粉細砂地層注漿施工酸性水玻璃膠凝時間研究

(遼寧省河庫管理服務中心，遼寧 沈陽 110003)

大壩、堤防、地下洞室等水利工程建設施工過程中，經常會遇到粉細砂等不良地質條件，而需要通過注漿施工將原來比較松散的介質或縫隙凝結成一個整體，從而形成具有較高強度和良好抗水與抗滲性的固結體，保證工程施工的順利進行[1]。由于粉細砂的滲透系數一般在1×10-4～5×10-3cm/s之間，水泥類注漿材料難以注入，因此，水玻璃系列的大部分漿液材料就成為此類地質環境下的主要注漿材料[2]，其中，酸性水玻璃是在水玻璃材料中加入酸性反應劑改性而成的特殊漿液材料。相對于傳統水玻璃注漿材料，酸性水玻璃具有穩定性好、膠凝時間可調、固結體強度高等諸多優勢，可在粉細砂地層注漿施工中廣泛應用[3]。膠凝時間是影響注漿性能與效果的重要參數，因此，粉細砂地層注漿施工酸性水玻璃膠凝時間研究具有重要的理論意義和工程應用價值。

1 實驗方案設計

1.1 實驗器材

本次實驗研究使用的實驗材料為36°Bé水玻璃溶液以及質量分數為98%的濃硫酸溶液。實驗中需要的儀器有：2個1000mL的試劑瓶；4個500mL的試劑瓶；500mL的玻璃瓶若干；各種常用規格的量筒各2個；2個膠頭滴管；1個溫度計；1個秒表；1臺電子秤；玻璃棒、燒杯、pH試紙若干。

1.2 水玻璃波美度的調節

在進行水玻璃配置過程中，需要在水玻璃原液中加入一定量的水，而水玻璃原液和加入的水的體積之間存在如式(1)所示的關系[4]。利用式(1)即可計算出配制不同波美度的水玻璃溶液過程中需要的水玻璃原液和加入的水的體積，進而配制出實驗所需濃度的水玻璃溶液。

(1)

式中V原——水玻璃原液的體積，mL；

V水——配制中加入的水的體積，mL；

A——水玻璃原液的波美度，°Bé；

B——配制的水玻璃的波美度，°Bé。

1.3 實驗方案設計

為了對酸性水玻璃的膠凝時間進行研究，以便在注漿施工過程中，對水玻璃的膠凝時間進行科學和準確的選定，研究中分別對酸性水玻璃以及酸性水玻璃加入碳酸鈣情況下的膠凝時間進行實驗測定，并通過實驗結果探究和分析膠凝時間的變化規律，進而對膠凝時間的選擇提供理論和實踐層面的支持[5]。在具體實驗過程中，首先將水玻璃與濃硫酸進行稀釋，以達到實驗要求的濃度標準，然后再進行實驗方案的具體設計[6]。

1.3.1 酸性水玻璃膠凝時間實驗方案

針對酸性水玻璃的膠凝時間實驗，選取波美度分別為20°Bé、25°Bé、30°Bé以及35°Bé的不同體積的水玻璃溶液，使用體積為100mL、質量分數為5%的硫酸溶液進行實驗方案設計，其中每種波美度的實驗設計6組，一共24組實驗(見表1)。

表1 酸性水玻璃膠凝時間實驗方案設計

1.3.2 酸性水玻璃加碳酸鈣膠凝時間實驗方案

試驗前，首先對混合液的pH值進行預測定，在pH值在0～2之間的酸性水玻璃實驗組中加入一定量的碳酸鈣，對其膠凝時間以及pH值的變化情況進行對比分析[7]。在實驗方案設計中采用的是波美度為20°Bé的水玻璃以及質量分數為5%的硫酸溶液，兩者的體積比設定為0.95。具體的實驗方案見表2。

