水泥一水玻璃浆材在灌浆工程中的应用

2000年第2期水文地质工程地质水泥一水玻璃浆材在灌浆工程中的应用摘要：水泥一水玻璃作为一种复合型灌浆材料，集中了水泥和水玻璃两种灌浆材料的优点，在许多灌浆工程中发挥重要作用。本文从水泥、水玻璃的基本性能出发，对水泥一水玻璃灌浆材料的性能和应用进行了探讨。关键词：水泥；水玻璃；灌浆材料化学灌浆技术是将化学浆液注入岩土内部，使其在原位进行化学反应，以增强岩土的工程力学强度和水力学性质，增加岩土的完整性和结构的整体性，达到改善岩土的承载力和提高地层的密实性，起到防渗加固的作用。灌浆材料在灌浆工程中起着关键的作用，在世界各国工程界受到了高度重视。在我国的化学灌浆工程实践中，研究和应用的灌浆材料有10个系列，分为无机和有机两大类。无机浆材主要有水泥、水玻璃和粘土等，有机有丙烯酰胺、木质素等。水泥具有源广价廉，浆液结石体抗压强度高、抗渗性能好、工艺设备简单、操作方便等优点。其缺点是浆液为颗粒性材料，难以注入0.2mm以下裂隙和颗粒小于Imm的砂层，以及凝固时间很长，难以准确控制等。丙烯酰胺等有机化学灌浆材料最大的优点，是它所制得的浆液都是真溶液，初始粘度较小，可灌进更加细小的缝隙或孔隙；胶凝时间可以根据需要进行调节，使其充填范围恰到好处。其主要缺点，是具有一定毒性，污染环境，耐久性差，且价格较贵。水玻璃同水泥一样源广价廉，污染较小，且可灌性好，在许多新型固化剂的作用下，水玻璃类浆液的性能（如耐久性、结石体强度、可灌性、抗渗性等）不断改善，是一类日益重要、有发展前途的浆液。水泥和水玻璃配合起来使用，最大发挥了水泥一水玻璃两种灌浆材料的优势，提高灌浆效果和工程质量，受到了普遍的欢迎。1水泥一水玻璃灌浆材料的基本性能商品水玻璃多呈棕黄色粘稠状液体。水玻璃模数(M)即Si02与Na20克分子比的大小，对浆液性能影响很大。M值小，Si02含量低，凝结时间短、结石强度低；M值大，Si07含量高，凝结时间长，结石强度高。一般灌浆用的水玻璃要求M=2.4～3.4。水玻璃的浓度称波美度(Be’)。灌浆一般使用30～40Be’的水玻璃。水玻璃浆材按其固化剂与固化前的形态可分为以下类型，即：溶液型，有①水玻璃一无机固化剂体系，包括：酸性固化剂，如磷酸、碳酸氢钠、硫酸氢钠、磷酸钠、亚硫酸钠；金属盐：氯化钙、氯化钠、氯化镁、硫酸铝、硫酸镁；②水玻璃一无机气体固化剂（二氧化碳）体系；③水玻璃一有机固化剂体系；乙二醛、多元醇、乙酸乙酯、醋酸乙烯酯；④酸性水玻璃；⑤硅溶胶一无机固化剂体系。悬浊液型，有①水玻璃一水泥体系；②水玻璃一不溶性钙粉体系。水玻璃浆材中水玻璃与固化剂的反应时间，按胶凝时间长短，浆材可分为3种：lOs似内的叫快固化浆，10分钟左右的叫中固化浆，th以上的叫慢固化浆。胶凝时间的长短，影响凝胶中是否有钠离子的残存。无机固化剂固化很快，使半数以上的钠离子残存在凝胶中；气体固化剂，固化时间适中，但凝胶仍残存钠离子；水玻璃与有机固化剂反应相对来说较慢，固化剂反应充分，仅有少量的钠离子残存。酸性水玻璃是近几年发展起来的一种新型浆材，凝胶中无钠离子存在。