灌浆材料改性及加固机制最新进展：物理、化学、复合与环境友好型体系

《Composites and Advanced Materials》：Recent advances in grouting materials and their reinforcement mechanisms

　　

灌浆材料通常为高密度液体，通过有效填充和修复既有建筑体系中的孔隙，在结构加固与密封中发挥关键作用。本文全面综述了物理灌浆材料（physical grouting materials）、化学灌浆材料（chemical grouting materials）、复合灌浆材料（composite grouting materials）及环境友好型灌浆材料（environmentally friendly grouting materials）的最新进展。重点关注物理灌浆材料的改性，包括硅酸盐水泥（silicate cement）、硫铝酸盐水泥（sulfoaluminate cement）和超细水泥基（ultrafine cement-based）变体，这些材料因性能稳健而被广泛使用。其中，超细水泥基浆液（ultrafine cement-based grouts）具有与化学浆液（chemical grouts）相似的注入性能，且无需化学外加剂（chemical additives），展现出显著应用潜力。本文还探讨了化学灌浆材料改性的最新进展，如丙烯酸盐（acrylic salts）、环氧树脂（epoxy resins）和聚氨酯（polyurethanes），这些材料可提供针对特定工程需求的多样化性能，并逐步替代传统水泥基方案。此外，本文综合了关键灌浆加固理论，包括渗透灌浆（permeation grouting）、劈裂灌浆（fracturing grouting）和压实灌浆（compaction grouting），这些理论共同优化灌浆过程的整体效果。最后，本文指出了当前灌浆材料研究中的挑战，并提出了未来发展的有前景方向。

1 引言
灌浆材料通常为高密度液体，通过填充和修复既有建筑体系孔隙实现加固与密封；注入裂缝或地层后扩散、凝胶和固化，形成具一定强度的固结体，用于补缝、加固土体、防渗和减轻变形。其发展经历原始黏土、早期水泥浆液、中期化学浆液和现代灌浆阶段。水泥基浆液因粘结性、无毒、固结强度高、易用和经济而广泛使用，但颗粒大限制细裂缝；化学浆液以真溶液注入，提高强度和防渗。当前转向超细水泥、湿拌水泥和环保化学浆液。浆液性能主要为流动性、强度和膨胀性。本综述文献来自Web of Science、CNKI和Google Scholar等，覆盖2000—2026年成果，从材料导向建立组成、物化性质、传输、固化与应用关联，并关注有机—无机杂化、互穿聚合物网络（interpenetrating polymer networks, IPNs）和废弃物低碳浆液。

2 研究意义
长期灌浆实践中，材料组成与注入机制如何共同决定性能仍不完全清楚。既有研究多集中于经验配比或现场参数，对注入、凝结和长期耐久性的物化作用认识不足。本综述综合物理、化学、复合和环保材料进展，关注颗粒细度、聚合化学和界面现象对渗透率降低、力学完整性和环境相容性的影响，并结合渗透、劈裂和压实灌浆理论建立统一框架。

3 灌浆材料分类
3.1 物理灌浆材料
包括传统黏土基、硅酸盐水泥基、硫铝酸盐水泥基和超细水泥基材料。水泥基材料用于隧道、裂缝密封、路面稳定和土岩加固，具高强度、耐久和较低环境影响，但需平衡流动性与黏度。

3.1.1 传统黏土基灌浆材料
黏土基材料低渗透、稳定、易得、经济。蒙脱石黏土纳米颗粒稀悬浮液可增强低渗透黄土，但强度、黏结力和抗渗压有限。水泥—黏土复合可兼顾强度与环保。湿磨细水泥—黏土浆液（WFCCS）中黏土提高稳定性但降低流动性和抗压强度，黏土与水泥比1:3较优；加砂可提高黏度和初始屈服应力。

3.1.2 硅酸盐水泥灌浆材料
由水泥、外加剂和矿物掺合料加工，加水形成浆液。膨润土降低渗水但降低强度；硅酸钠和碳酸钠降低渗水，硅酸钠缩短凝结时间；三乙醇胺降低表面张力。水泥—硅酸钠改性浆液可形成三维网络，提高稳定性、早期强度和抗渗性；SJP外加剂使最终抗压强度提高15%—25%。环保水泥—膨润土硬化材料（HCBGM）具良好流动性、稳定性和抗侵蚀性。粉煤灰影响取决于类别、颗粒、替代率和养护；F类CaO较低，C类较高；球形颗粒改善流动性，未燃碳和烧失量（LOI）增加黏度；适量提高长期强度，过量降低早期强度。耐久性涉及硫酸盐、氯离子和水侵蚀，矿物掺合料可细化孔结构。

