水玻璃在注漿法治理采空區工程中的性能研究

薛春梅，武 軍

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國民經濟水平的逐步提高，我國的公路交通行業也得到了較為快速的發展。山西省高速公路建設從1993年開始起步，經歷了1993—1999年的初步建設和2000年至今快速發展兩個階段，截至目前通車里程已突破5 000 km，實現了歷史性跨越。山西屬于產煤大省，煤層采出后形成采空區，公路路基常由于采空區的沉陷而發生變形，從而進一步導致路面等結構發生破壞。這種現象對于公路尤其是高速公路危害很大，為了消除安全隱患，保證公路運營安全，目前通常采用全充填式注漿法來進行治理。全充填式注漿法中采用的純水泥漿液由于凝結時間難以控制，所以堵水效果并不理想。而以水泥漿和水玻璃為主要材料的新型液體漿材，不但能夠提高注漿的結石率，同時也加快了水泥漿液的凝結速度，因此取得了良好的排水效果。本研究對此新型液體漿材進行了性能測定，包括密度、黏度、結石率、凝結時間以及結石體的無側限抗壓強度等各項參數。之前安妮等[1]進行了水泥-水玻璃雙液漿的凝結時間、一軸抗壓強度的試驗研究，但未涉及重要的黏度和結石率；龐宗霞等[2]分析了水泥漿液摻入水玻璃對水泥凝結時間和無側限抗壓強度的影響，未涉及水玻璃對黏度和結石率的討論。本文根據具體工程設計要求，對室內試驗得到的數據進行整理，詳細分析了水玻璃對水泥漿液的黏度和結石率兩個參數的影響，并以此為依據為該工程施工提供推薦配比。

1 工程概況

山西呂梁環城高速公路于2011年4月正式開工建設，2014年9月完成交工驗收，2015年11月10日全線通車。

由于通車后郭家溝1號大橋附近地面出現橫縱向裂縫，2016年4月—6月期間，設計院對呂梁環城高速公路郭家溝1號大橋采空區進行了工程地質勘察，綜合運用采空區專項調查、工程地質調繪、物探、鉆探等綜合勘察手段，初步查明采空區的規模特征。從掉鉆和冒落孔平面位置分析，礦層開采規律性差，未根據國家相關要求進行開采。根據實際勘察情況制定了呂梁環城高速公路郭家溝1號大橋橋下采空區處治設計方案，方案中采用對冒落部位裂隙進行補強注漿的方法，注漿過程中若出現大量跑漿，采用間歇式注漿，以阻止漿液從地面大量流失。具體漿液配合比設計如下：水固比在1∶1～1∶1.5之間，并在漿液中摻加水泥重量2%的速凝劑，以使注入采空區的漿液盡快凝固，避免橋下地層長時間存在漿液。水泥為符合國家標準的32.5硅酸鹽水泥或礦渣水泥，速凝劑可選用水玻璃等。注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法，可根據實際情況及時調整注漿濃度。

2 原材料及試驗設備

2.1 原材料

根據《采空區公路設計與施工技術細則》[3]（JTG/T D31-03—2011）6.2.5規定，本工程項目的注漿材料選用情況如下：

a）水玻璃為山西鼎和新型建筑材料有限公司生產的合格產品，屬于硅酸鈉液體狀態，俗稱“泡花堿”，為無色、略帶色的透明或半透明黏稠狀液體，它可以改變漿液性能，縮短凝結時間。

b）對水玻璃的規格要求是模數2.4～3.4，濃度50°Be’以上。

c）水泥為臨縣大禹水泥廠生產的合格產品，是32.5礦渣硅酸鹽水泥，強度等級不低于32.5級。

2.2 儀器設備

a）標準漏斗黏度計；b）秒表；c）100 mL 量筒；d）BL-2200H 電子天平（0.01 g）。

3 試驗方法

漿液的配比及性能指標，嚴格按設計文件及現場試驗結果執行，確保漿液質量滿足設計要求。其中包括黏度、結石率兩個重要指標。黏度：是度量漿液黏滯性大小的物理量，是漿液流動時內摩擦力的一種指標。結石率：水泥類漿液凝結后的固體成為結石體，結石體積與漿液體積之比。

本試驗針對水固比在1∶1～1∶1.5之間6種不同配比的漿液，對同一配比漿液，一組不摻入速凝劑，另外一組摻入水泥質量2%的水玻璃，對比觀察因加入水玻璃所引起的黏度、結石率變化，最后總結其變化規律。通過試驗結果分析水玻璃對水泥漿液性能（即黏度和結石率）的影響，從而推薦一種適合本工程實際情況的摻配比例，達到防止漿液大量流失的最佳效果。

在本試驗中，根據依托工程設計文件，水玻璃摻量設計為水泥質量的2%，水固比（即水與水泥的質量比）按照 1∶1、1∶1.1、1∶1.2、1∶1.3、1∶1.4、1∶1.5六次遞增。配制漿液的各材料質量組成（%）見表1。

