新型酸性水玻璃注浆材料的研究与应用

李 夏， 徐军哲， 刘人太， 姜其琛， 刘浩杰， 刘亚南， 冯 啸

(1. 山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061； 2. 中铁工程装备集团技术服务有限公司， 河南 郑州 450016)

新型酸性水玻璃注浆材料的研究与应用

李 夏1， 徐军哲2， 刘人太1， 姜其琛1， 刘浩杰1， 刘亚南1， 冯 啸1

(1. 山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061； 2. 中铁工程装备集团技术服务有限公司， 河南 郑州 450016)

针对城市地铁穿越砂层时注浆预加固的材料问题，研究磷酸-水玻璃注浆材料的凝胶时间、凝胶形态和砂土固结体强度的影响因素以及工程应用材料配比，设计磷酸-水玻璃注浆材料室内凝胶性能试验和砂土固结体强度试验，并与传统的硫酸-水玻璃注浆材料进行系统性对比，最后根据室内试验选择合适的材料配比进行现场注浆试验。试验结果表明： 1)磷酸-水玻璃混合液中，当磷酸的掺量增大时，磷酸与水玻璃的体积比增大，混合液的 pH 值减小，凝胶时间增大，存在一一对应的关系； 2)磷酸-水玻璃混合液的pH值是磷酸-水玻璃浆液凝胶时间和凝胶形态的决定性因素； 3)磷酸-水玻璃浆液中磷酸质量分数、水玻璃波美度和混合液体积比分别变化时，加固体抗压强度稍有变化，影响较小。

地铁； 砂层； 注浆预加固； 磷酸-水玻璃； 凝胶时间； pH值； 砂土固结体抗压强度

0 引言

城市地铁穿越砂层是目前地铁建设经常遇到的难题，注浆是有效的加固方法。采用传统的注浆材料进行注浆易导致地表隆起，并易引起管线破裂、路面起伏以及建筑物破坏等问题，使得其应用受到限制；一般化学注浆材料具有价格昂贵、可能存在毒性等缺点，难以广泛应用于城市地铁的注浆加固工程中；水玻璃注浆材料具有起始黏度低、可注性好、来源广、造价低和毒副作用小等优越性能，适于城市地铁砂层的注浆加固[1-3]。

水玻璃注浆材料一般分为在碱性区域凝胶化的碱类浆材和在中性—酸性区域凝胶化的非碱类浆材(即酸性水玻璃)。碱性溶液型水玻璃凝胶体具有一定的腐蚀性，其耐久性受到影响，并对环境有一定的污染。近年来，许多学者对酸性水玻璃浆材进行了初步研究，取得了较多成果。文献[4-11]通过室内试验研究了硫酸-水玻璃体系的成胶特点、温度和pH值与凝胶时间的影响关系以及不同类型的酸性水玻璃适用的地层； 吕擎峰等[12-14]和吴朱敏[15]针对复杂的黄土湿陷问题，研究了温度改性水玻璃固化黄土的强度及抗冻能力；肖尊群等[16-17]研究了碳酸钙-酸性水玻璃注浆材料的成胶机制和固砂强度，重点讨论了碳酸钙掺量和溶液pH值随浆液胶凝时间的变化规律；郭炎伟[18]研究了磷酸-水玻璃浆液的凝结时间与水、磷酸体积、水玻璃质量分数等的关系以及其加固土体的效果。

目前的研究主要针对硫酸-水玻璃注浆材料体系，但硫酸具有易挥发、腐蚀性强的特点，会对施工人员造成危害，并且会腐蚀地下金属管线，安全性差。本文选取更容易获得且危险性小的磷酸代替硫酸，系统地研究磷酸-水玻璃注浆材料体系，研究磷酸的质量分数、水玻璃波美度和混合液的pH值对浆液凝胶时间及浆液凝胶形态的影响；然后根据时间条件优选出适用于工程应用的材料配比，并进行了磷酸-水玻璃固砂体的强度试验； 最后结合工程现场对注浆材料的需求，优选出凝胶时间易控和固砂强度高的浆液配比，并将其应用于青岛地铁2号线石老人浴场站B号口地下通道砂层注浆加固工程中，整个开挖过程围岩稳定，表明注浆效果良好。

1 酸性水玻璃凝胶机制

(1)

(2)

(3)

在酸性溶液中，硅酸分子的配位数为6，硅酸分子和正一价硅酸离子进行羟联反应形成双硅酸，具体为

(4)

双硅酸继续聚合形成多硅酸直至形成硅溶胶，随着反应时间的继续，硅溶胶中的SiO2粒子不断增加，相互凝结形成开放连续的凝胶网络结构，并发生断续缩合形成Si—O—Si键，最终形成具有一定刚度的硅凝胶[8]。

