水泥-水玻璃雙液注漿材料工程性能及孔隙結(jié)構(gòu)

楊 建 康，　陸 海 軍*,2，　李 繼 祥，　朱 登 峰

( 1.武漢輕工大學(xué) 多孔介質(zhì)力學(xué)研究所, 湖北 武漢　430023；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 巖土工程研究所, 遼寧 大連　116024 )

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水泥-水玻璃雙液注漿材料工程性能及孔隙結(jié)構(gòu)

楊 建 康1，陸 海 軍*1,2，李 繼 祥1，朱 登 峰1

( 1.武漢輕工大學(xué) 多孔介質(zhì)力學(xué)研究所, 湖北 武漢430023；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 巖土工程研究所, 遼寧 大連116024 )

摘要：水泥-水玻璃雙液注漿材料由于其凝膠時(shí)間短、早期強(qiáng)度高、材料經(jīng)濟(jì)且來(lái)源廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被大量用于工程注漿堵水中．通過(guò)黏度試驗(yàn)、凝膠時(shí)間試驗(yàn)、線膨脹試驗(yàn)與低溫氮?dú)馕皆囼?yàn)，深化了對(duì)雙液注漿材料基本性能的認(rèn)識(shí)，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果提出最優(yōu)雙液注漿材料配合比．凝膠時(shí)間試驗(yàn)表明，在水泥摻量增加、溫度升高的過(guò)程中，漿液的凝膠時(shí)間從148～367 s減少到71～211 s；黏度試驗(yàn)表明，由20 ℃升溫到50 ℃時(shí)，黏度從10.39～178.57 m2/s非線性降低到6.84～83.58 m2/s，漿液表現(xiàn)出明顯的非牛頓流體的特性；漿液結(jié)石體低溫氮?dú)馕綏l件下，漿液孔徑分布在2～10 nm，漿液孔隙分布均勻，不易發(fā)生滲漏現(xiàn)象；凝固后的漿液結(jié)石體線膨脹系數(shù)在30 ℃到60 ℃有下降趨勢(shì)，但漿液仍表現(xiàn)為熱膨脹性，而在大于70 ℃時(shí)線膨脹系數(shù)變?yōu)樨?fù)值，漿液結(jié)石體出現(xiàn)收縮性質(zhì)．

關(guān)鍵詞：注漿；黏度系數(shù)；孔隙結(jié)構(gòu)；膨脹系數(shù)

0引言

礦井、隧道以及地基等在深挖時(shí)，隨著卸荷的進(jìn)行，當(dāng)被卸荷的土體不足以承受地下承壓水的壓力時(shí)，地基或隧道頻頻出現(xiàn)流砂和管涌現(xiàn)象．為了防止工程事故發(fā)生以及完工后的工程能夠達(dá)到安全使用要求，巖體注漿技術(shù)因其諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，其中注漿材料的選擇一直是巖體注漿技術(shù)控制的重點(diǎn)．工程上主要有以聚氨酯為代表的有機(jī)注漿材料[1]和以水泥-水玻璃為代表的無(wú)機(jī)注漿材料[2]．作為無(wú)機(jī)注漿材料代表的水泥-水玻璃注漿材料雖然被大量運(yùn)用于工程上，但沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)指導(dǎo)工程運(yùn)用，大多僅憑借工程經(jīng)驗(yàn)．因此深化雙液注漿材料的研究、規(guī)范對(duì)注漿材料的認(rèn)識(shí)，對(duì)指導(dǎo)工程應(yīng)用有著十分重要的意義．

許多學(xué)者開展了對(duì)水泥-水玻璃注漿材料性能的研究，并分別提出了水泥-水玻璃漿液最佳配合比，但是目前所有研究還僅僅停留在對(duì)其凝膠時(shí)間、強(qiáng)度、安定性等性能研究上[3]，如劉玉祥等[4]、龐宗霞等[5]通過(guò)對(duì)雙液注漿材料的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變的研究提出了水泥-水玻璃的最佳配合比，閆勇等[6]通過(guò)對(duì)凝膠時(shí)間、強(qiáng)度以及安定性研究，提出不同水泥-水玻璃配合比下抗壓強(qiáng)度曲線以及凝膠時(shí)間曲線．但對(duì)于雙液注漿材料的黏度、熱收縮性、孔隙結(jié)構(gòu)演化和熱效應(yīng)規(guī)律的研究還較少．