表1 試驗分組情況 %

試驗情況如圖1、圖2所示。

圖1 結石率試驗效果圖

圖2 摻入水玻璃的結石率試驗效果圖

試驗過程中，將每組配制好的漿液經充分攪拌至均勻后，分別測試其黏度；再攪拌均勻注入100 mL量筒中測試其結石率。為控制初始條件一致，漿液采用隨用隨配的原則。整個試驗過程中，室內溫度控制在20℃左右。

4 試驗結果及討論

4.1 水玻璃對每組漿液黏度的影響

為測試水玻璃摻入前后對水泥漿液黏度的影響，將1 000 mL水和按表1中質量組成分別稱取1 000 g、1 100 g、1 200 g、1 300 g、1 400 g、1 500 g水泥進行混合配比；再將各組按照占水泥質量2%的水玻璃分別稱取 20 g、22 g、24 g、26 g、28 g、30 g與對應的水泥漿再次進行混合配比，共得12組試樣，分別利用標準漏斗黏度計測試每個試樣的黏度，每組漿液黏度的試驗結果如表2。

表2 黏度的試驗結果 s

將表2的試驗結果的對比情況繪入圖3。

圖3 漿液黏度與固水比關系曲線

對圖3進行分析可知：a）在純水泥漿液和水泥水玻璃漿液曲線上，隨著水固比的遞增，即水泥用量的增加，黏度的試驗結果呈現遞增趨勢；b）從縱向分析，水固比1∶1時，摻水泥用量2%水玻璃前后，黏度值相差18.4 s；水固比1∶1.1時，摻水泥用量2%水玻璃前后，黏度值相差20.5 s；水固比1∶1.2時，摻水泥用量2%水玻璃前后，黏度值相差23.9 s；水固比1∶1.3時，摻水泥用量2%水玻璃前后，黏度值相差47.4 s；水固比1∶1.4時，摻水泥用量2%水玻璃前后，黏度值相差86.8 s；水固比1∶1.5時，摻水泥用量2%水玻璃前后，黏度值相差111 s；即隨著水固比的增加，同一配比的黏度差異越來越大，僅從圖上觀察，水固比1∶1.2及之前的黏度差異值比較均勻，水固比1∶1.2以后的黏度差異幅度呈現陡增趨勢。

4.2 水玻璃對每組漿液結石率的影響

為測試水玻璃摻入前后對水泥漿液結石率的影響，將200 mL水和按表1中質量組成分別稱取200 g、220 g、240 g、260 g、280 g、300 g 水泥進行混合配比；再將各組按照占水泥質量2%的水玻璃分別稱取 4.0 g、4.4 g、4.8 g、5.2 g、5.6 g、6.0 g 與對應的水泥漿再次進行混合配比，共得12組試樣，分別注入100 mL量筒測試每個試樣的黏度，每組漿液結石率的試驗結果如表3。

表3 漿液結石率的試驗結果 %

圖4 漿液結石率與固水比關系曲線

將表3的試驗結果的對比情況繪入圖4。對圖4進行分析可知：a）在純水泥漿液和水泥水玻璃漿液曲線上，隨著水固比的遞增，即水泥用量的增加，結石率的試驗結果也是呈遞增趨勢；b）從縱向分析，水固比1∶1時，摻水泥用量2%水玻璃前后，結石率相差11.0；水固比1∶1.1時，摻水泥用量2%水玻璃前后，結石率相差5.0；水固比1∶1.2時，摻水泥用量2%水玻璃前后，結石率相差1.0；水固比1∶1.3時，摻水泥用量2%水玻璃前后，結石率相差0.5；水固比1∶1.4時，摻水泥用量2%水玻璃前后，結石率相差0.5；水固比1∶1.5時，摻水泥用量2%水玻璃前后，結石率相差0；即隨著水固比的增加，同一配比的結石率差異越來越小，僅從圖上觀察，水固比1∶1.2之前的結石率差異幅度較大，水固比1∶1.2以后的結石率差異幅度很小。

5 結論

a）影響黏度和結石率的因素中，水泥量起到關鍵的作用；當水固比保持不變的時候，水玻璃的摻入有一定的影響。

b）結合固水比與黏度、結石率兩個圖表，可以看出：

（a）隨著水泥用量的增加，摻入水玻璃前后，黏度差異值越來越大，結石率差異值越來越小。

（b）當水固比為1∶1.2時，黏度和結石率是一個轉折點，在這個配比下的水泥漿液，從漿液流動及填充率效果方面考慮，都是符合施工技術要求的；同時工程材料投入也符合經濟成本的要求，因此推薦在本工程施工中使用這一比例的漿液進行填充治理，以獲得更佳的工程效果。