2 磷酸-水玻璃浆液凝胶性能试验

选用波美度为40 °Bé、模数为2.6的工业水玻璃和质量分数为85%的工业磷酸为试验原材料。

2.1试验设计

经过预备试验可知，波美度为25～40 °Bé的水玻璃与磷酸溶液混合时，混合溶液的敏感度太高，很容易出现瞬凝、絮状物或凝胶不完全等现象。试验中选取波美度为20 °Bé的水玻璃，质量分数分别为6%、8%和10%的磷酸以及磷酸和水玻璃体积比为130∶100～205∶100进行配比。

2.2试验过程

1)稀释磷酸。将质量分数为85%的磷酸稀释到相应的质量分数。

2)调整水玻璃波美度。将波美度为40 °Bé的水玻璃加水稀释得到所需要的波美度，并用玻璃棒搅拌均匀。

3)将调整好的水玻璃加入到稀释的磷酸中，并不断用玻璃棒搅拌，使其充分反应，记录此时的时间。

4)待反应完全后，测量混合液的pH值，并记录。

5)利用倒杯法检测浆液是否初凝，记录混合液的凝胶时间。

2.3试验数据分析

2.3.1 凝胶形态分析

磷酸-水玻璃注浆材料配比试验结果见表1。由表1可知，磷酸和水玻璃的体积比为130∶100～150∶100时，磷酸质量分数分别为6%和8%的磷酸-水玻璃混合液会在混合后瞬凝，并且混合液凝胶不完全。由试验结果可知： 1)当pH值小于3.5时，混合液会在混合后30 min左右在容器底部析出絮状物，并且胶凝时间大于2 h； 2)当pH值为 3.5～6.5时，磷酸和水玻璃混合后为均匀白色的半透明状液体，不会析出絮状物，并在1 h内凝结为白色半透明状胶体。

表1磷酸-水玻璃注浆材料配比试验结果
Table 1 Test results of phosphoric acid water glass grouting material ratio

磷酸与水玻璃的体积比6%磷酸凝胶状态pH值8%磷酸凝胶状态pH值10%磷酸凝胶状态pH值130∶100瞬凝 瞬凝凝胶 5．78135∶100瞬凝 瞬凝凝胶 5．57140∶100瞬凝 瞬凝凝胶 5．2150∶100瞬凝 瞬凝凝胶 5．0155∶100凝胶 6．5凝胶6．2凝胶 4．72160∶100凝胶 6．3凝胶6．1凝胶 4．25170∶100凝胶 6．1凝胶5．6凝胶 3．65175∶100凝胶 5．4凝胶5．5絮状物3．38180∶100凝胶 4．7凝胶5．3絮状物3．36185∶100凝胶 3．7凝胶5．25絮状物3．35190∶100絮状物2．1凝胶5．2絮状物3．29195∶100凝胶4．8絮状物3．31200∶100凝胶4．36205∶100凝胶3．7

2.3.2 凝胶时间分析

磷酸-水玻璃混合液凝胶形态良好时pH值与磷酸和水玻璃体积比的关系曲线如图1所示。由图1可以看出： 磷酸质量分数分别为6%、8%和10%时，磷酸-水玻璃混合液的pH值随着磷酸与水玻璃体积比的增大而减小，基本成线性关系； 磷酸-水玻璃混合液的pH值调控范围为3.5～6.5。

图1 pH值与磷酸和水玻璃体积比的关系曲线Fig. 1 Relationships between volume ratio and pH value of phosphoric acid water glass

磷酸-水玻璃溶液的凝胶时间与pH值的关系曲线如图2所示。3组试验的曲线变化规律基本相同，磷酸-水玻璃混合液的pH值与凝胶时间呈负相关关系。当混合液pH值大于5时，凝胶时间较短，为70 s～15 min，浆液在地层中渗透或扩散的范围较小，不利于工程应用；当混合液pH值小于4时，凝胶时间大于60 min，浆液在地层中渗透或扩散距离过大，造成浆液流失，也不利于工程应用； 当混合液pH值为4～5时，凝胶时间为15～60 min，能够保证浆液在注浆加固区域内渗透或扩散，有利于工程应用。

图2 磷酸-水玻璃溶液的pH值与凝胶时间的关系曲线Fig. 2 Relationships between pH value and gel time of phosphoric acid water glass

