水玻璃濃度與澆注砂土強(qiáng)度關(guān)系

田雪晶，劉廷權(quán)，高曉巖，王碩

(河北聯(lián)合大學(xué)河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

0 引言

2011年3月11日，日本發(fā)生里氏9.0級(jí)大地震，造成嚴(yán)重的核泄漏，最終用水玻璃進(jìn)行封堵，取得了顯著的成效。水玻璃的應(yīng)用十分廣泛，如表1所示。其中，日本在建筑方面的需求量占總產(chǎn)量的三分之一，目前我國(guó)在建筑方面的用量較少，對(duì)于水玻璃性能相應(yīng)的研究也很少，許多應(yīng)用技術(shù)尚待開發(fā)。因此大力開發(fā)和推廣使用水玻璃對(duì)我國(guó)建筑業(yè)的振興與發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

表1 美、英、日等國(guó)水玻璃用途的消耗比例(%)

1 實(shí)驗(yàn)材料及性質(zhì)

(1)水玻璃

水玻璃俗稱泡花堿，分子式為Na2O·nSiO2。其中，系數(shù)n稱為水玻璃模數(shù)，代表SiO2和Na2O的物質(zhì)的量的比，n值越大，水玻璃的粘性和強(qiáng)度越高，但在水中的溶解能力下降，只能溶于熱水中，給應(yīng)用帶來(lái)麻煩。當(dāng)n大于3.0時(shí)，要在4atm以上的蒸汽中才能溶解。n值越小，水玻璃的粘性和強(qiáng)度越低，越易溶于水，故土木工程中常用模數(shù)n為2.6～2.8，既易溶于水又有較高強(qiáng)度的水玻璃。而實(shí)際生產(chǎn)的水玻璃模數(shù)一般在2.4～3.3 之間。

水玻璃的濃度一般用密度來(lái)表示。水玻璃在水溶液中的含量(或稱濃度)常用密度ρ或者波美度Be表示，兩者的關(guān)系為:

水玻璃密度越大，水玻璃含量越高、粘度越大。土木工程中常用水玻璃的密度一般為1.36～1.50 g/cm3，經(jīng)上式換算，得出波美度范圍為38.4～48.3Be。本研究選用Be為35.2、41.2和46三個(gè)濃度，查波美度表可得水玻璃溶液的百分?jǐn)?shù)分別為30%、36%、41%［2］。

水玻璃屬于氣硬性膠凝材料，在空氣中與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，析出二氧化硅凝膠，因凝膠脫水而逐漸硬化［3］，反應(yīng)為:

本實(shí)驗(yàn)選用模數(shù)n為2.77的水玻璃。

(2)砂土

實(shí)驗(yàn)所用的砂土為采集的地基砂土，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定級(jí)配μf=1.24，為特細(xì)砂，含水率為5%，砂土烘干后使用。

(3)固化劑氟硅酸鈉

由于空氣中二氧化碳的濃度較低，故凝膠脫水反應(yīng)極其緩慢，同時(shí)反應(yīng)物nSiO2·mH2O為無(wú)定形的二氧化硅凝膠，其脫水硬化的速度很慢，往往需要幾個(gè)月才能完成，不適合工程應(yīng)用。所以在使用水玻璃時(shí)，需摻入氟硅酸鈉(Na2SiF6)作為促硬劑，可以加速二氧化硅凝膠析出，從而可以加快其硬化速度，反應(yīng)為:

本實(shí)驗(yàn)所摻的氟硅酸鈉量為水玻璃質(zhì)量的12%［4］。

2 實(shí)驗(yàn)原理

用水玻璃澆注砂土，做成大小為7.07 cm3的立方體試塊，由于水玻璃的性質(zhì)，在空氣中硬化，生成的凝膠將砂土的空隙填滿并包裹，一定天數(shù)后產(chǎn)生一定的固結(jié)強(qiáng)度［5］，齡期內(nèi)的實(shí)驗(yàn)平均溫度為(20±3)℃，平均濕度60%。試塊在五天后拆模，放在空氣中養(yǎng)護(hù)，分別在8天、14天和28天將試塊用壓力機(jī)壓碎，記錄壓力值，最后換算成抗壓強(qiáng)度。

