李 夏， 徐軍哲， 劉人太， 姜其琛， 劉浩杰， 劉亞南， 馮 嘯

(1. 山東大學巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061； 2. 中鐵工程裝備集團技術服務有限公司， 河南 鄭州 450016)

新型酸性水玻璃注漿材料的研究與應用

李 夏1， 徐軍哲2， 劉人太1， 姜其琛1， 劉浩杰1， 劉亞南1， 馮 嘯1

(1. 山東大學巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061； 2. 中鐵工程裝備集團技術服務有限公司， 河南 鄭州 450016)

針對城市地鐵穿越砂層時注漿預加固的材料問題，研究磷酸-水玻璃注漿材料的凝膠時間、凝膠形態(tài)和砂土固結體強度的影響因素以及工程應用材料配比，設計磷酸-水玻璃注漿材料室內(nèi)凝膠性能試驗和砂土固結體強度試驗，并與傳統(tǒng)的硫酸-水玻璃注漿材料進行系統(tǒng)性對比，最后根據(jù)室內(nèi)試驗選擇合適的材料配比進行現(xiàn)場注漿試驗。試驗結果表明： 1)磷酸-水玻璃混合液中，當磷酸的摻量增大時，磷酸與水玻璃的體積比增大，混合液的 pH 值減小，凝膠時間增大，存在一一對應的關系； 2)磷酸-水玻璃混合液的pH值是磷酸-水玻璃漿液凝膠時間和凝膠形態(tài)的決定性因素； 3)磷酸-水玻璃漿液中磷酸質(zhì)量分數(shù)、水玻璃波美度和混合液體積比分別變化時，加固體抗壓強度稍有變化，影響較小。

地鐵； 砂層； 注漿預加固； 磷酸-水玻璃； 凝膠時間； pH值； 砂土固結體抗壓強度

0 引言

城市地鐵穿越砂層是目前地鐵建設經(jīng)常遇到的難題，注漿是有效的加固方法。采用傳統(tǒng)的注漿材料進行注漿易導致地表隆起，并易引起管線破裂、路面起伏以及建筑物破壞等問題，使得其應用受到限制；一般化學注漿材料具有價格昂貴、可能存在毒性等缺點，難以廣泛應用于城市地鐵的注漿加固工程中；水玻璃注漿材料具有起始黏度低、可注性好、來源廣、造價低和毒副作用小等優(yōu)越性能，適于城市地鐵砂層的注漿加固[1-3]。

水玻璃注漿材料一般分為在堿性區(qū)域凝膠化的堿類漿材和在中性—酸性區(qū)域凝膠化的非堿類漿材(即酸性水玻璃)。堿性溶液型水玻璃凝膠體具有一定的腐蝕性，其耐久性受到影響，并對環(huán)境有一定的污染。近年來，許多學者對酸性水玻璃漿材進行了初步研究，取得了較多成果。文獻[4-11]通過室內(nèi)試驗研究了硫酸-水玻璃體系的成膠特點、溫度和pH值與凝膠時間的影響關系以及不同類型的酸性水玻璃適用的地層； 呂擎峰等[12-14]和吳朱敏[15]針對復雜的黃土濕陷問題，研究了溫度改性水玻璃固化黃土的強度及抗凍能力；肖尊群等[16-17]研究了碳酸鈣-酸性水玻璃注漿材料的成膠機制和固砂強度，重點討論了碳酸鈣摻量和溶液pH值隨漿液膠凝時間的變化規(guī)律；郭炎偉[18]研究了磷酸-水玻璃漿液的凝結時間與水、磷酸體積、水玻璃質(zhì)量分數(shù)等的關系以及其加固土體的效果。

目前的研究主要針對硫酸-水玻璃注漿材料體系，但硫酸具有易揮發(fā)、腐蝕性強的特點，會對施工人員造成危害，并且會腐蝕地下金屬管線，安全性差。本文選取更容易獲得且危險性小的磷酸代替硫酸，系統(tǒng)地研究磷酸-水玻璃注漿材料體系，研究磷酸的質(zhì)量分數(shù)、水玻璃波美度和混合液的pH值對漿液凝膠時間及漿液凝膠形態(tài)的影響；然后根據(jù)時間條件優(yōu)選出適用于工程應用的材料配比，并進行了磷酸-水玻璃固砂體的強度試驗； 最后結合工程現(xiàn)場對注漿材料的需求，優(yōu)選出凝膠時間易控和固砂強度高的漿液配比，并將其應用于青島地鐵2號線石老人浴場站B號口地下通道砂層注漿加固工程中，整個開挖過程圍巖穩(wěn)定，表明注漿效果良好。

