水泥－水玻璃基本性能研究

吴德宝，万 文，蒋 鑫

（湖南科技大学 湖南省普通高等学校土木工程施工过程与质量安全控制重点实验室，湘潭411201）

0 引 言

如今，随着经济及科学的发展及城市建设（如矿山巷道、油田、铁路、水利水电工程建设等领域）的兴起，促使人们开始向地下空间拓展，大范围的修建地下工程、隧道、地铁等，大量研究结果表明，注浆技术是地基处理技术中较为有效的方法之一，因此，注浆技术在治水防渗、地层加固、地基加固方面等岩土工程中得到广泛的应用.注浆技术是岩土工程学中的一门专业性较强的学术分支，其属于地基处理的范畴.注浆技术，也称之为灌浆技术，即用气压、液压、电化学理论或其他方式把浆液注入各种介质中以形成一定范围的注浆载体，以期达到加固地层或防身堵漏的目的的一种正式的施工技术［1］.

1 工程背景

资江特大桥位于湖南冷水江地区，项目区段为横跨资江，流水遄急.全长1941m，主桥为60＋3×100＋60m的预应力连续箱梁.18－21＃墩为主槽水中墩，圆端形实体墩，承台分二级设置，总高度6.5m，承台底基本位于河床底岩面.桩基为直径2.0m的钻孔灌注桩，每个墩位设15根，共计60根.地质报告揭示，河床覆盖层主要为砂卵石，层厚1～5m不等，最大粒径30cm，下伏弱风化石灰基岩，岩面起伏不平.受江水长期侵蚀作用，地表向下36m范围岩溶极其发育，溶洞密布，大的溶洞空腔高达8.7m.现场实际注浆过程中，水泥－水玻璃浆液凝胶时间差别很大，既要达到一定的扩散半径致使浆液不致浪费，又要使其凝结时间及相应强度得到一定的保证.凝结时间过快，扩散半径达不到要求；凝结过慢，造成浆液的大量流失，都达不到预期效果，因此，本文针对水泥与水玻璃的基本性能做了大量的室内实验，研究了注浆参数（凝结时间、强度），得出了合适的配合比.

2 水泥－水玻璃的化学反应机理

水泥本身的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的胶体物质所引起的，在硅酸三钙的水化过程中产生氢氧化钙［2－3］：

当加入水玻璃后，水玻璃马上与新生产的氢氧化钙反应，生成具有一定强度的凝胶体水化硅酸钙：

由于氢氧化钙是逐渐生成的，氢氧化钙与水玻璃之间的反应则由于氢氧化钙的注浆生成而连续进行着.水玻璃与氢氧化钙之间的反应是较快的.随着反应的进行，胶质体越来越多，强度也越来越高.

3 水泥－水玻璃浆液基本性能的试验

水泥－水玻璃浆液基本性能主要表现为凝结时间、强度、安定性、抗渗性、抗冻性等.本室内实验主要对其中较为重要的凝胶时间、强度这2个基本性能进行了相关研究.

根据注浆工程的需要，水泥－水玻璃注浆液可分为堵水和加固两方面的应用.对于堵水，特别是水压较大，水流速度较快或充填岩土的空隙较大，要求浆液的凝结时间短且具有一定的抗压强度；对于加固地基，则要求浆液具有做够的抗压强度.

3.1 试验原材料

本试验所选用的原材料分别来源于湖南海螺水泥有限公司生产的425＃普通硅酸盐水泥与湖南仁海科技材料发展有限公司生产的液体水玻璃.其中，液体水玻璃的参数选取：水玻璃模数2.61，密度1.53g／cm3.

3.2 试验仪器

本试验所选用的试验仪器主要有：电子天平、秒表、温度计、胶砂试验机，40＊40＊160mm3模具、量杯、铲子、维卡仪、养护模、标准养护机等.

3.3 试验步骤

为了研究不同水灰比和不同水泥－水玻璃质量比与水泥－水玻璃浆液凝结时间和结石体性能的影响.水灰比设为：0.5∶1、0.75∶1、1∶l、1.25∶1；水泥－水玻璃质量比设为：1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25和1∶1.5［4］.

