复合水泥基-水玻璃双液注浆材料胶凝性能及抗压强度试验研究

巫茂寅,王起才,2,张戎令,2,田鹤翔,张 凯,王小龙

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070;2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070;3.宁夏宁东铁路公司，银川 750000；4.华北水利水电大学土木与交通学院，郑州 450046)



复合水泥基-水玻璃双液注浆材料胶凝性能及抗压强度试验研究

巫茂寅1,王起才1,2,张戎令1,2,田鹤翔3,张 凯4,王小龙1

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070;2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070;3.宁夏宁东铁路公司，银川 750000；4.华北水利水电大学土木与交通学院，郑州 450046)

传统的水泥水玻璃双液注浆材料的优点在于凝胶时间短、早期的抗压强度大，所以在加固软弱地层或堵漏中被广泛的使用。本文在传统材料的基础上，加入了粉煤灰、矿粉等工业废渣，提出一种复合水泥基-水玻璃双液注浆材料，并对新型材料的胶凝性能和28 d抗压强度进行研究，并通过改变水玻璃体积掺量、波美度和矿物掺合料比例来研究浆液凝胶时间及28 d抗压强度的变化规律；当水玻璃体积掺量为25%时，浆液硬化结石体强度最大，使用更大波美度的水玻璃或者配制合适比例的水泥、粉煤灰和矿粉的复合水泥基A液都可以提升双液注浆材料的抗压强度。

双液注浆材料； 水玻璃； 粉煤灰； 矿粉； 胶凝性能

1 引 言

在经济飞速发展的中国，地下工程得到了蓬勃的发展，在各种建设工程的施工过程中总会遇到地下水、软弱地层、地下管道的保护还有修建地铁等问题，为了保证所修筑的建筑物的质量同时又不影响周边既有的建筑物和地下管道或地铁隧道的正常使用，对软弱地层进行加固和对地下水的封堵就成为了建设工程能否顺利继续的前提条件[1-3]。实践证明注浆技术可以有效的保护施工周围区域既有的建筑物、地下管道或地铁隧道而且还能加固软弱地层封堵地下水[4]。注浆技术起源于十八世纪初，以经过200多年发展历史，从粘土材料注浆到水泥材料注浆再到化学试剂注浆到今天的复合材料注浆[5-6]。文章站在前人研究的基础上对复合水泥基-水玻璃注浆材料的胶凝性能进行了系统研究，并得到了一些可以参考的经验。

2 试 验

2.1 原材料

水泥：使用P·II 42.5普通硅酸盐水泥。标准稠度用水量为27.8%，安定性合格；比表面积346 m2/kg。具体化学组分如表1所示。

粉煤灰：使用 I级粉煤灰，经试验其性能符合GB/T1596-2005 I级粉煤灰要求。烧失量2.38%，比表面积450 m2/kg。具体化学组分如表1所示。

矿粉：采用S95矿粉，比表面积437 m2/kg。其化学成分如表1所示。

表1 原材料的化学组分Tab.1 Chemical composition of raw materials /wt%

减水剂：采用萘系高性能减水剂KTPCA。

水玻璃：采用钠水玻璃，模数2.5。

2.2 试验方案

(1)以水灰比为0.9，不掺矿物掺合料的纯水泥基A1液为基准液，在同样的水灰比下分别配制将30%水泥替换为粉煤灰的复合水泥基A2液，将70%水泥替换为粉煤灰的复合水泥基A3液，将70%水泥替换为35%粉煤灰加35%矿粉的复合水泥基A4液和将85%水泥替换为粉煤灰的复合水泥基A5液，与体积掺量为35%的水玻璃B液按设计比例混合均匀，得到C1、C2、C3、C4和C5液，所用水玻璃模数为2.5，波美度为40 Be'，用以研究矿物掺合料对水泥基注浆材料的密度、凝胶时间和抗压强度的影响。注浆材料A液、C液配比表见表2和表3。

(2)配制水玻璃体积掺量分别为15%、25%、35%、45%和55%五种B液分别加入到A1到A5液中，水玻璃的模数为2.5，波美度为40 Be'，用以研究水玻璃体积掺量对复合水泥基凝胶时间和抗压强度的影响。

(3)配制波美度分别为30 Be'、35 Be'、40 Be'和45 Be'四种B液分别按25%的体积掺量掺入到A1到A5液中，水玻璃的模数为2.5，波美度为40Be'，用以研究水玻璃波美度对复合水泥基凝胶时间和抗压强度的影响。

