水泥一水玻璃漿材在灌漿工程中的應(yīng)用

1、2000年第2期水文地質(zhì)工程地質(zhì)水泥一水玻璃漿材在灌漿工程中的應(yīng)用摘要：水泥一水玻璃作為一種復(fù)合型灌漿材料，集中了水泥和水玻璃兩種灌漿材料的優(yōu)點(diǎn)， 在許多灌漿工程中發(fā)揮重要作用。本文從水泥、水玻璃的基本性能出發(fā)，對(duì)水泥一水玻璃灌 漿材料的性能和應(yīng)用進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：水泥；水玻璃；灌漿材料化學(xué)灌漿技術(shù)是將化學(xué)漿液注入巖土內(nèi)部，使其在原位進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，以增強(qiáng)巖土的工 程力學(xué)強(qiáng)度和水力學(xué)性質(zhì)，增加巖土的完整性和結(jié)構(gòu)的整體性，達(dá)到改善巖土的承載力和提 高地層的密實(shí)性，起到防滲加固的作用。灌漿材料在灌漿工程中起著關(guān)鍵的作用，在世界各 國(guó)工程界受到了高度重視。在我國(guó)的化學(xué)灌漿工程實(shí)踐中，研究和應(yīng)用的灌漿

2、材料有10個(gè) 系列，分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類(lèi)。無(wú)機(jī)漿材主要有水泥、水玻璃和粘土等，有機(jī)有丙烯酰胺、 木質(zhì)素等。水泥具有源廣價(jià)廉，漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度高、抗?jié)B性能好、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、操作 方便等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是漿液為顆粒性材料，難以注入0. 2mm以下裂隙和顆粒小于Imm的砂 層，以及凝固時(shí)間很長(zhǎng)，難以準(zhǔn)確控制等。丙烯酰胺等有機(jī)化學(xué)灌漿材料最大的優(yōu)點(diǎn)，是它 所制得的漿液都是真溶液，初始粘度較小，可灌進(jìn)更加細(xì)小的縫隙或孔隙；膠凝時(shí)間可以根 據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其充填范圍恰到好處。其主要缺點(diǎn)，是具有一定毒性，污染環(huán)境，耐久 性差，且價(jià)格較貴。水玻璃同水泥一樣源廣價(jià)廉，污染較小，且可灌性好，在許多新型固化 劑的作

3、用下，水玻璃類(lèi)漿液的性能（如耐久性、結(jié)石體強(qiáng)度、可灌性、抗?jié)B性等）不斷改善， 是一類(lèi)日益重要、有發(fā)展前途的漿液。水泥和水玻璃配合起來(lái)使用，最大發(fā)揮了水泥一水玻 璃兩種灌漿材料的優(yōu)勢(shì)，提高灌漿效果和工程質(zhì)量，受到了普遍的歡迎。1水泥一水玻璃灌漿材料的基本性能商品水玻璃多呈棕黃色粘稠狀液體。水玻璃模M）即Si02與Na20克分子比的大小， 對(duì)漿液性能影響很大。M值小，Si02含量低，凝結(jié)時(shí)間短、結(jié)石強(qiáng)度低；M值大，Si07含 量高，凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，結(jié)石強(qiáng)度高。一般灌漿用的水玻璃要求M=2.43.4。水玻璃的濃度 稱(chēng)波美度（Be）。灌漿一般使用3040Be的水玻璃。水玻璃漿材按其固化劑與固化前的形態(tài)可分

4、為以下類(lèi)型，即：溶液型，有水玻璃一無(wú) 機(jī)固化劑體系，包括：酸性固化劑，如磷酸、碳酸氫鈉、硫酸氫鈉、磷酸鈉、 亞硫酸鈉；金屬鹽：氯化鈣、氯化鈉、氯化鎂、硫酸鋁、硫酸鎂；水玻璃一無(wú)機(jī)氣體固化 劑（二氧化碳）體系；水玻璃一有機(jī)固化劑體系；乙二醛、多元醇、乙酸乙酯、醋酸乙烯 酯；酸性水玻璃；硅溶膠一無(wú)機(jī)固化劑體系。懸濁液型，有水玻璃一水泥體系；水 玻璃一不溶性鈣粉體系。水玻璃漿材中水玻璃與固化劑的反應(yīng)時(shí)間，按膠凝時(shí)間長(zhǎng)短，漿材可分為3種：lOs似 內(nèi)的叫快固化漿，10分鐘左右的叫中固化漿，th以上的叫慢固化漿。膠凝時(shí)間的長(zhǎng)短，影 響凝膠中是否有鈉離子的殘存。無(wú)機(jī)固化劑固化很快，使半數(shù)以上的鈉離子殘存在