水玻璃作为化学灌浆的一种主要材料，如尤斯顿法（水玻璃一氯化钙），在很早以前就被采用了，而将其与水泥浆配合使用还是不久以前的事。我国自1967年开始在煤矿井巷建设中广泛使用。将水玻璃加入水泥浆中，已不单纯是为了改变浆液特性，而且它可以与水泥水化中产生的某些成分化合成一种胶体，这种胶体是水泥浆迅速失去流动性而转化成固体，共同充填岩土中的空隙，这种化合和转化是在极短时间内完成的。在灌浆中利用它的这种性质，可以迅速堵住较大和具有水流作用的通道，也起到节约材料的效果。水泥一水玻璃最重要的性能是凝胶时间和结石强度。影响水泥与水玻璃浆液胶凝时间长短的因素有以下几种：(I)水泥品种：一般说来，水泥中硅酸三钙的含量越多，胶凝越快。普通硅酸盐水泥随着水泥标号提高，胶凝时间缩短；普通硅酸盐水泥比矿渣水泥胶凝快。(2)水灰比：水灰比减小，胶凝时间缩短。(3)波美度Ber：波美度越小，胶凝越快。(4)水泥浆与水玻璃体积比(C：S)：在其它条件相同时，C：S增大，即水玻璃掺量越少，则胶凝越快。(5)浆液温度：随着浆液的升高，胶凝时间加快。(6)外加剂：加入促凝剂，如白灰Ca(OH)2，可加快胶凝；加入缓凝剂，如磷酸氢二钠Na2HPO。或木素，具有显著缓凝效果。2水泥一水玻璃灌浆材料性能的提高作为无机灌浆材料，水泥具有结石体强度高，不污染环境的优点，但是它的最大缺点就是胶凝时间短，渗透性差；加入水玻璃后使其胶凝时间可调，提高可灌性，但结果却使结石体的疆度和耐久性大大降低。近年来围绕如何提高水泥一水玻璃浆液的结石体的强度、流动性、抗渗性、耐久性作了大量的研究工作，并已取得了巨大的进展。根据研究结果，认为“胶溶”和脱水收缩是影响浆材耐久性的两个最重要的因素。水玻璃化学结构中，当钠离子存在时，形成凝胶网状结构的Si-O-Si键将产生断裂，称为“胶溶”。因此，凝胶过程中除去钠离子是十分重要的。水玻璃一无机固化剂浆材固结后，内部存在大量钠离子，这必然会引起凝胶网状结构的断裂，这就是该浆材耐久性差的主要原因。但由于这种材料成本低，在临时性工程中，仍在使用。水玻璃一有机固化剂浆液，固化较慢，这不仅使凝胶中残存钠离子量减少，而且极有利于硅酸聚合物的链增长，这样凝胶结构就不易断裂，凝胶的韧性大大提高。所以，用该浆材固结的砂体强度在初期随时间的增加而降低，但经过一段时间后，却可在长时间内稳定在较高的水平。酸性水玻璃凝胶中，无钠离子残存，凝胶的化学稳定性很强。水玻璃浆材耐久性低另一原因：主要是为提高浆液流动性而采取的降低粘度（必须降低水玻璃浓度）和延长胶凝时间（必须减少固化剂用量），引起胶结强度的大幅度的下降。而且，未反应的水玻璃在凝胶后析出，引起脱水牧缩，其结果不仅造成抗渗性的降低，而且造成耐久性的降低。针对这种情况，使用复合固化剂，即在固化剂铝酸碱金属盐内添加酸性铝盐，其中酸性铝盐可：(1)起缓冲作用，进一步促进凝胶化时间的缓慢的变化，使可灌性变得良好。(2)中和水玻璃的碱化，抑制胶体脱水收缩作用，提高胶结强度。从液体水玻璃系统的显微分析得知：水玻璃具有单独颗粒及其聚集体组成的粗糙不均匀结构，其中3～6肛的大颗粒约占20%～30%，1～3肛的颗粒约占60，由于大颗粒的存在，导致了水玻璃水泥石粗气孔率的形成。