水泥－水玻璃漿液凝固特性試驗研究

王 勝，陳禮儀，史茂君

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059;2.四川省地質礦產勘查開發(fā)局九〇九水文地質工程地質隊，四川江油 621701)

水泥－水玻璃漿液凝固特性試驗研究

王 勝1，陳禮儀1，史茂君2

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059;2.四川省地質礦產勘查開發(fā)局九〇九水文地質工程地質隊，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用，而漿液的凝固特性對灌漿、堵水效果具有直接的影響。在對水泥－水玻璃漿液凝結硬化機理分析的基礎上，對不同水灰比漿液的膠凝時間和流動度進行了試驗研究，并對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漿液凝固特性的影響進行了對比試驗研究。在此基礎上重點對磷酸氫二鈉的緩凝性能進行了試驗分析，初步獲得了磷酸氫二鈉對水泥－水玻璃漿液的凝固性能的影響規(guī)律。最后按初凝時間設計了幾種水泥－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，按要求的比例同時注入雙液混合器內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，而且兼有化學漿液的某些特性。因而在各種灌漿、堵水工程中具有十分廣泛的應用。作為無機灌漿材料，水泥具有結石體強度高、不污染環(huán)境的優(yōu)點，但是它的最大缺點就是膠凝時間短，滲透性差，雖然加入水玻璃后可使其膠凝時間可調，提高可灌性，但結果卻使結石體的強度和耐久性大大降低［3，4］。近年來，圍繞如何提高水泥－水玻璃漿液的結石體的強度、流動性、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展。但目前水泥－水玻璃漿液的配制多數只是停留在根據經驗行事的狀態(tài)，理論方面的研究比較欠缺［5，6］。本文重點對水泥－水玻璃漿液的凝固特性進行較為詳細的試驗研究。

1 水泥－水玻璃漿液凝固特性

1.1 水泥－水玻璃漿液凝結硬化機理

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，占水泥總質量的70% ～80%［1］。硅酸三鈣和硅酸二鈣的水化反應產物基本相同，都是水化硅酸鈣(C－S－H)和氫氧化鈣(Ca(OH)2)，只是水化反應速度和水化熱高低有所差異而已。水化反應可用下式表達:

C3S(C2S)→C－S－H+nCa(OH)2(1)

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

反應連續(xù)進行生成具有一定強度的膠質體，與被灌巖體膠結在一起，其強度不斷增加轉化為穩(wěn)定的凝固體，從而達到灌漿加固的目的。

1.2 水泥－水玻璃漿液凝固特性試驗研究

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

試驗過程中采用的水玻璃模數為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數摻用。試驗結果如圖1所示。

圖1 水泥－水玻璃漿液凝固特性試驗結果

由圖1可以初步得到以下2點認識。

(1)同一水玻璃加量時，水灰比越大凝結時間越長;當在一定水灰比的水泥漿液中加入水玻璃時，最初水泥－水玻璃漿液的凝結時間隨著水玻璃加量的增加而逐漸縮短。從本次試驗可以看出，當水玻璃加量低于10%時，隨水玻璃加量增加漿液凝結時間縮短幅度較大。當水玻璃加量超過10%以后，曲線趨于平緩。事實上，已有的研究結果表明［1，7，8］，當水玻璃加量超過一定數值(通常為10%～20%)后，漿液的凝結時間隨著加入水玻璃量的增加，轉變?yōu)橹饾u加長。對應于凝結時間最短的那一點的水玻璃占水泥漿液體積的百分數稱之為“凝結轉點比值”。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、水玻璃溶液的濃度不同而異，具體應通過試驗確定。

(2)漿體的流動性隨水灰比的增大而增加;同一水灰比時，漿體的流動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%時流動性趨于不流，加量達15%時已不流動(流動度用截頭圓錐體測得，流動度＜14 cm時認為不具有流動性);水灰比為0.6的漿液，水玻璃加量達8%時已不流動?？傮w而言，當水玻璃加量低于10%，流動度隨水玻璃加量增加而減小，且幅度較大。而當水玻璃加量超過10%以后，曲線趨于平緩，隨水玻璃加量增加流動度變化不大。

