改性劑，研制出一種耐高溫的灌漿材料，其技術要點是利用耐火材料中的硅鋁酸鹽、鋁氧化物、碳化硅、氮化硼等耐高溫物質，有效減少水泥基灌漿料的高溫性能損失[66]。

4.6.2 嚴寒極地工程用低負溫灌漿材料

極地嚴寒環境使硅酸鹽水泥凝結硬化過程發生停滯，混凝土澆筑后因長時間無法凝固而極易遭受凍害，因而喪失結構承載特性。此類環境中工程建設宜優先采用可在低、負溫環境（可低至–20℃至–40℃）進行施工的灌漿料等水泥基構筑材料。在南極中山站建設過程中，工程技術人員按照3:1的比例對特種水泥和灌漿料進行復配，順利解決了極地混凝土難以凝固的問題。目前，極地工程低負溫施工灌漿材料主要有磷酸鹽水泥體系和快硬早強硫鋁酸鹽水泥體系兩種，且一般優先選擇極地的相對高溫季節窗口期進行施工，以綜合保證工程施工效率和質量安全。

4.6.3 防護工程用高性能水泥基灌漿材料

軍用防護工程通常須抵抗高速度、大動能沖擊作用，還須具備嚴格的氣密防毒特性，要求防護材料具有超高強度、高抗沖擊韌性、高耗能特性以及高抗裂性。超高強灌漿材料及其纖維增強復合材料，即能較好地滿足此類防護需求。20世紀，在我國高性能混凝土及其高性能外加劑技術還不是很先進的情況下，較多的防護工程均使用了大量的高強灌漿材料來進行建設，包括工程要地的洞口、上覆蓋層或掩蔽層、重型設備安裝以及防護工程結構加固改造、性能提升等。中交第一航務工程局有限公司等[67]采用復合膠凝材料、不同級配砂及混摻外加劑，并用纖維材料進行增韌，制備出一種具有高流動性、超高強、高早強、高韌性、高抗爆、高抗沖擊、無收縮性能的灌漿材料，使灌漿結構表現出高耐久性和高安全性。其1，3，28，56 d抗壓強度分別達到75，100，140，150 MPa以上，韌性指數-(10)≥7，破壞沖擊耗能不小于25 000 J。

4.6.4 地下工程用圍巖或襯砌加固注漿材料

進入21世紀，我國地下空間開發與工程建設發展迅速。近15年來，我國城市地鐵隧道、高鐵隧道、深埋重載隧道、大中型城市地下空間綜合體以及各類采礦、防護工程，總體建設規模巨大。地下工程常須要進行圍巖加固、襯砌壁后充填隔水注漿以及滲漏治理或回填注漿，這將用到大量的各級各類具有可灌性優、黏結強度高、收縮小等特性的地下工程注漿材料。對于隧道襯砌壁后注漿，主要關注注漿材料的密封防水性、抗滲性和耐水性，也可就地取材，消納風化巖層或隧洞掘進產生的礦冶固廢/渣土材料制備低水泥固化注漿料，抗壓強度多在0.5～2.0 MPa[68]。對于礫石、粗砂、破碎圍巖、破碎煤層等地層的注漿加固，一般可用普硅水泥注漿材料，可灌注孔隙在80mm以上；對于細砂和粉巖層注漿加固，則須要采用超細水泥特制的注漿材料，其灌注孔隙直徑可低至20mm以下；對于有應急堵漏搶修需求、滲漏水量較大較急的地下工程注漿，多采用初凝快（多在10 min以內）、1 h強度高的雙液水泥基注漿料；對一般地下工程注漿加固，則可以采用成本更低的單液水泥基注漿料。

5 標準化歷程

5.1 國外標準化

國外涉及到水泥基灌漿材料的主要標準如表5所示，但其中針對灌漿連接材料的各項性能指標，大多未做出明確要求。對于水泥基灌漿材料基本性能的測試，通常采用ASTM（美國材料與試驗協會）、EN（歐洲標準）等機構所推薦的方法。

