水玻璃與水泥反應(yīng)對電阻率的影響

溫亨聰　劉寶寶　李程

摘 要：把不同比率的水玻璃摻入水泥漿液中制成相同體積的水泥凝固體，在相同探測條件下，利用直流電法儀測量各種水玻璃比率的水泥凝固體電阻率值，研究水玻璃對水泥注漿材料電阻率的影響，為物探資料解釋時鑒別低阻異常區(qū)的成因、防治誤判提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水玻璃 水泥 電阻率 影響

中圖分類號：TD745 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0103-02

1 水玻璃—水泥混合漿液

水玻璃—水泥混合漿液亦稱CS漿液。作為一種復(fù)合型注漿材料，它是以水泥和水玻璃為主劑，兩者按一定的比例以雙液方式注入，必要時加入附加劑所組成的注漿液材料。這種漿液集中了水泥和水玻璃兩種注漿材料的優(yōu)點(diǎn)，克服了單液水泥漿的凝結(jié)時間長且不能控制、結(jié)石率低等缺點(diǎn)，提高了水泥注漿液的效果，在煤層底板含水層注漿改造工程中被廣泛使用。

但是，在水泥漿液中加入水玻璃后，可能導(dǎo)致水泥混合注漿材料的電阻率發(fā)生變化。使用物探方法對工作面底板進(jìn)行巖層賦水性探測時，物探資料解釋極易形成誤判。

2 水玻璃與水泥反應(yīng)機(jī)理及混合注漿材料電阻率影響

水玻璃有鈉水玻璃、鉀水玻璃、鋰水玻璃、季銨水玻璃和銣水玻璃，它們的通式為MO2·m SiO2·n H2O，式中：M代表Na+、Li+、NR4+、Rb+；m俗稱模數(shù)，SiO2/M2O之摩爾比；n代表含水量，n愈大則水玻璃的濃度C愈小。

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。

3Ca·SiO2+（n+1）H2O=2Ca·SiO2·nH2O+Ca（OH）2

而水泥與水玻璃的主要化學(xué)反應(yīng)方程式為：

3Ca·SiO2+Na2O·nSiO2=Ca·nSiO2·nH2O+2NaOH

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。

但是，井下工作面底板加固所用的水玻璃一般為工業(yè)鈉水玻璃。水玻璃是硅酸鈉的水溶液，工業(yè)制硅酸鈉反應(yīng)方程式為：

NaCO3+SiO2=NaSiO3+CO2（高溫條件下）

然后將硅酸鈉溶解在一定濃度的NaOH溶液中（加NaOH是為了抑制硅酸鈉水解）。此外，硅酸鈉會和空氣中的二氧化碳反應(yīng)：CO2+NaSiO3+H2O=NaCO3+H2SiO3，所以礦用鈉水玻璃中含有NaOH和雜質(zhì)NaCO3。

由上述反應(yīng)式中，可以看出，水玻璃廣泛運(yùn)用于煤層底板含水層注漿改造工程中，同時也在增加水泥混合注漿材料的可溶性鹽離子，導(dǎo)致水泥混合注漿材料的電阻率發(fā)生變化。

3 模塊試驗(yàn)

3.1 模塊制作

為研究水玻璃對水泥注漿材料電阻率的影響，實(shí)驗(yàn)所用的水泥凝固體以不同比率的水玻璃摻入水泥漿液中制作而成。為使實(shí)驗(yàn)更具有可實(shí)用性，模塊制作的材料均使用礦井煤層底板注漿改造工程常用材料。表1列出了實(shí)驗(yàn)中水泥凝固體的具體參數(shù)。

3.2 電阻率測量

不同比率的水玻璃摻入水泥漿液中制成相同體積的水泥凝固體，在相同探測條件下，利用直流電法儀測量各種水玻璃比率的水泥凝固體電阻率值。實(shí)驗(yàn)采用的直流電法測深是目前煤礦井下最常用的一種探測方法，它具有簡單方便、施工安全、測距較大、適應(yīng)性強(qiáng)、對水敏感等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)采用的是最常用的對稱四極裝置，在同一測點(diǎn)O點(diǎn)上逐次增大供電電極極距，使勘探深度由小變大，裝置如圖1。

