溫度對硫酸—水玻璃漿液黏度及凝膠時間影響的研究

李 佐 春

(中國地質大學(北京)工程技術學院，北京　100083)

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·建筑材料及應用·

溫度對硫酸—水玻璃漿液黏度及凝膠時間影響的研究

李 佐 春

(中國地質大學(北京)工程技術學院，北京100083)

通過實驗，研究了不同溫度條件對硫酸—水玻璃漿液黏度及凝膠時間的影響，探討了硫酸—水玻璃漿液隨溫度的變化規(guī)律，得出了一些有實用價值的結論。

硫酸—水玻璃漿液，凝膠時間，黏度，溫度

0　引言

酸性水玻璃可在中性或酸性環(huán)境下凝膠[1]，凝膠體不呈堿性，沒有堿的溶出，所以沒有任何毒性，不會對環(huán)境造成污染[2]，并且具有耐久性[3]，造價也比堿性水玻璃便宜。粉細砂地層中酸性水玻璃漿液相比水泥漿液也有更好的效果[4]。近些年來在我國的地下加固工程中已得到了應用[5]。例如北京地鐵復興門—西單站區(qū)間隧道工程中采用酸性水玻璃注漿加固，不僅解決了粉細砂地層注漿困難的問題，同時還使地面沉降得到有效控制[6]。

近些年來很多學者對酸性水玻璃漿液進行了大量的研究，取得了很多有用的成果。許嬋娟詳細研究了pH值對酸性水玻璃灌漿材料凝膠時間的影響[7]。李慎剛通過分析影響水玻璃漿材耐久性的主要因素，探討了提高水玻璃注漿材料耐久性和注漿效果的主要方法[8]。王迎賓通過在漿液中加入一些外加劑使酸性水玻璃漿液在酸性、堿性土壤中得到良好的加固效果[9]。李雪分析了硫酸—水玻璃體系的成膠特點，發(fā)現凝膠時間與體系的pH值有較大的關系[10]。肖尊群研究了碳酸鈣加入酸性水玻璃漿液后，對其凝膠時間和強度的影響[11]。這些研究為酸性水玻璃漿液提供了大量的理論依據。

由于我國幅員遼闊，南方北方、夏季冬季的溫度差別較大，所以溫度也必定成為影響漿液性能的一個關鍵因素[12]。呂擎峰進行了溫度改性水玻璃固化黃土機制的研究，通過對固化后黃土化學組成和礦物成分分析、微觀結構分析，得出了溫度對其的影響規(guī)律[13]。吳國棟發(fā)現溫度對凝膠時間的影響與硅溶膠的pH值有關，酸性硅膠溶液隨溫度的升高,凝膠速度加快[14]。扈竹芳研究發(fā)現溫度對漿液凝膠時間的影響也很大,溫度高則凝膠時間短[15]。

本文通過控制溫度的變化，研究了溫度對硫酸—水玻璃漿液凝膠時間和黏度的影響，得出了硫酸—水玻璃漿液隨溫度變化的規(guī)律，為酸性水玻璃漿液的應用提供參考。

1　實驗材料及方法

1.1實驗材料

實驗試劑及所用設備主要有水玻璃、濃硫酸、燒杯若干、量筒、玻璃棒、波美計、溫度計、恒溫水浴箱(如圖1所示)和六速黏度計(見圖2)。水玻璃和濃硫酸的具體參數見表1。

表1　實驗選用試劑的參數

1.2實驗過程

首先配制好波美度為30的水玻璃和質量分數為4.5%的稀硫酸溶液，分開盛放待用。然后，量取48 mL的稀硫酸、40 mL的水玻璃，共7份。將這7份溶液分別置于20 ℃，30 ℃，40 ℃，50 ℃，60 ℃，70 ℃，80 ℃的水中，待溫度達到預定要求后將稀硫酸沿杯壁緩慢倒入水玻璃溶液中，同時用玻璃棒不斷攪拌使兩種溶液充分混合，此時開始記錄時間。待燒杯中的漿液傾倒不流淌時，記下終凝時間。重復上述步驟進行不同溫度下的實驗。完畢后，重新配制一定體積的漿液，用六速黏度計測量漿液在各個溫度下的黏度。然后在硫酸濃度為4.75%，5.0%，5.25%，5.5%的條件下，重復進行上述實驗。

具體操作步驟如圖3所示(以30 ℃為例)。

2　數據分析

硫酸濃度為4.75%，5.0%，5.25%，5.5%所配制的漿液分別在80 ℃，70 ℃，60 ℃反應時，漿液中瞬間產生了白色的凝膠體，由于這幾組實驗的反應機理和低溫時的有所不同，所以其凝膠時間和黏度另行討論。通過對數據的分析，得到了不同硫酸濃度的漿液凝膠時間、黏度隨溫度變化的曲線、不同溫度的漿液凝膠時間、黏度隨硫酸濃度變化的曲線和各個濃度漿液發(fā)生突變的溫度曲線，如圖4～圖8所示。