硫酸水玻璃-碳酸钙浆液的凝胶时间与pH值的关系曲线如图3所示。每组配比选用18 mL的水玻璃和20 mL的水倒入质量分数为10%的不同体积的硫酸溶液中，再分别加入0.45～1.1 g的碳酸钙[16]。比较图3和图2可知： 磷酸-水玻璃浆液的凝胶时间具有明显的规律性，有利于实际工程中浆液的调配，并且浆液的凝胶时间可根据实际工程调控为15～60 min； 而大部分硫酸水玻璃-碳酸钙浆液的凝胶时间小于200 s，浆液在地层中渗透或扩散的范围较小，不利于工程现场应用。

图3 硫酸水玻璃-碳酸钙浆液的凝胶时间与pH值的关系曲线Fig. 3 Relationships between pH value and gel time of sulphuric acid water glass

3 磷酸-水玻璃砂土加固体强度试验

3.1试验设计

制备磷酸-水玻璃浆液固砂体试件的砂的颗粒级配见表2。根据磷酸-水玻璃凝结时间测定结果，优选出4组适用于工程现场的配比。为研究水玻璃质量分数及磷酸质量分数对加固体强度的影响，在原4组配比的基础上增加4组配比进行试验。磷酸和水玻璃的配比见表3。

表2 砂的颗粒级配

3.2试验数据分析

3.2.1 试块强度随时间的变化规律

8组试块(1#—8#)的抗压强度与龄期的关系曲线如图4所示。不同配比的水玻璃浆液凝结成固砂体后，均随着养护龄期的增加而增大，增加幅度越来越小。8组配比的固砂体强度差别不大，养护龄期为3 d时，固砂体强度为(0.300±0.025)MPa； 7 d时，固砂体强度为(0.410±0.015)MPa； 28 d时，固砂体强度范围浮动较大，为(0.430±0.04)MPa。

表3 磷酸和水玻璃的配比

图4 试块抗压强度与龄期的关系曲线

3.2.2 磷酸质量分数对抗压强度的影响

试验编号分别为4、5和6的3组试验，水玻璃波美度均为20 °Bé，水玻璃与磷酸的体积比均为180∶100，磷酸质量分数分别为5%、10%和15%。不同磷酸质量分数条件下试块的抗压强度如图5所示。

图5 不同磷酸质量分数条件下的试块抗压强度Fig. 5 Relationship between compressive strengths and phosphoric acid concentrations

由图5可知，当磷酸质量分数变化时，试块抗压强度变化不明显，3 d与7 d的抗压强度上下浮动范围均不超过5%。在此试验条件下，磷酸质量分数为5%～15%时，磷酸质量分数不是影响浆液固砂强度的主要因素。

3.2.3 水玻璃波美度对抗压强度的影响

试验编号为3、7和8的3组试验，磷酸质量分数均为8%，水玻璃与磷酸的体积比均为200∶100，水玻璃波美度分别为20、25、30 °Bé，不同水玻璃波美度条件下试块的抗压强度如图6所示。

图6 不同水玻璃波美度条件下试块的抗压强度Fig. 6 Relationships between compressive strength and water glass Baume Degree

由图6可知： 当水玻璃波美度由20 °Bé提高到25 °Bé时，3 d强度增加了约10%，7 d与28 d强度变化不明显； 当水玻璃波美度由25 °Bé提高到30 °Bé时，其各龄期抗压强度均稍有增加，但均不超过7%。在此试验条件下，水玻璃波美度为20～30 °Bé时，增加水玻璃波美度可以提高固砂体抗压强度，但是增幅较小。

4 现场试验

4.1工程概况

青岛地铁2号线石老人浴场站B号口地下通道位于海尔路与香港东路交叉口，拱顶埋深5～6 m，穿越以黏性土、粗砾砂为主的第4系表土层，围岩级别为Ⅵ级，开挖风险极高。站址范围内地下管线密集，主要分布于香港东路绿化带及交叉路口的中央。管线埋深1.5～3.5 m，管线距离拱顶的最小距离为1.3 m。

4.2试验设计

根据磷酸-水玻璃凝胶性能试验和砂土加固体强度试验结果，选取波美度为20 °Bé的水玻璃和质量分数为8%的磷酸为工程实际配比，磷酸和水玻璃混合液的pH值控制在4.3左右，凝胶时间控制为40～60 min。注浆参数见表4，注浆孔平面布置如图7所示。

表4 注浆参数

图7 注浆孔平面布置图

4.3现场注浆试验结果分析

4.3.1p-Q-t曲线分析

p-Q-t曲线(p、Q和t分别代表注浆压力、注浆量和注浆时间)如图8所示。由图8可知： 1)注浆时间小于20 min时，随着时间的增加，注浆压力增长缓慢，说明地层中孔隙或裂隙较多，浆液渗透或流动阻力较小； 2)注浆时间大于20 min且小于30 min时，注浆压力增长率变大，说明浆液渗透或流动阻力随着时间逐渐增大，浆液开始劈裂地层； 3) 注浆时间大于30 min时，注浆压力增长率逐渐减小，说明注浆孔口地层趋于饱和，浆液在高压下继续渗透或劈裂前进。