為分析漿液在裂隙中的流動(dòng)情況，評(píng)價(jià)漿液在巖層中的擴(kuò)散情況，以及漿液在凝固后與巖層的相互作用和自身抗?jié)B性，有必要對(duì)漿液堵水結(jié)石過(guò)程中的黏度、熱膨脹系數(shù)以及孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析．

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本研究中所用的材料來(lái)源于陜西秦嶺水泥股份有限公司生產(chǎn)的普通425#硅酸鹽水泥以及湖南省冷水江市紅星水泥外加劑有限責(zé)任公司生產(chǎn)的緩凝高效減水劑和AC-I型速凝劑，水玻璃來(lái)源于成都鴻瑞化工有限公司，其為液體狀態(tài)．

1.2試驗(yàn)方法

為了研究不同溫度和不同水泥-水玻璃配合比下的黏度、凝膠時(shí)間、熱收縮性以及孔隙分布情況，本試驗(yàn)雙液注漿材料參數(shù)為水灰比0.8∶1，速凝劑4%，減水劑5%，水玻璃密度1.2 g/mL，水玻璃模數(shù)3.1～3.4，水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%．水泥-水玻璃質(zhì)量比有1.0∶1、1.1∶1、1.2∶1、1.3∶1、1.4∶1、1.5∶1共6種．

1.2.1凝膠試驗(yàn)本試驗(yàn)采用倒杯法[7]測(cè)量漿液的凝膠時(shí)間tg．首先將配制好的普通硅酸鹽水泥單漿液和水玻璃溶液?jiǎn)螡{液分別置于兩個(gè)不同的燒杯中，將水玻璃單漿液向水泥單漿液中進(jìn)行倒杯，然后再把混合的漿液倒入原水玻璃燒杯中，交替多次，直至最后燒杯在傾斜45°漿液未流動(dòng)時(shí)停止．整個(gè)過(guò)程所用的時(shí)間就為本試驗(yàn)所求的凝膠時(shí)間．

1.2.2黏度試驗(yàn)采用SYD-265E瀝青運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀(武漢格萊莫檢測(cè)設(shè)備有限公司)，先將漿液迅速融合后，在20.4、30.7、41.0、50.8 ℃水浴加熱的條件下，用秒表測(cè)量不同溫度和各種配合比漿液在特定的黏度計(jì)中的流動(dòng)時(shí)間(t)．再根據(jù)每個(gè)特定黏度計(jì)的黏度系數(shù)(K),求出各種條件下的運(yùn)動(dòng)黏度(ν=tK)．

1.2.3低溫氮?dú)馕皆囼?yàn)采用北京精微高博科學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JW-BK靜態(tài)氮吸附儀，檢測(cè)各種配合比漿液試樣的孔隙特征．各取0.5 g在常溫下養(yǎng)護(hù)7 d的不同配合比的漿液結(jié)石體試樣進(jìn)行試驗(yàn)．先將試樣碾碎篩分后，選取1～2 mm部分，然后采用純度為99.9%的氮?dú)庾鳛槲皆囼?yàn)的吸附介質(zhì)，在相對(duì)壓力p/p0=0.010～0.995的條件下，進(jìn)行吸附和脫附，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BET試驗(yàn)方法[8]檢測(cè)不同配合比漿液結(jié)石體試樣的孔徑和孔容分布情況．

1.2.4熱膨脹試驗(yàn)將不同配合比的漿液分別置于模具中，制成長(zhǎng)50 mm、直徑10 mm的圓柱形漿液結(jié)石體，經(jīng)過(guò)7 d的常溫養(yǎng)護(hù)后，取出試樣置于XPY型熱膨脹系數(shù)測(cè)定儀(上海精密儀器儀表有限公司)，設(shè)備加熱溫度控制在30～80 ℃，同時(shí)每隔10 ℃對(duì)其膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)量．

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1凝膠特性

雙液注漿材料的凝膠時(shí)間特性如圖1所示，從圖中可以看出，漿液的凝膠時(shí)間總體很短，在71～367 s內(nèi)變化．凝膠時(shí)間隨水泥-水玻璃配合比的增大從148～367 s減少到71～211 s，在溫度較低區(qū)間內(nèi)下降較快，而在溫度較高的區(qū)間內(nèi)下降較慢．