1 酸性水玻璃凝膠機制

(1)

(2)

(3)

在酸性溶液中，硅酸分子的配位數(shù)為6，硅酸分子和正一價硅酸離子進行羥聯(lián)反應形成雙硅酸，具體為

(4)

雙硅酸繼續(xù)聚合形成多硅酸直至形成硅溶膠，隨著反應時間的繼續(xù)，硅溶膠中的SiO2粒子不斷增加，相互凝結形成開放連續(xù)的凝膠網(wǎng)絡結構，并發(fā)生斷續(xù)縮合形成Si—O—Si鍵，最終形成具有一定剛度的硅凝膠[8]。

2 磷酸-水玻璃漿液凝膠性能試驗

選用波美度為40 °Bé、模數(shù)為2.6的工業(yè)水玻璃和質(zhì)量分數(shù)為85%的工業(yè)磷酸為試驗原材料。

2.1試驗設計

經(jīng)過預備試驗可知，波美度為25～40 °Bé的水玻璃與磷酸溶液混合時，混合溶液的敏感度太高，很容易出現(xiàn)瞬凝、絮狀物或凝膠不完全等現(xiàn)象。試驗中選取波美度為20 °Bé的水玻璃，質(zhì)量分數(shù)分別為6%、8%和10%的磷酸以及磷酸和水玻璃體積比為130∶100～205∶100進行配比。

2.2試驗過程

1)稀釋磷酸。將質(zhì)量分數(shù)為85%的磷酸稀釋到相應的質(zhì)量分數(shù)。

2)調(diào)整水玻璃波美度。將波美度為40 °Bé的水玻璃加水稀釋得到所需要的波美度，并用玻璃棒攪拌均勻。

3)將調(diào)整好的水玻璃加入到稀釋的磷酸中，并不斷用玻璃棒攪拌，使其充分反應，記錄此時的時間。

4)待反應完全后，測量混合液的pH值，并記錄。

5)利用倒杯法檢測漿液是否初凝，記錄混合液的凝膠時間。

2.3試驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1 凝膠形態(tài)分析

磷酸-水玻璃注漿材料配比試驗結果見表1。由表1可知，磷酸和水玻璃的體積比為130∶100～150∶100時，磷酸質(zhì)量分數(shù)分別為6%和8%的磷酸-水玻璃混合液會在混合后瞬凝，并且混合液凝膠不完全。由試驗結果可知： 1)當pH值小于3.5時，混合液會在混合后30 min左右在容器底部析出絮狀物，并且膠凝時間大于2 h； 2)當pH值為 3.5～6.5時，磷酸和水玻璃混合后為均勻白色的半透明狀液體，不會析出絮狀物，并在1 h內(nèi)凝結為白色半透明狀膠體。

表1磷酸-水玻璃注漿材料配比試驗結果
Table 1 Test results of phosphoric acid water glass grouting material ratio

磷酸與水玻璃的體積比6%磷酸凝膠狀態(tài)pH值8%磷酸凝膠狀態(tài)pH值10%磷酸凝膠狀態(tài)pH值130∶100瞬凝 瞬凝凝膠 5．78135∶100瞬凝 瞬凝凝膠 5．57140∶100瞬凝 瞬凝凝膠 5．2150∶100瞬凝 瞬凝凝膠 5．0155∶100凝膠 6．5凝膠6．2凝膠 4．72160∶100凝膠 6．3凝膠6．1凝膠 4．25170∶100凝膠 6．1凝膠5．6凝膠 3．65175∶100凝膠 5．4凝膠5．5絮狀物3．38180∶100凝膠 4．7凝膠5．3絮狀物3．36185∶100凝膠 3．7凝膠5．25絮狀物3．35190∶100絮狀物2．1凝膠5．2絮狀物3．29195∶100凝膠4．8絮狀物3．31200∶100凝膠4．36205∶100凝膠3．7

