第五节常用无机注浆材料讲课教案.docx

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第五节常用无机注浆材料讲课教案

第五节常用无机注浆材料

一、水泥浆材

           水泥作为注浆材料具有强度高、耐久性好、无毒、材料来源广、价格低廉等优点。

它是使用最早、应用最广的注浆材料之一，一般注浆施工优先选用普通水泥。

在细裂隙和微孔地层中，其可灌性虽不如化学浆材好，但若采用劈裂灌浆原理，则不少弱透水地层都可用水泥浆进行有效的加固。

因此，水泥浆在国内外灌浆工程中一直是用途最广和用量最大的浆材。

以水泥为主包括添加一定量的外加剂，用水配制成浆液，采用单液方式注入，这样的浆液称为单液水泥浆。

所谓外加剂，系指水泥的早强剂、速凝早强剂、塑化剂、悬浮剂等。

1．纯水泥浆的基本性能

           所谓纯水泥浆是指不包括附加剂，只有水泥和水调制而成的浆液，在室内做了有关纯水泥浆性能的试验，其结果见表8-4。

从试验结果可以看出，随着水灰比的增大，水泥浆的粘度、密度、结石率、抗压强度等都有十分明显的降低，初凝、终凝时间逐步延长。

2．外加剂

         为了满足实际工程需要，一般都要加入外加剂来调节水泥浆的性能。

（1）水泥的速凝剂它是一种能够缩短水泥凝固时间的化学药剂。

水泥速凝剂的种类很多，有氯化钙、食盐、水玻璃、纯碱、石膏、硫酸钠、碳酸钾、漂白粉等。

复合特效速凝剂有红星一号、阳泉Ⅰ形和“711”型速凝剂。

在一般情况下，水泥浆还是采用古老的办法，即是在水泥浆中加入占水泥重量5%以下的氯化钙或占水泥重量3%以下的水玻璃（水玻璃也是一种常用的速凝剂，加入量为2%～3%时，凝固期可缩短30%～40%。

但如果加入量少于2%，则有延长初凝时间的作用），其作用原理见前面有关章节，这里不再赘述。

在此只列出几种外加剂的试验效果，见表8-5。

“711”型速凝剂起速凝作用的主要成分是铝酸钠，它是氧化铝与碳酸钠在高温作用下的产物。

掺有“711”型速凝剂的水泥净浆性能见表8-6。

（2）水泥的速凝早强剂为了控制水泥浆的扩散范围，缩短注浆工程的时间和提高注浆堵水效果，加入速凝早强剂将起到很好的效果。

一般水泥的速凝早强剂是复合附加剂，品种如水玻璃、三乙醇胺加氯化钠及二水石膏加氯化钙等，其对浆液的影响见表8-7。

三乙醇胺可用与二乙醇胺混合液代替，成本可大大降低。

（3）水泥的分散剂和悬浮剂纯水泥浆由水和水泥按一定的比例混合而成，常用的水灰比变化在0.5∶1～5∶1之间，高水灰比仅对提高浆液的可灌性有利，而对岩土加固意义不大。

为了降低水泥浆的粘度，提高浆液的流动性，增加浆液的可注性，往往要加入分散剂。

另外单液水泥浆易沉淀析水，为了使水泥颗粒能较长时间悬浮于水中，就需要加入悬浮剂。

实际上分散剂跟悬浮剂很难严格区别开来，有些药剂加入水泥浆之后，既能起到分散作用，又能起到悬浮作用。

悬浮剂有膨润土、高塑粘土。

分散剂（塑化剂）常用亚硫酸盐纸浆废液、食糖、硫化钠等，以增加浆液的可注性。

其作用机理见前面有关章节。

（4）水泥的其他外加剂根据工程需要，往往在水泥浆中加入其他一些外加剂，如缓凝剂、流动剂、加气剂、膨胀剂、防析水剂等（表8-8），以满足注浆工程的特殊需要，值得注意的是由于具体使用的水泥品种和牌号、出厂日期以及各种添加剂的质量不尽相同，故使用之前应根据施工条件的具体情况，先进行小型实验，以确定切实可行的配方。

           灌浆工程中最常用的是普通硅酸盐水泥，有时也采用矿碴硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥等。