根據圖4可以看出，5種不同濃度漿液的凝膠時間在40 ℃之前，隨著溫度的升高時間都有所變長。40 ℃之后，隨著溫度的升高，凝膠時間逐漸縮短。40 ℃時，硫酸—水玻璃漿液的凝膠時間達到最大值。

根據圖5可以看出，隨著溫度的升高，不同濃度漿液的黏度都在不斷下降，漿液的黏度和溫度成負相關關系。

根據圖6可以看出，隨著硫酸濃度的增加，同樣溫度下硫酸濃度較高的漿液較硫酸濃度較低的漿液的凝膠時間要短。硫酸濃度越高，凝膠時間越短。

根據圖7可以看出，隨著漿液中硫酸濃度的增加，同樣溫度的漿液黏度并沒有受到較大的影響，所以溫度還是影響漿液黏度的主要因素。

根據圖8可以看出，隨著漿液中硫酸濃度的增大，漿液中瞬間出現凝膠體的溫度也在不斷下降。硫酸濃度較低時，出現突變的溫度較高，硫酸濃度高時，出現突變的溫度較低。

3　結語

1)5種不同濃度的漿液在40 ℃之前，隨著溫度的升高，凝膠時間變長，40 ℃之后，漿液的凝膠時間開始縮短。硫酸和水玻璃混合后漿液中瞬間產生絮狀凝膠體的溫度為漿液的突變點，在這一溫度，漿液的凝膠時間較前一溫度有所增長，但隨著溫度繼續(xù)增加，漿液的凝膠時間又開始縮短。

2)5種不同濃度的漿液都隨著溫度的升高后，黏度不斷降低。

3)相同溫度下，硫酸的濃度越高，凝膠時間就越短，且產生的凝膠體的強度也越高。

4)溫度升高時，較高濃度條件下的漿液首先出現瞬間產生絮狀凝膠體的現象，這種現象對凝膠體的強度起負面作用。所以，在降低溫度時選擇較高濃度的硫酸，較高溫度時，選擇較低濃度的硫酸。

[1]蔣碩忠.我國化學灌漿技術發(fā)展與展望[J].長江科學院院報,2003(5):25-27,34.

[2]孫永明,華莉.水玻璃灌漿材料的發(fā)展現狀與展望[J].吉林水利,2005,17(9):13-14.

[3]馬哲.化學灌漿材料的研究進展綜述[J].廣州化學，2014,39(1):9-13.

[4]李慎剛.砂性地層滲透注漿試驗及工程應用研究[D].沈陽：東北大學博士學位論文，2010.

[5]李慎剛,趙文,杜嘉鴻.滲透注漿試驗研究現狀及展望[J].路基工程,2010(3)：34-36.

[6]謝量瀛,傅強,都海江.地鐵西單車站粉細砂地層注漿固結技術[J].中國錨固與注漿工程實錄選，1995(9)：158-160.

[7]許嬋娟.pH值對酸性水玻璃灌漿材料凝膠時間的影響[J].化學建材，2009,25(5):22-24.

[8]李慎剛.水玻璃注漿材料的耐久性分析[A].地基基礎工程與錨固注漿技術研討會論文集[C].2009.

[9]王迎賓,董文凱,董文峰.酸性水玻璃漿材的研究及應用[J].長江科學院院報,2000,17(6):32-34.

[10]李雪.硫酸—水玻璃體系的成膠特點[J].化工學報,2007,58(2):246-250.

[11]肖尊群.新型酸性水玻璃—碳酸鈣注漿材料試驗研究[J].巖土力學,2010,31(9):2829.

[12]鄭晨.溫度對黏土—水泥漿黏度及凝結時間的影響[J].煤炭技術,2014,33(8)：160-162.

[13]呂擎峰.溫度改性水玻璃固化黃土機制研究[J].巖土力學,2013,34(5)：1923-1928.

[14]吳國棟.酸性水玻璃化學注漿材料的實驗研究及注漿工藝設計[D].長沙：中南大學碩士學位論文，2008.

[15]扈竹芳.非堿性水玻璃灌漿材料的研究及其應用[M].北京：中國學術期刊電子出版社，1994.

Effect of temperature on viscosity and gel time of sulfate-silicate slurry

Li Zuochun

(CollegeofEngineeringTechnology,ChinaGeologyUniversity(Beijing),Beijing100083,China)

Through experiments, the paper studies the impact of temperature upon sulfate-silicate slurry viscosity and gellitation time under different temperature conditions, explores the law of sulfate-silicate slurry with temperature alteration, and finally obtains some applicable and valuable conclusions.

sulfate-silicate slurry, gellitation time, viscosity, temperature

1009-6825(2016)19-0091-03

2016-04-21

李佐春(1991- )，男，在讀碩士

TU502

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