水泥—水玻璃雙液漿的特性試驗(yàn)研究及應(yīng)用

安 妮，趙 宇，石文廣，孫紅月，朱漢華

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058;2.浙江省大成建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012;3.浙江省公路管理局，浙江 杭州 310009)

地鐵施工多使用盾構(gòu)工法進(jìn)行，保證工作面穩(wěn)定和防止地層變形是施工過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。地層變形原因系盾尾脫離管片后，管片背面出現(xiàn)超挖的空隙所致，若不及時(shí)進(jìn)行注漿填充空隙，則會(huì)造成地層變形，進(jìn)而對(duì)鄰近的地面構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞性的影響。雙液漿因凝結(jié)時(shí)間短、固結(jié)后強(qiáng)度高、不易滲入周邊土體等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，尤其是在含水量較高的軟土層地區(qū)中應(yīng)用，如城市地鐵、近海岸建筑物、海底隧道等工程［1-2］。然而，目前雙液漿的使用主要依靠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于雙液漿試驗(yàn)特性的研究不多。李科等［3］在對(duì)于雙液漿強(qiáng)度及其應(yīng)力應(yīng)變特性三軸試驗(yàn)的研究中，提出水泥與水玻璃的配比存在一個(gè)“最佳值”，但未涉及更重要的凝膠時(shí)間和凝結(jié)強(qiáng)度。陸兆陽(yáng)等［4］進(jìn)行雙液漿中有關(guān)水灰比、水玻璃濃度、水泥漿—水玻璃體積比的試驗(yàn)，但并未采用地下工程現(xiàn)場(chǎng)更為常用的P．O 42.5R水泥進(jìn)行試驗(yàn)，且水泥漿—水玻璃配比較少。本文采用不同配比的雙液漿全面系統(tǒng)地進(jìn)行試驗(yàn)，著重討論了雙液漿的初凝時(shí)間和最優(yōu)配比下不同齡期試件一軸抗壓強(qiáng)度的影響因素，并將試驗(yàn)結(jié)論應(yīng)用于某實(shí)際工程取得了良好效果，為相關(guān)工程提供借鑒。

1 水泥—水玻璃雙液漿注漿的化學(xué)原理

當(dāng)?shù)叵滤^豐富時(shí)，注漿過(guò)程中使用單液漿難以達(dá)到較好的密實(shí)性。把A液(水泥類(lèi))和B液(水玻璃類(lèi)作硬化劑)兩種漿液混合，則變成膠態(tài)溶液，成為水泥—水玻璃雙液漿，可以達(dá)到加快凝固、提高凝結(jié)強(qiáng)度的目的。

水泥本身的凝結(jié)和硬化主要是水泥水化析出凝膠性的物質(zhì)所引起的，水泥本身所含的礦物遇水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氧化鈣和水化硅酸鈣凝膠等。

而水泥與水玻璃的主要化學(xué)反應(yīng)方程式為

由上述反應(yīng)式看出水泥水化及其與水玻璃反應(yīng)后所得產(chǎn)物大致相同，但水玻璃與水泥的反應(yīng)速度比水泥水化反應(yīng)要快，因此雙液漿的凝膠時(shí)間較短，還可以通過(guò)加緩凝劑等措施方便地控制時(shí)間。對(duì)于凝膠固結(jié)體的強(qiáng)度而言，從化學(xué)反應(yīng)式可以看出，原本強(qiáng)度很弱的水玻璃和水泥、黏土發(fā)生反應(yīng)后，生成相對(duì)強(qiáng)度較高的硅酸鈣，土體被加固并板結(jié)變硬，從而提高了土體的承載能力。

2 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用地下工程施工中最為常用的P．O42.5R普通水泥配制水泥漿液，水玻璃溶液是以硅酸鈉為主要成分。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，將水玻璃溶液的濃度定為35°Be'，為控制初始條件一致，漿液采用隨用隨配的原則。

通過(guò)調(diào)整加入的水泥量、水玻璃量、水泥與水玻璃配比，測(cè)定不同情況下雙液漿的凝膠時(shí)間和一軸抗壓強(qiáng)度，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，室內(nèi)溫度控制在20℃。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 水泥量和水玻璃量對(duì)雙液漿凝膠時(shí)間的影響

