外加劑對雙液漿性能影響的實驗研究

郭棋武，尹小波,2，陳沅江，萬秀峰

(1.湖南中大建設工程檢測技術有限公司，湖南 長沙 410205；2.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；3.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

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外加劑對雙液漿性能影響的實驗研究

郭棋武1，尹小波1,2，陳沅江3，萬秀峰3

(1.湖南中大建設工程檢測技術有限公司，湖南 長沙 410205；2.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；3.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

在水泥-水玻璃的化學反應機理分析的基礎上，對氯化鋁溶液及磷酸氫二鈉兩種不同外加劑對漿液凝固特性的影響進行了對比試驗研究。試驗包括凝膠時間、結(jié)石率、抗壓強度及耐久性試驗，初步獲得了兩種外加劑水泥-水玻璃漿液性能的影響規(guī)律。

道路工程；水泥-水玻璃漿液；凝固特性；外加劑；氯化鋁溶液；磷酸氫二鈉

0 引 言

水玻璃是一種兼具開發(fā)價值及應用前景的環(huán)境友好型膠凝材料，同時也是化學灌漿中使用最早且最廣的材料。由于1974年日本發(fā)生了由丙烯酰胺灌漿引起的地下水污染事件，無毒水玻璃漿材備受矚目，其發(fā)展有了很大的進步，幾種新型的水玻璃漿材相繼研制成功[1]。并且隨著水泥-水玻璃復合灌漿材料的研究與開發(fā)，其應用范圍變得更廣。

水泥-水玻璃漿液是以水泥和水玻璃作為主劑，兩者按一定比例采用雙液方式注入，必要時加入速凝劑或者緩凝劑所組成的注漿材料。這種雙液漿同時具有水泥漿液的優(yōu)點及化學漿液的某些特性。水泥-水玻璃漿液因其凝膠時間短、固結(jié)強度高等優(yōu)點被廣泛的應用在實際的工程當中，特別是在含水量稍高的軟土層區(qū)域中，如海底隧道工程、城市地鐵等[2-3]。但是水泥-水玻璃漿液的配制及使用大多根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，對其性能的試驗研究較少，而外加劑對雙液漿影響的研究更加稀少。陸兆陽[4]研究了雙液漿的凝膠時間、結(jié)石率及結(jié)石體強度3個性能指標，發(fā)現(xiàn)水灰比是雙液漿最終強度的決定性因素并且在一個合適的配比范圍內(nèi)，水泥與水玻璃反應迅速、完全且結(jié)石體強度高。安妮，等[5]研究了不同配比下水泥-水玻璃漿液的初凝時間及最優(yōu)配比下不同齡期的試件單軸抗壓強度的影響因素，其試驗結(jié)論在實際工程中得到應用。鄒強[6]，吳德寶，等[7]以水泥-水玻璃漿液的基本性能為對象，進行了室內(nèi)試驗的研究，取得了該漿液在不同配比下的凝膠時間及其相應抗壓強度。王勝，等[8]研究了不同水灰比下漿液的膠凝時間、流動度及多種外加劑對漿液凝固特性的影響。

筆者采用不同水灰比、不同外加劑及外加劑不同量的水泥-水玻璃漿液進行試驗，討論了外加劑對漿液的凝膠時間、結(jié)石率、抗壓強度及耐久性4個性能的影響，并初步得到了規(guī)律。

1 雙液漿的原材料及化學原理

1.1 雙液漿的原材料

雙液漿由水泥、水玻璃和外加劑組成。普通硅酸鹽水泥，強度等級不低于42.5；工業(yè)水玻璃，濃度為51°Be′、模數(shù)為2.2～2.5；外加劑為磷酸氫二鈉及氯化鋁溶液。

1.2 水泥-水玻璃反應機理

首先是水泥的水化，主要是硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)發(fā)生水化，生成水化硅酸鈣(C-S-H)和氫氧化鈣〔Ca(OH)2〕，產(chǎn)生的水化硅酸鈣為幾乎不溶于水的膠狀物，其反應如式(1)、式(2)：