图8 p-Q-t曲线

4.3.2 注浆效果检查

开挖过程中，掌子面及拱顶稳定，无涌水、涌砂现象出现，浆脉明显，表明注浆效果良好，如图9所示。

4.3.3 开挖洞内变形分析

地下通道采用CRD开挖工法，开挖顺序依次为左洞上导—左洞下导—右洞上导—右洞下导，开挖步距为50 cm，每一榀开挖完成后及时进行初期支护。左洞上导初期支护后现场监测点布置如图10所示，监测点变形量如图11所示。由图11可知： 左洞上导开挖后洞内拱顶的沉降量最大，最大值约为2.6 mm，满足隧道开挖的安全性要求。

图9 注浆效果

图10 现场监测点布置图

图11 监测点变形量

5 结论与建议

系统研究了磷酸-水玻璃注浆材料体系，获得了磷酸-水玻璃浆液凝胶时间、凝胶形态及砂土固结体强度的影响因素，并与传统的硫酸-水玻璃注浆材料进行了系统性对比，最终成功将磷酸-水玻璃注浆材料应用于青岛地铁2号线石老人浴场站B号口地下通道砂层注浆加固工程中。得到以下结论：

1)由磷酸-水玻璃凝胶性能试验结果可知，磷酸-水玻璃混合液的pH值是控制混合液凝胶时间和凝胶形态的决定性因素。混合液的pH值为3.5～6.5时，混合液会在1.2 h内凝胶，不会出现瞬凝、絮状物或凝胶不完全等现象。与传统硫酸水玻璃注浆材料相比，磷酸-水玻璃浆液配比及凝胶时间更容易调控，更利于工程应用。在实际注浆工程中，根据工程要求应选择pH值为4～5、凝胶时间为15～60 min的配比。

2)磷酸-水玻璃砂土加固体强度试验结果表明，加固体的3 d强度为(0.300±0.025)MPa，7d强度为(0.410±0.015)MPa，28d强度为(0.430±0.04)MPa。磷酸质量分数、水玻璃波美度及磷酸与水玻璃体积比的变化对砂土加固体的抗压强度影响较小。

3)针对青岛地铁2号线石老人浴场站B号口地下通道砂层注浆加固工程，选用材料的配比为： 磷酸的质量分数为8%，水玻璃波美度为20 °Bé，磷酸与水玻璃的体积比为2∶1，混合液的pH值控制在4.3左右，凝胶时间控制为40～60 min。结果表明： 开挖过程中围岩稳定，隧道拱顶沉降满足隧道开挖的安全性要求，说明注浆效果良好。

在研究磷酸-水玻璃注浆材料时，并未考虑采用添加剂增强磷酸-水玻璃砂土加固体强度的问题，在以后的研究中需进一步考虑该问题。

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StudyandApplicationofaNewAcidWaterGlassGroutingMaterial

LI Xia1, XU Junzhe2, LIU Rentai1, JIANG Qichen1, LIU Haojie1, LIU Yanan1, FENG Xiao1

(1.ResearchCenterofGeotechnicalandStructuralEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,Shandong,China; 2.ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupTechnologyServiceCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

In view of the problem of material pre-grouting reinforcement in urban metro crossing sand layer, the gel time, gel form, influencing factors of strength of sand consolidation material of phosphoric acid-water glass grouting material and engineering application ratio of materials are studied. Laboratory test on gel properties of phosphoric acid water glass grouting material and test on compressive strength of soil consolidation are designed and compared with those of traditional sulphuric acid water glass grouting material. After that，field tests are carried out. The test results show that: 1) With the increase of the concentration of phosphoric acid, the volume ratio of phosphoric acid and sodium silicate increases, the pH value of mixed liquor decreases and the gel time increases. 2) The pH value of the mixed solution of phosphoric acid water glass is the decisive factor of the gel time and the gel shape. 3) The variations of phosphoric acid concentration, water glass Baume and volume ratio of mixed liquid in phosphoric acid water glass grout have a little effect on the compressive strength of the consolidation body.

metro; sand layer; pre-grouting reinforcement; phosphoric acid water glass; gel time; pH value; compressive strength of sand consolidation body

2017-04-17;

2017-07-04

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036000)； 国家重点研发计划(2016YFC0801604)

李夏(1992—)，男，山东滨州人，山东大学土木工程专业在读硕士，研究方向为地下工程水害治理。E-mail： shandalixia@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.013

U 454

A

1672-741X(2017)10-1296-07