火山灰与高炉矿碴一样，其本身只有很小的或者没有胶凝性质，但在细分散状态下却能与水泥浆中的游离石灰进行化学作用，生成一种稳定的能产生强度的新化合物，其反应式如下所示：

Ca（OH）2+SiO2+（n-1）H2O→CaO·SiO2+H2O

          但要注意，这些水泥的早期强度较低，凝结速度较慢，而且这些外加材料的比重较小，活性较低，在灌浆过程中可能被分离而单独沉积在一起，从而失去上述方程的反应条件，使浆液长时间不硬结，在采用较稀浆液时更容易出现此类现象。

        值得一提的是普通的水泥浆因其颗粒相对较粗，其渗入能力受到限制，一般只能灌注大于0.2～0.3mm的裂缝或孔隙，许多情况下不得不求助于昂贵的化学灌浆材料去解决水泥浆不能灌注的微细缝隙，有些化学灌浆材料还存在环境污染问题。

           日本率先用干磨法制成d50为4μm，比表面积约8000cm2/g的MC超细水泥，可灌入渗透系数为10-3cm/s的中细砂层。

后由我国水科院研制出水平相近的SK型超细水泥，并在二滩水电站坝基中试用成功。

浙江大学等单位研制出更细的CX型超细水泥，其d50为3～4μm，已在新安江大坝等灌浆工程中成功地应用。

此外，日本后来又用湿磨法制成d50为3μm的超细水泥。

法国则用去除水泥中较大颗粒的办法制成颗粒小于10μm的“微溶胶”浆液，解决了一些工程难题。

            超细水泥除生产方法比较复杂和造价较高外，在技术上还存在一个不容忽视的问题，即这种水泥由于细度高和比表面积大，配制成流动性较好的浆液需水量较大，保水性又很强，把这种浆液灌入地层后将因多余水分不易排除而使结石强度显著降低。

解决这一矛盾的办法是采用较小的水灰比并用高效减水剂改善浆液的流动性。

二、粘土水泥浆

           粘土是含水的铝硅酸盐，其矿物成分主要为高岭石、蒙脱石及伊利石。

膨润土是一种水化能力极强、膨胀性大和分散性很高的活性粘土，在国内外工程中被广泛采用。

根据施工目的和要求的不同，粘土可看作是水泥浆的附加剂如悬浮剂，掺用量较少，主要用来改善水泥浆的稳定性，对其他性能影响甚微；也可当作灌浆材料使用，掺入量有时比水泥量还要多，故单列为一类，称为水泥粘土类浆液。

