外加剂对双液浆性能影响的实验研究

郭棋武，尹小波,2，陈沅江，万秀峰

(1.湖南中大建设工程检测技术有限公司，湖南 长沙 410205；2.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；3.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)



外加剂对双液浆性能影响的实验研究

郭棋武1，尹小波1,2，陈沅江3，万秀峰3

(1.湖南中大建设工程检测技术有限公司，湖南 长沙 410205；2.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；3.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

在水泥-水玻璃的化学反应机理分析的基础上，对氯化铝溶液及磷酸氢二钠两种不同外加剂对浆液凝固特性的影响进行了对比试验研究。试验包括凝胶时间、结石率、抗压强度及耐久性试验，初步获得了两种外加剂水泥-水玻璃浆液性能的影响规律。

道路工程；水泥-水玻璃浆液；凝固特性；外加剂；氯化铝溶液；磷酸氢二钠

0 引 言

水玻璃是一种兼具开发价值及应用前景的环境友好型胶凝材料，同时也是化学灌浆中使用最早且最广的材料。由于1974年日本发生了由丙烯酰胺灌浆引起的地下水污染事件，无毒水玻璃浆材备受瞩目，其发展有了很大的进步，几种新型的水玻璃浆材相继研制成功[1]。并且随着水泥-水玻璃复合灌浆材料的研究与开发，其应用范围变得更广。

水泥-水玻璃浆液是以水泥和水玻璃作为主剂，两者按一定比例采用双液方式注入，必要时加入速凝剂或者缓凝剂所组成的注浆材料。这种双液浆同时具有水泥浆液的优点及化学浆液的某些特性。水泥-水玻璃浆液因其凝胶时间短、固结强度高等优点被广泛的应用在实际的工程当中，特别是在含水量稍高的软土层区域中，如海底隧道工程、城市地铁等[2-3]。但是水泥-水玻璃浆液的配制及使用大多根据现场经验，对其性能的试验研究较少，而外加剂对双液浆影响的研究更加稀少。陆兆阳[4]研究了双液浆的凝胶时间、结石率及结石体强度3个性能指标，发现水灰比是双液浆最终强度的决定性因素并且在一个合适的配比范围内，水泥与水玻璃反应迅速、完全且结石体强度高。安妮，等[5]研究了不同配比下水泥-水玻璃浆液的初凝时间及最优配比下不同龄期的试件单轴抗压强度的影响因素，其试验结论在实际工程中得到应用。邹强[6]，吴德宝，等[7]以水泥-水玻璃浆液的基本性能为对象，进行了室内试验的研究，取得了该浆液在不同配比下的凝胶时间及其相应抗压强度。王胜，等[8]研究了不同水灰比下浆液的胶凝时间、流动度及多种外加剂对浆液凝固特性的影响。

笔者采用不同水灰比、不同外加剂及外加剂不同量的水泥-水玻璃浆液进行试验，讨论了外加剂对浆液的凝胶时间、结石率、抗压强度及耐久性4个性能的影响，并初步得到了规律。

1 双液浆的原材料及化学原理

1.1 双液浆的原材料

双液浆由水泥、水玻璃和外加剂组成。普通硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5；工业水玻璃，浓度为51°Be′、模数为2.2～2.5；外加剂为磷酸氢二钠及氯化铝溶液。

1.2 水泥-水玻璃反应机理

首先是水泥的水化，主要是硅酸三钙(C3S)和硅酸二钙(C2S)发生水化，生成水化硅酸钙(C-S-H)和氢氧化钙〔Ca(OH)2〕，产生的水化硅酸钙为几乎不溶于水的胶状物，其反应如式(1)、式(2)：

3CaO·SiO2+nH2O→

xCaO·SiO2·yH2O(C-S-H)+(3-x)Ca(OH)2

(1)

2CaO·SiO2+mH2O→

xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2

(2)

当加入水玻璃以后，产生的氢氧化钙很快与水玻璃反应，生成具有一定强度的水化硅酸钙凝胶体，其反应过程如式(3)：

3Ca(OH)2+NaO·nSiO2+mH2O→

Ca·nSiO2·mH2O+2NaOH

(3)

随着水玻璃与氢氧化钙之间反应的进行，生成的连胶质体越来越多，与被灌岩体胶结在一起，其强度不断增加转化为稳定的凝固体，从而达到灌浆加固的目的。

1.3 磷酸氢二钠作用机理

配制水泥-水玻璃浆液时，该浆液瞬间凝结，可施工性差，故通常都会加入磷酸氢二钠延缓其凝胶时间。其添加顺序为水-磷酸氢二钠-水泥，磷酸氢二钠水解生成磷酸二氢根H2PO4-，后与水泥发生反应，在水泥颗粒表面生成一层“难溶性”的磷酸钙，阻碍了水泥水化，使氢氧化钙的析出速度变慢，则其与水玻璃的反应也变缓，从而达到缓凝的作用[9]。