表5 國外水泥基灌漿材料相關主要標準

目前，國外一些水泥基灌漿材料公司的產品抗壓強度已達到超高強水平。如相關產品介紹中，德國BASF公司生產的Materflow9410、Materflow9360型灌漿料，28 d抗壓強度分別不小于130 MPa、不小于120 MPa；瑞士Sika公司生產的SikaGrout?-3310型灌漿料，28 d抗壓強度不小于125 MPa；丹麥 Densit 公司生產的DUCORIT S8、DUCORIT S5R型灌漿料，28 d抗壓強度分別不小于110 MPa、不小于140.7 MPa；新加坡NAUTEC 公司生產的NaXTMQ130型灌漿料，28 d抗壓強度不小于130 MPa。

5.2 國內標準化歷程

國內水泥基灌漿材料標準可以劃分為材料產品標準和工程建設標準兩類。前者主要用于規范產品性能指標和生產包裝質量，后者主要用于指導產品的工程應用過程。隨著水泥基灌漿料產品在我國生產與應用需求的快速增長，水泥基灌漿材料應用行業不斷增多，與此同步對應的產品標準中，材料性能要求也在不斷提升，工程建設標準也在不斷拓寬應用場景。材料產品標準與工程建設標準主要性能指標（流動度、強度、豎向膨脹率）如表6、7所示。

續表6

標準名稱應用范圍主要性能指標（流動度、強度、膨脹率） 《鋼筋連接用套筒灌漿料》[87]帶肋鋼筋套筒灌漿連接所使用的水泥基灌漿材料常溫型套筒灌漿料：流動度。初始值不小于300 mm；30 min保留值不小于260 mm抗壓強度。1 d不小于35 MPa；3 d不小于60 MPa；28 d不小于85 MPa豎向膨脹率。3 h為0.02%～2%；24 h與3 h之差為0.02%～0.4%低溫型套筒灌漿料：流動度。初始值不小于300 mm；30 min保留值不小于260 mm抗壓強度。負溫養護1 d不小于35 MPa；負溫養護3 d不小于60 MPa；負溫養護7 d轉標養21 d不小于85 MPa豎向膨脹率。3 h為0.02%～2%；24 h與3 h之差為0.02%～0.4% 《鐵路后張法預應力混凝土梁管道壓漿技術條件》[88]鐵路后張法預應力混凝土梁管道壓漿流動度。初始值為18±4 s；30 min保留值不大于30 s強度。7 d抗壓強度不小于35 MPa、抗折強度不小于6.5 MPa；28 d抗壓強度不小于50 MPa、抗折強度不小于10 MPa自由膨脹率。24 h為0%～3% 《預應力孔道灌漿劑》[89]預應力孔道灌漿劑水泥漿稠度。初始值為（18±4）s；30 min保留值不小于28 s；強度。7 d抗壓強度不小于28 MPa、抗折強度不小于6.0 MPa；28 d抗壓強度不小于40 MPa、抗折強度不小于8.0 MPa自由膨脹率。24 h為0%～1%限制膨脹率。7 d為0%～0.1% 《公路工程預應力孔道灌漿料（劑）》[90]公路工程灌注預應力構件孔道、預應力錨索空隙等使用的灌漿料及灌漿劑流動度。初始值不大于17 s；30 min保留值不大于20 s；60 min流動度保留值不大于25 s；強度。7 d抗壓強度不小于40 MPa、抗折強度不小于6.0 MPa；28 d：抗壓強度不小于50 MPa、抗折強度不小于10.0 MPa自由膨脹率。3 h為0%～1%；24 h為0%～2%限制膨脹率。