作为主材料使用则将对浆液的物理力学性质产生重大的影响。

        粘土作为灌浆材料具有悠久的历史，目前仍大量用于大坝的灌浆。

在水泥浆中加粘土或粘土中加水泥配制的粘土水泥浆兼有粘土浆和水泥浆的优点：

成本低，流动性好，稳定性高，抗渗和抗冲刷力强，是目前大坝防渗灌浆和充填灌浆常用的材料。

同时，水泥中加入部分粘土，使得所配置的水泥浆具有很强的触变性，称为胶质水泥。

在水泥中加入粘土后，能够显著降低析水现象，提高结石率，水泥石的不透水性也相应提高。

缓凝时间略有延长，抗压强度稍有降低。

但由于胶质水泥浆具有很大的静切力，侵入裂隙不能很深，所以是堵塞裂隙，降低注浆范围的好材料。

配置胶质水泥浆时，可在水泥中加入15%以内的粘土，可以均匀加入粉状粘土，也可以用含土量相等的泥浆直接配制。

            粘土水泥浆的性能取决于浆液中的水泥、粘土和水的用量，一般规律如下：

粘度随水灰比的增大而降低，相同水灰比的浆液，粘土用量越多，粘度越大，凝结时间愈长，结石率越高，浆液稳定性越好，但强度降低。

1、水泥粘土类浆液的性能

            水泥粘土类浆液的配比、用量及性能如表8-9所示。

2、水泥粘土类浆液的配制

          配制水泥粘土类浆液时，其搅拌时间不应超过半小时，如果再延长搅拌时间，会使结构强度下降，塑性强度降低。

3、水泥粘土类浆液的特点

（1）水泥粘土类浆液较单液水泥浆液成本低，流动性好，抗渗性强，结石率高；

（2）水泥粘土类浆液的抗压强度因配方不同有所差异，一般情况下为5～10MPa，相比单液水泥浆有所下降，只适用于充填注浆；

（3）浆液材料来源丰富，价格低廉，采用单液注入工艺，设备简单，操作方便；

（4）浆液无毒性，对地下水和环境无污染，较之使用化学药剂为添加剂的浆液更安全。

三、水泥-水玻璃类浆液

         水泥浆中加入水玻璃有两个作用，一是作为速凝剂使用，掺量较少，约占水泥重的3%～5%；另一是作为主材料使用，掺量较多，即是将要讨论的水泥-水玻璃浆液，俗称CS浆液（C代表水泥，S代表水玻璃）。

CS浆液克服了水泥浆液凝胶时间长，难以控制，注入地层后易被地下水稀释，无法保持其原有凝胶化性能的缺陷。

CS浆液的出现是水泥注浆的大发展，提高了效果，扩大了适用范围。

            这种浆液不仅具备水泥浆的全部优点，而且兼备化学浆液的某些优越性，例如凝胶时间快，可以从几秒到几十分钟内准确控制，结石率高达95%～98%，可用于防渗和加固灌浆，在地下水流速较大的地层中，采用这种混合型浆材还可达到快速堵漏的目的。

结石体强度高，特别是早期（1d、3d、7d）强度高，抗压强度增长率快。

可灌性也明显提高，除在基岩裂隙和较大含水层中使用外，还能在中粗砂中灌注。

水泥水玻璃浆材的可灌性介于水泥和水玻璃之间，材料来源丰富，价格相对较低，对地下水和环境无污染。

1．浆液材料

         CS浆液主要由水玻璃和水泥组成。

水泥-水玻璃浆液的强度随水泥浆浓度的增加而增加。

当使用浓水泥浆时（如水灰比0.5），随水玻璃浓度增加，抗压强度提高。

在使用稀水泥浆时（水灰比1.5），由于水泥与水玻璃化学反应存在适宜配合比，因此相应地使用低浓度水玻璃溶液也能得到较高的抗压强度，若使用高浓度水玻璃溶液反而降低抗压强度。