為測(cè)定雙液漿中水泥量和水玻璃量的多少對(duì)于雙液漿凝膠時(shí)間的影響，將 200 L，300 L，400 L，500 L 水玻璃和 25 kg，50 kg，75 kg，100 kg，125 kg，150 kg 水泥及相應(yīng)的水進(jìn)行混合配比，共得24組試樣，分別測(cè)試每個(gè)試樣的凝膠時(shí)間，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 水泥量與雙液漿凝膠時(shí)間的關(guān)系曲線

分析圖1可知:

1)在單位體積雙液漿中加入的水玻璃量一定時(shí)，隨著水泥用量的增加，雙液漿的凝膠時(shí)間迅速下降。在1 m3漿液中摻加水玻璃量分別為200 L、300 L、400 L，500 L時(shí)，隨著水泥用量從25 kg增加到150 kg，雙液漿的凝膠時(shí)間分別縮短1.73 min(61.0%)，1.83 min(70.0%)，1.80 min(70.6%)，2.00 min(74.4%)。

2)在單位體積雙液漿中加入的水泥用量一定時(shí)，隨著水玻璃量的增加，雙液漿的凝膠時(shí)間也有所減小，但當(dāng)水玻璃量為300 L、400 L、500 L時(shí)雙液漿的凝膠時(shí)間十分接近，因此1 m3漿液中可以摻加的較為合理的水玻璃量是300 L。

3)當(dāng)要求固定的凝膠時(shí)間時(shí)，單位體積漿液中如需增加水泥量，則應(yīng)相應(yīng)減小水玻璃的添加量。

圖2 水玻璃量與雙液漿凝膠時(shí)間的關(guān)系曲線

分析圖2可知:

1)在單位體積雙液漿中加入的水泥用量一定時(shí)，隨著水玻璃量的增加，雙液漿的凝膠時(shí)間也有所減小，最大變化范圍為30 s。水玻璃量的多少對(duì)于雙液漿的凝膠時(shí)間有一定程度的影響，但當(dāng)要求固定的凝膠時(shí)間時(shí)，主要通過(guò)調(diào)節(jié)單位體積雙液漿中水泥用量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2)在單位體積雙液漿中加入的水玻璃量一定時(shí)，隨著水泥用量的增加，雙液漿的凝膠時(shí)間有大幅度下降。

3.2 水泥漿與水玻璃體積比對(duì)雙液漿凝膠時(shí)間的影響

為測(cè)定水泥漿與水玻璃體積比對(duì)于雙液漿凝膠時(shí)間的影響，設(shè)定溫度為20℃，水灰比為0.75∶1，采用P．O 42.5R 的普通水泥，濃度為35°Be'的水玻璃，配制出水泥漿與水玻璃體積比為 1∶0.3，1∶0.4，1∶0.5，1∶0.6，1∶0.75，1∶1的 6 組試樣，分別測(cè)定試樣的凝膠時(shí)間，得出圖3。

由圖3可知，隨著水泥漿、水玻璃體積比的減小，凝膠時(shí)間有顯著增長(zhǎng)。

圖3 水泥漿、水玻璃體積比與雙液漿凝膠時(shí)間的關(guān)系曲線

3.3 水泥量對(duì)雙液漿一軸抗壓強(qiáng)度的影響

為測(cè)定水泥量對(duì)于雙液漿一軸抗壓強(qiáng)度的影響，取上述24組試樣中水玻璃量為300 L的6組試樣，分別測(cè)定每組試樣在凝膠養(yǎng)護(hù)時(shí)間為5 d，7 d，14 d，28 d時(shí)的一軸抗壓強(qiáng)度值，如圖4所示。

圖4 水泥量與雙液漿一軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

分析圖4可知:

1)在單位體積雙液漿中當(dāng)凝膠養(yǎng)護(hù)時(shí)間一定時(shí)，隨著水泥量的增加，雙液漿的一軸抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，而且隨著凝膠養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，雙液漿的一軸抗壓強(qiáng)度隨水泥用量變化的激增點(diǎn)不斷減小。

2)在單位體積雙液漿中加入的水泥量一定時(shí)，隨著凝膠養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，雙液漿的一軸抗壓強(qiáng)度不斷上升。當(dāng)水泥量＜100 kg時(shí)，早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均比較低，隨著水泥用量增加，早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均有大幅度提高。

3.4 漿液齡期對(duì)雙液漿一軸抗壓強(qiáng)度的影響

同上述取水玻璃量為300 L的6組試樣，分別測(cè)定每組試樣在不同齡期的一軸抗壓強(qiáng)度值，如圖5。

圖5 齡期與雙液漿一軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

分析圖5可知:

