水泥—水玻璃雙液漿的特性試驗研究及應用

安 妮，趙 宇，石文廣，孫紅月，朱漢華

(1.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310058;2.浙江省大成建設集團有限公司，浙江 杭州 310012;3.浙江省公路管理局，浙江 杭州 310009)

地鐵施工多使用盾構工法進行，保證工作面穩定和防止地層變形是施工過程中應該重點考慮的問題。地層變形原因系盾尾脫離管片后，管片背面出現超挖的空隙所致，若不及時進行注漿填充空隙，則會造成地層變形，進而對鄰近的地面構筑物產生破壞性的影響。雙液漿因凝結時間短、固結后強度高、不易滲入周邊土體等優點廣泛應用于實際工程中，尤其是在含水量較高的軟土層地區中應用，如城市地鐵、近海岸建筑物、海底隧道等工程［1-2］。然而，目前雙液漿的使用主要依靠現場經驗，對于雙液漿試驗特性的研究不多。李科等［3］在對于雙液漿強度及其應力應變特性三軸試驗的研究中，提出水泥與水玻璃的配比存在一個“最佳值”，但未涉及更重要的凝膠時間和凝結強度。陸兆陽等［4］進行雙液漿中有關水灰比、水玻璃濃度、水泥漿—水玻璃體積比的試驗，但并未采用地下工程現場更為常用的P．O 42.5R水泥進行試驗，且水泥漿—水玻璃配比較少。本文采用不同配比的雙液漿全面系統地進行試驗，著重討論了雙液漿的初凝時間和最優配比下不同齡期試件一軸抗壓強度的影響因素，并將試驗結論應用于某實際工程取得了良好效果，為相關工程提供借鑒。

1 水泥—水玻璃雙液漿注漿的化學原理

當地下水較豐富時，注漿過程中使用單液漿難以達到較好的密實性。把A液(水泥類)和B液(水玻璃類作硬化劑)兩種漿液混合，則變成膠態溶液，成為水泥—水玻璃雙液漿，可以達到加快凝固、提高凝結強度的目的。

水泥本身的凝結和硬化主要是水泥水化析出凝膠性的物質所引起的，水泥本身所含的礦物遇水發生反應產生氫氧化鈣和水化硅酸鈣凝膠等。

而水泥與水玻璃的主要化學反應方程式為

由上述反應式看出水泥水化及其與水玻璃反應后所得產物大致相同，但水玻璃與水泥的反應速度比水泥水化反應要快，因此雙液漿的凝膠時間較短，還可以通過加緩凝劑等措施方便地控制時間。對于凝膠固結體的強度而言，從化學反應式可以看出，原本強度很弱的水玻璃和水泥、黏土發生反應后，生成相對強度較高的硅酸鈣，土體被加固并板結變硬，從而提高了土體的承載能力。

2 試驗方法

本實驗采用地下工程施工中最為常用的P．O42.5R普通水泥配制水泥漿液，水玻璃溶液是以硅酸鈉為主要成分。根據經驗值，將水玻璃溶液的濃度定為35°Be'，為控制初始條件一致，漿液采用隨用隨配的原則。

通過調整加入的水泥量、水玻璃量、水泥與水玻璃配比，測定不同情況下雙液漿的凝膠時間和一軸抗壓強度，整個試驗過程中，室內溫度控制在20℃。

3 試驗結果及討論

3.1 水泥量和水玻璃量對雙液漿凝膠時間的影響

為測定雙液漿中水泥量和水玻璃量的多少對于雙液漿凝膠時間的影響，將 200 L，300 L，400 L，500 L 水玻璃和 25 kg，50 kg，75 kg，100 kg，125 kg，150 kg 水泥及相應的水進行混合配比，共得24組試樣，分別測試每個試樣的凝膠時間，結果如圖1和圖2所示。

圖1 水泥量與雙液漿凝膠時間的關系曲線

分析圖1可知:

1)在單位體積雙液漿中加入的水玻璃量一定時，隨著水泥用量的增加，雙液漿的凝膠時間迅速下降。在1 m3漿液中摻加水玻璃量分別為200 L、300 L、400 L，500 L時，隨著水泥用量從25 kg增加到150 kg，雙液漿的凝膠時間分別縮短1.73 min(61.0%)，1.83 min(70.0%)，1.80 min(70.6%)，2.00 min(74.4%)。

2)在單位體積雙液漿中加入的水泥用量一定時，隨著水玻璃量的增加，雙液漿的凝膠時間也有所減小，但當水玻璃量為300 L、400 L、500 L時雙液漿的凝膠時間十分接近，因此1 m3漿液中可以摻加的較為合理的水玻璃量是300 L。

3)當要求固定的凝膠時間時，單位體積漿液中如需增加水泥量，則應相應減小水玻璃的添加量。

圖2 水玻璃量與雙液漿凝膠時間的關系曲線

分析圖2可知:

1)在單位體積雙液漿中加入的水泥用量一定時，隨著水玻璃量的增加，雙液漿的凝膠時間也有所減小，最大變化范圍為30 s。水玻璃量的多少對于雙液漿的凝膠時間有一定程度的影響，但當要求固定的凝膠時間時，主要通過調節單位體積雙液漿中水泥用量來實現。

