水玻璃、水泥雙液注漿在隧道施工中的應用 西安華昌水玻璃有限公司

    黃土地區高等級公路建設中,路線遇到黃土山梁時基本上是采用隧道方案通過,黃土山梁通常是由第三紀泥巖和上覆的第四紀黃土組成,隧道穿越時大多是進出口段位于黃土地層,中間為第三紀泥巖地層,即所謂的󰀁泥巖夾心󰀁地層。由于黃土的垂直滲透性很強,而第三紀泥巖基本上不透水,地下水滲流受阻,黃土與泥巖分界帶附近,形成了一層厚約10m的飽和黃土層,土體呈軟塑~流塑狀,強度較低。同時,由于隧道的開挖,改變了地下水的滲流方向,隧道成為地下水的排泄通道,水分向隧道圍巖富集,使圍巖的工程性質進一步惡化。在這種󰀁泥巖夾心󰀁的復雜地質條件下,黃土與泥巖交界處的隧道圍巖自承能力極差,坍方時有發生,不但施工難以進洞,就是成洞后,隧道洞身的承載力和穩定性嚴重不足,沉降無法控制,后期病害多且難以處理,是黃土隧道建設中有待解決的技術難題。筆者針對黃土隧道圍巖的特點,通過室內和現場試驗,并結合工程實例,旨在探討黃土隧道水泥󰀁水玻璃雙液注漿的主要技術參數及施工工藝,供廣大同行參考。 1 水泥󰀁水玻璃漿液性能 1.1 水泥󰀁水玻璃漿液固化機理 水玻璃是一種粘稠液體,水解后呈堿性。當這 種液體壓入黃土中,水玻璃便與黃土中的堿土金屬發生作用,生成一種堿金屬水合硅酸鹽和二氧化硅凝膠,如下述反應式所示 Ca 󰀁Na2O󰀁nSiO2+MgCl2+xH2O 2NaCl+ SrBa Ca 󰀁MgSiO3󰀁xH2O+(n-1)SiO2 SrBa這種二氧化硅凝膠和堿金屬水合硅酸鹽充填了黃土中的孔隙,增加了粒間的膠結力,使土體硬化,強度增加。 水玻璃能加快水泥的水化作用,其主要原理在于:水玻璃能與水泥漿中的氫氧化鈣反應,生成具有一定強度的膠凝體󰀁󰀁󰀁水化硅酸鈣[1] 。反應機理為󰀁Ca(OH)2+Na2O󰀁nSiO2+mH2O CaO󰀁󰀂󰀂󰀁nSiO2󰀁mH2O+NaOH 水泥中的硅酸三鈣與硅酸二鈣水化后生成氫氧 化鈣, 由于氫氧化鈣在水中的溶解度不高,很快就達 到了飽和,從而限制以后的硅酸三鈣與硅酸二鈣的水化。加入水玻璃后,水玻璃與漿液體系中的氫氧化鈣反應,消耗了漿液體系中的氫氧化鈣,使溶液中的氫氧化鈣含量未達到飽和,從而加快了硅酸二鈣與硅酸三鈣的水化作用,宏觀上表現出水泥漿液初凝時間加快,結石體早期強度增長。1.2 水泥󰀁水玻璃漿液特點 (1)水泥󰀁水玻璃漿液膠凝時間短,且可在幾秒 鐘到幾十分鐘內準確控制。膠凝時間與水泥品種、水泥漿水灰比、水玻璃溶液濃度、水玻璃溶液與水泥漿的體積比和漿液溫度有關,如圖1和表1所示,其主要規律表現為,在同一條件下,水泥中含硅酸三鈣越多,水泥漿水灰比越低,水玻璃溶液濃度越低(Be󰀁=30~45時),水玻璃溶液與水泥漿的比例越小、溫度越高,漿液的膠凝時間越短。 

圖1

水泥漿與水玻璃漿液不同體積比的膠凝時間(測定溫度23󰀁C) Fig.1Gelationtimeofcement󰀁silicateliquorwithdifferent ratiobyvolume(measurementtemperatureunder23󰀁C) (2)水泥󰀁水玻璃漿液凝固后的結石率高,達98%以上[2,3],且結石體的早期強度增長很快,抗壓強度較高,水泥󰀁水玻璃漿液結石體強度見表2。(3)水玻璃對強度的影響存在一個峰值,即水泥 漿與水玻璃溶液有一個合適的配合比,在這種配合比下,結石體強度最高。試驗表明:水泥漿與水玻璃溶液(Be󰀁=30~45)的合適體積比為1:0.5。

                                                         本文摘自《中國公路學報》第17卷第2期

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