1)不管單位雙液漿中加入水泥量的多少，隨著凝膠養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大，凝膠固結(jié)體的一軸抗壓強(qiáng)度總是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2)同樣的凝膠養(yǎng)護(hù)時(shí)間，隨著單位體積雙液漿中水泥量的增加，凝膠固結(jié)體一軸抗壓強(qiáng)度增大，可以依不同的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度要求來(lái)確定水泥的添加量，這點(diǎn)應(yīng)根據(jù)施工具體要求來(lái)確定。

4 工程應(yīng)用

某市地鐵1號(hào)線城湖區(qū)間為雙線單圓盾構(gòu)區(qū)間，隧道設(shè)計(jì)起止里程左右線均為K11+202.932—K12+316.763，區(qū)間全長(zhǎng)約為1 113.831 m。平面最小半徑R為450 m，剖面最大坡度25‰，隧道頂埋深11.2～17.5 m。施工采用兩臺(tái)φ 6 340 mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，左右線分別用7號(hào)和8號(hào)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)。區(qū)間線路位于市中心城區(qū)，下穿多個(gè)高架和立交橋，工程周邊環(huán)境復(fù)雜，穿越的土層主要為砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等。

7號(hào)和8號(hào)盾構(gòu)分別采用不同的注漿方法控制沉降，并分別在盾構(gòu)第485環(huán)，610環(huán)，810環(huán)位置處的地表埋設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，利用精密水準(zhǔn)儀觀測(cè)注漿引起的地表沉降差異。7號(hào)盾構(gòu)采用增大惰性漿液注漿量的方法，每環(huán)注漿量為6～7 m3，但在注漿過(guò)程中多次發(fā)生漏漿情況，地面沉降量較大，如圖6所示。8號(hào)盾構(gòu)施工過(guò)程中為嚴(yán)格控制漏漿，每隔5環(huán)對(duì)管片進(jìn)行二次補(bǔ)注雙液漿2～3 m3(雙液漿中水泥水玻璃體積比為1∶0.75，具體用量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明其有效地控制了地面沉降。

圖6 7、8號(hào)盾構(gòu)485環(huán)，610環(huán)，810環(huán)對(duì)應(yīng)地面變形情況對(duì)比

試驗(yàn)段第485環(huán)，610環(huán)，810環(huán)處的7號(hào)和8號(hào)盾構(gòu)的最大沉降及對(duì)比情況如圖6所示，8號(hào)盾構(gòu)因二次補(bǔ)注采用雙液漿，成功地將最大沉降控制在－20 mm左右;而7號(hào)盾構(gòu)的沉降量最高達(dá)－61.27 mm，且不穩(wěn)定。圖中的最大沉降相差值也說(shuō)明了使用雙液漿注漿后有效控制了地面沉降。

5 結(jié)論

1)影響雙液漿凝膠時(shí)間的因素中，水泥量起關(guān)鍵作用，同時(shí)也受水泥量與水玻璃配比的影響。當(dāng)單位體積雙液漿中水泥量固定時(shí)，水玻璃量的多少對(duì)于凝膠時(shí)間也有一定影響。

2)增大水泥用量對(duì)于提高雙液漿的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都很重要，隨著凝膠養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，凝膠固結(jié)體一軸抗壓強(qiáng)度逐步增大。

3)由雙液漿在某實(shí)際工程中的應(yīng)用效果可知，盾構(gòu)施工中使用雙液漿能夠顯著減小地面沉降，有助于控制開(kāi)挖面穩(wěn)定，因此在其他類(lèi)似盾構(gòu)施工中可尋求適合實(shí)際情況的水泥漿、水玻璃用量及配比，以獲得更佳的工程效果。

［1］于建．雙液漿帷幕在填海區(qū)基坑止水中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2001(12):29-31．

［2］高海東．淺談廈門(mén)海底隧道施工中的注漿［J］．石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，7(增 1):59-67．

［3］李科，周松，孫連元，等．盾構(gòu)隧道施工用雙液漿強(qiáng)度及其σ-ε 特性三軸試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2009(8):71-74．

［4］陸兆陽(yáng)．水泥—水玻璃雙液漿配比試驗(yàn)及其特性研究［C］//中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)、中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)煤田地質(zhì)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)暨中國(guó)煤炭工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)水害防治專(zhuān)業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)文集，2007:531-534．