水玻璃浓度与浇注砂土强度关系

田雪晶，刘廷权，高晓岩，王硕

(河北联合大学河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

0 引言

2011年3月11日，日本发生里氏9.0级大地震，造成严重的核泄漏，最终用水玻璃进行封堵，取得了显著的成效。水玻璃的应用十分广泛，如表1所示。其中，日本在建筑方面的需求量占总产量的三分之一，目前我国在建筑方面的用量较少，对于水玻璃性能相应的研究也很少，许多应用技术尚待开发。因此大力开发和推广使用水玻璃对我国建筑业的振兴与发展具有深远的现实意义［1］。

表1 美、英、日等国水玻璃用途的消耗比例(%)

1 实验材料及性质

(1)水玻璃

水玻璃俗称泡花碱，分子式为Na2O·nSiO2。其中，系数n称为水玻璃模数，代表SiO2和Na2O的物质的量的比，n值越大，水玻璃的粘性和强度越高，但在水中的溶解能力下降，只能溶于热水中，给应用带来麻烦。当n大于3.0时，要在4atm以上的蒸汽中才能溶解。n值越小，水玻璃的粘性和强度越低，越易溶于水，故土木工程中常用模数n为2.6～2.8，既易溶于水又有较高强度的水玻璃。而实际生产的水玻璃模数一般在2.4～3.3 之间。

水玻璃的浓度一般用密度来表示。水玻璃在水溶液中的含量(或称浓度)常用密度ρ或者波美度Be表示，两者的关系为:

水玻璃密度越大，水玻璃含量越高、粘度越大。土木工程中常用水玻璃的密度一般为1.36～1.50 g/cm3，经上式换算，得出波美度范围为38.4～48.3Be。本研究选用Be为35.2、41.2和46三个浓度，查波美度表可得水玻璃溶液的百分数分别为30%、36%、41%［2］。

水玻璃属于气硬性胶凝材料，在空气中与二氧化碳发生反应，析出二氧化硅凝胶，因凝胶脱水而逐渐硬化［3］，反应为:

本实验选用模数n为2.77的水玻璃。

(2)砂土

实验所用的砂土为采集的地基砂土，经实验测定级配μf=1.24，为特细砂，含水率为5%，砂土烘干后使用。

(3)固化剂氟硅酸钠

由于空气中二氧化碳的浓度较低，故凝胶脱水反应极其缓慢，同时反应物nSiO2·mH2O为无定形的二氧化硅凝胶，其脱水硬化的速度很慢，往往需要几个月才能完成，不适合工程应用。所以在使用水玻璃时，需掺入氟硅酸钠(Na2SiF6)作为促硬剂，可以加速二氧化硅凝胶析出，从而可以加快其硬化速度，反应为:

本实验所掺的氟硅酸钠量为水玻璃质量的12%［4］。

2 实验原理

用水玻璃浇注砂土，做成大小为7.07 cm3的立方体试块，由于水玻璃的性质，在空气中硬化，生成的凝胶将砂土的空隙填满并包裹，一定天数后产生一定的固结强度［5］，龄期内的实验平均温度为(20±3)℃，平均湿度60%。试块在五天后拆模，放在空气中养护，分别在8天、14天和28天将试块用压力机压碎，记录压力值，最后换算成抗压强度。

3 实验方案

通过测定砂土的孔隙，来确定砂土与水玻璃的配比，即拟用填满砂土孔隙的体积量来确定配比。测定方法为:v=v1－v2，其中，v1是指材料的堆积体积，v2是指材料在自然状态下的体积。经测定，300克砂土的孔隙体积为89 ml。所以试验采用300克砂土加入89 ml体积的水玻璃溶液的配比。将原料配好后，进行搅拌2 min，之后振实，振动次数不少于30次。每种浓度做三组试样，每组龄期分别为8天、14天和28天，实验方案如表2所示。

表2 实验方案

4 实验结果与分析

抗压强度采用压力机测试，试样压碎前后的形态如图1和图2所示。

图1 压碎前的试块形态

图2 压碎后的试块形态

不同配比试样经龄期为8天、14天和28天后，分别测得其压力值，结果如表3所示。

表3 试样压力值(kN)

每个配比试样压力值测试三块，取平均值，处理数据后换算成抗压强度，如表4所示。

表4 试样抗压强度(MPa)

在水玻璃模数为n=2.77、配比为300克砂土掺入89 mL水玻璃，并加入固化剂氟硅酸钠量为水玻璃质量的12%的实验室条件下，试样抗压强度与龄期和水玻璃浓度的关系曲线如图3和图4所示。

图3 试块龄期与抗压强度的关系

图4 水玻璃浓度与抗压强度的关系

由图3可知，在水玻璃浓度相同时，试块抗压强度随着龄期的增长而增长。浓度为30%与36%的水玻璃，强度增长曲线规律相近，但浓度为41%的水玻璃，早期强度增长较快，后期增长稍稍减慢。

由图4可知，龄期为8天时，不同浓度的水玻璃与砂土固结强度相差不大;随着水玻璃浓度的增大，试块抗压强度呈增长趋势。龄期为14和28天时，抗压强度增加幅度较大。

在水玻璃模数一定的情况下，水玻璃的粘度会随着浓度的增大而增大，粘度越大、包裹在砂土外的硅凝胶越厚、相应的固结强度也就会越大，这与预期的效果大致相符。

5 结论

本文通过试验测试方法，对不同浓度的水玻璃浇注砂土的抗压强度进行了测试，在一定的温度和湿度、一定龄期内测得其抗压强度，分析了龄期、水玻璃浓度对抗压强度的影响规律，实验结果表明，水玻璃可用来加固地基，为今后对水玻璃与砂土固结的研究提供参考，在工程应用中也具有非常重要的现实意义。本研究只对同一模数下不同浓度的水玻璃与砂土固结情况进行了分析，如何根据工程需要确定适宜的水玻璃浓度，还需进一步试验研究。

［1］林学贵.水玻璃在建筑方面的应用［J］.硅铝化合物，2004，5(3):6-8.

［2］孙城祥.水玻璃应用技术.硅酸盐学报［J］，1986，6(11):38-40.

［3］康永，侯晓辉，柴秀娟.水玻璃复合材料应用研究的进展［J］.中国粉体工业，2010，(6):18-22.

［4］胡国兵.水泥、水玻璃浆液在锦屏工程涌水封堵中的应用［J］.人民长江，2009，40(21):32-34.

［5］陈永，洪玉珍，等.水玻璃黏结剂的固化和粉化机理研究［J］.科学技术与工程，2010，10(1):1671-1815.