粉细砂地层注浆施工酸性水玻璃胶凝时间研究

(辽宁省河库管理服务中心，辽宁 沈阳 110003)

大坝、堤防、地下洞室等水利工程建设施工过程中，经常会遇到粉细砂等不良地质条件，而需要通过注浆施工将原来比较松散的介质或缝隙凝结成一个整体，从而形成具有较高强度和良好抗水与抗渗性的固结体，保证工程施工的顺利进行[1]。由于粉细砂的渗透系数一般在1×10-4～5×10-3cm/s之间，水泥类注浆材料难以注入，因此，水玻璃系列的大部分浆液材料就成为此类地质环境下的主要注浆材料[2]，其中，酸性水玻璃是在水玻璃材料中加入酸性反应剂改性而成的特殊浆液材料。相对于传统水玻璃注浆材料，酸性水玻璃具有稳定性好、胶凝时间可调、固结体强度高等诸多优势，可在粉细砂地层注浆施工中广泛应用[3]。胶凝时间是影响注浆性能与效果的重要参数，因此，粉细砂地层注浆施工酸性水玻璃胶凝时间研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 实验方案设计

1.1 实验器材

本次实验研究使用的实验材料为36°Bé水玻璃溶液以及质量分数为98%的浓硫酸溶液。实验中需要的仪器有：2个1000mL的试剂瓶；4个500mL的试剂瓶；500mL的玻璃瓶若干；各种常用规格的量筒各2个；2个胶头滴管；1个温度计；1个秒表；1台电子秤；玻璃棒、烧杯、pH试纸若干。

1.2 水玻璃波美度的调节

在进行水玻璃配置过程中，需要在水玻璃原液中加入一定量的水，而水玻璃原液和加入的水的体积之间存在如式(1)所示的关系[4]。利用式(1)即可计算出配制不同波美度的水玻璃溶液过程中需要的水玻璃原液和加入的水的体积，进而配制出实验所需浓度的水玻璃溶液。

(1)

式中V原——水玻璃原液的体积，mL；

V水——配制中加入的水的体积，mL；

A——水玻璃原液的波美度，°Bé；

B——配制的水玻璃的波美度，°Bé。

1.3 实验方案设计

为了对酸性水玻璃的胶凝时间进行研究，以便在注浆施工过程中，对水玻璃的胶凝时间进行科学和准确的选定，研究中分别对酸性水玻璃以及酸性水玻璃加入碳酸钙情况下的胶凝时间进行实验测定，并通过实验结果探究和分析胶凝时间的变化规律，进而对胶凝时间的选择提供理论和实践层面的支持[5]。在具体实验过程中，首先将水玻璃与浓硫酸进行稀释，以达到实验要求的浓度标准，然后再进行实验方案的具体设计[6]。

1.3.1 酸性水玻璃胶凝时间实验方案

针对酸性水玻璃的胶凝时间实验，选取波美度分别为20°Bé、25°Bé、30°Bé以及35°Bé的不同体积的水玻璃溶液，使用体积为100mL、质量分数为5%的硫酸溶液进行实验方案设计，其中每种波美度的实验设计6组，一共24组实验(见表1)。

表1 酸性水玻璃胶凝时间实验方案设计

1.3.2 酸性水玻璃加碳酸钙胶凝时间实验方案

试验前，首先对混合液的pH值进行预测定，在pH值在0～2之间的酸性水玻璃实验组中加入一定量的碳酸钙，对其胶凝时间以及pH值的变化情况进行对比分析[7]。在实验方案设计中采用的是波美度为20°Bé的水玻璃以及质量分数为5%的硫酸溶液，两者的体积比设定为0.95。具体的实验方案见表2。

