水泥-水玻璃雙液漿材料的性能研究

張崇峻

摘要：以北京16號(hào)線地鐵施工為背景，將可硬化抗剪性漿液分別與水玻璃、水泥漿體混合形成雙液漿，并通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)兩類雙液漿的密度、強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：當(dāng)加入水泥漿體B液時(shí)，雙液漿密度所有提高，泌水率會(huì)因所加水泥漿液水灰比的減小而減小，稠度降低速度和漿液8h抗剪強(qiáng)度與其相反，表現(xiàn)出隨之增大的趨勢(shì)。在加入水泥B液后，漿液抗壓強(qiáng)度得到提升，且提升幅度隨著水泥水灰比的減小而增大。當(dāng)加入水玻璃B液時(shí)，雙液漿的泌水率和密度明顯減小，稠度和抗剪強(qiáng)度降低程度隨著所加水玻璃波美度的提高而提高，且水玻璃在增強(qiáng)雙液漿抗剪強(qiáng)度方面有更強(qiáng)的效果。雙液漿28d強(qiáng)度在加入水玻璃B液后都處于0.8MPa之上。假如B液選擇水泥漿體，其水灰比要在0.33以下才能使雙液漿各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)。假如B液選擇水玻璃，其波美度要超過12Be'才能使雙液漿各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：可硬化抗剪性漿液；水玻璃；雙液漿；漿液抗壓強(qiáng)；抗剪強(qiáng)度

0? ?引言

在地鐵的施工過程中，不可避免會(huì)用到注漿工藝，當(dāng)前傳統(tǒng)注漿材料大致有兩類，分別為主要為可硬性漿與單液惰性漿。由于后者無法硬化，不能對(duì)附近環(huán)境和隧道的穩(wěn)定起到良好的保護(hù)作用，已逐漸淘汰；前者是在后者的基礎(chǔ)上加入膠凝材料，雖有一定的強(qiáng)度，但應(yīng)用場(chǎng)景限制較多，也逐漸淘汰[1-2]。

如今在國內(nèi)過地鐵工程中，主流注漿技術(shù)為雙液型液漿技術(shù)，通常由A液和B液兩種液體組成，前者一般是抗剪型液漿，后者通常是功能組分[3-4]。這種雙液漿流動(dòng)性較好，早期強(qiáng)度較高，是較為理想的注漿材料。王亞龍[5]等配制了一種新型雙液注漿材料，并對(duì)其強(qiáng)度、流動(dòng)性等指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)，表明該材料能夠很好的滿足工程需要。劉永超[6]等對(duì)比分析了在隧道漏砂漏水封堵過程中不同注漿材料的封堵效果，發(fā)現(xiàn)雙液漿效果優(yōu)異。

基于此，為了確定北京16號(hào)線地鐵施工中所用漿液配比，使其各項(xiàng)性能達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)，保證工程的順利進(jìn)行，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其各種配比的密度、強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，為相關(guān)工程提供了指導(dǎo)和借鑒。

1? ?工程概況

北京16號(hào)線地鐵看丹站至榆樹莊站區(qū)間，起于規(guī)劃豐西二號(hào)路與規(guī)劃康辛路十字交口處的看丹站站西端。地鐵施工開挖前，提前進(jìn)行深孔注漿，開挖過程中嚴(yán)格控制開挖步距0.5m，及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿，控制地層沉降。

在下穿范圍對(duì)區(qū)間結(jié)構(gòu)拱頂采用深孔注漿加固，注漿漿液選擇水泥-水玻璃雙液漿。土體在注漿后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要大于800kPa，同時(shí)土體要具有較好的自立性和均勻性。在開始大范圍注漿時(shí)之前，必須開展注漿試驗(yàn)，對(duì)漿液的配合比進(jìn)行確定，必要時(shí)可對(duì)、注漿壓力、注漿孔距離等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2? ?試驗(yàn)方式

2.1? ?雙漿液材料選擇及配比設(shè)計(jì)

