王 勝，陳禮儀，史茂君

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059;2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局九〇九水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，四川江油 621701)

水泥－水玻璃漿液凝固特性試驗(yàn)研究

王 勝1，陳禮儀1，史茂君2

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059;2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局九〇九水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，四川江油 621701)

水泥－水玻璃漿液在灌漿、堵水等工程中具有廣泛的應(yīng)用，而漿液的凝固特性對(duì)灌漿、堵水效果具有直接的影響。在對(duì)水泥－水玻璃漿液凝結(jié)硬化機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同水灰比漿液的膠凝時(shí)間和流動(dòng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)FDN、SM、NF、UNF－5、檸檬酸、多聚磷酸鈉、酒石酸鉀鈉、酒石酸、磷酸氫二鈉等外加劑對(duì)漿液凝固特性的影響進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)對(duì)磷酸氫二鈉的緩凝性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，初步獲得了磷酸氫二鈉對(duì)水泥－水玻璃漿液的凝固性能的影響規(guī)律。最后按初凝時(shí)間設(shè)計(jì)了幾種水泥－水玻璃漿液的配方。

水泥－水玻璃漿液;凝固特性;外加劑;磷酸氫二鈉;灌漿工程

0 引言

水泥－水玻璃漿液是以水泥和水玻璃作為灌漿材料的主劑，按要求的比例同時(shí)注入雙液混合器內(nèi)使其充分混合形成雙漿液［1，2］。這種雙漿液不僅具有水泥漿液的優(yōu)點(diǎn)，而且兼有化學(xué)漿液的某些特性。因而在各種灌漿、堵水工程中具有十分廣泛的應(yīng)用。作為無(wú)機(jī)灌漿材料，水泥具有結(jié)石體強(qiáng)度高、不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，但是它的最大缺點(diǎn)就是膠凝時(shí)間短，滲透性差，雖然加入水玻璃后可使其膠凝時(shí)間可調(diào)，提高可灌性，但結(jié)果卻使結(jié)石體的強(qiáng)度和耐久性大大降低［3，4］。近年來(lái)，圍繞如何提高水泥－水玻璃漿液的結(jié)石體的強(qiáng)度、流動(dòng)性、抗?jié)B性、耐久性作了大量的研究工作，并已取得了較大的進(jìn)展。但目前水泥－水玻璃漿液的配制多數(shù)只是停留在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)行事的狀態(tài)，理論方面的研究比較欠缺［5，6］。本文重點(diǎn)對(duì)水泥－水玻璃漿液的凝固特性進(jìn)行較為詳細(xì)的試驗(yàn)研究。

1 水泥－水玻璃漿液凝固特性

1.1 水泥－水玻璃漿液凝結(jié)硬化機(jī)理

水泥的成分是硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)。前兩者為水泥的主要成分，占水泥總質(zhì)量的70% ～80%［1］。硅酸三鈣和硅酸二鈣的水化反應(yīng)產(chǎn)物基本相同，都是水化硅酸鈣(C－S－H)和氫氧化鈣(Ca(OH)2)，只是水化反應(yīng)速度和水化熱高低有所差異而已。水化反應(yīng)可用下式表達(dá):

C3S(C2S)→C－S－H+nCa(OH)2(1)

水泥的水化產(chǎn)物水化硅酸鈣呈膠質(zhì)狀態(tài)，幾乎不溶于水，而生成的氫氧化鈣很快與水玻璃反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程如下:

反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行生成具有一定強(qiáng)度的膠質(zhì)體，與被灌巖體膠結(jié)在一起，其強(qiáng)度不斷增加轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的凝固體，從而達(dá)到灌漿加固的目的。

1.2 水泥－水玻璃漿液凝固特性試驗(yàn)研究

合適的膠凝時(shí)間和流動(dòng)度直接關(guān)系著施工的和易性，并對(duì)灌漿、堵水工程的成敗具有直接影響。通過(guò)對(duì)水泥－水玻璃漿液進(jìn)行凝固特性研究，就不同水灰比條件下不同的水玻璃加量對(duì)漿液的膠凝時(shí)間和流動(dòng)度的影響規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)過(guò)程中采用的水玻璃模數(shù)為3.2～3.4，濃度41°Be';水泥為拉法基瑞安水泥(P.O 42.5)。水泥凈漿采用3種水灰比，分別為1、0.8和0.6，水玻璃用量按水泥漿體積的百分?jǐn)?shù)摻用。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 水泥－水玻璃漿液凝固特性試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可以初步得到以下2點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