水泥浆与水玻璃体积比也影响抗压强度。

由于两者进行化学反应时有一个适宜的配合比，在这个条件下，反应完全，凝胶时间短，抗压强度高。

            为了更好地满足施工需要，水泥-水玻璃浆液还可以加入速凝剂或缓凝剂，调节它的凝胶时间。

白灰是一种便宜而效果显著的速凝剂，一般加入量不超过15%。

磷酸氢二钠缓凝效果也较好，试验表明，其用量低于1%时，缓凝效果不显著，大于3%时则明显地降低结石体强度，其用量一般不超过3%。

             水泥用高标号的普通硅酸盐水泥，也可用矿渣水泥和火山灰硅酸盐水泥，但效果不如普通硅酸盐水泥好。

水泥浆的水灰比一般也在0.5～2.0之间，常用的是0.8～1.0。

         水玻璃又称泡花碱（Na2O·nSiO2），注浆用的水玻璃通常是碱性水玻璃，模数和浓度是描述水玻璃的两个重要参数。

            模数M为：

                                      （8-5）

           模数大小对注浆影响很大，模数小，二氧化硅含量低，凝胶慢，结石体强度低；模数大，则二氧化硅含量高，凝胶快，结石体强度高。

一般注浆要求水玻璃模数M=2.4～3.4较为适宜。

            水玻璃浓度，通常用波美度，代号为°Be表示。

它与常用的浓度表示方法（比重d）之间存在如下的关系：

                                                     （8-6）

             一般使用的水玻璃浓度在30～45°Be。

浓度越高，凝胶时间越长。

反之，浓度越低，凝胶时间越短。

水玻璃产品有固体或液体两种，可配水调制成溶液。

              综合各地的实践经验，水泥-水玻璃的适宜配方大体为：

水泥浆的水灰比为0.8∶1～1∶1，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.6～1∶0.8。

水玻璃的M值为2.4～2.8，波美度30～45。

这些配方的凝结时间约1～2min，抗压强度变化在10～20MPa之间。

2．CS浆液反应机理

             前已述及，水泥的凝结和硬化，主要是水泥水化析出凝胶性的胶体物质所引起的，在硅酸三钙水化过程中产生氢氧化钙。

当水玻璃加入，水玻璃与新生成的氢氧化钙反应，生成具有一定强度的凝胶体——水化硅酸钙。

          随着氢氧化钙的逐渐生成，氢氧化钙与水玻璃之间的反应连续进行。

而后者反应较快，胶质体越来越多，强度亦随之增高。

故CS浆液的强度，初期为水玻璃与氢氧化钙的反应起主要作用，后期则为水泥本身的水化作用。

           因水泥水化过程只有硅酸三钙生成氢氧化钙，水玻璃过多，会冲稀整个体系，以致强度下降，因此过量无益有害。

水玻璃的物理、化学性质至今尚不清楚，水泥与水玻璃间的化学反应机理各国说法纷纭。

上述仅是一种分析。

            根据注浆工程的需要及水泥-水玻璃浆液的特点，凝胶时间和抗压强度是水泥-水玻璃双液注浆技术的基本性能，一般都注重浆液的凝胶时间和抗压强度这两种性能。

影响这两种性能的因素很多，下面分别讨论。

（1）凝胶时间凝胶时间是指水泥浆与水玻璃相混合时起至浆液不能流动为止的这段时间，水泥-水玻璃类浆液的凝固时间可以从几秒钟到几十分钟内准确控制，影响其凝胶时间的因素有水泥品种、水泥浆浓度、水玻璃浓度、水泥浆与水玻璃体积比及浆液温度等，

           一般来说水泥浆越浓，反应越快；而水玻璃则是越稀反应越快。

当其他条件相同时，水泥浆与水玻璃的体积比从1∶0.3～1∶1的范围内亦呈直线关系，即随水玻璃用量减小，凝胶时间缩短。

（2）抗压强度CS浆液结石体的强度高，尤其是早期强度高且增长快。

影响结石体强度的因素，基本上与影响凝胶时间因素相同。

对于这类浆材，决定结石强度大小的关键因素仍然是水泥浆的浓度，水玻璃则是促使浆液早凝的因素。

但应注意，并不是所用的水玻璃越多，浆液凝结就越快，在某些情况下却呈现相反的规律。

3．水泥-水玻璃浆液的配制与灌注

           配制水泥-水玻璃浆液时，应分别进行水泥浆的配制和水玻璃的稀释，特别是当使用缓凝剂时，必须注意加料顺序、搅拌及放置时间。

加料顺序为：

水→缓凝剂溶液→水泥，搅拌时间应不少于5min，放置时间不宜超过3min，灌注时，将水泥、水玻璃分别配成两种浆液并按一定的比例用两台泵或一台双缸独立分开的泵同时注入，即采用双液方式注入。

4．水泥-水玻璃浆液的特点

（1）浆液可控性好，凝胶时间可准确控制在几秒至几十分钟的范围内；

（2）浆液结石体强度高，可达10～20MPa；

（3）浆液的结石率高，可达100%；

（4）结石体的渗透系数小，为10-3cm/s；

（5）该浆液适宜于0.2mm以上裂隙及1mm以上粒径的砂层使用；

（6）材料来源丰富，价格便宜，浆液对地下水和环境无污染。

四、硅酸盐浆材

           水玻璃（Na2O·nSiO2）是水溶性的碱金属硅酸盐。

向水玻璃中加入酸、酸性盐和一些有机化合物都能在体系中产生大量成胶体状态的硅酸。

这是水玻璃凝胶的基本原理。

        水玻璃类浆液反应机理，可归纳如下：

            化学浆液方面，目前世界各国大力研究可注性好、注浆效果好、强度大、价廉源广的不污染环境的注浆材料。

水玻璃类浆液由于水玻璃本身来源丰富，价格低廉，污染较小，再加上各种新型固化剂的不断出现，使水玻璃浆液性能不断改善，是配制新浆液的一个方向。

             硅酸盐属于溶液型化学浆材，是一种重要的灌浆材料，具有可灌性好、价格低廉、货源充足、无毒和凝结时间可调节到几秒至几小时等优点，应用十分广泛，随着国际上日益讲求无公害施工，水玻璃类浆液将成为有实用价值的化学注浆材料。

