水泥—水玻璃双液浆的特性试验研究及应用

安 妮，赵 宇，石文广，孙红月，朱汉华

(1.浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058;2.浙江省大成建设集团有限公司，浙江 杭州 310012;3.浙江省公路管理局，浙江 杭州 310009)

地铁施工多使用盾构工法进行，保证工作面稳定和防止地层变形是施工过程中应该重点考虑的问题。地层变形原因系盾尾脱离管片后，管片背面出现超挖的空隙所致，若不及时进行注浆填充空隙，则会造成地层变形，进而对邻近的地面构筑物产生破坏性的影响。双液浆因凝结时间短、固结后强度高、不易渗入周边土体等优点广泛应用于实际工程中，尤其是在含水量较高的软土层地区中应用，如城市地铁、近海岸建筑物、海底隧道等工程［1-2］。然而，目前双液浆的使用主要依靠现场经验，对于双液浆试验特性的研究不多。李科等［3］在对于双液浆强度及其应力应变特性三轴试验的研究中，提出水泥与水玻璃的配比存在一个“最佳值”，但未涉及更重要的凝胶时间和凝结强度。陆兆阳等［4］进行双液浆中有关水灰比、水玻璃浓度、水泥浆—水玻璃体积比的试验，但并未采用地下工程现场更为常用的P．O 42.5R水泥进行试验，且水泥浆—水玻璃配比较少。本文采用不同配比的双液浆全面系统地进行试验，着重讨论了双液浆的初凝时间和最优配比下不同龄期试件一轴抗压强度的影响因素，并将试验结论应用于某实际工程取得了良好效果，为相关工程提供借鉴。

1 水泥—水玻璃双液浆注浆的化学原理

当地下水较丰富时，注浆过程中使用单液浆难以达到较好的密实性。把A液(水泥类)和B液(水玻璃类作硬化剂)两种浆液混合，则变成胶态溶液，成为水泥—水玻璃双液浆，可以达到加快凝固、提高凝结强度的目的。

水泥本身的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的物质所引起的，水泥本身所含的矿物遇水发生反应产生氢氧化钙和水化硅酸钙凝胶等。

而水泥与水玻璃的主要化学反应方程式为

由上述反应式看出水泥水化及其与水玻璃反应后所得产物大致相同，但水玻璃与水泥的反应速度比水泥水化反应要快，因此双液浆的凝胶时间较短，还可以通过加缓凝剂等措施方便地控制时间。对于凝胶固结体的强度而言，从化学反应式可以看出，原本强度很弱的水玻璃和水泥、黏土发生反应后，生成相对强度较高的硅酸钙，土体被加固并板结变硬，从而提高了土体的承载能力。

2 试验方法

本实验采用地下工程施工中最为常用的P．O42.5R普通水泥配制水泥浆液，水玻璃溶液是以硅酸钠为主要成分。根据经验值，将水玻璃溶液的浓度定为35°Be'，为控制初始条件一致，浆液采用随用随配的原则。

通过调整加入的水泥量、水玻璃量、水泥与水玻璃配比，测定不同情况下双液浆的凝胶时间和一轴抗压强度，整个试验过程中，室内温度控制在20℃。

3 试验结果及讨论

3.1 水泥量和水玻璃量对双液浆凝胶时间的影响

为测定双液浆中水泥量和水玻璃量的多少对于双液浆凝胶时间的影响，将 200 L，300 L，400 L，500 L 水玻璃和 25 kg，50 kg，75 kg，100 kg，125 kg，150 kg 水泥及相应的水进行混合配比，共得24组试样，分别测试每个试样的凝胶时间，结果如图1和图2所示。

图1 水泥量与双液浆凝胶时间的关系曲线

分析图1可知:

1)在单位体积双液浆中加入的水玻璃量一定时，随着水泥用量的增加，双液浆的凝胶时间迅速下降。在1 m3浆液中掺加水玻璃量分别为200 L、300 L、400 L，500 L时，随着水泥用量从25 kg增加到150 kg，双液浆的凝胶时间分别缩短1.73 min(61.0%)，1.83 min(70.0%)，1.80 min(70.6%)，2.00 min(74.4%)。

2)在单位体积双液浆中加入的水泥用量一定时，随着水玻璃量的增加，双液浆的凝胶时间也有所减小，但当水玻璃量为300 L、400 L、500 L时双液浆的凝胶时间十分接近，因此1 m3浆液中可以掺加的较为合理的水玻璃量是300 L。

3)当要求固定的凝胶时间时，单位体积浆液中如需增加水泥量，则应相应减小水玻璃的添加量。

图2 水玻璃量与双液浆凝胶时间的关系曲线

分析图2可知:

1)在单位体积双液浆中加入的水泥用量一定时，随着水玻璃量的增加，双液浆的凝胶时间也有所减小，最大变化范围为30 s。水玻璃量的多少对于双液浆的凝胶时间有一定程度的影响，但当要求固定的凝胶时间时，主要通过调节单位体积双液浆中水泥用量来实现。

