水泥－水玻璃基本性能研究

吳德寶，萬(wàn) 文，蔣 鑫

（湖南科技大學(xué) 湖南省普通高等學(xué)校土木工程施工過(guò)程與質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭411201）

0 引 言

如今，隨著經(jīng)濟(jì)及科學(xué)的發(fā)展及城市建設(shè)（如礦山巷道、油田、鐵路、水利水電工程建設(shè)等領(lǐng)域）的興起，促使人們開(kāi)始向地下空間拓展，大范圍的修建地下工程、隧道、地鐵等，大量研究結(jié)果表明，注漿技術(shù)是地基處理技術(shù)中較為有效的方法之一，因此，注漿技術(shù)在治水防滲、地層加固、地基加固方面等巖土工程中得到廣泛的應(yīng)用.注漿技術(shù)是巖土工程學(xué)中的一門(mén)專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的學(xué)術(shù)分支，其屬于地基處理的范疇.注漿技術(shù)，也稱(chēng)之為灌漿技術(shù)，即用氣壓、液壓、電化學(xué)理論或其他方式把漿液注入各種介質(zhì)中以形成一定范圍的注漿載體，以期達(dá)到加固地層或防身堵漏的目的的一種正式的施工技術(shù)［1］.

1 工程背景

資江特大橋位于湖南冷水江地區(qū)，項(xiàng)目區(qū)段為橫跨資江，流水遄急.全長(zhǎng)1941m，主橋?yàn)?0＋3×100＋60m的預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁.18－21＃墩為主槽水中墩，圓端形實(shí)體墩，承臺(tái)分二級(jí)設(shè)置，總高度6.5m，承臺(tái)底基本位于河床底巖面.樁基為直徑2.0m的鉆孔灌注樁，每個(gè)墩位設(shè)15根，共計(jì)60根.地質(zhì)報(bào)告揭示，河床覆蓋層主要為砂卵石，層厚1～5m不等，最大粒徑30cm，下伏弱風(fēng)化石灰基巖，巖面起伏不平.受江水長(zhǎng)期侵蝕作用，地表向下36m范圍巖溶極其發(fā)育，溶洞密布，大的溶洞空腔高達(dá)8.7m.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注漿過(guò)程中，水泥－水玻璃漿液凝膠時(shí)間差別很大，既要達(dá)到一定的擴(kuò)散半徑致使?jié){液不致浪費(fèi)，又要使其凝結(jié)時(shí)間及相應(yīng)強(qiáng)度得到一定的保證.凝結(jié)時(shí)間過(guò)快，擴(kuò)散半徑達(dá)不到要求；凝結(jié)過(guò)慢，造成漿液的大量流失，都達(dá)不到預(yù)期效果，因此，本文針對(duì)水泥與水玻璃的基本性能做了大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了注漿參數(shù)（凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度），得出了合適的配合比.

2 水泥－水玻璃的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

水泥本身的凝結(jié)和硬化主要是水泥水化析出凝膠性的膠體物質(zhì)所引起的，在硅酸三鈣的水化過(guò)程中產(chǎn)生氫氧化鈣［2－3］：

當(dāng)加入水玻璃后，水玻璃馬上與新生產(chǎn)的氫氧化鈣反應(yīng)，生成具有一定強(qiáng)度的凝膠體水化硅酸鈣：

由于氫氧化鈣是逐漸生成的，氫氧化鈣與水玻璃之間的反應(yīng)則由于氫氧化鈣的注漿生成而連續(xù)進(jìn)行著.水玻璃與氫氧化鈣之間的反應(yīng)是較快的.隨著反應(yīng)的進(jìn)行，膠質(zhì)體越來(lái)越多，強(qiáng)度也越來(lái)越高.

3 水泥－水玻璃漿液基本性能的試驗(yàn)

水泥－水玻璃漿液基本性能主要表現(xiàn)為凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、安定性、抗?jié)B性、抗凍性等.本室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要對(duì)其中較為重要的凝膠時(shí)間、強(qiáng)度這2個(gè)基本性能進(jìn)行了相關(guān)研究.

根據(jù)注漿工程的需要，水泥－水玻璃注漿液可分為堵水和加固兩方面的應(yīng)用.對(duì)于堵水，特別是水壓較大，水流速度較快或充填巖土的空隙較大，要求漿液的凝結(jié)時(shí)間短且具有一定的抗壓強(qiáng)度；對(duì)于加固地基，則要求漿液具有做夠的抗壓強(qiáng)度.

3.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所選用的原材料分別來(lái)源于湖南海螺水泥有限公司生產(chǎn)的425＃普通硅酸鹽水泥與湖南仁海科技材料發(fā)展有限公司生產(chǎn)的液體水玻璃.其中，液體水玻璃的參數(shù)選?。核Ａ?shù)2.61，密度1.53g／cm3.

3.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)所選用的試驗(yàn)儀器主要有：電子天平、秒表、溫度計(jì)、膠砂試驗(yàn)機(jī)，40＊40＊160mm3模具、量杯、鏟子、維卡儀、養(yǎng)護(hù)模、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)機(jī)等.