1.4 铝盐的作用机理

氯化铝的加入促进了水玻璃形成游离的Si(OH)4反应的发生，延迟了水玻璃与水泥的反应时间，同时氯化铝水解生成的Al(OH)3与Si(OH)4进一步反应，形成一种含有Al-O-Si键的铝硅酸盐胶状聚合物[10]，反应如式(4)：

3Na2O·mSiO2·H2O+2AlCl3=

mSiO2·(n-3)H2O+6NaCl+2Al(OH)3

(4)

该聚合物的网状结构可很好地附着在土体或砂砾的周围，起到较强的黏结作用，从而提高了试件的抗压强度。

2 室内试验

试验前将工业水玻璃稀释至浓度为38°Be′，并分别配置浓度为0.5，1.0，2.0，3.0，4.0 mol/L的氯化铝溶液。试验分为两大组：氯化铝作为缓凝剂、磷酸氢二钠作为缓凝剂。其中每大组试验又包括水灰比为0.8，1，1.5的3小组。水泥浆与水玻璃体积比为1∶0.6，氯化铝溶液添加量为水玻璃体积的1/4，磷酸氢二钠添加量分别为占水泥质量的1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%。

2.1 凝胶时间试验

凝胶时间一般是指在一定的温度下，从参加反应的全部成分混合时起，到浆液失去流动性止所经过的时间，可分为初凝时间和终凝时间。水泥-水玻璃浆液的凝胶时间很短，故常添加缓凝剂延长其凝胶时间。本试验采用倒杯法测定浆液的凝胶时间，该方法适用于各种注浆材料，是现场使用的比较简便的一种方法。

2.2 结石率试验

结石体积与浆液体积之比称为结石率，测试方法是将搅拌好的浆液灌入φ50 mm×100 mm试模中，浆液固结后拆模，用游标卡尺测量试件平均高度，计算结石体体积及浆液原始体积的比值，即为结石率。

2.3 抗压强度试验

试验测定纯浆体强度，将浆液在7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的模具中成型，24 h后脱模。脱模后的试件在水中进行养护，待7，14，28 d后测定其抗压强度。

2.4 耐久性试验

该试验包括抗硫酸盐侵蚀试验、抗冻融试验及干湿循环试验。

抗硫酸盐侵蚀试验[11]是将养护7 d试件浸泡在采用化学纯无水硫酸钠试剂配制浓度为3%的硫酸盐溶液中，15 d后测其抗压强度。抗冻融试验[12]是指将养护后试件放在低温箱中16 h，然后放入20 ℃的水槽中进行融化，时间为8 h，此为一次冻融循环。干湿循环试验是指将养护后试件置于与室温相同的水中浸泡12 h，然后置于室温条件下自然风干12 h，此为一次干湿循环。

3 试验结果及数据分析

3.1 凝胶时间

不同水灰比下，掺入同量不同浓度的氯化铝溶液的浆液凝胶时间如图1。

图1 添加AlCl3溶液的水泥-水玻璃浆液的凝胶时间

不同水灰比，掺入不同量的磷酸氢二钠的浆液的凝胶时间如图2。

图2 添加Na2HPO4的水泥-水玻璃浆液的凝胶时间

由图1及图2可以得出：

1)氯化铝溶液能够有效地延缓水泥-水玻璃浆液凝胶时间，并且其效果比磷酸氢二钠显著；并且当水灰比为1.5时，凝胶时间发生突变，曲线变化规律与水灰比为0.8及1.0时大不相同。

2)水灰比≯1时，添加同一外加剂的浆液胶凝时间变化规律相同；添加氯化铝溶液的浆液，随着溶液浓度的增大，凝胶时间先减小后增大，在1 mol/L处凝胶时间最小，到达峰值时增大了近10倍；添加磷酸氢二钠的浆液，随着磷酸氢二钠用量增大，凝胶时间先增大后减小，在2.5%处凝胶时间最大，与最小值相比增大了4.5倍。

3)水灰比>1时，浆液胶凝时间无规律可循；添加氯化铝溶液的浆液，胶凝时间大幅提高，在2 mol/L处达到峰值；添加磷酸氢二钠的浆液，在1.5%处达到谷值。

4)添加氯化铝溶液的浆液，外加剂溶液浓度不变，随着水灰比增大，浆液凝胶时间增大，且浓度为2 mol/L时增长幅度最大，近100倍；添加磷酸氢二钠的浆液，外加剂用量相同时，随着水灰比增大，浆液凝胶时间减少，减少幅度在添加量为2.0%时最大，为4.5倍，但是磷酸氢二钠用量为1.0%时例外，水灰比为1.5时，浆液凝胶时间增大。