日本关西地区曾发生过震惊世界的因使用丙烯酰胺浆液而引起的化学灌浆污染事故，日本政府于1974年颁布了使用化学灌浆材料的有关规定，规定中明令禁止使用除水玻璃以外的其他任何化学浆材。

           硅酸盐浆材以含水硅酸钠（又称水玻璃）为主剂，另加入胶凝剂反应生成凝胶。

             胶凝剂的品种多，大体可分为盐、酸和有机物等几类，有些胶凝剂与硅酸盐的反应速度很快，例如氧化钙、磷酸和硫酸铝等，它们和主剂必须在不同的灌浆管或不同的时间内分别灌注，故被称为双液注浆法；另一些胶凝剂如盐酸、碳酸氢钠和铝酸钠等与硅酸钠的反应速度则较缓慢，因而主剂与胶凝剂能在注浆前预先混合起来注入同一钻孔中，故被称为单液注浆法或一步法。

             目前，我国应用水玻璃类材料比较成熟的有水玻璃-氯化钙和水玻璃-铝酸钠两种浆液。

这些浆液多用于地基加固，建筑和铁道部门。

硅酸盐浆材的主要性质见表8-10。

第五节常用无机注浆材料

一、水泥浆材

           水泥作为注浆材料具有强度高、耐久性好、无毒、材料来源广、价格低廉等优点。

它是使用最早、应用最广的注浆材料之一，一般注浆施工优先选用普通水泥。

在细裂隙和微孔地层中，其可灌性虽不如化学浆材好，但若采用劈裂灌浆原理，则不少弱透水地层都可用水泥浆进行有效的加固。

因此，水泥浆在国内外灌浆工程中一直是用途最广和用量最大的浆材。

以水泥为主包括添加一定量的外加剂，用水配制成浆液，采用单液方式注入，这样的浆液称为单液水泥浆。

所谓外加剂，系指水泥的早强剂、速凝早强剂、塑化剂、悬浮剂等。

1．纯水泥浆的基本性能

           所谓纯水泥浆是指不包括附加剂，只有水泥和水调制而成的浆液，在室内做了有关纯水泥浆性能的试验，其结果见表8-4。

从试验结果可以看出，随着水灰比的增大，水泥浆的粘度、密度、结石率、抗压强度等都有十分明显的降低，初凝、终凝时间逐步延长。

2．外加剂

         为了满足实际工程需要，一般都要加入外加剂来调节水泥浆的性能。

（1）水泥的速凝剂它是一种能够缩短水泥凝固时间的化学药剂。

水泥速凝剂的种类很多，有氯化钙、食盐、水玻璃、纯碱、石膏、硫酸钠、碳酸钾、漂白粉等。

复合特效速凝剂有红星一号、阳泉Ⅰ形和“711”型速凝剂。

在一般情况下，水泥浆还是采用古老的办法，即是在水泥浆中加入占水泥重量5%以下的氯化钙或占水泥重量3%以下的水玻璃（水玻璃也是一种常用的速凝剂，加入量为2%～3%时，凝固期可缩短30%～40%。

但如果加入量少于2%，则有延长初凝时间的作用），其作用原理见前面有关章节，这里不再赘述。

在此只列出几种外加剂的试验效果，见表8-5。

“711”型速凝剂起速凝作用的主要成分是铝酸钠，它是氧化铝与碳酸钠在高温作用下的产物。

掺有“711”型速凝剂的水泥净浆性能见表8-6。

（2）水泥的速凝早强剂为了控制水泥浆的扩散范围，缩短注浆工程的时间和提高注浆堵水效果，加入速凝早强剂将起到很好的效果。

一般水泥的速凝早强剂是复合附加剂，品种如水玻璃、三乙醇胺加氯化钠及二水石膏加氯化钙等，其对浆液的影响见表8-7。

三乙醇胺可用与二乙醇胺混合液代替，成本可大大降低。

（3）水泥的分散剂和悬浮剂纯水泥浆由水和水泥按一定的比例混合而成，常用的水灰比变化在0.5∶1～5∶1之间，高水灰比仅对提高浆液的可灌性有利，而对岩土加固意义不大。