3.3 試驗(yàn)步驟

為了研究不同水灰比和不同水泥－水玻璃質(zhì)量比與水泥－水玻璃漿液凝結(jié)時(shí)間和結(jié)石體性能的影響.水灰比設(shè)為：0.5∶1、0.75∶1、1∶l、1.25∶1；水泥－水玻璃質(zhì)量比設(shè)為：1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25和1∶1.5［4］.

（l）在水灰比相同條件下，不同配合比水泥－水玻璃條件下，測(cè)定水泥－水玻璃的凝膠時(shí)間，同時(shí)做成試塊，測(cè)定水泥－水玻璃的抗壓強(qiáng)度；

（2）待漿液凝固后脫模，試塊放在20士2℃水中養(yǎng)護(hù)；

（3）測(cè)定試塊3d、7d、14d及28d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；

（4）每組取三塊試壓，取其平均值.

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

水泥－水玻璃凝結(jié)時(shí)間可分為凝膠時(shí)間、初凝時(shí)間和終凝時(shí)間.凝膠時(shí)間：一般是指在一定的溫度下，從參加反應(yīng)的全部成分混合時(shí)起，至漿液失去流動(dòng)性為止所需要的時(shí)間.初凝時(shí)間：漿液凝膠至部分失去塑性所經(jīng)歷的時(shí)間.終凝時(shí)間：漿液凝膠體已達(dá)到最終固有的性質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)已終止.由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到水泥－水玻璃的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 不同配比水泥－水玻璃凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度

從表1及圖1、圖2、圖3可以看出，水泥－水玻璃漿液的凝膠時(shí)間從6～83s之間變化，漿液凝膠時(shí)間變化不是很大；但是初凝時(shí)間和終凝時(shí)間變化較大.在水灰比一定，隨著水泥－水玻璃質(zhì)量比增大，漿液的凝膠時(shí)間、初凝時(shí)間和終凝時(shí)間逐漸增加；在水泥－水玻璃質(zhì)量比一定，水灰比越大，凝膠時(shí)間和初凝時(shí)間越長(zhǎng).當(dāng)水灰比大于1.25，水泥－水玻璃質(zhì)量比大于1.25時(shí)，水泥水玻璃漿液的初凝時(shí)間、終凝時(shí)間顯著增加，增加幅度較大，當(dāng)水泥－水玻璃質(zhì)量比到達(dá)1.5時(shí)，漿液的終凝時(shí)間明顯變長(zhǎng)很多，最大值到1232min.初凝、終凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，注漿時(shí)跑漿漏漿是非常嚴(yán)重的，浪費(fèi)嚴(yán)重且容易被水稀釋?zhuān){效果會(huì)大大折扣.過(guò)長(zhǎng)的終凝時(shí)間，注漿時(shí)跑漿漏漿是非常嚴(yán)重的，并且施工效果也不好，這說(shuō)明：①水灰比和水泥－水玻璃質(zhì)量比過(guò)大達(dá)不到加速水泥固結(jié)的目的；②在一定水灰比內(nèi)，漿液的凝結(jié)時(shí)間變化不大；③漿液凝結(jié)時(shí)間的總趨勢(shì)是隨著水泥－水玻璃質(zhì)量比變大而增大.

由表1和圖4～圖7可知，在一定范圍內(nèi)，對(duì)于水泥－水玻璃漿液，決定其漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的主要因素是水泥漿的濃度.在水灰比相同下，水泥－水玻璃質(zhì)量比增大，抗壓強(qiáng)度會(huì)降低；漿液結(jié)石體前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)較慢.當(dāng)水灰比為1∶1時(shí)，水泥漿與水玻璃的質(zhì)量比為1∶0.5時(shí)，其結(jié)石體抗壓強(qiáng)度最高，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的最完全，其強(qiáng)度也最高.實(shí)際上，濃水泥漿需要濃水玻璃，稀水泥漿需要稀水玻璃.

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)漿液的凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定，水灰比過(guò)小，質(zhì)量比較小時(shí)，凝膠時(shí)間短，擴(kuò)散半徑小且容易造成堵管；發(fā)現(xiàn)水灰比過(guò)大，質(zhì)量比較大時(shí)，終凝時(shí)間太長(zhǎng)，都不宜作為施工時(shí)的配合比.

（2）實(shí)驗(yàn)表明水灰比為1∶1，質(zhì)量比為1∶0.5，其強(qiáng)度最高，凝膠時(shí)間適中.

（3）漿液結(jié)石體強(qiáng)度試驗(yàn)表明，并不是水灰比和質(zhì)量比越大越好，水灰比在0.5～1之間，水泥漿與水玻璃質(zhì)量比介于0.5～1之間，結(jié)石體強(qiáng)度較高，比較適合加固地基.

（4）本文只做了單一濃度的水玻璃與水泥基本性能研究，不同濃度的水玻璃還需進(jìn)一步研究.

［1］ 蔡勝華，黃智勇，董建軍，陳彥生.注漿法［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［2］ 協(xié)作組.巖土注漿理論與工程實(shí)例［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［3］ 閆 勇，鄭秀華.水泥－水玻璃漿液性能試驗(yàn)研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，（1），71－81.

［4］ 李國(guó)亮.雙液注漿加固邊坡的應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011.