圖1　雙液注漿材料凝膠時(shí)間曲線

雙液注漿材料的凝膠時(shí)間隨水泥-水玻璃配合比的增大而減少．水泥-水玻璃的配合比較小時(shí)，其混合溶液中水泥的水灰比相對(duì)較大，水的含量相對(duì)較多，致使?jié){液顆粒間的相對(duì)距離增大，相互作用減??；而多余水不能被水泥溶液與水玻璃充分反應(yīng)，致使反應(yīng)后水殘留較多，凝膠時(shí)間較長(zhǎng)，均延長(zhǎng)了反應(yīng)時(shí)間．漿液凝膠時(shí)間受溫度影響明顯，溫度升高主要是加速了漿液化學(xué)反應(yīng)速率，漿液在高溫下凝結(jié)速度加快，致使凝膠時(shí)間有減少的趨勢(shì)．

2.2黏度特性

不同配合比以及不同溫度下的雙液注漿材料運(yùn)動(dòng)黏度如圖2所示，可以看出漿液黏度從10.39～178.57 m2/s非線性降低到6.84～83.58 m2/s[9]，并且在溫度較低區(qū)域下降趨勢(shì)更為明顯．在水泥-水玻璃配合比較大時(shí)，雙液注漿材料的黏度大于配合比較小時(shí)的黏度．

圖2　雙液注漿材料黏度曲線

雙液注漿材料的黏度性質(zhì)表現(xiàn)出漿液的流變性，是由漿液內(nèi)部相互之間摩擦阻力引起的．黏度隨溫度升高而非線性下降，凸顯了漿液為非牛頓流體特性，主要是由于漿液分子間引力產(chǎn)生的黏滯性隨溫度升高而降低，漿液內(nèi)部摩擦阻力減?。?水玻璃配合比較大時(shí)，黏度較大,主要是由于配合比越大，漿液中水泥微顆粒相對(duì)越多，較多的微顆粒增大了漿液內(nèi)部之間的摩擦阻力，致使?jié){液流動(dòng)性下降，黏度增大．

2.3孔隙結(jié)構(gòu)特性

漿液結(jié)石體吸附-脫附等溫線如圖3所示，由于不同配合比的漿液吸附-脫附等溫線相似，選取配合比為1.0∶1為例進(jìn)行分析．根據(jù)IUPAC的分類，漿液結(jié)石體吸附等溫線為Ⅳ型等溫線，隨著p/p0的增大，吸附量逐漸上升，其中p/p0在0～0.2，上升速度較快，這時(shí)漿液結(jié)石體顆粒對(duì)氮?dú)夥肿舆M(jìn)行單層吸附；p/p0增大到0.6時(shí)，顆?？紫秲?nèi)的氣體分子接近飽和，吸附數(shù)量有所減少，此時(shí)曲線較為平緩，對(duì)氣體的吸附速度有所減慢；p/p0增大到0.8時(shí)，吸附曲線斜率增加，吸附氣體量大幅增加，相對(duì)壓力到達(dá)二次吸附的臨界值，氣體分子發(fā)生了多層吸附．

滯回環(huán)形狀的差異性反映了孔結(jié)構(gòu)的差異性[8]，漿液結(jié)石體的吸附-脫附等溫線在p/p0為0.2～0.8出現(xiàn)了H3型滯回環(huán)，這是因?yàn)榈獨(dú)夥肿娱g的范德華力使脫附時(shí)所需的相對(duì)壓力略微增加，以至于脫附曲線較吸附曲線有滯后現(xiàn)象．

圖3　吸附-脫附等溫線

漿液的孔容-孔徑分布曲線如圖4所示，根據(jù)IUPAC頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，孔隙直徑小于2 nm時(shí)，被稱為微孔；孔隙直徑為2～50 nm時(shí)，被稱為介孔；而大于50 nm時(shí)，被稱為大孔[10]．可以發(fā)現(xiàn)，漿液的孔徑全部都分布在2～10 nm，屬于介孔范疇[11]，說(shuō)明漿液結(jié)石體孔隙孔徑很小，漿液結(jié)石體礦物之間結(jié)構(gòu)致密,有利于注漿體防滲．隨著水泥-水玻璃配合比增大，可以看到，當(dāng)漿液配合比為1.1∶1時(shí)，總孔容為0.129 cm3/g；而配合比上升到1.5∶1時(shí)，總孔容下降為0.115 cm3/g，總體上總孔容變?yōu)橄陆第厔?shì)，主要是由于隨著水泥漿液的增多，漿液結(jié)石體礦物結(jié)構(gòu)致密，孔隙分布較少．

(a) 配合比1.0∶1

(b) 配合比1.1∶1

(c) 配合比1.2∶1

(d) 配合比1.3∶1

(e) 配合比1.4∶1

(f) 配合比1.5∶1

圖4雙液注漿材料孔容-孔徑分布曲線

Fig.4Distribution curves of pore volume and size of double solution grouting material

