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      水泥----水玻璃漿材在灌漿工程中的應用
      發布日期:2014-08-11      瀏覽次數:2142
          化學灌漿技術是將化學漿液注入巖土內部,使其在原位進行化學反應,以增強巖土的工程力學強度和水力學性質,增加巖土的完整性和結構的整體性,達到改善巖土的承載力和提高地層的密實性,起到防滲加固的作用。灌漿材料在灌漿工程中起著關鍵的作用,在世界各國工程界受到了高度重視。在我國的化學灌漿工程實踐中,研究和應用的灌漿材料有10個系列,分為無機和有機兩大類。無機漿材主要有水泥、水玻璃和粘土等,有機有丙烯酰胺、木質素等。水泥具有源廣價廉,漿液結石體抗壓強度高、抗滲性能好、工藝設備簡單、操作方便等優點。其缺點是漿液為顆粒性材料,難以注入0. 2mm以下裂隙和顆粒小于Imm的砂層,以及凝固時間很長,難以準確控制等。丙烯酰胺等有機化學灌漿材料最大的優點,是它所制得的漿液都是真溶液,初始粘度較小,可灌進更加細小的縫隙或孔隙;膠凝時間可以根據需要進行調節,使其充填范圍恰到好處。其主要缺點,是具有一定毒性,污染環境,耐久性差,且價格較貴。水玻璃同水泥一樣源廣價廉,污染較小,且可灌性好,在許多新型固化劑的作用下,水玻璃類漿液的性能(如耐久性、結石體強度、可灌性、抗滲性等)不斷改善,是一類日益重要、有發展前途的漿液。水泥和水玻璃配合起來使用,最大發揮了水泥一水玻璃兩種灌漿材料的優勢,提高灌漿效果和工程質量,受到了普遍的歡迎。
      1水泥一水玻璃灌漿材料的基本性能
          商品水玻璃多呈棕黃色粘稠狀液體。水玻璃模數(M)即Si02與Na20克分子比的大小,對漿液性能影響很大。M值小,Si02含量低,凝結時間短、結石強度低;M值大,Si07含量高,凝結時間長,結石強度高。一般灌漿用的水玻璃要求M=2.4~3.4。水玻璃的濃度
      稱波美度(Be’)。灌漿一般使用30~40Be’的水玻璃。
          水玻璃漿材按其固化劑與固化前的形態可分為以下類型,即:溶液型,有①水玻璃一無機固化劑體系,包括:酸性固化劑,如磷酸、碳酸氫鈉、硫酸氫鈉、磷酸鈉、
      亞硫酸鈉;金屬鹽:氯化鈣、氯化鈉、氯化鎂、硫酸鋁、硫酸鎂;②水玻璃一無機氣體固化劑(二氧化碳)體系;③水玻璃一有機固化劑體系;乙二醛、多元醇、乙酸乙酯、醋酸乙烯酯;④酸性水玻璃;⑤硅溶膠一無機固化劑體系。懸濁液型,有①水玻璃一水泥體系;②水玻璃一不溶性鈣粉體系。
          水玻璃漿材中水玻璃與固化劑的反應時間,按膠凝時間長短,漿材可分為3種:lOs似內的叫快固化漿,10分鐘左右的叫中固化漿,th以上的叫慢固化漿。膠凝時間的長短,影響凝膠中是否有鈉離子的殘存。無機固化劑固化很快,使半數以上的鈉離子殘存在凝膠中;氣體固化劑,固化時間適中,但凝膠仍殘存鈉離子;水玻璃與有機固化劑反應相對來說較慢,固化劑反應充分,僅有少量的鈉離子殘存。酸性水玻璃是近幾年發展起來的一種新型漿材,凝膠中無鈉離子存在。
          水玻璃作為化學灌漿的一種主要材料,如尤斯頓法(水玻璃一氯化鈣),在很早以前就被采用了,而將其與水泥漿配合使用還是不久以前的事。我國自1967年開始在煤礦井巷建設中廣泛使用。將水玻璃加入水泥漿中,已不單純是為了改變漿液特性,而且它可以與水
      泥水化中產生的某些成分化合成一種膠體,這種膠體是水泥漿迅速失去流動性而轉化成固體,共同充填巖土中的空隙,這種化合和轉化是在極短時間內完成的。在灌漿中利用它的這種性質,可以迅速堵住較大和具有水流作用的通道,也起到節約材料的效果。
          水泥一水玻璃最重要的性能是凝膠時間和結石強度。
          影響水泥與水玻璃漿液膠凝時間長短的因素有以下幾種:
          (I)水泥品種:一般說來,水泥中硅酸三鈣的含量越多,膠凝越快。普通硅酸鹽水泥隨著水泥標號提高,膠凝時間縮短;普通硅酸鹽水泥比礦渣水泥膠凝快。
          (2)水灰比:水灰比減小,膠凝時間縮短。
          (3)波美度Ber:波美度越小,膠凝越快。
          (4)水泥漿與水玻璃體積比(C:S):在其它條件相同時,C:S增大,即水玻璃摻量越少,則膠凝越快。
          (5)漿液溫度:隨著漿液的升高,膠凝時間加快。
          (6)外加劑:加入促凝劑,如白灰Ca (OH)2,可加快膠凝;加入緩凝劑,如磷酸氫二鈉Na2HPO?;蚰舅?,具有顯著緩凝效果。
      2水泥一水玻璃灌漿材料性能的提高
          作為無機灌漿材料,水泥具有結石體強度高,不污染環境的優點,但是它的最大缺點就是膠凝時間短,滲透性差;加入水玻璃后使其膠凝時間可調,提高可灌性,但結果卻使結石體的疆度和耐久性大大降低。近年來圍繞如何提高水泥一水玻璃漿液的結石體的強度、流動性、抗滲性、耐久性作了大量的研究工作,并已取得了巨大的進展。