3CaO·SiO2+nH2O→

xCaO·SiO2·yH2O(C-S-H)+(3-x)Ca(OH)2

(1)

2CaO·SiO2+mH2O→

xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2

(2)

當加入水玻璃以后，產(chǎn)生的氫氧化鈣很快與水玻璃反應，生成具有一定強度的水化硅酸鈣凝膠體，其反應過程如式(3)：

3Ca(OH)2+NaO·nSiO2+mH2O→

Ca·nSiO2·mH2O+2NaOH

(3)

隨著水玻璃與氫氧化鈣之間反應的進行，生成的連膠質(zhì)體越來越多，與被灌巖體膠結(jié)在一起，其強度不斷增加轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的凝固體，從而達到灌漿加固的目的。

1.3 磷酸氫二鈉作用機理

配制水泥-水玻璃漿液時，該漿液瞬間凝結(jié)，可施工性差，故通常都會加入磷酸氫二鈉延緩其凝膠時間。其添加順序為水-磷酸氫二鈉-水泥，磷酸氫二鈉水解生成磷酸二氫根H2PO4-，后與水泥發(fā)生反應，在水泥顆粒表面生成一層“難溶性”的磷酸鈣，阻礙了水泥水化，使氫氧化鈣的析出速度變慢，則其與水玻璃的反應也變緩，從而達到緩凝的作用[9]。

1.4 鋁鹽的作用機理

氯化鋁的加入促進了水玻璃形成游離的Si(OH)4反應的發(fā)生，延遲了水玻璃與水泥的反應時間，同時氯化鋁水解生成的Al(OH)3與Si(OH)4進一步反應，形成一種含有Al-O-Si鍵的鋁硅酸鹽膠狀聚合物[10]，反應如式(4)：

3Na2O·mSiO2·H2O+2AlCl3=

mSiO2·(n-3)H2O+6NaCl+2Al(OH)3

(4)

該聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構可很好地附著在土體或砂礫的周圍，起到較強的黏結(jié)作用，從而提高了試件的抗壓強度。

2 室內(nèi)試驗

試驗前將工業(yè)水玻璃稀釋至濃度為38°Be′，并分別配置濃度為0.5，1.0，2.0，3.0，4.0 mol/L的氯化鋁溶液。試驗分為兩大組：氯化鋁作為緩凝劑、磷酸氫二鈉作為緩凝劑。其中每大組試驗又包括水灰比為0.8，1，1.5的3小組。水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.6，氯化鋁溶液添加量為水玻璃體積的1/4，磷酸氫二鈉添加量分別為占水泥質(zhì)量的1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%。

2.1 凝膠時間試驗

凝膠時間一般是指在一定的溫度下，從參加反應的全部成分混合時起，到漿液失去流動性止所經(jīng)過的時間，可分為初凝時間和終凝時間。水泥-水玻璃漿液的凝膠時間很短，故常添加緩凝劑延長其凝膠時間。本試驗采用倒杯法測定漿液的凝膠時間，該方法適用于各種注漿材料，是現(xiàn)場使用的比較簡便的一種方法。

2.2 結(jié)石率試驗

結(jié)石體積與漿液體積之比稱為結(jié)石率，測試方法是將攪拌好的漿液灌入φ50 mm×100 mm試模中，漿液固結(jié)后拆模，用游標卡尺測量試件平均高度，計算結(jié)石體體積及漿液原始體積的比值，即為結(jié)石率。

2.3 抗壓強度試驗

試驗測定純漿體強度，將漿液在7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的模具中成型，24 h后脫模。脫模后的試件在水中進行養(yǎng)護，待7，14，28 d后測定其抗壓強度。