为了降低水泥浆的粘度，提高浆液的流动性，增加浆液的可注性，往往要加入分散剂。

另外单液水泥浆易沉淀析水，为了使水泥颗粒能较长时间悬浮于水中，就需要加入悬浮剂。

实际上分散剂跟悬浮剂很难严格区别开来，有些药剂加入水泥浆之后，既能起到分散作用，又能起到悬浮作用。

悬浮剂有膨润土、高塑粘土。

分散剂（塑化剂）常用亚硫酸盐纸浆废液、食糖、硫化钠等，以增加浆液的可注性。

其作用机理见前面有关章节。

（4）水泥的其他外加剂根据工程需要，往往在水泥浆中加入其他一些外加剂，如缓凝剂、流动剂、加气剂、膨胀剂、防析水剂等（表8-8），以满足注浆工程的特殊需要，值得注意的是由于具体使用的水泥品种和牌号、出厂日期以及各种添加剂的质量不尽相同，故使用之前应根据施工条件的具体情况，先进行小型实验，以确定切实可行的配方。

           灌浆工程中最常用的是普通硅酸盐水泥，有时也采用矿碴硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥等。

火山灰与高炉矿碴一样，其本身只有很小的或者没有胶凝性质，但在细分散状态下却能与水泥浆中的游离石灰进行化学作用，生成一种稳定的能产生强度的新化合物，其反应式如下所示：

Ca（OH）2+SiO2+（n-1）H2O→CaO·SiO2+H2O

          但要注意，这些水泥的早期强度较低，凝结速度较慢，而且这些外加材料的比重较小，活性较低，在灌浆过程中可能被分离而单独沉积在一起，从而失去上述方程的反应条件，使浆液长时间不硬结，在采用较稀浆液时更容易出现此类现象。

        值得一提的是普通的水泥浆因其颗粒相对较粗，其渗入能力受到限制，一般只能灌注大于0.2～0.3mm的裂缝或孔隙，许多情况下不得不求助于昂贵的化学灌浆材料去解决水泥浆不能灌注的微细缝隙，有些化学灌浆材料还存在环境污染问题。

           日本率先用干磨法制成d50为4μm，比表面积约8000cm2/g的MC超细水泥，可灌入渗透系数为10-3cm/s的中细砂层。

后由我国水科院研制出水平相近的SK型超细水泥，并在二滩水电站坝基中试用成功。

浙江大学等单位研制出更细的CX型超细水泥，其d50为3～4μm，已在新安江大坝等灌浆工程中成功地应用。

此外，日本后来又用湿磨法制成d50为3μm的超细水泥。

法国则用去除水泥中较大颗粒的办法制成颗粒小于10μm的“微溶胶”浆液，解决了一些工程难题。

            超细水泥除生产方法比较复杂和造价较高外，在技术上还存在一个不容忽视的问题，即这种水泥由于细度高和比表面积大，配制成流动性较好的浆液需水量较大，保水性又很强，把这种浆液灌入地层后将因多余水分不易排除而使结石强度显著降低。

解决这一矛盾的办法是采用较小的水灰比并用高效减水剂改善浆液的流动性。

二、粘土水泥浆

           粘土是含水的铝硅酸盐，其矿物成分主要为高岭石、蒙脱石及伊利石。

膨润土是一种水化能力极强、膨胀性大和分散性很高的活性粘土，在国内外工程中被广泛采用。

根据施工目的和要求的不同，粘土可看作是水泥浆的附加剂如悬浮剂，掺用量较少，主要用来改善水泥浆的稳定性，对其他性能影响甚微；也可当作灌浆材料使用，掺入量有时比水泥量还要多，故单列为一类，称为水泥粘土类浆液。

作为主材料使用则将对浆液的物理力学性质产生重大的影响。

        粘土作为灌浆材料具有悠久的历史，目前仍大量用于大坝的灌浆。

在水泥浆中加粘土或粘土中加水泥配制的粘土水泥浆兼有粘土浆和水泥浆的优点：

成本低，流动性好，稳定性高，抗渗和抗冲刷力强，是目前大坝防渗灌浆和充填灌浆常用的材料。

同时，水泥中加入部分粘土，使得所配置的水泥浆具有很强的触变性，称为胶质水泥。

在水泥中加入粘土后，能够显著降低析水现象，提高结石率，水泥石的不透水性也相应提高。

缓凝时间略有延长，抗压强度稍有降低。

但由于