室內(nèi)雙液漿試驗(yàn)的A液屬于抗剪型可硬化液漿，其組成主要包括水、熟石灰、膨潤土、粉煤灰。各組成中膨潤土類型為復(fù)合鈉基膨潤土；河砂含水率為4.3%，細(xì)度模數(shù)為2.55；粉煤灰類型為F類Ⅱ級(jí)灰，并添加聚羧酸型高效減水劑來對(duì)流動(dòng)度進(jìn)行調(diào)整。A液的具體配合比如表1所示。

水玻璃和水泥為B液的主要成分，其中水玻璃類型為工業(yè)級(jí)，其模數(shù)為2.2～2.5，將其以不同波美度來混合A液；水泥類型為P.C32.5級(jí)水泥為水泥類型，將其制備成多個(gè)水灰比水泥漿體來混合A液。A、B液的具體配合比如表1和表2所示。

2.2? ?泌水率和密度和稠度損失

混合A、B液后，在1L的容量筒中加入混合料并測(cè)出其質(zhì)量，將測(cè)出的質(zhì)量減去筒質(zhì)量即可得出漿液密度。之后靜置容量筒2h，靜置完畢后用將漿液表面泌水用吸管吸出并測(cè)出質(zhì)量，其和總水量的比值就代表泌水率。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)0h、2h、4h、8h的稠度值進(jìn)行測(cè)試，以此來對(duì)雙液漿的稠度損失進(jìn)行評(píng)估。

2.3? ?抗剪切強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

在室內(nèi)通過微型十字板剪切儀對(duì)雙液漿的抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間分別為0h、2h、4h、8h。注意測(cè)試過程中，要把十字板插入漿液內(nèi)部，插入深入是十字板高度的2倍。

十字板啟動(dòng)后旋轉(zhuǎn)至外圈指針和內(nèi)圈指針分離時(shí)，即為漿液的抗剪強(qiáng)度值。另外，根據(jù)土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)雙液漿結(jié)石體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試齡期分別為3d、7d、28d。

3? ?分析試驗(yàn)結(jié)果

3.1? ?泌水率和密度

靜止?fàn)顟B(tài)下漿液析出水的比率即為泌水率，其代表了漿液的穩(wěn)定性。漿液在2h內(nèi)泌水率不超過5%，即認(rèn)為比較穩(wěn)定，但在實(shí)際工程中通常不超過3%。雙液體漿泌水率和密度如圖1所示。

從圖1a中能夠得出，單組僅有A液時(shí)的泌水率（3.25%）不符合工程要求。當(dāng)加入水泥漿體B液時(shí)，泌水率會(huì)因水泥漿液水灰比的減小而減小，且泌水率在水灰比處于0.33以下時(shí)達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)。從圖1b中能夠得出，加入水玻璃B液能夠使?jié){液的泌水率明顯減小，并且增大水玻璃波美度會(huì)使?jié){液泌水率慢慢減小，泌水率在波美度超過12Be'后減小至2%以內(nèi)。

密度指標(biāo)能夠?qū){液內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度反映出來，會(huì)對(duì)漿液的注漿性能造成較大影響，通常情況下漿液的密度要超過1800kg/m3。從圖1a中能夠得出，漿液的密度在加入水泥漿體B液時(shí)有小幅度的增大。此現(xiàn)象是因?yàn)樗酀{體密度較高，整體提高了混合漿液的密度。漿液密度在加入水玻璃B液后呈現(xiàn)出大幅度減小的趨勢(shì)，減小幅度近2.5%。

3.2? ?稠度損失

稠度是表示漿液在外力作用或自重情況下流動(dòng)能力的指標(biāo)，7.5～7.8cm為初始漿液稠度的范圍。雙液體漿稠度變化規(guī)律如圖2所示。

從圖2a中能夠得出，雙液漿稠度降低速度隨著所加水泥漿體水灰比的減小而增大，在水灰比低于0.33時(shí)，雙漿液稠度在8h處在3cm以下。此現(xiàn)象是由于隨著水泥漿體水灰比的減小，雙漿液中水泥和所產(chǎn)生水化產(chǎn)物的占比不斷提高，阻礙了漿液的流動(dòng)。