3.2 结石率

结石率试验结果如表1。

表1 浆液结石率

由表1可知：

1)浆液结石率均在95%以上，随着水灰比增大，结石率降低；且大部分添加外加剂的浆液结石率比纯水泥-水玻璃浆液结石率大。

2)水灰比≯1时，添加氯化铝溶液的浆液的结石率，随着氯化铝溶液浓度的增大，结石率减小，减小幅度不超过1.21%；添加磷酸氢二钠的浆液的结石率，在磷酸氢二钠添加量为2.5%时达到谷值。

3)水灰比>1时，添加氯化铝溶液的浆液的结石率，在氯化铝溶液浓度为3，4 mol/L时达到峰值，为97.5%；添加磷酸氢二钠的浆液的结石率在98%～98.2%之间，当磷酸氢二钠添加量为3.0%时最大。

3.3 抗压强度

水灰比为1.0时，浆液凝胶时间处于中间值，故测定其各组浆液试件的7，14，28 d抗压强度，纯水泥-水玻璃浆体的各时期抗压强度分别为：3.624，3.887，4.107 MPa，添加外加剂的各组浆体抗压强度结果如图3、图4。

图3 添加AlCl3溶液的浆体抗压强度

图4 添加Na2HPO4的浆体抗压强度

由图3、图4可以得出：

1)添加外加剂的各种浆体抗压强度均比纯水泥-水玻璃浆体的抗压强度大。

2)添加氯化铝溶液的浆体，养护龄期相同时，其抗压强度随着氯化铝浓度的增加而增大，且其增长速率较之添加磷酸氢二钠的浆体增长速率要快，龄期7 d时强度增长幅度最大达到37.1%；氯化铝浓度相同时，其抗压强度随着养护龄期的增长而增大，在氯化铝溶液为0.5 mol/L时增长幅度最大，为11.8%，并且其在后期(14～28 d)增长速率较小。

3)添加磷酸氢二钠的浆体，养护龄期相同时，对比凝胶时间变化曲线，可以看出其强度变化规律与凝胶时间变化规律相似，均是随着用量的增加强度先增大后减小，其用量为2.5%时，强度达到最大，同时浆液凝胶时间也最大；磷酸氢二钠用量相同时，其抗压强度随着养护龄期的增长而增大，并且其在后期(14～28 d)增长速率较小。

3.4 耐久性

浆液水灰比=1.0，其耐久性试验结果是以强度损失来表示，如表2。

表2 耐久性试验结果

由表2可知：

1)纯水泥-水玻璃试件的强度损失与添加磷酸氢二钠的试件的强度损失几乎相同，而添加氯化铝溶液试件的强度损失则更小。

2)随着氯化铝溶液浓度的增加，其试件强度损失减小，而磷酸氢二钠的添加量对试件强度损失几乎没有影响，随着其添加量的增加，强度损失没有变化。

由此表明，添加氯化铝溶液的试件耐久性能比添加磷酸氢二钠的试件更好。

4 结 论

1)氯化铝溶液与磷酸氢二钠都能有效地延缓水泥-水玻璃的凝胶时间，并且氯化铝溶液的效果更佳。

2)浆液的结石率在95%以上，且添加外加剂的浆液结石率比纯水泥-水玻璃浆液结石率大。

3)两种外加剂都能提高浆体的抗压强度，并且添加氯化铝溶液的浆体整体上比添加磷酸氢二钠的浆体的抗压强度大，且随着氯化铝溶液浓度的增加而增大，在磷酸氢二钠用量为2.5%时达到最大，且随着氧化龄期的增长而增大。

4)添加氯化铝溶液的试件耐久性能比添加磷酸氢二钠的试件及纯水泥-水玻璃试件耐久性能好。

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Experimental Study on the Influence of the Admixture for the Double Grout

Guo Qiwu1,Yin Xiaobo1,2,Chen Yuanjiang3,Wan Xiufeng3

(1.Hunan Zhongda Construction Engineering Technic Testing Co.,Ltd.,Changsha 410205,Hunan,China;2.School of Info-Physis,Central South Unirersity,Changsha 410083,Hunan,China;3.School of Resources & Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China)

Contrast tests were carried out on the base of chemical reaction mechanism analysis on the cement-sodium silicate slurry, to research the influence of two different kinds of admixtures including Aluminum chloride solution and Disodium hydrogen phosphate on the solidification characteristics of slurry. The gelation time test, stone rate test, compressive strength test and durability test were included. Therefore, the influence law of the two admixtures on the solidification characteristics of cement-sodium silicate slurry was obtained preliminarily.

road engineering;cement-sodium silicate slurry; solidification characteristics; admixture; Aluminum chloride solution; Disodium hydrogen phosphate

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.09

2013-11-13；

2014-01-03

郭棋武(1974—)，男，山东肥城人，高级工程师，主要从事岩土监测和加固技术方面的研究。E-mail:2796846597@qq.com。

陈沅江(1969—)，男，湖南湘潭人，副教授，工学博士，主要从事道路交通安全及岩土环境方面的研究。E-mail:1506983607@qq.com。

X951;U416.2

A

1674-0696(2015)01-040-04