表2 酸性水玻璃加碳酸钙胶凝时间实验方案

1.4 胶凝时间的测定方法

当前，注浆材料的胶凝时间测定方法主要有三种，分别是维卡仪法、旋转黏度法以及倒杯法[8]。维卡仪法的测量结果虽然具有较高的精确度，但由于操作方法比较复杂，测量的速度较慢，显然不适用于本次研究的凝结较快的水玻璃注浆材料；旋转黏度法以浆液的黏度为主要测定标准，但是水玻璃注浆材料在达到相关黏度标准时往往仍具有流动性，也不便用于本次研究。因此，在本次研究中选择倒杯法进行胶凝时间的测定，其具体操作过程为：取适量的注浆材料在A烧杯中进行混合，开始计时后，手持A和B两个烧杯，将混合后的浆液倒来倒去，直到浆液不再流动，其时间差即为浆液的胶凝时间。

2 实验结果与分析

2.1 实验现象

将配置好的水玻璃溶液和硫酸溶液混合，并利用倒杯法进行胶凝时间测定实验，在倒杯过程中，混合液起初为无色透明液体，其后逐步出现胶凝体。观察胶凝体，可见其呈乳白色半透明状，表面光滑，整体性好，手捏即碎，说明初态胶凝体强度并不高。

将配置好的水玻璃溶液和硫酸溶液混合后加入一定量的碳酸钙，并利用倒杯法进行实验，实验过程中首先出现大量气泡，随着实验时间的推移，气泡数量逐渐减少，倒杯之处，烧杯中的溶液呈现出上下分层状态，之后逐渐胶凝为乳白色块状物。

2.2 胶凝时间实验结果分析

2.2.1 酸性水玻璃胶凝时间实验结果分析

对不同实验组次的酸性水玻璃的pH值和胶凝时间进行测定(结果见表3)。由表中分析结果可知，对于酸性水玻璃浆液，如果加入的硫酸体积一定，随着体积比的增加，浆液的pH值呈现出不断增大的态势，而胶凝时间则呈现出总体减小的趋势，但是在pH值较小或较大时，浆液的胶凝时间变化并不明显，而pH值在2～5之间时呈现出比较明显的下降趋势。因此，在实际工程应用中，可以通过对浆液pH值在2～5之间调节，使浆液的胶凝时间变为适宜工程应用的状态。具体而言，对于波美度为20°Bé的水玻璃，在2.24～4.40之间调节浆液的pH值，可以获得胶凝时间在10～600min之间的浆液；对于波美度为25°Bé的水玻璃，在2.04～4.65之间调节浆液的pH值，可以获得胶凝时间在10～600min之间的浆液；对于波美度为30°Bé的水玻璃，在1.67～4.68之间调节浆液的pH值，可以获得胶凝时间在10～600min之间的浆液；对于波美度为35°Bé水玻璃，在1.72～4.79之间调节浆液的pH值，可以获得胶凝时间在10～600min之间的浆液。

表3 酸性水玻璃胶凝时间实验结果

续表

2.2.2 酸性水玻璃加碳酸钙胶凝时间实验结果分析

对酸性水玻璃加碳酸钙的各组次实验结果进行统计(结果见表4)。从表中数据可看出，随着酸性水玻璃中碳酸钙用量的增加，可将原浆液的pH值提升至3～4左右，从而使浆液由原来的强酸性转变为中强酸性，同时，浆液胶凝时间也从原来的10h以上缩短到1h以内。因此，对于酸性水玻璃浆液，加入碳酸钙时对应的pH值在3～5 之间，即可保证浆液的胶凝时间在1h之内。

表4 酸性水玻璃加碳酸钙胶凝时间实验结果

3 结 论

粉细砂地层，注浆施工酸性水玻璃具有良好的工程适用性，而浆液的胶凝时间对注浆效果和质量影响十分显著，本文通过实验研究的方法对酸性水玻璃浆液的胶凝时间进行研究，获得如下主要结论：pH值是酸性水玻璃胶凝时间的主要影响因素，随着pH值的不断增大，浆液的胶凝时间会逐渐减小，但是这种变化并不是线性的，而是在某个特定值附近发生突变，因此，可以通过对浆液pH值在2～5之间调节，使浆液的胶凝时间变为适宜工程应用的状态；对于酸性水玻璃浆液，可通过加入碳酸钙使浆液的pH值增加到3～5之间，获得胶凝时间在1h之内的浆液。