2.3.2 凝膠時間分析

磷酸-水玻璃混合液凝膠形態(tài)良好時pH值與磷酸和水玻璃體積比的關系曲線如圖1所示。由圖1可以看出： 磷酸質(zhì)量分數(shù)分別為6%、8%和10%時，磷酸-水玻璃混合液的pH值隨著磷酸與水玻璃體積比的增大而減小，基本成線性關系； 磷酸-水玻璃混合液的pH值調(diào)控范圍為3.5～6.5。

圖1 pH值與磷酸和水玻璃體積比的關系曲線Fig. 1 Relationships between volume ratio and pH value of phosphoric acid water glass

磷酸-水玻璃溶液的凝膠時間與pH值的關系曲線如圖2所示。3組試驗的曲線變化規(guī)律基本相同，磷酸-水玻璃混合液的pH值與凝膠時間呈負相關關系。當混合液pH值大于5時，凝膠時間較短，為70 s～15 min，漿液在地層中滲透或擴散的范圍較小，不利于工程應用；當混合液pH值小于4時，凝膠時間大于60 min，漿液在地層中滲透或擴散距離過大，造成漿液流失，也不利于工程應用； 當混合液pH值為4～5時，凝膠時間為15～60 min，能夠保證漿液在注漿加固區(qū)域內(nèi)滲透或擴散，有利于工程應用。

圖2 磷酸-水玻璃溶液的pH值與凝膠時間的關系曲線Fig. 2 Relationships between pH value and gel time of phosphoric acid water glass

硫酸水玻璃-碳酸鈣漿液的凝膠時間與pH值的關系曲線如圖3所示。每組配比選用18 mL的水玻璃和20 mL的水倒入質(zhì)量分數(shù)為10%的不同體積的硫酸溶液中，再分別加入0.45～1.1 g的碳酸鈣[16]。比較圖3和圖2可知： 磷酸-水玻璃漿液的凝膠時間具有明顯的規(guī)律性，有利于實際工程中漿液的調(diào)配，并且漿液的凝膠時間可根據(jù)實際工程調(diào)控為15～60 min； 而大部分硫酸水玻璃-碳酸鈣漿液的凝膠時間小于200 s，漿液在地層中滲透或擴散的范圍較小，不利于工程現(xiàn)場應用。

圖3 硫酸水玻璃-碳酸鈣漿液的凝膠時間與pH值的關系曲線Fig. 3 Relationships between pH value and gel time of sulphuric acid water glass

3 磷酸-水玻璃砂土加固體強度試驗

3.1試驗設計

制備磷酸-水玻璃漿液固砂體試件的砂的顆粒級配見表2。根據(jù)磷酸-水玻璃凝結時間測定結果，優(yōu)選出4組適用于工程現(xiàn)場的配比。為研究水玻璃質(zhì)量分數(shù)及磷酸質(zhì)量分數(shù)對加固體強度的影響，在原4組配比的基礎上增加4組配比進行試驗。磷酸和水玻璃的配比見表3。

表2 砂的顆粒級配

3.2試驗數(shù)據(jù)分析

3.2.1 試塊強度隨時間的變化規(guī)律

8組試塊(1#—8#)的抗壓強度與齡期的關系曲線如圖4所示。不同配比的水玻璃漿液凝結成固砂體后，均隨著養(yǎng)護齡期的增加而增大，增加幅度越來越小。8組配比的固砂體強度差別不大，養(yǎng)護齡期為3 d時，固砂體強度為(0.300±0.025)MPa； 7 d時，固砂體強度為(0.410±0.015)MPa； 28 d時，固砂體強度范圍浮動較大，為(0.430±0.04)MPa。

表3 磷酸和水玻璃的配比

圖4 試塊抗壓強度與齡期的關系曲線

3.2.2 磷酸質(zhì)量分數(shù)對抗壓強度的影響

試驗編號分別為4、5和6的3組試驗，水玻璃波美度均為20 °Bé，水玻璃與磷酸的體積比均為180∶100，磷酸質(zhì)量分數(shù)分別為5%、10%和15%。不同磷酸質(zhì)量分數(shù)條件下試塊的抗壓強度如圖5所示。