3.1.3 硫铝酸盐水泥灌浆材料
针对硅酸盐水泥早强低、耐久差和流动性不足。传统体系基于3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄、2CaO·SiO₂、CaSO₄·2H₂O和H₂O，水化形成CaO·SiO₂·H₂O相和致密网络。后期强度发展慢，有时倒缩。复合灌浆材料（CGM）结合硫铝酸盐水泥、熟料、钢渣、硫酸钙和羟丙基甲基纤维素，耐腐蚀和高抗压，但高水灰比下防腐下降；粉煤灰改善流动性和抗压强度。硅酸盐与硫铝酸盐双液混合可优化凝结时间、强度和抗腐蚀性。耐久性来自钙矾石和含铝水化产物，但过量钙矾石可能体积不稳定。

3.1.4 超细水泥灌浆材料
由湿磨预混普通水泥浆制得，粒径约4—10 μm。改善流动性、注入性、稳定性、抗压强度和抗渗性，且无化学污染物。水富砂层超细水泥浆（EMCG）具较好密封加固效果；少量掺入普通水泥可提高堆积密度、水膜厚度和流变性。干砂中渗透性高，饱和砂中渗透不均匀。挑战为湿磨工艺和设备不成熟，需大型设备与现场优化。

3.2 化学灌浆材料
通常为真溶液，克服水泥基在细裂缝和低渗透地层注入性差、延性低的问题，包括硅酸钠、丙烯酸盐、环氧树脂、聚氨酯和多组分树脂。优势为注入性好、施工快；注入性受亲和力、黏度和凝胶时间影响。

3.2.1 无机化学灌浆材料
硅酸钠来源广、成本低、环境安全，低黏度、注入性好、凝结快。碳酸氢钠（NaHCO₃）可催化硅酸钠溶胶—凝胶转变，凝胶时间主要取决于催化剂量；戊二醛作胶凝剂时，增加其含量可缩短凝胶时间并提高抗压强度和耐久性。局限为凝胶时间短、强度低和稳定性差。

3.2.2 有机化学灌浆材料
有机聚合物作为黏结剂，固化后粘结颗粒，用于稳定土岩、降低渗透、减少变形和提高承载力。

3.2.2.1 丙烯酸盐类灌浆材料：丙烯酸盐（AC）低黏度、注入性好、抗渗和耐老化，凝胶时间可控，适合微裂缝和渗漏，但耐久、成本和水中固化受限。镁丙烯酸盐可形成三维网络；锂基膨润土（Li-B）改性可提高抗冲刷、水分散、抗渗和强度；丙烯酸树脂—水泥复合可形成三维网络。

3.2.2.2 环氧树脂类灌浆材料：环氧树脂（EP）耐热、化学稳定、粘结强、收缩低、耐腐蚀，适合混凝土和岩石裂缝修复，但高黏度限制注入。六亚甲基二异氰酸酯（HDI）共聚改性环氧树脂（HDI/EP）提高韧性，断裂伸长率达124%；丙酮—1,6-己二醇二缩水甘油醚（RDDF）和丙酮—三羟乙基丙烷缩水甘油醚（RDTF）降低黏度和脆性。有机溶剂带来环境问题，长期耐久来自高度交联网络，但脆性仍限制重复荷载。

3.2.2.3 聚氨酯类灌浆材料：聚氨酯具软硬段，固化后硬度高、化学惰性；高压注入时-NCO与水反应生成CO₂，产生膨胀和渗透。油性聚氨酯强度高、粘结好；水玻璃改性形成无机—有机互穿网络，提高抗压并降低成本。水性聚氨酯亲水、分散好、黏度低、渗透强，与水泥合形成弹性凝胶；羟丙基甲基纤维素改性可提高扩散距离、密封面积、密实度、粘结和抗冲刷性。耐久性与弹性网络和耐水性有关，但长期老化仍为挑战。

3.3 复合灌浆材料
整合无机水化产物与有机聚合物网络，通过互穿聚合物网络（IPNs）、有机—无机杂化和多尺度孔隙填充优化注入性、强度、柔韧性、粘结和耐久性。水泥—化学复合中，水泥形成骨架填充大孔，化学浆液渗透微裂缝。环氧树脂改性水泥时，Ca²⁺与-OH形成网络，降低渗透并提高强度，但过多环氧增加脆性。聚氨酯/水玻璃可形成三维互穿网络，兼具柔韧性和裂缝修复能力；水性聚氨酯—环氧树脂与超细水泥复合可提高抗压并保持渗透和密封。

3.4 纳米改性灌浆材料
纳米材料具高比表面积和活性位点，可调控水化、孔结构和界面作用。常见纳米二氧化硅（NS）、纳米黏土、碳纳米管（CNTs）和石墨烯基材料。NS通过火山灰活性和纳米填充促进C–S–H生成，提高强度、粘结和耐久，但过量增加黏度；纳米黏土提高悬浮稳定性和抗渗；CNTs桥接微裂缝，氧化石墨烯（GO）吸附Ca²⁺并提供成核位点，构建增强网络。NS/GO杂化可协同调节水化、减少泌水、细化孔结构。挑战为团聚、分散、黏度、成本和大规模分散。