2.4 耐久性試驗

該試驗包括抗硫酸鹽侵蝕試驗、抗凍融試驗及干濕循環(huán)試驗。

抗硫酸鹽侵蝕試驗[11]是將養(yǎng)護7 d試件浸泡在采用化學純無水硫酸鈉試劑配制濃度為3%的硫酸鹽溶液中，15 d后測其抗壓強度?？箖鋈谠囼瀃12]是指將養(yǎng)護后試件放在低溫箱中16 h，然后放入20 ℃的水槽中進行融化，時間為8 h，此為一次凍融循環(huán)。干濕循環(huán)試驗是指將養(yǎng)護后試件置于與室溫相同的水中浸泡12 h，然后置于室溫條件下自然風干12 h，此為一次干濕循環(huán)。

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 凝膠時間

不同水灰比下，摻入同量不同濃度的氯化鋁溶液的漿液凝膠時間如圖1。

圖1 添加AlCl3溶液的水泥-水玻璃漿液的凝膠時間

不同水灰比，摻入不同量的磷酸氫二鈉的漿液的凝膠時間如圖2。

圖2 添加Na2HPO4的水泥-水玻璃漿液的凝膠時間

由圖1及圖2可以得出：

1)氯化鋁溶液能夠有效地延緩水泥-水玻璃漿液凝膠時間，并且其效果比磷酸氫二鈉顯著；并且當水灰比為1.5時，凝膠時間發(fā)生突變，曲線變化規(guī)律與水灰比為0.8及1.0時大不相同。

2)水灰比≯1時，添加同一外加劑的漿液膠凝時間變化規(guī)律相同；添加氯化鋁溶液的漿液，隨著溶液濃度的增大，凝膠時間先減小后增大，在1 mol/L處凝膠時間最小，到達峰值時增大了近10倍；添加磷酸氫二鈉的漿液，隨著磷酸氫二鈉用量增大，凝膠時間先增大后減小，在2.5%處凝膠時間最大，與最小值相比增大了4.5倍。

3)水灰比>1時，漿液膠凝時間無規(guī)律可循；添加氯化鋁溶液的漿液，膠凝時間大幅提高，在2 mol/L處達到峰值；添加磷酸氫二鈉的漿液，在1.5%處達到谷值。

4)添加氯化鋁溶液的漿液，外加劑溶液濃度不變，隨著水灰比增大，漿液凝膠時間增大，且濃度為2 mol/L時增長幅度最大，近100倍；添加磷酸氫二鈉的漿液，外加劑用量相同時，隨著水灰比增大，漿液凝膠時間減少，減少幅度在添加量為2.0%時最大，為4.5倍，但是磷酸氫二鈉用量為1.0%時例外，水灰比為1.5時，漿液凝膠時間增大。

3.2 結(jié)石率

結(jié)石率試驗結(jié)果如表1。

表1 漿液結(jié)石率

由表1可知：

1)漿液結(jié)石率均在95%以上，隨著水灰比增大，結(jié)石率降低；且大部分添加外加劑的漿液結(jié)石率比純水泥-水玻璃漿液結(jié)石率大。

2)水灰比≯1時，添加氯化鋁溶液的漿液的結(jié)石率，隨著氯化鋁溶液濃度的增大，結(jié)石率減小，減小幅度不超過1.21%；添加磷酸氫二鈉的漿液的結(jié)石率，在磷酸氫二鈉添加量為2.5%時達到谷值。

3)水灰比>1時，添加氯化鋁溶液的漿液的結(jié)石率，在氯化鋁溶液濃度為3，4 mol/L時達到峰值，為97.5%；添加磷酸氫二鈉的漿液的結(jié)石率在98%～98.2%之間，當磷酸氫二鈉添加量為3.0%時最大。

3.3 抗壓強度

水灰比為1.0時，漿液凝膠時間處于中間值，故測定其各組漿液試件的7，14，28 d抗壓強度，純水泥-水玻璃漿體的各時期抗壓強度分別為：3.624，3.887，4.107 MPa，添加外加劑的各組漿體抗壓強度結(jié)果如圖3、圖4。