圖5 不同磷酸質(zhì)量分數(shù)條件下的試塊抗壓強度Fig. 5 Relationship between compressive strengths and phosphoric acid concentrations

由圖5可知，當磷酸質(zhì)量分數(shù)變化時，試塊抗壓強度變化不明顯，3 d與7 d的抗壓強度上下浮動范圍均不超過5%。在此試驗條件下，磷酸質(zhì)量分數(shù)為5%～15%時，磷酸質(zhì)量分數(shù)不是影響漿液固砂強度的主要因素。

3.2.3 水玻璃波美度對抗壓強度的影響

試驗編號為3、7和8的3組試驗，磷酸質(zhì)量分數(shù)均為8%，水玻璃與磷酸的體積比均為200∶100，水玻璃波美度分別為20、25、30 °Bé，不同水玻璃波美度條件下試塊的抗壓強度如圖6所示。

圖6 不同水玻璃波美度條件下試塊的抗壓強度Fig. 6 Relationships between compressive strength and water glass Baume Degree

由圖6可知： 當水玻璃波美度由20 °Bé提高到25 °Bé時，3 d強度增加了約10%，7 d與28 d強度變化不明顯； 當水玻璃波美度由25 °Bé提高到30 °Bé時，其各齡期抗壓強度均稍有增加，但均不超過7%。在此試驗條件下，水玻璃波美度為20～30 °Bé時，增加水玻璃波美度可以提高固砂體抗壓強度，但是增幅較小。

4 現(xiàn)場試驗

4.1工程概況

青島地鐵2號線石老人浴場站B號口地下通道位于海爾路與香港東路交叉口，拱頂埋深5～6 m，穿越以黏性土、粗礫砂為主的第4系表土層，圍巖級別為Ⅵ級，開挖風險極高。站址范圍內(nèi)地下管線密集，主要分布于香港東路綠化帶及交叉路口的中央。管線埋深1.5～3.5 m，管線距離拱頂?shù)淖钚【嚯x為1.3 m。

4.2試驗設計

根據(jù)磷酸-水玻璃凝膠性能試驗和砂土加固體強度試驗結果，選取波美度為20 °Bé的水玻璃和質(zhì)量分數(shù)為8%的磷酸為工程實際配比，磷酸和水玻璃混合液的pH值控制在4.3左右，凝膠時間控制為40～60 min。注漿參數(shù)見表4，注漿孔平面布置如圖7所示。

表4 注漿參數(shù)

圖7 注漿孔平面布置圖

4.3現(xiàn)場注漿試驗結果分析

4.3.1p-Q-t曲線分析

p-Q-t曲線(p、Q和t分別代表注漿壓力、注漿量和注漿時間)如圖8所示。由圖8可知： 1)注漿時間小于20 min時，隨著時間的增加，注漿壓力增長緩慢，說明地層中孔隙或裂隙較多，漿液滲透或流動阻力較小； 2)注漿時間大于20 min且小于30 min時，注漿壓力增長率變大，說明漿液滲透或流動阻力隨著時間逐漸增大，漿液開始劈裂地層； 3) 注漿時間大于30 min時，注漿壓力增長率逐漸減小，說明注漿孔口地層趨于飽和，漿液在高壓下繼續(xù)滲透或劈裂前進。

圖8 p-Q-t曲線

4.3.2 注漿效果檢查

開挖過程中，掌子面及拱頂穩(wěn)定，無涌水、涌砂現(xiàn)象出現(xiàn)，漿脈明顯，表明注漿效果良好，如圖9所示。

4.3.3 開挖洞內(nèi)變形分析

地下通道采用CRD開挖工法，開挖順序依次為左洞上導—左洞下導—右洞上導—右洞下導，開挖步距為50 cm，每一榀開挖完成后及時進行初期支護。左洞上導初期支護后現(xiàn)場監(jiān)測點布置如圖10所示，監(jiān)測點變形量如圖11所示。由圖11可知： 左洞上導開挖后洞內(nèi)拱頂?shù)某两盗孔畲?，最大值約為2.6 mm，滿足隧道開挖的安全性要求。