圖1中AB為供電電極，MN為測量電極，它們對稱與觀測點(diǎn)O布置。

3.3 實(shí)驗(yàn)情況及成果

在5組模塊制作完成后，分別在模塊固結(jié)24小時、72小時、15天后對模塊進(jìn)行電阻率測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3。

根據(jù)上表，在模塊1#、2#、3#、4#、5#固結(jié)24小時后進(jìn)行測試模塊電阻率值，水泥模塊中加入水玻璃作用在于加快模塊的凝固速度，適量的配比對加速凝固效果顯著。井下實(shí)際施工中注漿材料配比（重量）：水：灰：水玻璃=1∶1∶0.5。模塊中加入水玻璃配比不同、其凝固速度不同。而在模塊固結(jié)72小時及15天后，模塊中水泥漿液中加入水玻璃后視電阻率值約為純水泥漿液的1/2～1/3（降低）。實(shí)驗(yàn)?zāi)K干燥時間越長，視電阻率值越增加（約4倍）。

4 結(jié)語

水玻璃—水泥混合漿液作為一種復(fù)合型注漿材料，在煤層底板含水層注漿改造工程中被廣泛使用。在水泥漿液中加入水玻璃后，可能導(dǎo)致水泥混合注漿材料的電阻率發(fā)生變化，容易導(dǎo)致物探方法對工作面底板進(jìn)行巖層賦水性探測時，物探資料解釋極易形成誤判。通過實(shí)驗(yàn)表明：水泥漿液中加入水玻璃后混合凝固體視電阻率值約為純水泥漿凝固體的1/2～1/3（降低）；且實(shí)驗(yàn)?zāi)K干燥時間越長、水分越少，整體視電阻率值越大。明確了水玻璃對水泥混合注漿材料電阻率的影響，有助于物探資料解釋時鑒別低阻異常區(qū)的成因，防止把水玻璃—水泥混合凝固體的低阻反應(yīng)誤判為巖層含水區(qū)，減少鉆探、注漿工程量。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧晨.水玻璃砂基礎(chǔ)理論的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2000：37-39.

[2] 孔燕萍.外加劑對水泥土強(qiáng)度的影響[J].土工基礎(chǔ)，2005，19（3）：71-72.

[3] 戴志成.硅化合物的生產(chǎn)和應(yīng)用[M].四川成都：成都科技大學(xué)出版社，1999.

[4] 朱純熙，盧晨，季郭生.水玻璃砂基礎(chǔ)理論[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[5] 杜嘉鴻，秦明武，肖榮久.國外化學(xué)注漿教程[M].北京：水利電力出版社，1986.endprint

摘 要：把不同比率的水玻璃摻入水泥漿液中制成相同體積的水泥凝固體，在相同探測條件下，利用直流電法儀測量各種水玻璃比率的水泥凝固體電阻率值，研究水玻璃對水泥注漿材料電阻率的影響，為物探資料解釋時鑒別低阻異常區(qū)的成因、防治誤判提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水玻璃 水泥 電阻率 影響

中圖分類號：TD745 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0103-02

1 水玻璃—水泥混合漿液

水玻璃—水泥混合漿液亦稱CS漿液。作為一種復(fù)合型注漿材料，它是以水泥和水玻璃為主劑，兩者按一定的比例以雙液方式注入，必要時加入附加劑所組成的注漿液材料。這種漿液集中了水泥和水玻璃兩種注漿材料的優(yōu)點(diǎn)，克服了單液水泥漿的凝結(jié)時間長且不能控制、結(jié)石率低等缺點(diǎn)，提高了水泥注漿液的效果，在煤層底板含水層注漿改造工程中被廣泛使用。

但是，在水泥漿液中加入水玻璃后，可能導(dǎo)致水泥混合注漿材料的電阻率發(fā)生變化。使用物探方法對工作面底板進(jìn)行巖層賦水性探測時，物探資料解釋極易形成誤判。