圖3 添加AlCl3溶液的漿體抗壓強度

圖4 添加Na2HPO4的漿體抗壓強度

由圖3、圖4可以得出：

1)添加外加劑的各種漿體抗壓強度均比純水泥-水玻璃漿體的抗壓強度大。

2)添加氯化鋁溶液的漿體，養(yǎng)護齡期相同時，其抗壓強度隨著氯化鋁濃度的增加而增大，且其增長速率較之添加磷酸氫二鈉的漿體增長速率要快，齡期7 d時強度增長幅度最大達到37.1%；氯化鋁濃度相同時，其抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，在氯化鋁溶液為0.5 mol/L時增長幅度最大，為11.8%，并且其在后期(14～28 d)增長速率較小。

3)添加磷酸氫二鈉的漿體，養(yǎng)護齡期相同時，對比凝膠時間變化曲線，可以看出其強度變化規(guī)律與凝膠時間變化規(guī)律相似，均是隨著用量的增加強度先增大后減小，其用量為2.5%時，強度達到最大，同時漿液凝膠時間也最大；磷酸氫二鈉用量相同時，其抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，并且其在后期(14～28 d)增長速率較小。

3.4 耐久性

漿液水灰比=1.0，其耐久性試驗結(jié)果是以強度損失來表示，如表2。

表2 耐久性試驗結(jié)果

由表2可知：

1)純水泥-水玻璃試件的強度損失與添加磷酸氫二鈉的試件的強度損失幾乎相同，而添加氯化鋁溶液試件的強度損失則更小。

2)隨著氯化鋁溶液濃度的增加，其試件強度損失減小，而磷酸氫二鈉的添加量對試件強度損失幾乎沒有影響，隨著其添加量的增加，強度損失沒有變化。

由此表明，添加氯化鋁溶液的試件耐久性能比添加磷酸氫二鈉的試件更好。

4 結(jié) 論

1)氯化鋁溶液與磷酸氫二鈉都能有效地延緩水泥-水玻璃的凝膠時間，并且氯化鋁溶液的效果更佳。

2)漿液的結(jié)石率在95%以上，且添加外加劑的漿液結(jié)石率比純水泥-水玻璃漿液結(jié)石率大。

3)兩種外加劑都能提高漿體的抗壓強度，并且添加氯化鋁溶液的漿體整體上比添加磷酸氫二鈉的漿體的抗壓強度大，且隨著氯化鋁溶液濃度的增加而增大，在磷酸氫二鈉用量為2.5%時達到最大，且隨著氧化齡期的增長而增大。

4)添加氯化鋁溶液的試件耐久性能比添加磷酸氫二鈉的試件及純水泥-水玻璃試件耐久性能好。

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Experimental Study on the Influence of the Admixture for the Double Grout

Guo Qiwu1,Yin Xiaobo1,2,Chen Yuanjiang3,Wan Xiufeng3

(1.Hunan Zhongda Construction Engineering Technic Testing Co.,Ltd.,Changsha 410205,Hunan,China;2.School of Info-Physis,Central South Unirersity,Changsha 410083,Hunan,China;3.School of Resources & Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China)

Contrast tests were carried out on the base of chemical reaction mechanism analysis on the cement-sodium silicate slurry, to research the influence of two different kinds of admixtures including Aluminum chloride solution and Disodium hydrogen phosphate on the solidification characteristics of slurry. The gelation time test, stone rate test, compressive strength test and durability test were included. Therefore, the influence law of the two admixtures on the solidification characteristics of cement-sodium silicate slurry was obtained preliminarily.

road engineering;cement-sodium silicate slurry; solidification characteristics; admixture; Aluminum chloride solution; Disodium hydrogen phosphate

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.09

2013-11-13；

2014-01-03

郭棋武(1974—)，男，山東肥城人，高級工程師，主要從事巖土監(jiān)測和加固技術方面的研究。E-mail:2796846597@qq.com。

陳沅江(1969—)，男，湖南湘潭人，副教授，工學博士，主要從事道路交通安全及巖土環(huán)境方面的研究。E-mail:1506983607@qq.com。

X951;U416.2

A

1674-0696(2015)01-040-04