圖9 注漿效果

圖10 現(xiàn)場監(jiān)測點布置圖

圖11 監(jiān)測點變形量

5 結論與建議

系統(tǒng)研究了磷酸-水玻璃注漿材料體系，獲得了磷酸-水玻璃漿液凝膠時間、凝膠形態(tài)及砂土固結體強度的影響因素，并與傳統(tǒng)的硫酸-水玻璃注漿材料進行了系統(tǒng)性對比，最終成功將磷酸-水玻璃注漿材料應用于青島地鐵2號線石老人浴場站B號口地下通道砂層注漿加固工程中。得到以下結論：

1)由磷酸-水玻璃凝膠性能試驗結果可知，磷酸-水玻璃混合液的pH值是控制混合液凝膠時間和凝膠形態(tài)的決定性因素?；旌弦旱膒H值為3.5～6.5時，混合液會在1.2 h內(nèi)凝膠，不會出現(xiàn)瞬凝、絮狀物或凝膠不完全等現(xiàn)象。與傳統(tǒng)硫酸水玻璃注漿材料相比，磷酸-水玻璃漿液配比及凝膠時間更容易調(diào)控，更利于工程應用。在實際注漿工程中，根據(jù)工程要求應選擇pH值為4～5、凝膠時間為15～60 min的配比。

2)磷酸-水玻璃砂土加固體強度試驗結果表明，加固體的3 d強度為(0.300±0.025)MPa，7d強度為(0.410±0.015)MPa，28d強度為(0.430±0.04)MPa。磷酸質(zhì)量分數(shù)、水玻璃波美度及磷酸與水玻璃體積比的變化對砂土加固體的抗壓強度影響較小。

3)針對青島地鐵2號線石老人浴場站B號口地下通道砂層注漿加固工程，選用材料的配比為： 磷酸的質(zhì)量分數(shù)為8%，水玻璃波美度為20 °Bé，磷酸與水玻璃的體積比為2∶1，混合液的pH值控制在4.3左右，凝膠時間控制為40～60 min。結果表明： 開挖過程中圍巖穩(wěn)定，隧道拱頂沉降滿足隧道開挖的安全性要求，說明注漿效果良好。

在研究磷酸-水玻璃注漿材料時，并未考慮采用添加劑增強磷酸-水玻璃砂土加固體強度的問題，在以后的研究中需進一步考慮該問題。

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StudyandApplicationofaNewAcidWaterGlassGroutingMaterial

LI Xia1, XU Junzhe2, LIU Rentai1, JIANG Qichen1, LIU Haojie1, LIU Yanan1, FENG Xiao1

(1.ResearchCenterofGeotechnicalandStructuralEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,Shandong,China; 2.ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupTechnologyServiceCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

In view of the problem of material pre-grouting reinforcement in urban metro crossing sand layer, the gel time, gel form, influencing factors of strength of sand consolidation material of phosphoric acid-water glass grouting material and engineering application ratio of materials are studied. Laboratory test on gel properties of phosphoric acid water glass grouting material and test on compressive strength of soil consolidation are designed and compared with those of traditional sulphuric acid water glass grouting material. After that，field tests are carried out. The test results show that: 1) With the increase of the concentration of phosphoric acid, the volume ratio of phosphoric acid and sodium silicate increases, the pH value of mixed liquor decreases and the gel time increases. 2) The pH value of the mixed solution of phosphoric acid water glass is the decisive factor of the gel time and the gel shape. 3) The variations of phosphoric acid concentration, water glass Baume and volume ratio of mixed liquid in phosphoric acid water glass grout have a little effect on the compressive strength of the consolidation body.

metro; sand layer; pre-grouting reinforcement; phosphoric acid water glass; gel time; pH value; compressive strength of sand consolidation body

2017-04-17;

2017-07-04

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2013CB036000)； 國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0801604)

李夏(1992—)，男，山東濱州人，山東大學土木工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為地下工程水害治理。E-mail： shandalixia@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.013

U 454

A

1672-741X(2017)10-1296-07