表2 酸性水玻璃加碳酸鈣膠凝時間實驗方案

1.4 膠凝時間的測定方法

當前，注漿材料的膠凝時間測定方法主要有三種，分別是維卡儀法、旋轉黏度法以及倒杯法[8]。維卡儀法的測量結果雖然具有較高的精確度，但由于操作方法比較復雜，測量的速度較慢，顯然不適用于本次研究的凝結較快的水玻璃注漿材料；旋轉黏度法以漿液的黏度為主要測定標準，但是水玻璃注漿材料在達到相關黏度標準時往往仍具有流動性，也不便用于本次研究。因此，在本次研究中選擇倒杯法進行膠凝時間的測定，其具體操作過程為：取適量的注漿材料在A燒杯中進行混合，開始計時后，手持A和B兩個燒杯，將混合后的漿液倒來倒去，直到漿液不再流動，其時間差即為漿液的膠凝時間。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗現象

將配置好的水玻璃溶液和硫酸溶液混合，并利用倒杯法進行膠凝時間測定實驗，在倒杯過程中，混合液起初為無色透明液體，其后逐步出現膠凝體。觀察膠凝體，可見其呈乳白色半透明狀，表面光滑，整體性好，手捏即碎，說明初態膠凝體強度并不高。

將配置好的水玻璃溶液和硫酸溶液混合后加入一定量的碳酸鈣，并利用倒杯法進行實驗，實驗過程中首先出現大量氣泡，隨著實驗時間的推移，氣泡數量逐漸減少，倒杯之處，燒杯中的溶液呈現出上下分層狀態，之后逐漸膠凝為乳白色塊狀物。

2.2 膠凝時間實驗結果分析

2.2.1 酸性水玻璃膠凝時間實驗結果分析

對不同實驗組次的酸性水玻璃的pH值和膠凝時間進行測定(結果見表3)。由表中分析結果可知，對于酸性水玻璃漿液，如果加入的硫酸體積一定，隨著體積比的增加，漿液的pH值呈現出不斷增大的態勢，而膠凝時間則呈現出總體減小的趨勢，但是在pH值較小或較大時，漿液的膠凝時間變化并不明顯，而pH值在2～5之間時呈現出比較明顯的下降趨勢。因此，在實際工程應用中，可以通過對漿液pH值在2～5之間調節，使漿液的膠凝時間變為適宜工程應用的狀態。具體而言，對于波美度為20°Bé的水玻璃，在2.24～4.40之間調節漿液的pH值，可以獲得膠凝時間在10～600min之間的漿液；對于波美度為25°Bé的水玻璃，在2.04～4.65之間調節漿液的pH值，可以獲得膠凝時間在10～600min之間的漿液；對于波美度為30°Bé的水玻璃，在1.67～4.68之間調節漿液的pH值，可以獲得膠凝時間在10～600min之間的漿液；對于波美度為35°Bé水玻璃，在1.72～4.79之間調節漿液的pH值，可以獲得膠凝時間在10～600min之間的漿液。

表3 酸性水玻璃膠凝時間實驗結果

續表

2.2.2 酸性水玻璃加碳酸鈣膠凝時間實驗結果分析

對酸性水玻璃加碳酸鈣的各組次實驗結果進行統計(結果見表4)。從表中數據可看出，隨著酸性水玻璃中碳酸鈣用量的增加，可將原漿液的pH值提升至3～4左右，從而使漿液由原來的強酸性轉變為中強酸性，同時，漿液膠凝時間也從原來的10h以上縮短到1h以內。因此，對于酸性水玻璃漿液，加入碳酸鈣時對應的pH值在3～5 之間，即可保證漿液的膠凝時間在1h之內。

表4 酸性水玻璃加碳酸鈣膠凝時間實驗結果

3 結 論

粉細砂地層，注漿施工酸性水玻璃具有良好的工程適用性，而漿液的膠凝時間對注漿效果和質量影響十分顯著，本文通過實驗研究的方法對酸性水玻璃漿液的膠凝時間進行研究，獲得如下主要結論：pH值是酸性水玻璃膠凝時間的主要影響因素，隨著pH值的不斷增大，漿液的膠凝時間會逐漸減小，但是這種變化并不是線性的，而是在某個特定值附近發生突變，因此，可以通過對漿液pH值在2～5之間調節，使漿液的膠凝時間變為適宜工程應用的狀態；對于酸性水玻璃漿液，可通過加入碳酸鈣使漿液的pH值增加到3～5之間，獲得膠凝時間在1h之內的漿液。