2.3 试验方法

(1)浆体密度的测定

分别取A浆液和C浆液各250 mL装入量筒中并测定其质量，计算得到A液和C液的密度。

(2)浆体凝胶时间的测试

采用倒杯法测试浆体的凝胶时间，首先把称量好的A液和B液分别放在两个烧杯里，将A液加入B液中并开始计时，然后再倒回A液烧杯中，一直重复此过程，当烧杯中的C液倾斜45°左右不再流动时停止计时，此时得到的时间就是浆体的凝胶时间[7]。

(3)浆液硬化体抗压强度的测试

将混合均匀的浆体放入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm模具中制成试块，放入24 h后脱模，在标准养护条件下进行养护，并在3 d、7 d、14 d和28 d测试试块抗压强度[5]。

表2 A液配比表Tab.2 Ratio table of solution A

注：FDN是指萘系减水剂

表3 C液配比表Tab.3 Ratio table of solution C

注：Volume of solution B 35%是指A液B液体积比为1∶0.35

3 结果与讨论

3.1 不同矿物掺合料对复合水泥基-水玻璃双液注浆材料密度的影响

从表4和表5可知，水泥净浆A1的密度最大，可见掺入粉煤灰或者矿粉或者二者混掺料会降低试块密度。再由掺入70%纯粉煤灰的A3组和掺入35%粉煤灰加35%矿粉A4组对比可知，用矿粉代替部分粉煤灰，试块密度会有所提升。A液和B液按既定的比例均匀混合后得到C液，总体来讲每组C液的密度比对应的A液密度更小。

表4 A液密度Tab.4 Density of solution A

表5 C液密度Tab.5 Density of solution C

3.2 不同矿物掺合料、水玻璃波美度及水玻璃体积掺量对复合水泥基-水玻璃双液注浆材料凝胶时间的影响

图1反映了在改变水玻璃波美度的情况下，使用35%体积掺量的水玻璃B液与不同配比的水泥基A液均匀混合后得到的双液注浆材料的凝胶时间的变化规律，由图1可以看出，浆液的凝胶时间会随着水玻璃波美度的增加而增长，但增加的速度不是很快，当波美度从30 Be'增加到45 Be'时，A1、A2、A3、A4和A5组的凝胶时间分别增加了47%、25%、36%、23%和34%。说明了水玻璃的波美度越大注浆材料的凝胶时间会越长。图2反映了在改变水玻璃体积掺量的情况下，使用40 Be'波美度的水玻璃B液与不同配比的水泥基A液均匀混合后得到的双液注浆材料的凝胶时间的变化规律，从图2可知，在无论纯水泥基的A1组或是掺入矿物掺合料的A2、A3、A4和A5组，浆体的凝胶时间都随着水玻璃掺量的逐增而变大。当水玻璃的掺量从15%变化到55%的过程中，A1、A2、A3、A4和A5组凝胶时间由19 s、22 s、26 s、25 s和55 s增加到83 s、101 s、143 s、120 s和274 s。原因在于水玻璃的密度较A液小，不断增加水玻璃的掺量，相当于水玻璃液稀释了A液，就等同于增大了A液的水灰比，也相当于浆液中颗粒间的距离被拉大，所以水化产生的胶凝物质连接成为整体的时间被加长，故凝胶时间变长[8-11]。

图1 水玻璃波美度对浆液凝胶时间的影响Fig.1 Effect of baume to the slurry's gel time

图2 水玻璃掺量对浆液凝胶时间的影响Fig.2 Effect of sodium silicate content on the slurry's gel time

3.3 不同矿物掺合料、水玻璃波美度及水玻璃体积掺量对复合水泥基-水玻璃双液注浆材料28 d抗压强度的影响

图3 水玻璃波美度对浆液抗压强度的影响Fig.3 Effect of baume to the slurry's compressive strength

图4 水玻璃体积掺量对浆液抗压强度的影响Fig.4 Effect of sodium silicate content on the slurry's compressive strength

图5 矿物掺合料对浆液抗压强度的影响Fig.5 Effect of mineral admixture on the slurry's compressive strength