3.5 绿色灌浆材料
绿色灌浆材料强调全生命周期环境友好。生物胶结反应较慢，有利于调控凝胶时间。普通硅酸盐水泥、微水泥、生物灌浆材料和硅酸钠混合时，含30%生物灌浆材料者单轴强度提高约30%，并减少水泥用量和CO₂排放。碱激发矿渣/粉煤灰灌浆材料（AASFGM）利用粒化高炉矿渣（GGBS）和粉煤灰（FA），具清洁生产、高强度、良好流动性、低渗透和低孔隙。废轮胎橡胶颗粒与粉煤灰、黏土和纳米二氧化硅可制备地板加固灌浆材料，提高抗压和抗剪强度。挑战为性能稳定性、成本和大规模适用性。

4 灌浆加固机制
4.1 渗透灌浆机制
在控制压力下将低黏度、高强浆液注入颗粒孔隙，不破坏砂层，浆液填充、穿透并排出自由水和空气，固化后粘结颗粒，提高强度和抗渗性。扩散半径受注浆压力最大影响，水灰比控制范围；颗粒尺寸与孔径比决定渗透效果。微观上受流变性、粒径分布和孔隙结构控制，是流体传输、颗粒沉积、化学固化和微结构演化耦合过程。

4.2 压实灌浆机制
通过钻孔置管注入高浓度浆液，压密土体、填充孔隙和密实松散层。要求泵送性、可控性、凝结时间和强度，常与渗透灌浆结合。其依靠浆液与土体机械作用，高黏度和有限流动性形成浆泡，产生径向应力并引起土体位移和密实，效果受浆液刚度、屈服应力、注浆压力和体积稳定性控制。

4.3 劈裂灌浆机制
以高压克服抗拉强度和初始应力，诱发裂缝并扩展或产生新裂缝，提高低渗透地基渗透性和扩散距离。灌浆脉包括主灌浆脉、分支灌浆脉和渗透灌浆脉。该过程为水力—机械耦合断裂过程，浆脉作为加固骨架传递应力并提高承载力，长期耐久取决于浆液微结构、环境暴露和应力。

5 关系与适用工程条件
性能取决于浆液特性、注入行为、加固机制和地质条件的兼容性。关键参数包括粒径分布、黏度、屈服应力、凝胶动力学、粘结能力和体积膨胀性。低黏度、小粒径和低屈服应力浆液适合渗透灌浆；压实灌浆需较高屈服应力和结构稳定性；劈裂灌浆需粘聚强度、抗裂性和可控凝结。硅酸钠和丙烯酸盐适合细裂缝渗透密封；聚氨酯适合大空隙和动水密封；环氧树脂适合结构裂缝修复；复合灌浆整合颗粒填充、化学粘结和聚合物网络。

5.1 代表性灌浆材料比较分析
水泥基依赖颗粒堆积和水化，化学浆液依赖分子扩散、聚合、凝胶或膨胀填充。硅酸盐水泥浆粒径约30—50 μm，早期强度中等、28 d强度高，成本低但碳排放高；超细水泥粒径4—10 μm，注入性和长期强度改善，渗透极低且无有毒添加剂；硫铝酸盐水泥高早强和耐久；硅酸钠和丙烯酸盐为低黏度分子级体系，凝胶可调但强度和耐久有限；环氧树脂粘结强但注入性受限；聚氨酯具膨胀和弹性密封优势但存在安全与成本问题；复合和绿色灌浆可平衡注入性、强度、耐久性和可持续性。

5.2 先进灌浆体系的选择策略
选择应从强度导向转向机制导向。渗透灌浆要求低黏度、低屈服应力和合适粒径；压实灌浆要求足够屈服应力、结构完整性和体积稳定性；劈裂灌浆要求粘聚强度、可控固化动力学和抗变形能力。未来应建立材料参数、微结构演化与加固效果定量关系，并结合扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、流变分析和多尺度建模。

6 结论、挑战与未来展望
6.1 结论
灌浆材料用于填充孔隙、加固、防漏和提高地基承载力，需良好流动性、足够强度和长期耐久性，分为物理、化学、复合和环保灌浆材料。水泥基适合常规灌浆；化学灌浆性能多样；复合可整合优势；环保材料符合绿色化学。实际机制包括渗透、压实和劈裂。

6.2 挑战
流动性关键，但过高导致泌水。需平衡流动性、渗透性、耐久性和强度。凝结时间控制不完善，过短限制工作期，过长易被冲刷流失。灌浆机制理论框架仍不足。

6.3 未来展望
发展多功能、可持续和智能灌浆体系；纳米结构材料改善注入性、强度和耐久性，但需解决分散和构效关系；低碳材料利用工业副产品、地聚合物、碱激发和生物组分，并评估全生命周期影响；自修复材料通过微胶囊、矿物修复剂、可逆聚合物网络或微生物矿化实现；人工智能（AI）辅助设计加速配方开发；研究硫酸盐、氯离子、冻融、化学腐蚀和长期荷载下耐久性，并采用SEM-EDS、XRD、FTIR、核磁共振（NMR）、微计算机断层扫描（micro-CT）和流变分析揭示多尺度演化。