從圖2b中能夠得出，雙液漿稠度降低程度隨著所加B液水玻璃波美度的提高而提高，這種趨勢(shì)在前4h比較明顯，雙漿液稠度在8h時(shí)后的平均值約3cm。此現(xiàn)象是由于隨著水玻璃波美度的提高，有更多的Na2O·nSiO2加入到化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中，加快了反應(yīng)時(shí)間，減小了漿液的流動(dòng)能力。

3.3? ?抗剪切強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

在盾構(gòu)機(jī)脫出管片后，隧道在浮力作用下向上浮起，而漿液在此時(shí)并未完全硬化，只能通過漿液自身的抗剪能力和內(nèi)部摩擦力來抑制隧道的上浮，所以確保新拌漿液有足夠的抗剪強(qiáng)度和內(nèi)部摩擦力十分重要。

新拌漿液的抗剪強(qiáng)度越大，其抑制隧道上浮的能力也就越強(qiáng)，在實(shí)際工程里，把漿液在8h時(shí)抗剪強(qiáng)度大于800Pa作為標(biāo)準(zhǔn)。雙液體漿抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律如圖3所示。

從圖3中能夠看出，各分組抗剪強(qiáng)度隨著時(shí)間的增長而增長，在8h后超達(dá)到了工程標(biāo)準(zhǔn)800Pa。當(dāng)加入的水泥漿體B液水灰比減小時(shí)，漿液的8h和初始抗剪強(qiáng)度都有所增大。當(dāng)加入的水玻璃B液波美度的增大，漿液抗剪強(qiáng)度也隨之增大，其中漿液8h強(qiáng)度增大較為明顯。通過對(duì)比能夠發(fā)現(xiàn)，水玻璃在增強(qiáng)雙液漿抗剪強(qiáng)度方面有更強(qiáng)的效果。

本工程要求土體在注漿后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要大于800kPa，同時(shí)土體要具有較好的自立性和均勻性。雙液體漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖4所示。

從圖4中能夠看出，28dA液漿的強(qiáng)度達(dá)不到工程要求，在加入水泥B液后，漿液抗壓強(qiáng)度得到提升，且提升幅度隨著水泥水灰比的減小而增大，液漿28d強(qiáng)度在水灰比處于0.5以下時(shí)高于0.8MPa。雙液漿28d強(qiáng)度在加入水玻璃B液后都處于0.8MPa之上，這也表明水玻璃在增強(qiáng)雙液漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度方面有更強(qiáng)的效果。

4? ?結(jié)束語

為了確定雙漿液的正確配比，使其各項(xiàng)性能達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)，保證工程的順利進(jìn)行，本文以北京16號(hào)線地鐵施工為背景，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其各種配比的密度、強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

當(dāng)加入水泥漿體B液時(shí)，雙液漿密度有所提高；泌水率會(huì)因所加水泥漿液水灰比的減小而減小，稠度降低速度和漿液8h抗剪強(qiáng)度與其相反，表現(xiàn)出隨之增大的趨勢(shì)；28dA液漿的強(qiáng)度達(dá)不到工程要求，在加入水泥B液后，漿液抗壓強(qiáng)度得到提升，且提升幅度隨著水泥水灰比的減小而增大。

當(dāng)加入水玻璃B液時(shí)，雙液漿的泌水率和密度明顯減小，稠度和抗剪強(qiáng)度降低程度隨著所加水玻璃波美度的提高而提高，且水玻璃在增強(qiáng)雙液漿抗剪強(qiáng)度方面有更強(qiáng)的效果；雙液漿28d強(qiáng)度在加入水玻璃B液后都處于0.8MPa之上，這也表明水玻璃在增強(qiáng)雙液漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度方面有更強(qiáng)的效果。

假如B液選擇水泥漿體，其水灰比要在0.33以下才能使雙液漿各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)；假如B液選擇水玻璃，其波美度要超過12Be'才能使雙液漿各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)。

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