4 工程实例

某地下交通枢纽工程施工中，已开通运营地铁隧道从其下方穿越，在开挖到地铁穿越段上方土体时，地铁管片收敛值超过警戒值，故在地铁“窗口”期间，采用分层、低压、高频小导管单液注浆方法对盾构区间侧向土体进行加固，并停止该区域土方的开挖，按照本文提出的最优A4组的组分配置A液，并配置波美度为45 Be'的水玻璃B液，按A液∶B液=1∶0.25混合为复合水泥基-水玻璃双液注浆材料，并控制注浆速度在10～15 L/min；注浆压强0.1～1.0 MPa；单孔注浆量在1 m3左右。现场注浆管的分布及注浆机如图6和图7所示。当注浆结束以后，间接的通过对地铁隧道内对应断面测点的监测发现受影响隧道管片的收敛值逐渐减小且变化量在警戒范围内，注浆结束后3 d对注浆加固区土体进行钻孔取样实测加固土体的含水量从33.1%下降到23%左右，液性指数为0.38，土体状态由流塑状变成硬塑状，再经过施工开挖的继续进行表明：浆液在土壤中按脉状分布，松散的土体变得很密实，加固土的力学性能得到较大提升，所以本文得到的最佳掺量完全达到了注浆加固的目的，并满足隧道施工的要求。

图6 现场实验注浆管的分布Fig.6 Distribution of field experiments grouting pipe

图7 SJB-6型双缸双液注浆机Fig.7 SJB-6 cylinder double liquid grouting machine

5 结 论

(1)纯水泥基-水玻璃注浆材料的密度大于复合水泥基材料。随着A液中掺入粉煤灰，浆液密度开始降低，保持其他条件相同，将部分粉煤灰换成矿粉，浆液密度又有增大的趋势。

(2)增加水玻璃B液的体积掺量会提升复合水泥基注浆材料的凝胶时间，增大水玻璃波美度也会提升混合材料的凝胶时间，但水玻璃波美度对注浆材料凝胶时间的影响要比水玻璃体积掺量的影响小。水泥基中用粉煤灰和矿粉替代一部分水泥会延长注浆材料浆液凝胶的时间，当粉煤灰的用量越大，凝胶时间更长，在同样的水泥用量情况下，矿粉和粉煤灰双掺对双液注浆材料胶凝时间的延长效果要优于纯掺粉煤灰。

(3)水玻璃B液体积掺量为25%时，硬化体的抗压强度最好，为最佳掺量。硬化体抗压强度随着水玻璃波美度的加大而升高但提高幅度不大。掺入矿物掺合料会降低硬化体的抗压强度，特别是当掺入85%的粉煤灰后，硬化体的3 d、14 d和28 d强度都极低，甚至不到5 MPa，由此可以得出复合注浆材料中不能掺入过多粉煤灰。在水泥量一定的情况下，掺入矿粉代替部分粉煤灰会明显提升硬化体的抗压强度。所以在复合注浆材料的设计时，可以考虑使用水泥、粉煤灰和矿粉混掺的A液。

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Cementing Performance and Compressive Strength of Complex Cementitions-Sodium Silicate Two-shot Grouting Materials

WUMao-yin1,WANGQi-cai1,2,ZHANGRong-ling1,2,TIANHe-xiang3,ZHANGKai4,WANGXiao-long1

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Road and Bridge Engineering Disaster Prevention Technology Local Joint National Engineering Laboratory,Lanzhou 730070,China;3.Ningxia Ningdong Railway Company,Yinchuan 750000,China;4.School of Civil Engineering and Transportation,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450046,China)

Traditional cement silicate double solution grouting material has many advantages which contain the short gel time and large early compressive strength. So this material is widely used in consolidating soft formation or plugging. Based on the traditional material, fly ash and slag in cement-based was added and a kind of new complex cementitions-sodium silicate two-shot grouting materials was put out. This new material's cementing performance and 28 d compressive strength were studied. By changing the sodium silicate content, baume and mineral admixtures to study the variation of slurry's cementing performance and 28 d compressive strength. The compressive strength of stone body is the largest when the dosage of sodium silicate is 25%. Increasing modulus of sodium silicate or cement fly ash slag which are mixed can improve the compressive strength of stone body.

two-shot grouting material;sodium silicate;fly ash;flag;cementing performance

长江学者和创新团队发展计划滚动支持(IRT15R29);国家自然科学基金(51268032);铁道部科技研究开发计划项目(2012G011-A)

巫茂寅(1990-)，男，硕士研究生.主要从事桥梁隧道工程施工及工程材料耐久性研究.

王起才，教授，博导.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2741-06