2 水玻璃與水泥反應(yīng)機(jī)理及混合注漿材料電阻率影響

水玻璃有鈉水玻璃、鉀水玻璃、鋰水玻璃、季銨水玻璃和銣水玻璃，它們的通式為MO2·m SiO2·n H2O，式中：M代表Na+、Li+、NR4+、Rb+；m俗稱模數(shù)，SiO2/M2O之摩爾比；n代表含水量，n愈大則水玻璃的濃度C愈小。

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。

3Ca·SiO2+（n+1）H2O=2Ca·SiO2·nH2O+Ca（OH）2

而水泥與水玻璃的主要化學(xué)反應(yīng)方程式為：

3Ca·SiO2+Na2O·nSiO2=Ca·nSiO2·nH2O+2NaOH

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。

但是，井下工作面底板加固所用的水玻璃一般為工業(yè)鈉水玻璃。水玻璃是硅酸鈉的水溶液，工業(yè)制硅酸鈉反應(yīng)方程式為：

NaCO3+SiO2=NaSiO3+CO2（高溫條件下）

然后將硅酸鈉溶解在一定濃度的NaOH溶液中（加NaOH是為了抑制硅酸鈉水解）。此外，硅酸鈉會和空氣中的二氧化碳反應(yīng)：CO2+NaSiO3+H2O=NaCO3+H2SiO3，所以礦用鈉水玻璃中含有NaOH和雜質(zhì)NaCO3。

由上述反應(yīng)式中，可以看出，水玻璃廣泛運(yùn)用于煤層底板含水層注漿改造工程中，同時也在增加水泥混合注漿材料的可溶性鹽離子，導(dǎo)致水泥混合注漿材料的電阻率發(fā)生變化。

3 模塊試驗(yàn)

3.1 模塊制作

為研究水玻璃對水泥注漿材料電阻率的影響，實(shí)驗(yàn)所用的水泥凝固體以不同比率的水玻璃摻入水泥漿液中制作而成。為使實(shí)驗(yàn)更具有可實(shí)用性，模塊制作的材料均使用礦井煤層底板注漿改造工程常用材料。表1列出了實(shí)驗(yàn)中水泥凝固體的具體參數(shù)。

3.2 電阻率測量

不同比率的水玻璃摻入水泥漿液中制成相同體積的水泥凝固體，在相同探測條件下，利用直流電法儀測量各種水玻璃比率的水泥凝固體電阻率值。實(shí)驗(yàn)采用的直流電法測深是目前煤礦井下最常用的一種探測方法，它具有簡單方便、施工安全、測距較大、適應(yīng)性強(qiáng)、對水敏感等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)采用的是最常用的對稱四極裝置，在同一測點(diǎn)O點(diǎn)上逐次增大供電電極極距，使勘探深度由小變大，裝置如圖1。

圖1中AB為供電電極，MN為測量電極，它們對稱與觀測點(diǎn)O布置。

3.3 實(shí)驗(yàn)情況及成果

在5組模塊制作完成后，分別在模塊固結(jié)24小時、72小時、15天后對模塊進(jìn)行電阻率測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3。

根據(jù)上表，在模塊1#、2#、3#、4#、5#固結(jié)24小時后進(jìn)行測試模塊電阻率值，水泥模塊中加入水玻璃作用在于加快模塊的凝固速度，適量的配比對加速凝固效果顯著。井下實(shí)際施工中注漿材料配比（重量）：水：灰：水玻璃=1∶1∶0.5。模塊中加入水玻璃配比不同、其凝固速度不同。而在模塊固結(jié)72小時及15天后，模塊中水泥漿液中加入水玻璃后視電阻率值約為純水泥漿液的1/2～1/3（降低）。實(shí)驗(yàn)?zāi)K干燥時間越長，視電阻率值越增加（約4倍）。