水中7 d為0.03%～0.1% 《公路工程預應力孔道灌漿料》[91]公路工程后張預應力結構孔道壓力灌漿材料的生產、檢驗和使用流動度。初始值不大于17.0 s；30 min保留值不大于20.0 s；60 min保留值不大于25.0 s；強度。7 d抗壓強度不小于40.0 MPa、抗折強度不小于6.0 MPa；28 d：抗壓強度不小于50.0 MPa，且不低于預應力結構混凝土設計強度；抗折強度不小于10.0 MPa自由膨脹率。3 h為0%～1%；24 h為0%～2%；3 h與24 h自由膨脹率比值不大于1.0；限制膨脹率。水中7 d為0.03%～0.10% 《橋梁支座灌漿材料》[92]橋梁支座的底板穩固灌漿材料的生產檢驗和使用流動度。初始值：早強Ⅰ型不小于320 mm、早強Ⅱ型不小于320 mm、普通型不小于320 mm；30 min保留值：早強Ⅰ型不小于280 mm、早強Ⅱ型不小于280 mm、普通型不小于290 mm抗壓強度。2 h：早強Ⅰ型不小于20 MPa；8 h：早強Ⅱ型不小于20 MPa；24 h：早強Ⅰ型不小于50 MPa、早強Ⅱ型不小于40 MPa、普通型不小于20 MPa；3 d：普通型不小于40 MPa；28 d：早強Ⅰ型不小于60 MPa、早強Ⅱ型不小于60 MPa、普通型不小于60 MPa；56 d與28 d抗壓強度比值均不小于1.0抗折強度。2 h：早強Ⅰ型不小于4 MPa；8 h：早強Ⅱ型不小于4 MPa；24 h：早強Ⅰ型不小于10 MPa、早強Ⅱ型不小于6 MPa、普通型不小于4 MPa；3 d：普通型不小于6 MPa；28 d：早強Ⅰ型不小于10 MPa、早強Ⅱ型不小于10 MPa、普通型不小于10 MPa；56 d與28 d抗折強度比值均不小于1.0豎向膨脹率。3 h為0.1%～2%；24 h與3 h之差為0.02%～0.5% 《海上風電導管架灌漿材料》[93]海上風電三樁、四樁及多樁導管架腿柱與鋼管樁之間灌漿連接所使用的灌漿材料UHPG-80：流動度。初始值不小于290 mm；30 min保留值不小于260 mm；60 min保留值不小于230 mm強度。1 d：抗壓強度不小于30 MPa；3 d：抗壓強度不小于60 MPa；28 d：抗壓強度不小于80 MPa、抗折強度不小于10.0 MPa豎向膨脹率。3 h為0.1%～3.5%；24 h與3 h之差為0.02%～0.5%UHPG-100：流動度。初始值不小于290 mm；30 min保留值不小于260 mm；60 min保留值不小于230 mm強度。1 d：抗壓強度不小于35 MPa；3 d：抗壓強度不小于65 MPa；28 d：抗壓強度不小于100 MPa、抗折強度不小于11.0 MPa豎向膨脹率。3 h為0.1%～3.5%；24 h與3 h之差為0.02%～0.5%UHPG-120：流動度。初始值不小于290 mm；30 min保留值不小于260 mm；60 min保留值不小于230 mm強度。1 d：抗壓強度不小于40 MPa；3 d：抗壓強度不小于70 MPa；28 d：抗壓強度不小于110 MPa、抗折強度不小于12 MPa；56 d：抗壓強度不小于120 MPa、抗折強度不小于12.0 MPa豎向膨脹率。3 h為0.1%～3.5%；24 h與3 h之差為0.02%～0.5%