5、凝膠中； 氣體固化劑，固化時(shí)間適中，但凝膠仍殘存鈉離子；水玻璃與有機(jī)固化劑反應(yīng)相對(duì)來(lái)說(shuō)較慢， 固化劑反應(yīng)充分，僅有少量的鈉離子殘存。酸性水玻璃是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型漿材， 凝膠中無(wú)鈉離子存在。水玻璃作為化學(xué)灌漿的一種主要材料，如尤斯頓法（水玻璃一氯化鈣），在很早以前就 被采用了，而將其與水泥漿配合使用還是不久以前的事。我國(guó)自1967年開(kāi)始在煤礦井巷建 設(shè)中廣泛使用。將水玻璃加入水泥漿中，已不單純是為了改變漿液特性，而且它可以與水 泥水化中產(chǎn)生的某些成分化合成一種膠體，這種膠體是水泥漿迅速失去流動(dòng)性而轉(zhuǎn)化成固 體，共同充填巖土中的空隙，這種化合和轉(zhuǎn)化是在極短時(shí)間內(nèi)完成的。在灌漿中利用它的這

6、種性質(zhì)，可以迅速堵住較大和具有水流作用的通道，也起到節(jié)約材料的效果。水泥一水玻璃最重要的性能是凝膠時(shí)間和結(jié)石強(qiáng)度。影響水泥與水玻璃漿液膠凝時(shí)間長(zhǎng)短的因素有以下幾種：水泥品種：一般說(shuō)來(lái)，水泥中硅酸三鈣的含量越多，膠凝越快。普通硅酸鹽水泥隨著 水泥標(biāo)號(hào)提高，膠凝時(shí)間縮短；普通硅酸鹽水泥比礦渣水泥膠凝快。水灰比：水灰比減小，膠凝時(shí)間縮短。波美度Ber:波美度越小，膠凝越快。水泥漿與水玻璃體積比(C： S)：在其它條件相同時(shí)，C： S增大，即水玻璃摻量越少， 則膠凝越快。漿液溫度：隨著漿液的升高，膠凝時(shí)間加快。外加劑：加入促凝劑，如白灰Ca(OH)2，可加快膠凝；加入緩凝劑，如磷酸氫二鈉 Na2HPO

7、。或木素，具有顯著緩凝效果。2水泥一水玻璃灌漿材料性能的提高作為無(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；加入水玻璃后使其膠凝時(shí)間可調(diào)，提高可灌性，但結(jié)果卻使結(jié)石 體的疆度和耐久性大大降低。近年來(lái)圍繞如何提高水泥一水玻璃漿液的結(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，并已取得了巨大的進(jìn)展。根據(jù)研究結(jié)果，認(rèn)為“膠溶”和脫水收縮是影響漿材耐久性的兩個(gè)最重要的因素。水玻璃化學(xué)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)鈉離子存在時(shí)，形成凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的Si-O-Si鍵將產(chǎn)生斷裂，稱(chēng) 為“膠溶”。因此，凝膠過(guò)程中除去鈉離子是十分重要的。水玻璃一無(wú)機(jī)固化劑漿材固結(jié)后，

8、內(nèi)部存在大量鈉離子，這必然會(huì)引起凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的 斷裂，這就是該漿材耐久性差的主要原因。但由于這種材料成本低，在臨 時(shí)性工程中，仍在使用。水玻璃一有機(jī)固化劑漿液，固化較慢，這不僅使凝膠中殘存鈉離子量減少，而且極有利 于硅酸聚合物的鏈增長(zhǎng)，這樣凝膠結(jié)構(gòu)就不易斷裂，凝膠的韌性大大提高。所以，用該漿材 固結(jié)的砂體強(qiáng)度在初期隨時(shí)間的增加而降低，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，卻可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在 較高的水平。酸性水玻璃凝膠中，無(wú)鈉離子殘存，凝膠的化學(xué)穩(wěn)定性很強(qiáng)。水玻璃漿材耐久性低另一原因：主要是為提高漿液流動(dòng)性而采取的降低粘度(必須降低 水玻璃濃度)和延長(zhǎng)膠凝時(shí)間(必須減少固化劑用量)，引起膠結(jié)強(qiáng)度的大幅度的下降。而

9、 且，未反應(yīng)的水玻璃在凝膠后析出，引起脫水牧縮，其結(jié)果不僅造成抗?jié)B性的降低，而且造 成耐久性的降低。針對(duì)這種情況，使用復(fù)合固化劑，即在固化劑鋁酸堿金屬鹽內(nèi)添加酸性鋁 鹽，其中酸性鋁鹽可：(1)起緩沖作用，進(jìn)一步促進(jìn)凝膠化時(shí)間的緩慢的變化，使可灌性變 得良好。(2)中和水玻璃的堿化，抑制膠體脫水收縮作用，提高膠結(jié)強(qiáng)度。從液體水玻璃系統(tǒng)的顯微分析得知:水玻璃具有單獨(dú)顆粒及其聚集體組成的粗糙不均勻 結(jié)構(gòu)，其中36肛的大顆粒約占20%30%，13肛的顆粒約占60，由于大顆粒的存在， 導(dǎo)致了水玻璃水泥石粗氣孔率的形成。添加糖醇作為密實(shí)劑，由于密實(shí)劑對(duì)硅酸凝膠的壓密 作用，其密實(shí)度比普通耐酸混凝土顯著增大