4 結(jié)語

水玻璃—水泥混合漿液作為一種復(fù)合型注漿材料，在煤層底板含水層注漿改造工程中被廣泛使用。在水泥漿液中加入水玻璃后，可能導(dǎo)致水泥混合注漿材料的電阻率發(fā)生變化，容易導(dǎo)致物探方法對工作面底板進(jìn)行巖層賦水性探測時，物探資料解釋極易形成誤判。通過實(shí)驗(yàn)表明：水泥漿液中加入水玻璃后混合凝固體視電阻率值約為純水泥漿凝固體的1/2～1/3（降低）；且實(shí)驗(yàn)?zāi)K干燥時間越長、水分越少，整體視電阻率值越大。明確了水玻璃對水泥混合注漿材料電阻率的影響，有助于物探資料解釋時鑒別低阻異常區(qū)的成因，防止把水玻璃—水泥混合凝固體的低阻反應(yīng)誤判為巖層含水區(qū)，減少鉆探、注漿工程量。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧晨.水玻璃砂基礎(chǔ)理論的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2000：37-39.

[2] 孔燕萍.外加劑對水泥土強(qiáng)度的影響[J].土工基礎(chǔ)，2005，19（3）：71-72.

[3] 戴志成.硅化合物的生產(chǎn)和應(yīng)用[M].四川成都：成都科技大學(xué)出版社，1999.

[4] 朱純熙，盧晨，季郭生.水玻璃砂基礎(chǔ)理論[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[5] 杜嘉鴻，秦明武，肖榮久.國外化學(xué)注漿教程[M].北京：水利電力出版社，1986.endprint

摘 要：把不同比率的水玻璃摻入水泥漿液中制成相同體積的水泥凝固體，在相同探測條件下，利用直流電法儀測量各種水玻璃比率的水泥凝固體電阻率值，研究水玻璃對水泥注漿材料電阻率的影響，為物探資料解釋時鑒別低阻異常區(qū)的成因、防治誤判提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水玻璃 水泥 電阻率 影響

中圖分類號：TD745 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0103-02

1 水玻璃—水泥混合漿液

水玻璃—水泥混合漿液亦稱CS漿液。作為一種復(fù)合型注漿材料，它是以水泥和水玻璃為主劑，兩者按一定的比例以雙液方式注入，必要時加入附加劑所組成的注漿液材料。這種漿液集中了水泥和水玻璃兩種注漿材料的優(yōu)點(diǎn)，克服了單液水泥漿的凝結(jié)時間長且不能控制、結(jié)石率低等缺點(diǎn)，提高了水泥注漿液的效果，在煤層底板含水層注漿改造工程中被廣泛使用。

但是，在水泥漿液中加入水玻璃后，可能導(dǎo)致水泥混合注漿材料的電阻率發(fā)生變化。使用物探方法對工作面底板進(jìn)行巖層賦水性探測時，物探資料解釋極易形成誤判。

2 水玻璃與水泥反應(yīng)機(jī)理及混合注漿材料電阻率影響

水玻璃有鈉水玻璃、鉀水玻璃、鋰水玻璃、季銨水玻璃和銣水玻璃，它們的通式為MO2·m SiO2·n H2O，式中：M代表Na+、Li+、NR4+、Rb+；m俗稱模數(shù)，SiO2/M2O之摩爾比；n代表含水量，n愈大則水玻璃的濃度C愈小。

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。

3Ca·SiO2+（n+1）H2O=2Ca·SiO2·nH2O+Ca（OH）2

而水泥與水玻璃的主要化學(xué)反應(yīng)方程式為：

3Ca·SiO2+Na2O·nSiO2=Ca·nSiO2·nH2O+2NaOH

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。

但是，井下工作面底板加固所用的水玻璃一般為工業(yè)鈉水玻璃。水玻璃是硅酸鈉的水溶液，工業(yè)制硅酸鈉反應(yīng)方程式為：

NaCO3+SiO2=NaSiO3+CO2（高溫條件下）

然后將硅酸鈉溶解在一定濃度的NaOH溶液中（加NaOH是為了抑制硅酸鈉水解）。此外，硅酸鈉會和空氣中的二氧化碳反應(yīng)：CO2+NaSiO3+H2O=NaCO3+H2SiO3，所以礦用鈉水玻璃中含有NaOH和雜質(zhì)NaCO3。

