郭棋武，尹小波,2，陳沅江，萬(wàn)秀峰

(1.湖南中大建設(shè)工程檢測(cè)技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

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外加劑對(duì)雙液漿性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

郭棋武1，尹小波1,2，陳沅江3，萬(wàn)秀峰3

(1.湖南中大建設(shè)工程檢測(cè)技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

在水泥-水玻璃的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)氯化鋁溶液及磷酸氫二鈉兩種不同外加劑對(duì)漿液凝固特性的影響進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)包括凝膠時(shí)間、結(jié)石率、抗壓強(qiáng)度及耐久性試驗(yàn)，初步獲得了兩種外加劑水泥-水玻璃漿液性能的影響規(guī)律。

道路工程；水泥-水玻璃漿液；凝固特性；外加劑；氯化鋁溶液；磷酸氫二鈉

0 引 言

水玻璃是一種兼具開發(fā)價(jià)值及應(yīng)用前景的環(huán)境友好型膠凝材料，同時(shí)也是化學(xué)灌漿中使用最早且最廣的材料。由于1974年日本發(fā)生了由丙烯酰胺灌漿引起的地下水污染事件，無(wú)毒水玻璃漿材備受矚目，其發(fā)展有了很大的進(jìn)步，幾種新型的水玻璃漿材相繼研制成功[1]。并且隨著水泥-水玻璃復(fù)合灌漿材料的研究與開發(fā)，其應(yīng)用范圍變得更廣。

水泥-水玻璃漿液是以水泥和水玻璃作為主劑，兩者按一定比例采用雙液方式注入，必要時(shí)加入速凝劑或者緩凝劑所組成的注漿材料。這種雙液漿同時(shí)具有水泥漿液的優(yōu)點(diǎn)及化學(xué)漿液的某些特性。水泥-水玻璃漿液因其凝膠時(shí)間短、固結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用在實(shí)際的工程當(dāng)中，特別是在含水量稍高的軟土層區(qū)域中，如海底隧道工程、城市地鐵等[2-3]。但是水泥-水玻璃漿液的配制及使用大多根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其性能的試驗(yàn)研究較少，而外加劑對(duì)雙液漿影響的研究更加稀少。陸兆陽(yáng)[4]研究了雙液漿的凝膠時(shí)間、結(jié)石率及結(jié)石體強(qiáng)度3個(gè)性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)水灰比是雙液漿最終強(qiáng)度的決定性因素并且在一個(gè)合適的配比范圍內(nèi)，水泥與水玻璃反應(yīng)迅速、完全且結(jié)石體強(qiáng)度高。安妮，等[5]研究了不同配比下水泥-水玻璃漿液的初凝時(shí)間及最優(yōu)配比下不同齡期的試件單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素，其試驗(yàn)結(jié)論在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。鄒強(qiáng)[6]，吳德寶，等[7]以水泥-水玻璃漿液的基本性能為對(duì)象，進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)的研究，取得了該漿液在不同配比下的凝膠時(shí)間及其相應(yīng)抗壓強(qiáng)度。王勝，等[8]研究了不同水灰比下漿液的膠凝時(shí)間、流動(dòng)度及多種外加劑對(duì)漿液凝固特性的影響。

筆者采用不同水灰比、不同外加劑及外加劑不同量的水泥-水玻璃漿液進(jìn)行試驗(yàn)，討論了外加劑對(duì)漿液的凝膠時(shí)間、結(jié)石率、抗壓強(qiáng)度及耐久性4個(gè)性能的影響，并初步得到了規(guī)律。

1 雙液漿的原材料及化學(xué)原理

1.1 雙液漿的原材料

雙液漿由水泥、水玻璃和外加劑組成。普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5；工業(yè)水玻璃，濃度為51°Be′、模數(shù)為2.2～2.5；外加劑為磷酸氫二鈉及氯化鋁溶液。

1.2 水泥-水玻璃反應(yīng)機(jī)理

首先是水泥的水化，主要是硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)發(fā)生水化，生成水化硅酸鈣(C-S-H)和氫氧化鈣〔Ca(OH)2〕，產(chǎn)生的水化硅酸鈣為幾乎不溶于水的膠狀物，其反應(yīng)如式(1)、式(2)：

3CaO·SiO2+nH2O→

xCaO·SiO2·yH2O(C-S-H)+(3-x)Ca(OH)2

(1)