（l）在水灰比相同条件下，不同配合比水泥－水玻璃条件下，测定水泥－水玻璃的凝胶时间，同时做成试块，测定水泥－水玻璃的抗压强度；

（2）待浆液凝固后脱模，试块放在20士2℃水中养护；

（3）测定试块3d、7d、14d及28d的无侧限抗压强度；

（4）每组取三块试压，取其平均值.

3.4 实验结果及数据分析

水泥－水玻璃凝结时间可分为凝胶时间、初凝时间和终凝时间.凝胶时间：一般是指在一定的温度下，从参加反应的全部成分混合时起，至浆液失去流动性为止所需要的时间.初凝时间：浆液凝胶至部分失去塑性所经历的时间.终凝时间：浆液凝胶体已达到最终固有的性质，化学反应已终止.由室内实验得到水泥－水玻璃的凝结时间和抗压强度数据见表1.

表1 不同配比水泥－水玻璃凝结时间、抗压强度

从表1及图1、图2、图3可以看出，水泥－水玻璃浆液的凝胶时间从6～83s之间变化，浆液凝胶时间变化不是很大；但是初凝时间和终凝时间变化较大.在水灰比一定，随着水泥－水玻璃质量比增大，浆液的凝胶时间、初凝时间和终凝时间逐渐增加；在水泥－水玻璃质量比一定，水灰比越大，凝胶时间和初凝时间越长.当水灰比大于1.25，水泥－水玻璃质量比大于1.25时，水泥水玻璃浆液的初凝时间、终凝时间显著增加，增加幅度较大，当水泥－水玻璃质量比到达1.5时，浆液的终凝时间明显变长很多，最大值到1232min.初凝、终凝时间过长，注浆时跑浆漏浆是非常严重的，浪费严重且容易被水稀释，注浆效果会大大折扣.过长的终凝时间，注浆时跑浆漏浆是非常严重的，并且施工效果也不好，这说明：①水灰比和水泥－水玻璃质量比过大达不到加速水泥固结的目的；②在一定水灰比内，浆液的凝结时间变化不大；③浆液凝结时间的总趋势是随着水泥－水玻璃质量比变大而增大.

由表1和图4～图7可知，在一定范围内，对于水泥－水玻璃浆液，决定其浆液结石体抗压强度的主要因素是水泥浆的浓度.在水灰比相同下，水泥－水玻璃质量比增大，抗压强度会降低；浆液结石体前期强度增长较快，后期增长较慢.当水灰比为1∶1时，水泥浆与水玻璃的质量比为1∶0.5时，其结石体抗压强度最高，化学反应进行的最完全，其强度也最高.实际上，浓水泥浆需要浓水玻璃，稀水泥浆需要稀水玻璃.

4 结 论

（1）通过对浆液的凝结时间的测定，水灰比过小，质量比较小时，凝胶时间短，扩散半径小且容易造成堵管；发现水灰比过大，质量比较大时，终凝时间太长，都不宜作为施工时的配合比.

（2）实验表明水灰比为1∶1，质量比为1∶0.5，其强度最高，凝胶时间适中.

（3）浆液结石体强度试验表明，并不是水灰比和质量比越大越好，水灰比在0.5～1之间，水泥浆与水玻璃质量比介于0.5～1之间，结石体强度较高，比较适合加固地基.

（4）本文只做了单一浓度的水玻璃与水泥基本性能研究，不同浓度的水玻璃还需进一步研究.

［1］ 蔡胜华，黄智勇，董建军，陈彦生.注浆法［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［2］ 协作组.岩土注浆理论与工程实例［M］.北京：科学出版社，2001.

［3］ 闫 勇，郑秀华.水泥－水玻璃浆液性能试验研究［J］.水文地质工程地质，2004，（1），71－81.

［4］ 李国亮.双液注浆加固边坡的应用研究［D］.长沙：中南大学，2011.