(1)同一水玻璃加量時(shí)，水灰比越大凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng);當(dāng)在一定水灰比的水泥漿液中加入水玻璃時(shí)，最初水泥－水玻璃漿液的凝結(jié)時(shí)間隨著水玻璃加量的增加而逐漸縮短。從本次試驗(yàn)可以看出，當(dāng)水玻璃加量低于10%時(shí)，隨水玻璃加量增加漿液凝結(jié)時(shí)間縮短幅度較大。當(dāng)水玻璃加量超過(guò)10%以后，曲線(xiàn)趨于平緩。事實(shí)上，已有的研究結(jié)果表明［1，7，8］，當(dāng)水玻璃加量超過(guò)一定數(shù)值(通常為10%～20%)后，漿液的凝結(jié)時(shí)間隨著加入水玻璃量的增加，轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u加長(zhǎng)。對(duì)應(yīng)于凝結(jié)時(shí)間最短的那一點(diǎn)的水玻璃占水泥漿液體積的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)之為“凝結(jié)轉(zhuǎn)點(diǎn)比值”。該比值的大小因使用水泥的品種、水泥漿液的水灰比、水玻璃的模數(shù)、水玻璃溶液的濃度不同而異，具體應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。

(2)漿體的流動(dòng)性隨水灰比的增大而增加;同一水灰比時(shí)，漿體的流動(dòng)性隨水玻璃用量的增加而減小。水灰比為1和0.8的漿液，水玻璃加量至10%時(shí)流動(dòng)性趨于不流，加量達(dá)15%時(shí)已不流動(dòng)(流動(dòng)度用截頭圓錐體測(cè)得，流動(dòng)度＜14 cm時(shí)認(rèn)為不具有流動(dòng)性);水灰比為0.6的漿液，水玻璃加量達(dá)8%時(shí)已不流動(dòng)。總體而言，當(dāng)水玻璃加量低于10%，流動(dòng)度隨水玻璃加量增加而減小，且幅度較大。而當(dāng)水玻璃加量超過(guò)10%以后，曲線(xiàn)趨于平緩，隨水玻璃加量增加流動(dòng)度變化不大。

2 外加劑對(duì)水泥－水玻璃漿液凝固特性影響研究

通過(guò)對(duì)水泥－水玻璃漿液的凝固特性分析研究得知，水泥－水玻璃漿液的凝結(jié)時(shí)間隨水玻璃加量較為敏感，當(dāng)水玻璃加量稍大時(shí)其漿液迅速凝結(jié)，凝結(jié)時(shí)間太短將會(huì)制約著施工進(jìn)程，而且由于迅速凝結(jié)，漿液不能達(dá)到對(duì)注漿體擴(kuò)散半徑的要求進(jìn)而影響工程質(zhì)量。于是在進(jìn)行水泥－水玻璃漿液灌漿施工過(guò)程中，需要添加一定的外加劑對(duì)其凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)漿液的性能進(jìn)行改善。通過(guò)試驗(yàn)主要對(duì)各種常用的外加劑對(duì)水泥－水玻璃漿液的凝固特性的影響情況進(jìn)行分析研究。試驗(yàn)過(guò)程中采用的水灰比為0.8，水玻璃加量為水泥漿體積的15%，外加劑加量均為水泥質(zhì)量的2%。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)對(duì)圖2分析可以初步得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

(1)在膠凝時(shí)間方面，檸檬酸、酒石酸鉀鈉、磷酸氫二鈉對(duì)改善漿液膠凝時(shí)間效果明顯，在本試驗(yàn)條件下其漿液膠凝時(shí)間處于30～60 min之間。而其余幾種外加劑對(duì)膠凝時(shí)間影響甚微。

(2)在流動(dòng)度方面，減水劑(FDN、SM、NF、UNF－5)改善流動(dòng)性的效果普遍比緩凝劑(檸檬酸、多聚磷酸鈉、酒石酸鉀鈉、酒石酸、磷酸氫二鈉)差。在緩凝劑中，磷酸氫二鈉改善流動(dòng)性的效果最好，在本試驗(yàn)條件下流動(dòng)度接近35 cm。檸檬酸改善流動(dòng)性的效果也較好，但是試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)它會(huì)使?jié){體發(fā)生一定程度的絮凝，漿液中固相物質(zhì)分散效果不理想。

圖2 外加劑對(duì)水泥－水玻璃漿液凝固特性影響

3 磷酸氫二鈉緩凝性能研究

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磷酸氫二鈉在改善漿液凝固特性方面效果顯著，而且大量的灌漿工程也證明了磷酸氫二鈉對(duì)漿液的凝固性能具有良好的改善效果。于是單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，分別對(duì)水灰比為0.8和1.0的水泥－水玻璃漿液添加不同加量的磷酸氫二鈉(2%、1.7%和1.5%)，對(duì)其凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。其結(jié)果如圖3所示。

圖3 磷酸氫二鈉對(duì)水泥－水玻璃漿液凝結(jié)時(shí)間的影響

通過(guò)圖3分析可以初步得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

(1)相同水灰比、相同水玻璃加量條件下，漿液膠凝時(shí)間隨磷酸氫二鈉加量增加而延長(zhǎng)。

(2)在磷酸氫二鈉加量和水灰比一定的情況下，漿體的凝結(jié)時(shí)間隨著水玻璃加量的增加而增長(zhǎng)。其中，本試驗(yàn)條件下磷酸氫二鈉加量為2%的緩凝效果顯著。而磷酸氫二鈉加量為1.7%和1.5%時(shí)，對(duì)漿液凝結(jié)時(shí)間改善效果不明顯?？梢?jiàn)合適的磷酸氫二鈉加量對(duì)水泥－水玻璃漿液的緩凝效果起著重要的影響。