續表6

標準名稱應用范圍主要性能指標（流動度、強度、膨脹率） 《JGM?-SP系列風機基礎灌漿料》[94]陸地、海上風電場風機和海上升壓站等結構基礎灌漿用的水泥基灌漿材料JGM?-SP101型：流動度。初始值不小于290 mm；30 min保留值不小于260 mm；60 min保留值不小于260 mm強度。1 d：抗壓強度不小于20 MPa、抗折強度不小于5 MPa；3 d：抗壓強度不小于40 MPa、抗折強度不小于6 MPa；28 d：抗壓強度不小于80 MPa、抗折強度不小于10 MPa豎向膨脹率。3 h為0.1%～3.5%；24 h與3 h之差為0.02%～0.5%JGM?-SP201型：流動度。初始值不小于290 mm；30 min保留值不小于260 mm；60 min保留值不小于260 mm強度。1 d：抗壓強度不小于50 MPa、抗折強度不小于10 MPa；3 d：抗壓強度不小于80 MPa、抗折強度不小于15 MPa；28 d：抗壓強度不小于120 MPa抗折強度不小于20 MPa豎向膨脹率。3 h為0.1%～3.5%；24 h與3 h之差為0.02%～0.5%

綜合以上分析可以看出，水泥基灌漿材料的應用領域越來越廣泛，且在能建領域企業標準中呈現出性能指標不斷提高的趨勢，但考慮到不同行業以及不同的應用環境，國家標準的規定通常較行業標準和企業標準規定的要求更低，且十多年來未明顯提升。各標準所規定的不同類型灌漿材料28 d最低抗壓強度總體對比如圖9所示。

圖9 各標準中規定的不同類灌漿材料 28 d抗壓強度最小值的對比

6 總結與展望

水泥基灌漿材料發展至今日趨成熟，在材料制備、理論研究和工程應用等方面都取得了長足的進展；其應用領域在不斷拓寬，性能在不斷提升，產品在持續細分，標準化也逐漸完善，但仍具有廣泛的發展前景。結合全文的分析和討論，對當前水泥基灌漿材料的應用現狀和未來發展，提出如下幾點建議。

1）在產品按性能特征分類及其對應的工程應用方面，水泥基灌漿材料最早應用于冶金、礦山、石化、能源行業的設備、儀器基礎安裝或基建領域的結構加固修復，而后逐漸拓展應用于預應力孔道灌漿、裝配式結構鋼筋灌漿套筒連接、風電結構基礎灌漿連接、新型組合結構、防護工程、地下工程、海洋工程等重要領域。為適應日趨復雜的應用環境、更加嚴苛的荷載條件，水泥基灌漿材料的特殊性能和環境適應性不斷提升，已分化出超高強度、高溫施工及服役、低負溫施工、超高流態、超細縫隙高可注性、高抗分散可水下施工、抗震耐疲勞、精準可控微膨脹高抗裂等特殊優異性能，有力支撐著諸多行業領域對灌漿材料的特殊性能需求。

2）在產業化技術方面，應依據不同地域的地材特點，提高灌漿材料的地材適應性和產品質量穩定性；在超高性能水泥基灌漿材料方面，應努力提高全行業灌漿料生產攪拌設備的技術水平，以提高纖維和超細功能材料的分散均質性；在偏低強度等級、以充填功能為主的應用場景下，應針對性開發可適量應用各類礦冶、城市固廢，具有節材節能、綠色低碳特征的生態型水泥基灌漿材料。

3）基于我國灌漿材料量大面廣的應用實踐，未來一段時間內水泥基灌漿材料性能還將持續分化，應用領域還會持續拓展。今后應注重不斷提升其產品和工程應用的標準化水平，加強原有標準的維護更新和新標準的頒布實施，推進標準工作的國際化進程，以保障行業規范健康、高質量、可持續綠色低碳發展。

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A Review on Applications of Cementitious Grouting Materials

HAN Yudong1XIE Yue1,2YUE Qingrui3LI Wei1PENG Bo1

(1. Central Research Institute of Building and Construction Co., Ltd., MCC Group, Beijing 100088, China; 2. Beijing New Vision Building Construction Technology Co., Ltd., Beijing 100088, China; 3. Research Institute of Urbanization and City Safety, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Because of the significant characteristics of cementitious grouting materials (CGM) include high fluidity, micro expansion, and high strength, it has been widely used in various engineering projects and showing a trend of continuous differentiation in properties. For the development and application of CGM, the development history has been summarized in stages firstly. For the second,the classification of CGM based on its characteristics of properties, application field, and the correlation between each other has been analyzed and summarized systematically. Typical application cases of CGM with different uses were introduced according to its classification by application field. Finally, by combing through the development situation of CGM standardization in China, the future of development and application of CGM is prospected, and several suggestions of research and engineering application were proposed.

cementitious grouting material; characteristic properties; application; classification; standardization

韓宇棟, 謝月, 岳清瑞, 等. 水泥基灌漿材料應用研究評述[J]. 工業建筑, 2024, 54(1): 31-45. HAN Y D, XIE Y, YUE Q R, et al. A Review on Applications of Cementitious Grouting Materials[J]. Industrial Construction, 2024, 54(1): 31-45 (in Chinese).

10.3724/j.gyjz G23073008

*國家自然科學基金資助項目（52178263）；北京市科技新星計劃（Z201100006820024）；中冶集團“181計劃”重大研發項目（CBN2022Kt01）。

韓宇棟，博士，正高級工程師，碩士生導師，主要從事水泥基材料研究。

hanyudong@cribc.com

2023-07-30