水玻璃注漿材料性能改善的探索

臧 鵬，馮楊文，鐘久安，陳曉東，何非凡

（四川共拓巖土科技股份有限公司，四川成都 610073）

1 概述

根據“十四五規劃”，中國未來將發展壯大城市群和都市圈，形成疏密有致、分工協作、功能完善的城鎮化空間格局，在此進程中，涉及大量的地下軌道交通工程。在川藏鐵路、沿江高速、一帶一路交通網絡建設過程中，為降低震損或減少通行時間或應對高原高寒高海拔影響，越來越多的路段選擇隧道穿越。隨著隧道工程的越來越多，施工過程中將遇到較多的軟弱不良地質圍巖變形、粉細砂加固情況。該類地層孔隙微細，宜采用化學漿液等溶液類漿材以滲透擴散方式進行注漿加固。化學漿液等溶液類漿材中，水玻璃成本低、施工容易，成為首選。為滿足粉細砂層等注漿加固的要求，需對水玻璃漿液的性能如強度、耐水性進行一定改善。

2 水玻璃注漿材料的優勢與固化分析

2.1 水玻璃注漿材料的優點

硅酸鈉又名泡花堿，其水溶液被稱為水玻璃，是一種常用的礦粘合劑，其化學式為M2O·nSiO2，其中M主要有Na、K、Li等。水玻璃無色、無臭、綠色、環保，因此在鑄造、基礎建設工程上大量使用，是公認的無公害、清潔的工程材料。優點如下：

（1）水玻璃漿液為真溶液型注漿材料，漿液粘度低，可灌注性優異。

（2）水玻璃能夠就地取材，價格低廉，工程經濟性好。

（3）水玻璃本身綠色環保，工人操作使用安全。

（4）水玻璃類注漿材料可以根據不同的工況選用相應固化助劑。

2.2 水玻璃注漿材料的固化方式

（1）水玻璃的固化方式。水玻璃注漿材料的凝膠固化劑主要有兩大類，一類是無機物，另一類是有機物，相應的凝膠固化原理亦不同。

①無機物固化劑如磷酸、硫酸氫鈉、氟硅酸鈉、硫酸鋁、鋁酸鈉，反應機理如下所述。

通常，水玻璃中不存在簡單的偏硅酸根離子SiO32-。在溶液中的離子有H2SiO42-和H3SiO4-，二者隨著酸根離子的加入，逐步與H+結合，如下反應式所示。

在堿性溶液和近中性溶液中，硅酸分子和正一價硅酸離子進行羥聯反應，形成雙硅酸，由雙硅酸、三硅酸、多硅酸一直聚合下去便形成了硅溶膠，直至形成硅凝膠。在形成多硅酸時，Si-O-Si 鏈也可以在鏈的中部形成，這樣可得到支鏈多硅酸。多硅酸進一步聚合便形成膠態二氧化硅質點[1-4]。

②有機物主要指有機酯類、乙二醛、酰胺類。以有機醋酸酯為例，對水玻璃的固化可分為三步：第一步，有機酯以堿作為催化劑發生水解生成酸或醇；第二步，水玻璃因失水反應模數升高，當它粘度超過臨界值便失去流動性而固化；第三步，水玻璃進一步失水硬化。這里的脫水主要是指水合硅凝膠的脫水和反應水玻璃的脫水。

酰胺類和醋酸脂類反應類似，而乙二醛則是在堿性條件下發生分子岐化反應，使水玻璃凝膠。反應式如下：

（2）水玻璃固化需要改進之處。水玻璃固化的不足之處：

①采用無機類固化方式的水玻璃注漿料存在以下問題：反應速度過快（很多存在瞬間凝固），不好控制反應速度；通過試驗發現此類反應后的固結體強度較低。

有機類固化方式有醋酸脂類、乙二醛、酰胺類，對固結體強度有所提高。

②無論是無機類固化方式還是有機類固化方式，水玻璃固結體的耐水性均無明顯提高。

為了提高水玻璃類注漿材料的性能、拓寬使用工況，需對其進行必要的改性，期望保持一定強度的同時提高固結體的耐水性[5]，以滿足臨時工程加固的實際需求。

3 水玻璃注漿材料性能的改善研究

水玻璃改性的主要目的是提高耐水性的同時保持一定的強度。鑄造領域往水玻璃中添加一種或數種其他物質以阻緩水玻璃的老化，減少因老化而損失的自身固結強度和提高水玻璃的抗吸濕性。這些材料在注漿料上也有一定的使用價值。