2 外加劑對水泥－水玻璃漿液凝固特性影響研究

通過對水泥－水玻璃漿液的凝固特性分析研究得知，水泥－水玻璃漿液的凝結時間隨水玻璃加量較為敏感，當水玻璃加量稍大時其漿液迅速凝結，凝結時間太短將會制約著施工進程，而且由于迅速凝結，漿液不能達到對注漿體擴散半徑的要求進而影響工程質量。于是在進行水泥－水玻璃漿液灌漿施工過程中，需要添加一定的外加劑對其凝結時間進行調節(jié)，對漿液的性能進行改善。通過試驗主要對各種常用的外加劑對水泥－水玻璃漿液的凝固特性的影響情況進行分析研究。試驗過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量的2%。試驗結果如圖2所示。

通過對圖2分析可以初步得到以下幾點認識。

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

(2)在流動度方面，減水劑(FDN、SM、NF、UNF－5)改善流動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性的效果最好，在本試驗條件下流動度接近35 cm。檸檬酸改善流動性的效果也較好，但是試驗過程中發(fā)現它會使?jié){體發(fā)生一定程度的絮凝，漿液中固相物質分散效果不理想。

圖2 外加劑對水泥－水玻璃漿液凝固特性影響

3 磷酸氫二鈉緩凝性能研究

通過試驗發(fā)現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漿液的凝固性能具有良好的改善效果。于是單獨對其進行試驗研究，分別對水灰比為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%)，對其凝結時間進行測試。其結果如圖3所示。

圖3 磷酸氫二鈉對水泥－水玻璃漿液凝結時間的影響

通過圖3分析可以初步得到以下幾點認識。

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

(2)在磷酸氫二鈉加量和水灰比一定的情況下，漿體的凝結時間隨著水玻璃加量的增加而增長。其中，本試驗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，對漿液凝結時間改善效果不明顯?？梢姾线m的磷酸氫二鈉加量對水泥－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必須保證結石體達到相應的強度，于是分別對水灰比為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不同齡期的結石體抗壓強度進行測試，其試驗結果如圖4所示。如表1所示，按不同的初凝時間對水灰比為0.8和1.0的漿液設計了幾種配方，確定了相應條件下的水玻璃和磷酸氫二鈉的加量，并測得了相應的漿液的膠凝時間。

圖4 磷酸氫二鈉加量對水泥－水玻璃結石體抗壓強度的影響

表1 按不同初凝時間設計的水泥－水玻璃漿液配方

由圖4分析可以得到以下幾點認識。

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

(2)磷酸氫二鈉加量大于水泥質量1.7%時，水玻璃用量在20%時強度較高，當其加量小于水泥質量1.5%時，水玻璃用量在40%時強度較高。強度的峰值點對應磷酸氫二鈉用量為2%。

(3)試驗還發(fā)現水玻璃用量對試件體積安定性有影響。在標準養(yǎng)護條件下，水玻璃加量占漿體體積80%以上時，試塊會收縮，在7天以后會出現裂縫，進而影響結石體的強度和抗?jié)B性。由此可知，并不是水玻璃加量越大灌注效果就好，水玻璃加量過大強度不是最高相反會帶來副作用。

4 結論

根據以上試驗研究可知，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、加量、外加劑等都會影響其凝固特性。通過對不同外加劑對水泥－水玻璃漿液的凝固性能的影響分析，發(fā)現磷酸氫二鈉對漿液具有較好的緩凝性能。通過對比試驗發(fā)現當其加量為2%時改善漿液凝結時間效果較好。另外，通過對水泥－水玻璃漿液結石體進行強度測試，獲得了水灰比為0.8和1.0時不同水玻璃和磷酸氫二鈉加量對結石體強度的影響規(guī)律。并按不同初凝時間設計了水泥－水玻璃漿液的配方。

［1］孫釗.大壩基巖灌漿［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

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

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［7］閆勇，鄭秀華.水泥－水玻璃漿液性能試驗研究［J］.水文地質工程地質，2004，(1):71－72.

［8］阮文軍，王文臣，胡安兵.新型水泥復合漿液的研制及其應用［J］.巖土工程學報，2001，23(2):212－216.

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

地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室人才培養(yǎng)課題(SKLGP2010Z008)

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