10、，氣孔率減少70%80%，抗?jié)B標(biāo)號(hào)提高710 倍，耐久性也大大提高。日本的一項(xiàng)專(zhuān)利介紹水泥-水玻璃灌漿材料，在較低粘度和良好可灌性下，獲得高強(qiáng)度， 耐久性好的固結(jié)體。該漿液以爐渣或微細(xì)水泥(比表面積為5000cm2/g)和摩爾比為2.5以下 的水玻璃構(gòu)成的。其中還可添加分散劑。3水泥一水玻璃灌漿材料的應(yīng)用1925年荷蘭的H. J. Joosten首次用水玻璃一氯化鈣漿液進(jìn)行化學(xué)灌漿。從此，化學(xué)灌 漿逐漸發(fā)展起來(lái)。進(jìn)入本世紀(jì)50年代，由于高分子工業(yè)的發(fā)展.出現(xiàn)了許多高分子灌漿材料，其中應(yīng)用最多 的是丙烯酰胺、尿醛樹(shù)脂、木質(zhì)素、聚氨酯和水玻璃漿材。然而，1974年，日本用丙烯酰 胺灌漿時(shí)，發(fā)生了地

11、下水污染事件，日本政府頒布法規(guī)，禁止非水玻璃類(lèi)化學(xué)灌漿材料的使 用，這促進(jìn)了水玻璃漿材的發(fā)展，幾種新型水玻璃漿材相繼研制成功。這些材料與傳統(tǒng)的水 玻璃漿材相比，其耐久性有了很大的改進(jìn)。而隨著水泥一水玻璃復(fù)合灌漿材料的研究與開(kāi)發(fā)， 其應(yīng)用范圍變得更廣。1994年，在日本廣島一條新的地鐵線路的施工中，成功地使用了化學(xué)灌漿技術(shù)。二次 灌漿所用漿材要求至少有23年的耐久性，且價(jià)格也不能太高，為此采用了酸性水玻璃。 一次灌漿采用了高爐水泥一膨潤(rùn)土漿，漿中水泥含量為180kg/m3,其固結(jié)后的無(wú)側(cè)限抗壓 強(qiáng)度為3kgf/cmz左右；在東京，曾在地下40m深處修建了一條直徑10.512. 5m的隧道。開(kāi)挖底

12、面在-60. Im 深處，為預(yù)防底部土層翻漿和隆起。在底部進(jìn)行了化學(xué)灌漿，以形成5m厚防滲層，從而截 斷承壓水的壓力。世界上第一條最長(zhǎng)的海底隧道一一日本青函隧道采用礦渣膠體化水泥和水玻璃復(fù)合材 料，成功地達(dá)到堵水和加固以抵抗水壓的目的。在世界的許多城市隧道工程中，采用水泥一水玻璃灌漿材料進(jìn)行防滲加固，獲得了成功。 如米蘭地鐵，那不勒斯輕軌高速運(yùn)輸系統(tǒng)等。臺(tái)北地鐵Chungo線，用水泥一水玻璃灌漿以防滲和加固。北京地鐵西章站管棚注漿，選定以水玻璃為主劑，硫酸及其它輔助材料為副劑，混合配 成的酸性水玻璃漿液作為粉細(xì)砂的注漿材料。上海地鐵徐家匯車(chē)站采用跟蹤注漿法保護(hù)地下管線。廣州地鐵1號(hào)線，暗挖法施工前采用水泥一水玻璃漿液對(duì)隧道周?chē)馏w進(jìn)行加固。除隧道外，水泥一水玻璃在城市建設(shè)中處理充填土軟基工程中也發(fā)揮了重要作用。如廣 東嘉力玩具廠綜合樓充填土軟基化學(xué)灌漿處理工程，采用水泥水玻璃化學(xué)灌漿加固，取得了 良好的效果。4結(jié)語(yǔ)化學(xué)灌漿作為一種防滲加固的工程措施，實(shí)踐表明，在備類(lèi)灌漿材科中，水玻璃，尤其 是經(jīng)過(guò)改性的水玻璃，與水泥混合使用，充分體現(xiàn)了水泥灌漿的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備化學(xué)灌漿的 某些特點(diǎn)。在工程實(shí)踐中，根據(jù)不