Jains Robins等人利用硅烷偶聯劑配合樹脂改進水玻璃砂型的強度，同時改進了抗潮性能。朱純熙、盧晨研究了非鈉水玻璃的性能，通過對比研究發現硅酸鋰的存在明顯能夠提高抗吸濕性；談劍通過K+與Li+取長補短，同樣改善吸濕性的目的。李藝明采用四硼酸鈉對水玻璃進行改性，表明四硼酸鈉可以提高水玻璃硬化后的強度和抗吸濕性。屈銀虎利用磷酸氫二鈉、三聚磷酸鈉等對水玻璃進行改性，表明磷酸氫二鈉和三聚磷酸鈉均能提高水玻璃的粘結強度。朱筠采用聚氧化乙烯樹脂對水玻璃進行改性，表明聚氧化乙烯改性水玻璃的常溫強度高、抗吸濕性強，具有良好的綜合性能[6-7]。

3.1 水玻璃注漿材料性能改善方法

通常水玻璃的化學改性方法有以下幾種：

（1）將鈉水玻璃、鉀水玻璃與季銨水玻璃、鋰水玻璃按照一定比例混合。該方法改性的水玻璃的成本上升。鋰水玻璃相比鉀鈉水玻璃價格更貴，但鋰水玻璃注漿料的最終耐水性比鈉水玻璃有所提高。

（2）在水玻璃中加入一定量的磷酸鹽、硼酸鹽、鋁酸鹽，例如聚合磷酸鋁、聚合磷酸硅等，該方法的材料成本雖有所提高，但是固結體的耐水性能卻得到了很好的提升。

（3）在水玻璃中加入多元醇，能夠一定程度控制注漿材料的反應速度，例如不同分子量的聚乙二醇的反應速度明顯存在差距。

（4）有機酯作為水玻璃注漿材料的部分固化劑使用，不僅能夠有效控制反應速度且提高強度，以及更易于工程使用[8-13]。

3.2 實驗定性驗證改善效果

（1）無機物固化采用碳酸鈉、碳酸氫鈉、磷酸鹽（磷酸氫鈣、磷酸二氫鈣）、氯化鈣、三氯化鐵進行實驗，發現反應不易控制導致固結體沙化或者果凍狀，強度普遍偏低，同時耐水性差。

①利用氯化鈣、碳酸氫鈉固化時，反應速度很快，很快成果凍狀，且固結體基本沒有什么強度，與果凍相似。同時存在固結體收縮現象和析出水現象，收縮率、析水率都和固化劑的量存在一定的聯系。

②磷酸鹽固化反應速度快，固結體起初有一定的強度但放置室外失水后很快風化，強度全部失去且完全砂化。

③無機酸類通過改變pH值使水玻璃凝膠，常見的有硫酸，耐水性得到了提高但是強度、反應速度仍不理想。

部分實驗的固結體見圖1。

（2）進行了有機物直接固化實驗，固結體強度相當，但是耐水性差，圖2可以看出固結體在水中不斷溶解。

（3）有機無機復合改性水玻璃。取水玻璃100g（波美度42）；將磷酸鹽（磷酸鋁、磷酸硅）溶解在水中形成飽和溶液，取飽和溶液52g，向飽和溶液中加入多元醇（甘油、乙二醇、聚醚多元醇）10g進行改性，再加入有機醋酸酯（醋酸甘油酯、醋酸乙二醇酯）10g攪拌3min，再將水玻璃和固化劑混合后攪拌1min，倒入固定的容器，待凝24h后取出固結體放入水中進行耐水實驗驗證。

同理也進行了強度測試實驗，發現該純漿體的強度最大可以達到1MPa，同時也進行了固砂實驗（圖3）。

最終得到固結體強度與有機酯固化強度相當，耐水性卻明顯提高。固結體浸泡在水中3個月，固結體外觀良好無變化，質量減少3.2%。參見表1、圖4。

表1 固結體浸水試驗表

從圖4 可以看出，固結體雖然發生了部分溶解，但浸泡3 個月的固結體背后字體仍可見，說明耐水性較好。

4 結語

水玻璃材料就耐水性改性而言，酸性水玻璃是一種選擇，大部分采用硫酸酸化水玻璃后再進行固化，但固結體強度較低，較難滿足工程實際需求。

單純采用有機物固化的方式可以使強度提高，但是由于Na+、K+產生的鹽通常都是易溶于水的鹽，因此耐水性不能取得很好的改善效果。

上述實驗可見，通過復合改性水玻璃可取得更好的效果。利用無機物和有機物屏蔽或替代Na+、K+離子，提高固結體的耐水性，強度通過有機物調整更為優異，同時有機物固化劑凝結時間更易控制。

綜上，利用磷酸鹽、多元醇改性水玻璃并通過有機醋酸酯制備水玻璃注漿材料，方向可行，既能夠提高水玻璃注漿材料的強度，同時耐水性也明顯改善。