3 實(shí)驗(yàn)方案

通過(guò)測(cè)定砂土的孔隙，來(lái)確定砂土與水玻璃的配比，即擬用填滿砂土孔隙的體積量來(lái)確定配比。測(cè)定方法為:v=v1－v2，其中，v1是指材料的堆積體積，v2是指材料在自然狀態(tài)下的體積。經(jīng)測(cè)定，300克砂土的孔隙體積為89 ml。所以試驗(yàn)采用300克砂土加入89 ml體積的水玻璃溶液的配比。將原料配好后，進(jìn)行攪拌2 min，之后振實(shí)，振動(dòng)次數(shù)不少于30次。每種濃度做三組試樣，每組齡期分別為8天、14天和28天，實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)方案

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

抗壓強(qiáng)度采用壓力機(jī)測(cè)試，試樣壓碎前后的形態(tài)如圖1和圖2所示。

圖1 壓碎前的試塊形態(tài)

圖2 壓碎后的試塊形態(tài)

不同配比試樣經(jīng)齡期為8天、14天和28天后，分別測(cè)得其壓力值，結(jié)果如表3所示。

表3 試樣壓力值(kN)

每個(gè)配比試樣壓力值測(cè)試三塊，取平均值，處理數(shù)據(jù)后換算成抗壓強(qiáng)度，如表4所示。

表4 試樣抗壓強(qiáng)度(MPa)

在水玻璃模數(shù)為n=2.77、配比為300克砂土摻入89 mL水玻璃，并加入固化劑氟硅酸鈉量為水玻璃質(zhì)量的12%的實(shí)驗(yàn)室條件下，試樣抗壓強(qiáng)度與齡期和水玻璃濃度的關(guān)系曲線如圖3和圖4所示。

圖3 試塊齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 水玻璃濃度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖3可知，在水玻璃濃度相同時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。濃度為30%與36%的水玻璃，強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線規(guī)律相近，但濃度為41%的水玻璃，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)稍稍減慢。

由圖4可知，齡期為8天時(shí)，不同濃度的水玻璃與砂土固結(jié)強(qiáng)度相差不大;隨著水玻璃濃度的增大，試塊抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。齡期為14和28天時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加幅度較大。

在水玻璃模數(shù)一定的情況下，水玻璃的粘度會(huì)隨著濃度的增大而增大，粘度越大、包裹在砂土外的硅凝膠越厚、相應(yīng)的固結(jié)強(qiáng)度也就會(huì)越大，這與預(yù)期的效果大致相符。

5 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試方法，對(duì)不同濃度的水玻璃澆注砂土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，在一定的溫度和濕度、一定齡期內(nèi)測(cè)得其抗壓強(qiáng)度，分析了齡期、水玻璃濃度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水玻璃可用來(lái)加固地基，為今后對(duì)水玻璃與砂土固結(jié)的研究提供參考，在工程應(yīng)用中也具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究只對(duì)同一模數(shù)下不同濃度的水玻璃與砂土固結(jié)情況進(jìn)行了分析，如何根據(jù)工程需要確定適宜的水玻璃濃度，還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

［1］林學(xué)貴.水玻璃在建筑方面的應(yīng)用［J］.硅鋁化合物，2004，5(3):6-8.

［2］孫城祥.水玻璃應(yīng)用技術(shù).硅酸鹽學(xué)報(bào)［J］，1986，6(11):38-40.

［3］康永，侯曉輝，柴秀娟.水玻璃復(fù)合材料應(yīng)用研究的進(jìn)展［J］.中國(guó)粉體工業(yè)，2010，(6):18-22.

［4］胡國(guó)兵.水泥、水玻璃漿液在錦屏工程涌水封堵中的應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2009，40(21):32-34.

［5］陳永，洪玉珍，等.水玻璃黏結(jié)劑的固化和粉化機(jī)理研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(1):1671-1815.