2CaO·SiO2+mH2O→

xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2

(2)

當(dāng)加入水玻璃以后，產(chǎn)生的氫氧化鈣很快與水玻璃反應(yīng)，生成具有一定強(qiáng)度的水化硅酸鈣凝膠體，其反應(yīng)過(guò)程如式(3)：

3Ca(OH)2+NaO·nSiO2+mH2O→

Ca·nSiO2·mH2O+2NaOH

(3)

隨著水玻璃與氫氧化鈣之間反應(yīng)的進(jìn)行，生成的連膠質(zhì)體越來(lái)越多，與被灌巖體膠結(jié)在一起，其強(qiáng)度不斷增加轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的凝固體，從而達(dá)到灌漿加固的目的。

1.3 磷酸氫二鈉作用機(jī)理

配制水泥-水玻璃漿液時(shí)，該漿液瞬間凝結(jié)，可施工性差，故通常都會(huì)加入磷酸氫二鈉延緩其凝膠時(shí)間。其添加順序?yàn)樗?磷酸氫二鈉-水泥，磷酸氫二鈉水解生成磷酸二氫根H2PO4-，后與水泥發(fā)生反應(yīng)，在水泥顆粒表面生成一層“難溶性”的磷酸鈣，阻礙了水泥水化，使氫氧化鈣的析出速度變慢，則其與水玻璃的反應(yīng)也變緩，從而達(dá)到緩凝的作用[9]。

1.4 鋁鹽的作用機(jī)理

氯化鋁的加入促進(jìn)了水玻璃形成游離的Si(OH)4反應(yīng)的發(fā)生，延遲了水玻璃與水泥的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)氯化鋁水解生成的Al(OH)3與Si(OH)4進(jìn)一步反應(yīng)，形成一種含有Al-O-Si鍵的鋁硅酸鹽膠狀聚合物[10]，反應(yīng)如式(4)：

3Na2O·mSiO2·H2O+2AlCl3=

mSiO2·(n-3)H2O+6NaCl+2Al(OH)3

(4)

該聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可很好地附著在土體或砂礫的周圍，起到較強(qiáng)的黏結(jié)作用，從而提高了試件的抗壓強(qiáng)度。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)前將工業(yè)水玻璃稀釋至濃度為38°Be′，并分別配置濃度為0.5，1.0，2.0，3.0，4.0 mol/L的氯化鋁溶液。試驗(yàn)分為兩大組：氯化鋁作為緩凝劑、磷酸氫二鈉作為緩凝劑。其中每大組試驗(yàn)又包括水灰比為0.8，1，1.5的3小組。水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.6，氯化鋁溶液添加量為水玻璃體積的1/4，磷酸氫二鈉添加量分別為占水泥質(zhì)量的1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%。

2.1 凝膠時(shí)間試驗(yàn)

凝膠時(shí)間一般是指在一定的溫度下，從參加反應(yīng)的全部成分混合時(shí)起，到漿液失去流動(dòng)性止所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，可分為初凝時(shí)間和終凝時(shí)間。水泥-水玻璃漿液的凝膠時(shí)間很短，故常添加緩凝劑延長(zhǎng)其凝膠時(shí)間。本試驗(yàn)采用倒杯法測(cè)定漿液的凝膠時(shí)間，該方法適用于各種注漿材料，是現(xiàn)場(chǎng)使用的比較簡(jiǎn)便的一種方法。

2.2 結(jié)石率試驗(yàn)

結(jié)石體積與漿液體積之比稱為結(jié)石率，測(cè)試方法是將攪拌好的漿液灌入φ50 mm×100 mm試模中，漿液固結(jié)后拆模，用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件平均高度，計(jì)算結(jié)石體體積及漿液原始體積的比值，即為結(jié)石率。

2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)定純漿體強(qiáng)度，將漿液在7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的模具中成型，24 h后脫模。脫模后的試件在水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待7，14，28 d后測(cè)定其抗壓強(qiáng)度。

2.4 耐久性試驗(yàn)

該試驗(yàn)包括抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)、抗凍融試驗(yàn)及干濕循環(huán)試驗(yàn)。

抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)[11]是將養(yǎng)護(hù)7 d試件浸泡在采用化學(xué)純無(wú)水硫酸鈉試劑配制濃度為3%的硫酸鹽溶液中，15 d后測(cè)其抗壓強(qiáng)度。抗凍融試驗(yàn)[12]是指將養(yǎng)護(hù)后試件放在低溫箱中16 h，然后放入20 ℃的水槽中進(jìn)行融化，時(shí)間為8 h，此為一次凍融循環(huán)。干濕循環(huán)試驗(yàn)是指將養(yǎng)護(hù)后試件置于與室溫相同的水中浸泡12 h，然后置于室溫條件下自然風(fēng)干12 h，此為一次干濕循環(huán)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 凝膠時(shí)間

不同水灰比下，摻入同量不同濃度的氯化鋁溶液的漿液凝膠時(shí)間如圖1。

圖1 添加AlCl3溶液的水泥-水玻璃漿液的凝膠時(shí)間

不同水灰比，摻入不同量的磷酸氫二鈉的漿液的凝膠時(shí)間如圖2。

圖2 添加Na2HPO4的水泥-水玻璃漿液的凝膠時(shí)間

由圖1及圖2可以得出：

1)氯化鋁溶液能夠有效地延緩水泥-水玻璃漿液凝膠時(shí)間，并且其效果比磷酸氫二鈉顯著；并且當(dāng)水灰比為1.5時(shí)，凝膠時(shí)間發(fā)生突變，曲線變化規(guī)律與水灰比為0.8及1.0時(shí)大不相同。

2)水灰比≯1時(shí)，添加同一外加劑的漿液膠凝時(shí)間變化規(guī)律相同；添加氯化鋁溶液的漿液，隨著溶液濃度的增大，凝膠時(shí)間先減小后增大，在1 mol/L處凝膠時(shí)間最小，到達(dá)峰值時(shí)增大了近10倍；添加磷酸氫二鈉的漿液，隨著磷酸氫二鈉用量增大，凝膠時(shí)間先增大后減小，在2.5%處凝膠時(shí)間最大，與最小值相比增大了4.5倍。

3)水灰比>1時(shí)，漿液膠凝時(shí)間無(wú)規(guī)律可循；添加氯化鋁溶液的漿液，膠凝時(shí)間大幅提高，在2 mol/L處達(dá)到峰值；添加磷酸氫二鈉的漿液，在1.5%處達(dá)到谷值。

4)添加氯化鋁溶液的漿液，外加劑溶液濃度不變，隨著水灰比增大，漿液凝膠時(shí)間增大，且濃度為2 mol/L時(shí)增長(zhǎng)幅度最大，近100倍；添加磷酸氫二鈉的漿液，外加劑用量相同時(shí)，隨著水灰比增大，漿液凝膠時(shí)間減少，減少幅度在添加量為2.0%時(shí)最大，為4.5倍，但是磷酸氫二鈉用量為1.0%時(shí)例外，水灰比為1.5時(shí)，漿液凝膠時(shí)間增大。

3.2 結(jié)石率

結(jié)石率試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 漿液結(jié)石率

由表1可知：

1)漿液結(jié)石率均在95%以上，隨著水灰比增大，結(jié)石率降低；且大部分添加外加劑的漿液結(jié)石率比純水泥-水玻璃漿液結(jié)石率大。

2)水灰比≯1時(shí)，添加氯化鋁溶液的漿液的結(jié)石率，隨著氯化鋁溶液濃度的增大，結(jié)石率減小，減小幅度不超過(guò)1.21%；添加磷酸氫二鈉的漿液的結(jié)石率，在磷酸氫二鈉添加量為2.5%時(shí)達(dá)到谷值。

3)水灰比>1時(shí)，添加氯化鋁溶液的漿液的結(jié)石率，在氯化鋁溶液濃度為3，4 mol/L時(shí)達(dá)到峰值，為97.5%；添加磷酸氫二鈉的漿液的結(jié)石率在98%～98.2%之間，當(dāng)磷酸氫二鈉添加量為3.0%時(shí)最大。

3.3 抗壓強(qiáng)度

水灰比為1.0時(shí)，漿液凝膠時(shí)間處于中間值，故測(cè)定其各組漿液試件的7，14，28 d抗壓強(qiáng)度，純水泥-水玻璃漿體的各時(shí)期抗壓強(qiáng)度分別為：3.624，3.887，4.107 MPa，添加外加劑的各組漿體抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖3、圖4。