添加糖醇作为密实剂，由于密实剂对硅酸凝胶的压密作用，其密实度比普通耐酸混凝土显著增大，气孔率减少70%～80%，抗渗标号提高7～10倍，耐久性也大大提高。日本的一项专利介绍水泥-水玻璃灌浆材料，在较低粘度和良好可灌性下，获得高强度，耐久性好的固结体。该浆液以炉渣或微细水泥(比表面积为5000cm2/g)和摩尔比为2.5以下的水玻璃构成的。其中还可添加分散剂。3水泥一水玻璃灌浆材料的应用1925年荷兰的H．J．Joosten首次用水玻璃一氯化钙浆液进行化学灌浆。从此，化学灌浆逐渐发展起来。进入本世纪50年代，由于高分子工业的发展．出现了许多高分子灌浆材料，其中应用最多的是丙烯酰胺、尿醛树脂、木质素、聚氨酯和水玻璃浆材。然而，1974年，日本用丙烯酰胺灌浆时，发生了地下水污染事件，日本政府颁布法规，禁止非水玻璃类化学灌浆材料的使用，这促进了水玻璃浆材的发展，几种新型水玻璃浆材相继研制成功。这些材料与传统的水玻璃浆材相比，其耐久性有了很大的改进。而随着水泥一水玻璃复合灌浆材料的研究与开发，其应用范围变得更广。1994年，在日本广岛一条新的地铁线路的施工中，成功地使用了化学灌浆技术。二次灌浆所用浆材要求至少有2～3年的耐久性，且价格也不能太高，为此采用了酸性水玻璃。一次灌浆采用了高炉水泥一膨润土浆，浆中水泥含量为180kg/m3，其固结后的无侧限抗压强度为3kgf/cmz左右；在东京，曾在地下40m深处修建了一条直径10.5～12.5m的隧道。开挖底面在-60.Im深处，为预防底部土层翻浆和隆起。在底部进行了化学灌浆，以形成5m厚防渗层，从而截断承压水的压力。世界上第一条最长的海底隧道——日本青函隧道采用矿渣胶体化水泥和水玻璃复合材料，成功地达到堵水和加固以抵抗水压的目的。在世界的许多城市隧道工程中，采用水泥一水玻璃灌浆材料进行防渗加固，获得了成功。如米兰地铁，那不勒斯轻轨高速运输系统等。台北地铁Chungo线，用水泥一水玻璃灌浆以防渗和加固。北京地铁西章站管棚注浆，选定以水玻璃为主剂，硫酸及其它辅助材料为副剂，混合配成的酸性水玻璃浆液作为粉细砂的注浆材料。上海地铁徐家汇车站采用跟踪注浆法保护地下管线。广州地铁1号线，暗挖法施工前采用水泥一水玻璃浆液对隧道周围土体进行加固。除隧道外，水泥一水玻璃在城市建设中处理充填土软基工程中也发挥了重要作用。如广东嘉力玩具厂综合楼充填土软基化学灌浆处理工程，采用水泥水玻璃化学灌浆加固，取得了良好的效果。4结语化学灌浆作为一种防渗加固的工程措施，实践表明，在备类灌浆材科中，水玻璃，尤其是经过改性的水玻璃，与水泥混合使用，充分体现了水泥灌浆的优点，同时具备化学灌浆的某些特点。在工程实践中，根据不同的工程特性，进行灌浆材料的优选，完全能够满足各种工程尤其是地下止水防渗的要求。进一步开发具有某些特殊性能的注浆材料，提高水玻璃注浆材料的耐久性与强度，将会使化学灌浆技术应用更为广泛。参考文献[1]熊厚金．国际岩土锚固与灌浆新进展[Ml.北京：中国建筑工业出版社，1996.[2]杜嘉鸿．地下建筑注浆工程简明手册[M].北京：科学出版社，1992.[3]张景秀．坝基防渗与灌浆技术[M]．北京：水利电力出版社，1992.