2)在单位体积双液浆中加入的水玻璃量一定时，随着水泥用量的增加，双液浆的凝胶时间有大幅度下降。

3.2 水泥浆与水玻璃体积比对双液浆凝胶时间的影响

为测定水泥浆与水玻璃体积比对于双液浆凝胶时间的影响，设定温度为20℃，水灰比为0.75∶1，采用P．O 42.5R 的普通水泥，浓度为35°Be'的水玻璃，配制出水泥浆与水玻璃体积比为 1∶0.3，1∶0.4，1∶0.5，1∶0.6，1∶0.75，1∶1的 6 组试样，分别测定试样的凝胶时间，得出图3。

由图3可知，随着水泥浆、水玻璃体积比的减小，凝胶时间有显著增长。

图3 水泥浆、水玻璃体积比与双液浆凝胶时间的关系曲线

3.3 水泥量对双液浆一轴抗压强度的影响

为测定水泥量对于双液浆一轴抗压强度的影响，取上述24组试样中水玻璃量为300 L的6组试样，分别测定每组试样在凝胶养护时间为5 d，7 d，14 d，28 d时的一轴抗压强度值，如图4所示。

图4 水泥量与双液浆一轴抗压强度的关系曲线

分析图4可知:

1)在单位体积双液浆中当凝胶养护时间一定时，随着水泥量的增加，双液浆的一轴抗压强度增长显著，而且随着凝胶养护时间的增长，双液浆的一轴抗压强度随水泥用量变化的激增点不断减小。

2)在单位体积双液浆中加入的水泥量一定时，随着凝胶养护时间的增长，双液浆的一轴抗压强度不断上升。当水泥量＜100 kg时，早期强度和后期强度均比较低，随着水泥用量增加，早期强度和后期强度均有大幅度提高。

3.4 浆液龄期对双液浆一轴抗压强度的影响

同上述取水玻璃量为300 L的6组试样，分别测定每组试样在不同龄期的一轴抗压强度值，如图5。

图5 龄期与双液浆一轴抗压强度的关系曲线

分析图5可知:

1)不管单位双液浆中加入水泥量的多少，随着凝胶养护时间的增大，凝胶固结体的一轴抗压强度总是呈增长趋势。

2)同样的凝胶养护时间，随着单位体积双液浆中水泥量的增加，凝胶固结体一轴抗压强度增大，可以依不同的早期强度和后期强度要求来确定水泥的添加量，这点应根据施工具体要求来确定。

4 工程应用

某市地铁1号线城湖区间为双线单圆盾构区间，隧道设计起止里程左右线均为K11+202.932—K12+316.763，区间全长约为1 113.831 m。平面最小半径R为450 m，剖面最大坡度25‰，隧道顶埋深11.2～17.5 m。施工采用两台φ 6 340 mm土压平衡盾构机，左右线分别用7号和8号盾构机推进。区间线路位于市中心城区，下穿多个高架和立交桥，工程周边环境复杂，穿越的土层主要为砂质粉土、淤泥质粉质黏土等。

7号和8号盾构分别采用不同的注浆方法控制沉降，并分别在盾构第485环，610环，810环位置处的地表埋设观测点，利用精密水准仪观测注浆引起的地表沉降差异。7号盾构采用增大惰性浆液注浆量的方法，每环注浆量为6～7 m3，但在注浆过程中多次发生漏浆情况，地面沉降量较大，如图6所示。8号盾构施工过程中为严格控制漏浆，每隔5环对管片进行二次补注双液浆2～3 m3(双液浆中水泥水玻璃体积比为1∶0.75，具体用量根据现场情况进行调整)，实测结果表明其有效地控制了地面沉降。

图6 7、8号盾构485环，610环，810环对应地面变形情况对比

试验段第485环，610环，810环处的7号和8号盾构的最大沉降及对比情况如图6所示，8号盾构因二次补注采用双液浆，成功地将最大沉降控制在－20 mm左右;而7号盾构的沉降量最高达－61.27 mm，且不稳定。图中的最大沉降相差值也说明了使用双液浆注浆后有效控制了地面沉降。

5 结论

1)影响双液浆凝胶时间的因素中，水泥量起关键作用，同时也受水泥量与水玻璃配比的影响。当单位体积双液浆中水泥量固定时，水玻璃量的多少对于凝胶时间也有一定影响。

2)增大水泥用量对于提高双液浆的早期强度和后期强度都很重要，随着凝胶养护时间的增长，凝胶固结体一轴抗压强度逐步增大。

3)由双液浆在某实际工程中的应用效果可知，盾构施工中使用双液浆能够显著减小地面沉降，有助于控制开挖面稳定，因此在其他类似盾构施工中可寻求适合实际情况的水泥浆、水玻璃用量及配比，以获得更佳的工程效果。

［1］于建．双液浆帷幕在填海区基坑止水中的应用［J］．铁道建筑，2001(12):29-31．

［2］高海东．浅谈厦门海底隧道施工中的注浆［J］．石家庄铁路职业技术学院学报，2008，7(增 1):59-67．

［3］李科，周松，孙连元，等．盾构隧道施工用双液浆强度及其σ-ε 特性三轴试验研究［J］．铁道建筑，2009(8):71-74．

［4］陆兆阳．水泥—水玻璃双液浆配比试验及其特性研究［C］//中国地质学会、中国煤炭学会煤田地质专业委员会暨中国煤炭工业劳动保护科学技术学会水害防治专业委员会学术年会文集，2007:531-534．