圖3 添加AlCl3溶液的漿體抗壓強(qiáng)度

圖4 添加Na2HPO4的漿體抗壓強(qiáng)度

由圖3、圖4可以得出：

1)添加外加劑的各種漿體抗壓強(qiáng)度均比純水泥-水玻璃漿體的抗壓強(qiáng)度大。

2)添加氯化鋁溶液的漿體，養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，其抗壓強(qiáng)度隨著氯化鋁濃度的增加而增大，且其增長(zhǎng)速率較之添加磷酸氫二鈉的漿體增長(zhǎng)速率要快，齡期7 d時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大達(dá)到37.1%；氯化鋁濃度相同時(shí)，其抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，在氯化鋁溶液為0.5 mol/L時(shí)增長(zhǎng)幅度最大，為11.8%，并且其在后期(14～28 d)增長(zhǎng)速率較小。

3)添加磷酸氫二鈉的漿體，養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，對(duì)比凝膠時(shí)間變化曲線，可以看出其強(qiáng)度變化規(guī)律與凝膠時(shí)間變化規(guī)律相似，均是隨著用量的增加強(qiáng)度先增大后減小，其用量為2.5%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大，同時(shí)漿液凝膠時(shí)間也最大；磷酸氫二鈉用量相同時(shí)，其抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，并且其在后期(14～28 d)增長(zhǎng)速率較小。

3.4 耐久性

漿液水灰比=1.0，其耐久性試驗(yàn)結(jié)果是以強(qiáng)度損失來(lái)表示，如表2。

表2 耐久性試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：

1)純水泥-水玻璃試件的強(qiáng)度損失與添加磷酸氫二鈉的試件的強(qiáng)度損失幾乎相同，而添加氯化鋁溶液試件的強(qiáng)度損失則更小。

2)隨著氯化鋁溶液濃度的增加，其試件強(qiáng)度損失減小，而磷酸氫二鈉的添加量對(duì)試件強(qiáng)度損失幾乎沒(méi)有影響，隨著其添加量的增加，強(qiáng)度損失沒(méi)有變化。

由此表明，添加氯化鋁溶液的試件耐久性能比添加磷酸氫二鈉的試件更好。

4 結(jié) 論

1)氯化鋁溶液與磷酸氫二鈉都能有效地延緩水泥-水玻璃的凝膠時(shí)間，并且氯化鋁溶液的效果更佳。

2)漿液的結(jié)石率在95%以上，且添加外加劑的漿液結(jié)石率比純水泥-水玻璃漿液結(jié)石率大。

3)兩種外加劑都能提高漿體的抗壓強(qiáng)度，并且添加氯化鋁溶液的漿體整體上比添加磷酸氫二鈉的漿體的抗壓強(qiáng)度大，且隨著氯化鋁溶液濃度的增加而增大，在磷酸氫二鈉用量為2.5%時(shí)達(dá)到最大，且隨著氧化齡期的增長(zhǎng)而增大。

4)添加氯化鋁溶液的試件耐久性能比添加磷酸氫二鈉的試件及純水泥-水玻璃試件耐久性能好。

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Experimental Study on the Influence of the Admixture for the Double Grout

Guo Qiwu1,Yin Xiaobo1,2,Chen Yuanjiang3,Wan Xiufeng3

(1.Hunan Zhongda Construction Engineering Technic Testing Co.,Ltd.,Changsha 410205,Hunan,China;2.School of Info-Physis,Central South Unirersity,Changsha 410083,Hunan,China;3.School of Resources & Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China)

Contrast tests were carried out on the base of chemical reaction mechanism analysis on the cement-sodium silicate slurry, to research the influence of two different kinds of admixtures including Aluminum chloride solution and Disodium hydrogen phosphate on the solidification characteristics of slurry. The gelation time test, stone rate test, compressive strength test and durability test were included. Therefore, the influence law of the two admixtures on the solidification characteristics of cement-sodium silicate slurry was obtained preliminarily.

road engineering;cement-sodium silicate slurry; solidification characteristics; admixture; Aluminum chloride solution; Disodium hydrogen phosphate

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.09

2013-11-13；

2014-01-03

郭棋武(1974—)，男，山東肥城人，高級(jí)工程師，主要從事巖土監(jiān)測(cè)和加固技術(shù)方面的研究。E-mail:2796846597@qq.com。

陳沅江(1969—)，男，湖南湘潭人，副教授，工學(xué)博士，主要從事道路交通安全及巖土環(huán)境方面的研究。E-mail:1506983607@qq.com。

X951;U416.2

A

1674-0696(2015)01-040-04