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水泥----水玻璃漿材在灌漿工程中的應(yīng)用
發(fā)布日期:2014-08-11 瀏覽次數(shù):1830次
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，在世界各國工程界受到了高度重視。在我國的化學(xué)灌漿工程實踐中，研究和應(yīng)用的灌漿材料有10個系列，分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。無機(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)備簡單、操作方便等優(yōu)點。其缺點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，以及凝固時間很長，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，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，是具有一定毒性，污染環(huán)境，耐久性差，且價格較貴。水玻璃同水泥一樣源廣價廉，污染較小，且可灌性好，在許多新型固化劑的作用下，水玻璃類漿液的性能（如耐久性、結(jié)石體強(qiáng)度、可灌性、抗?jié)B性等）不斷改善，是一類日益重要、有發(fā)展前途的漿液。水泥和水玻璃配合起來使用，最大發(fā)揮了水泥一水玻璃兩種灌漿材料的優(yōu)勢，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。水玻璃模數(shù)(M)即Si02與Na20克分子比的大小，對漿液性能影響很大。M值小，Si02含量低，凝結(jié)時間短、結(jié)石強(qiáng)度低；M值大，Si07含量高，凝結(jié)時間長，結(jié)石強(qiáng)度高。一般灌漿用的水玻璃要求M=2.4～3.4。水玻璃的濃度
稱波美度(Be’)。灌漿一般使用30～40Be’的水玻璃。
水玻璃漿材按其固化劑與固化前的形態(tài)可分為以下類型，即：溶液型，有①水玻璃一無機(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；②水玻璃一無機(jī)氣體固化劑（二氧化碳）體系；③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；④酸性水玻璃；⑤硅溶膠一無機(jī)固化劑體系。懸濁液型，有①水玻璃一水泥體系；②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)時間，按膠凝時間長短，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。膠凝時間的長短，影響凝膠中是否有鈉離子的殘存。無機(jī)固化劑固化很快，使半數(shù)以上的鈉離子殘存在凝膠中；氣體固化劑，固化時間適中，但凝膠仍殘存鈉離子；水玻璃與有機(jī)固化劑反應(yīng)相對來說較慢，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)展起來的一種新型漿材，凝膠中無鈉離子存在。
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。我國自1967年開始在煤礦井巷建設(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)化是在極短時間內(nèi)完成的。在灌漿中利用它的這種性質(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間和結(jié)石強(qiáng)度。
影響水泥與水玻璃漿液膠凝時間長短的因素有以下幾種：
(I)水泥品種：一般說來，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)號提高，膠凝時間縮短；普通硅酸鹽水泥比礦渣水泥膠凝快。
(2)水灰比：水灰比減小，膠凝時間縮短。
(3)波美度Ber：波美度越小，膠凝越快。
(4)水泥漿與水玻璃體積比(C：S)：在其它條件相同時，C：S增大，即水玻璃摻量越少，則膠凝越快。
(5)漿液溫度：隨著漿液的升高，膠凝時間加快。
(6)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?；蚰舅兀哂酗@著緩凝效果。
2水泥一水玻璃灌漿材料性能的提高
作為無機(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，但是它的最大缺點就是膠凝時間短，滲透性差；加入水玻璃后使其膠凝時間可調(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，形成凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的Si-O-Si鍵將產(chǎn)生斷裂，稱為“膠溶”。因此，凝膠過程中除去鈉離子是十分重要的。
水玻璃一無機(jī)固化劑漿材固結(jié)后，內(nèi)部存在大量鈉離子，這必然會引起凝膠網(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，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)度在初期隨時間的增加而降低，但經(jīng)過一段時間后，卻可在長時間內(nèi)穩(wěn)定在
較高的水平。
酸性水玻璃凝膠中，無鈉離子殘存，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性而采取的降低粘度（必須降低水玻璃濃度）和延長膠凝時間（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：水玻璃具有單獨顆粒及其聚集體組成的粗糙不均勻結(jié)構(gòu)，其中3～6肛的大顆粒約占20%～30%，1～3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。添加糖醇作為密實劑，由于密實劑對硅酸凝膠的壓密作用，其密實度比普通耐酸混凝土顯著增大，氣孔率減少70%～80%，抗?jié)B標(biāo)號提高7～10倍，耐久性也大大提高。
日本的一項專利介紹水泥-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。
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，發(fā)生了地下水污染事件，日本政府頒布法規(guī)，禁止非水玻璃類化學(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2～3年的耐久性，且價格也不能太高，為此采用了酸性水玻璃。一次灌漿采用了高爐水泥一膨潤土漿，漿中水泥含量為180kg/m3，其固結(jié)后的無側(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10.5～12. 5m的隧道。開挖底面在- 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。
世界上第一條最長的海底隧道——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。
上海地鐵徐家匯車站采用跟蹤注漿法保護(hù)地下管線。
廣州地鐵1號線，暗挖法施工前采用水泥一水玻璃漿液對隧道周圍土體進(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。