水泥－水玻璃漿液具有良好的凝固性的同時(shí)必須保證結(jié)石體達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度，于是分別對(duì)水灰比為0.8和1.0的漿液在不同水玻璃和磷酸氫二鈉加量的情況下對(duì)不同齡期的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。如表1所示，按不同的初凝時(shí)間對(duì)水灰比為0.8和1.0的漿液設(shè)計(jì)了幾種配方，確定了相應(yīng)條件下的水玻璃和磷酸氫二鈉的加量，并測(cè)得了相應(yīng)的漿液的膠凝時(shí)間。

圖4 磷酸氫二鈉加量對(duì)水泥－水玻璃結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的影響

表1 按不同初凝時(shí)間設(shè)計(jì)的水泥－水玻璃漿液配方

由圖4分析可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

(1)水泥－水玻璃結(jié)石體強(qiáng)度隨齡期不斷增長(zhǎng)。早期(3天)強(qiáng)度水玻璃加量為水泥漿體積20%的試件強(qiáng)度較高;后期(14天)強(qiáng)度水玻璃加量為水泥漿體積的40%的試件強(qiáng)度較高;中期(7天)強(qiáng)度變化較復(fù)雜，水灰比為0.8時(shí)，水玻璃用量占漿體體積40%時(shí)，強(qiáng)度較高;水灰比為1時(shí)，水玻璃用量占水泥漿體積20%時(shí)，強(qiáng)度較高。

(2)磷酸氫二鈉加量大于水泥質(zhì)量1.7%時(shí)，水玻璃用量在20%時(shí)強(qiáng)度較高，當(dāng)其加量小于水泥質(zhì)量1.5%時(shí)，水玻璃用量在40%時(shí)強(qiáng)度較高。強(qiáng)度的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)磷酸氫二鈉用量為2%。

(3)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)水玻璃用量對(duì)試件體積安定性有影響。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，水玻璃加量占漿體體積80%以上時(shí)，試塊會(huì)收縮，在7天以后會(huì)出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而影響結(jié)石體的強(qiáng)度和抗?jié)B性。由此可知，并不是水玻璃加量越大灌注效果就好，水玻璃加量過(guò)大強(qiáng)度不是最高相反會(huì)帶來(lái)副作用。

4 結(jié)論

根據(jù)以上試驗(yàn)研究可知，水泥－水玻璃漿液的凝固特性受多方面因素影響，水灰比、水玻璃模數(shù)、加量、外加劑等都會(huì)影響其凝固特性。通過(guò)對(duì)不同外加劑對(duì)水泥－水玻璃漿液的凝固性能的影響分析，發(fā)現(xiàn)磷酸氫二鈉對(duì)漿液具有較好的緩凝性能。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)其加量為2%時(shí)改善漿液凝結(jié)時(shí)間效果較好。另外，通過(guò)對(duì)水泥－水玻璃漿液結(jié)石體進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，獲得了水灰比為0.8和1.0時(shí)不同水玻璃和磷酸氫二鈉加量對(duì)結(jié)石體強(qiáng)度的影響規(guī)律。并按不同初凝時(shí)間設(shè)計(jì)了水泥－水玻璃漿液的配方。

［1］孫釗.大壩基巖灌漿［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.

［2］張景秀.壩基防滲與灌漿技術(shù)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2002.

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Experimental Study on Solidified Characters of Cement-sodium Silicate Slurry

WANG Sheng1，CHEN Li-yi1，SHI Mao-jun2(1.State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention＆Geo-environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China;2.909 Geological Team，Sichuan Province Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development，Jiangyou Sichuan 621701，China)

The cement-sodium silicate slurry is widely used in grouting and water stopping，and the solidification characteristics of slurry have the direct effect on such engineering.The gelation time and fluidity of the slurry with different water/ cement ratio have been studied on the theoretical basis of setting and hardening of cement-sodium silicate slurry.Contrast tests have been done to research the influence of admixtures to the solidification characteristics of slurry such as FDN，SM，NF，UNF－5，citric acid，polyphosphate，tartaric acid and disodium hydrogen phosphate.The retarding performance of disodium hydrogen phosphate is specially studied by means of the data of contrast tests，and the influence law of the disodium hydrogen phosphate to the solidification characteristis of cement-sodium silicate slurry has been got.The different formulas of cement-sodium silicate slurry are designed according to the initial setting time.

cement-sodium silicate;solidification characteristics;admixture;disodium hydrogen phosphate;grouting project

TV543

A

1672－7428(2012)04－0035－04

2011－11－01

地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人才培養(yǎng)課題(SKLGP2010Z008)

王勝(1982－)，男(土家族)，重慶黔江人，成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院講師，博士，地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，從事巖土鉆掘及工程地質(zhì)方面的科研及教學(xué)工作，四川省成都市，yongyuandewangsheng@sina.com。