2.4線膨脹特性

雙液注漿材料的線膨脹特性如圖5所示，由圖可知，在30～60 ℃下，漿液結(jié)石體的線膨脹系數(shù)隨溫度的升高而逐漸減低，但仍為正值；溫度達(dá)到60～80 ℃時(shí)，線膨脹系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，漿液結(jié)石體在高溫下出現(xiàn)收縮現(xiàn)象．在不同配合比、相同溫度條件下，水泥-水玻璃的配合比越大，其線膨脹系數(shù)越??；而不同配合比、不同溫度下，配合比越小的漿液，其線膨脹系數(shù)隨溫度升高變化越明顯．

圖5　雙液注漿材料線膨脹系數(shù)曲線

漿液結(jié)石體主要有未被水化的水泥顆粒、各種水化產(chǎn)物、少量空氣和水，以及由空氣和水組成的孔隙．當(dāng)水泥-水玻璃配合比較小時(shí)，空氣和水的含量相對(duì)較多，而水和空氣的線膨脹系數(shù)比水化物和未被水化的水泥顆粒大，因而當(dāng)溫度較低時(shí)，配合比較小的漿液結(jié)石體線膨脹系數(shù)較大．高溫下漿液內(nèi)的結(jié)合水被蒸發(fā)出來(lái)，而配合比較小的結(jié)石體因?yàn)榭紫遁^多，結(jié)石體中水相對(duì)較多，在水被蒸發(fā)后，收縮較大[12]．

3結(jié)論

(1)漿液的凝膠時(shí)間隨水泥摻量增加、溫度升高有所減少．

(2)漿液表現(xiàn)出明顯的非牛頓流體的特性，漿液黏度隨溫度升高，從10.39～178.57 m2/s非線性降低到6.84～83.58 m2/s．

(3)低溫氮?dú)馕綏l件下，可以看出漿液結(jié)石體孔徑主要分布在2～10 nm，漿液孔隙很小，屬于介孔范疇，而總孔容隨配合比的增大出現(xiàn)減小趨勢(shì)．

(4)凝固后的漿液結(jié)石體線膨脹系數(shù)在常溫30 ℃到60 ℃有下降趨勢(shì)，但漿液仍表現(xiàn)為熱膨脹性；而在大于70 ℃時(shí)線膨脹系數(shù)變?yōu)樨?fù)值，漿液結(jié)石體出現(xiàn)收縮性質(zhì)．

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Engineering properties and pore structure of cement-sodium silicate double solution grouting material

YANGJian-kang1,LUHai-jun*1,2,LIJi-xiang1,ZHUDeng-feng1

( 1.Institute of Poromechanics, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China；2.Institute of Geotechnical Engineering, School of Civil Engineering, Dalian University of Technology,Dalian 116024, China )

Abstract：Cement-sodium silicate double solution grouting material has been widely used in engineering grouting because of its short gel time, high early strength, economical and wide range of material resources, etc.. The basic properties of the double solution grouting material were investigated by viscosity test, gel time test, linear expansion test and low temperature nitrogen adsorption test. The optimum mixture ratio of double solution grouting material is proposed. The gel time test shows that the gel time decreases from 148-367 s to 71-211 s in the process of cement dosage increasing and temperature increasing. Through the viscosity test, it is found that when the temperature increases from 20 ℃ to 50 ℃, the viscosity of double solution grouting material nonlinearly reduces from 10.39-178.57 m2/s to 6.84-83.58 m2/s, and the slurry shows obvious characteristics of non-Newtonian fluid. Under the condition of low temperature nitrogen adsorption, it can be seen that the slurry pore, size distribution is between 2 nm and 10 nm, and it is not easy to leak because of its size distribution′s uniform. The linear expansion coefficient of the solided crystal decreases from 30 ℃ to 60 ℃, but it still has the thermal expansion property. In the meantime, when the temperature is above 70 ℃, the linear expansion coefficient is negative, and its crystal shows the characteristics of the shrinkage.

Key words：grouting; viscosity coefficient; pore structure; expansion coefficient

中圖分類號(hào)：TV131.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.7511/dllgxb201603005

作者簡(jiǎn)介:楊建康(1989-)，男，碩士生，E-mail:yjk_whpu@163.com；陸海軍*(1979-)，男，博士，E-mail:lhj_whpu@163.com.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474168).

收稿日期：2015-12-15；修回日期: 2016-03-28．

文章編號(hào)：1000-8608(2016)03-0252-05