2)在單位體積雙液漿中加入的水玻璃量一定時，隨著水泥用量的增加，雙液漿的凝膠時間有大幅度下降。

3.2 水泥漿與水玻璃體積比對雙液漿凝膠時間的影響

為測定水泥漿與水玻璃體積比對于雙液漿凝膠時間的影響，設定溫度為20℃，水灰比為0.75∶1，采用P．O 42.5R 的普通水泥，濃度為35°Be'的水玻璃，配制出水泥漿與水玻璃體積比為 1∶0.3，1∶0.4，1∶0.5，1∶0.6，1∶0.75，1∶1的 6 組試樣，分別測定試樣的凝膠時間，得出圖3。

由圖3可知，隨著水泥漿、水玻璃體積比的減小，凝膠時間有顯著增長。

圖3 水泥漿、水玻璃體積比與雙液漿凝膠時間的關系曲線

3.3 水泥量對雙液漿一軸抗壓強度的影響

為測定水泥量對于雙液漿一軸抗壓強度的影響，取上述24組試樣中水玻璃量為300 L的6組試樣，分別測定每組試樣在凝膠養護時間為5 d，7 d，14 d，28 d時的一軸抗壓強度值，如圖4所示。

圖4 水泥量與雙液漿一軸抗壓強度的關系曲線

分析圖4可知:

1)在單位體積雙液漿中當凝膠養護時間一定時，隨著水泥量的增加，雙液漿的一軸抗壓強度增長顯著，而且隨著凝膠養護時間的增長，雙液漿的一軸抗壓強度隨水泥用量變化的激增點不斷減小。

2)在單位體積雙液漿中加入的水泥量一定時，隨著凝膠養護時間的增長，雙液漿的一軸抗壓強度不斷上升。當水泥量＜100 kg時，早期強度和后期強度均比較低，隨著水泥用量增加，早期強度和后期強度均有大幅度提高。

3.4 漿液齡期對雙液漿一軸抗壓強度的影響

同上述取水玻璃量為300 L的6組試樣，分別測定每組試樣在不同齡期的一軸抗壓強度值，如圖5。

圖5 齡期與雙液漿一軸抗壓強度的關系曲線

分析圖5可知:

1)不管單位雙液漿中加入水泥量的多少，隨著凝膠養護時間的增大，凝膠固結體的一軸抗壓強度總是呈增長趨勢。

2)同樣的凝膠養護時間，隨著單位體積雙液漿中水泥量的增加，凝膠固結體一軸抗壓強度增大，可以依不同的早期強度和后期強度要求來確定水泥的添加量，這點應根據施工具體要求來確定。

4 工程應用

某市地鐵1號線城湖區間為雙線單圓盾構區間，隧道設計起止里程左右線均為K11+202.932—K12+316.763，區間全長約為1 113.831 m。平面最小半徑R為450 m，剖面最大坡度25‰，隧道頂埋深11.2～17.5 m。施工采用兩臺φ 6 340 mm土壓平衡盾構機，左右線分別用7號和8號盾構機推進。區間線路位于市中心城區，下穿多個高架和立交橋，工程周邊環境復雜，穿越的土層主要為砂質粉土、淤泥質粉質黏土等。

7號和8號盾構分別采用不同的注漿方法控制沉降，并分別在盾構第485環，610環，810環位置處的地表埋設觀測點，利用精密水準儀觀測注漿引起的地表沉降差異。7號盾構采用增大惰性漿液注漿量的方法，每環注漿量為6～7 m3，但在注漿過程中多次發生漏漿情況，地面沉降量較大，如圖6所示。8號盾構施工過程中為嚴格控制漏漿，每隔5環對管片進行二次補注雙液漿2～3 m3(雙液漿中水泥水玻璃體積比為1∶0.75，具體用量根據現場情況進行調整)，實測結果表明其有效地控制了地面沉降。

圖6 7、8號盾構485環，610環，810環對應地面變形情況對比

試驗段第485環，610環，810環處的7號和8號盾構的最大沉降及對比情況如圖6所示，8號盾構因二次補注采用雙液漿，成功地將最大沉降控制在－20 mm左右;而7號盾構的沉降量最高達－61.27 mm，且不穩定。圖中的最大沉降相差值也說明了使用雙液漿注漿后有效控制了地面沉降。

5 結論

1)影響雙液漿凝膠時間的因素中，水泥量起關鍵作用，同時也受水泥量與水玻璃配比的影響。當單位體積雙液漿中水泥量固定時，水玻璃量的多少對于凝膠時間也有一定影響。

2)增大水泥用量對于提高雙液漿的早期強度和后期強度都很重要，隨著凝膠養護時間的增長，凝膠固結體一軸抗壓強度逐步增大。

3)由雙液漿在某實際工程中的應用效果可知，盾構施工中使用雙液漿能夠顯著減小地面沉降，有助于控制開挖面穩定，因此在其他類似盾構施工中可尋求適合實際情況的水泥漿、水玻璃用量及配比，以獲得更佳的工程效果。

［1］于建．雙液漿帷幕在填海區基坑止水中的應用［J］．鐵道建筑，2001(12):29-31．

［2］高海東．淺談廈門海底隧道施工中的注漿［J］．石家莊鐵路職業技術學院學報，2008，7(增 1):59-67．

［3］李科，周松，孫連元，等．盾構隧道施工用雙液漿強度及其σ-ε 特性三軸試驗研究［J］．鐵道建筑，2009(8):71-74．

［4］陸兆陽．水泥—水玻璃雙液漿配比試驗及其特性研究［C］//中國地質學會、中國煤炭學會煤田地質專業委員會暨中國煤炭工業勞動保護科學技術學會水害防治專業委員會學術年會文集，2007:531-534．