由上述反應(yīng)式中，可以看出，水玻璃廣泛運(yùn)用于煤層底板含水層注漿改造工程中，同時也在增加水泥混合注漿材料的可溶性鹽離子，導(dǎo)致水泥混合注漿材料的電阻率發(fā)生變化。

3 模塊試驗(yàn)

3.1 模塊制作

為研究水玻璃對水泥注漿材料電阻率的影響，實(shí)驗(yàn)所用的水泥凝固體以不同比率的水玻璃摻入水泥漿液中制作而成。為使實(shí)驗(yàn)更具有可實(shí)用性，模塊制作的材料均使用礦井煤層底板注漿改造工程常用材料。表1列出了實(shí)驗(yàn)中水泥凝固體的具體參數(shù)。

3.2 電阻率測量

不同比率的水玻璃摻入水泥漿液中制成相同體積的水泥凝固體，在相同探測條件下，利用直流電法儀測量各種水玻璃比率的水泥凝固體電阻率值。實(shí)驗(yàn)采用的直流電法測深是目前煤礦井下最常用的一種探測方法，它具有簡單方便、施工安全、測距較大、適應(yīng)性強(qiáng)、對水敏感等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)采用的是最常用的對稱四極裝置，在同一測點(diǎn)O點(diǎn)上逐次增大供電電極極距，使勘探深度由小變大，裝置如圖1。

圖1中AB為供電電極，MN為測量電極，它們對稱與觀測點(diǎn)O布置。

3.3 實(shí)驗(yàn)情況及成果

在5組模塊制作完成后，分別在模塊固結(jié)24小時、72小時、15天后對模塊進(jìn)行電阻率測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3。

根據(jù)上表，在模塊1#、2#、3#、4#、5#固結(jié)24小時后進(jìn)行測試模塊電阻率值，水泥模塊中加入水玻璃作用在于加快模塊的凝固速度，適量的配比對加速凝固效果顯著。井下實(shí)際施工中注漿材料配比（重量）：水：灰：水玻璃=1∶1∶0.5。模塊中加入水玻璃配比不同、其凝固速度不同。而在模塊固結(jié)72小時及15天后，模塊中水泥漿液中加入水玻璃后視電阻率值約為純水泥漿液的1/2～1/3（降低）。實(shí)驗(yàn)?zāi)K干燥時間越長，視電阻率值越增加（約4倍）。

4 結(jié)語

水玻璃—水泥混合漿液作為一種復(fù)合型注漿材料，在煤層底板含水層注漿改造工程中被廣泛使用。在水泥漿液中加入水玻璃后，可能導(dǎo)致水泥混合注漿材料的電阻率發(fā)生變化，容易導(dǎo)致物探方法對工作面底板進(jìn)行巖層賦水性探測時，物探資料解釋極易形成誤判。通過實(shí)驗(yàn)表明：水泥漿液中加入水玻璃后混合凝固體視電阻率值約為純水泥漿凝固體的1/2～1/3（降低）；且實(shí)驗(yàn)?zāi)K干燥時間越長、水分越少，整體視電阻率值越大。明確了水玻璃對水泥混合注漿材料電阻率的影響，有助于物探資料解釋時鑒別低阻異常區(qū)的成因，防止把水玻璃—水泥混合凝固體的低阻反應(yīng)誤判為巖層含水區(qū)，減少鉆探、注漿工程量。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧晨.水玻璃砂基礎(chǔ)理論的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2000：37-39.

[2] 孔燕萍.外加劑對水泥土強(qiáng)度的影響[J].土工基礎(chǔ)，2005，19（3）：71-72.

[3] 戴志成.硅化合物的生產(chǎn)和應(yīng)用[M].四川成都：成都科技大學(xué)出版社，1999.

[4] 朱純熙，盧晨，季郭生.水玻璃砂基礎(chǔ)理論[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[5] 杜嘉鴻，秦明武，肖榮久.國外化學(xué)注漿教程[M].北京：水利電力出版社，1986.endprint