          根據研究結果,認為“膠溶”和脫水收縮是影響漿材耐久性的兩個最重要的因素。
          水玻璃化學結構中,當鈉離子存在時,形成凝膠網狀結構的Si-O-Si鍵將產生斷裂,稱為“膠溶”。因此,凝膠過程中除去鈉離子是十分重要的。
          水玻璃一無機固化劑漿材固結后,內部存在大量鈉離子,這必然會引起凝膠網狀結構的斷裂,這就是該漿材耐久性差的主要原因。但由于這種材料成本低,在臨
      時性工程中,仍在使用。
          水玻璃一有機固化劑漿液,固化較慢,這不僅使凝膠中殘存鈉離子量減少,而且極有利于硅酸聚合物的鏈增長,這樣凝膠結構就不易斷裂,凝膠的韌性大大提高。所以,用該漿材固結的砂體強度在初期隨時間的增加而降低,但經過一段時間后,卻可在長時間內穩定在
      較高的水平。
          酸性水玻璃凝膠中,無鈉離子殘存,凝膠的化學穩定性很強。
          水玻璃漿材耐久性低另一原因:主要是為提高漿液流動性而采取的降低粘度(必須降低水玻璃濃度)和延長膠凝時間(必須減少固化劑用量),引起膠結強度的大幅度的下降。而且,未反應的水玻璃在凝膠后析出,引起脫水牧縮,其結果不僅造成抗滲性的降低,而且造成耐久性的降低。針對這種情況,使用復合固化劑,即在固化劑鋁酸堿金屬鹽內添加酸性鋁鹽,其中酸性鋁鹽可:(1)起緩沖作用,進一步促進凝膠化時間的緩慢的變化,使可灌性變得良好。(2)中和水玻璃的堿化,抑制膠體脫水收縮作用,提高膠結強度。
          從液體水玻璃系統的顯微分析得知:水玻璃具有單獨顆粒及其聚集體組成的粗糙不均勻結構,其中3~6肛的大顆粒約占20%~30%,1~3肛的顆粒約占60,由于大顆粒的存在,導致了水玻璃水泥石粗氣孔率的形成。添加糖醇作為密實劑,由于密實劑對硅酸凝膠的壓密作用,其密實度比普通耐酸混凝土顯著增大,氣孔率減少70%~80%,抗滲標號提高7~10倍,耐久性也大大提高。
          日本的一項專利介紹水泥-水玻璃灌漿材料,在較低粘度和良好可灌性下,獲得高強度,耐久性好的固結體。該漿液以爐渣或微細水泥(比表面積為5000cm2/g)和摩爾比為2.5以下的水玻璃構成的。其中還可添加分散劑。
      3水泥一水玻璃灌漿材料的應用
          1925年荷蘭的H.J.Joosten首次用水玻璃一氯化鈣漿液進行化學灌漿。從此,化學灌漿逐漸發展起來。
      進入本世紀50年代,由于高分子工業的發展.出現了許多高分子灌漿材料,其中應用最多的是丙烯酰胺、尿醛樹脂、木質素、聚氨酯和水玻璃漿材。然而,1974年,日本用丙烯酰胺灌漿時,發生了地下水污染事件,日本政府頒布法規,禁止非水玻璃類化學灌漿材料的使用,這促進了水玻璃漿材的發展,幾種新型水玻璃漿材相繼研制成功。這些材料與傳統的水玻璃漿材相比,其耐久性有了很大的改進。而隨著水泥一水玻璃復合灌漿材料的研究與開發,其應用范圍變得更廣。
          1994年,在日本廣島一條新的地鐵線路的施工中,成功地使用了化學灌漿技術。二次灌漿所用漿材要求至少有2~3年的耐久性,且價格也不能太高,為此采用了酸性水玻璃。一次灌漿采用了高爐水泥一膨潤土漿,漿中水泥含量為180kg/m3,其固結后的無側限抗壓強度為3kgf/cmz左右;
          在東京,曾在地下40m深處修建了一條直徑10.5~12. 5m的隧道。開挖底面在- 60. Im深處,為預防底部土層翻漿和隆起。在底部進行了化學灌漿,以形成5m厚防滲層,從而截斷承壓水的壓力。
          世界上第一條最長的海底隧道——日本青函隧道采用礦渣膠體化水泥和水玻璃復合材料,成功地達到堵水和加固以抵抗水壓的目的。
          在世界的許多城市隧道工程中,采用水泥一水玻璃灌漿材料進行防滲加固,獲得了成功。如米蘭地鐵,那不勒斯輕軌高速運輸系統等。
          臺北地鐵Chungo線,用水泥一水玻璃灌漿以防滲和加固。
          北京地鐵西章站管棚注漿,選定以水玻璃為主劑,硫酸及其它輔助材料為副劑,混合配成的酸性水玻璃漿液作為粉細砂的注漿材料。
          上海地鐵徐家匯車站采用跟蹤注漿法保護地下管線。
          廣州地鐵1號線,暗挖法施工前采用水泥一水玻璃漿液對隧道周圍土體進行加固。
          除隧道外,水泥一水玻璃在城市建設中處理充填土軟基工程中也發揮了重要作用。如廣東嘉力玩具廠綜合樓充填土軟基化學灌漿處理工程,采用水泥水玻璃化學灌漿加固,取得了良好的效果。
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