水玻璃注浆材料性能改善的探索

臧 鹏，冯杨文，钟久安，陈晓东，何非凡

（四川共拓岩土科技股份有限公司，四川成都 610073）

1 概述

根据“十四五规划”，中国未来将发展壮大城市群和都市圈，形成疏密有致、分工协作、功能完善的城镇化空间格局，在此进程中，涉及大量的地下轨道交通工程。在川藏铁路、沿江高速、一带一路交通网络建设过程中，为降低震损或减少通行时间或应对高原高寒高海拔影响，越来越多的路段选择隧道穿越。随着隧道工程的越来越多，施工过程中将遇到较多的软弱不良地质围岩变形、粉细砂加固情况。该类地层孔隙微细，宜采用化学浆液等溶液类浆材以渗透扩散方式进行注浆加固。化学浆液等溶液类浆材中，水玻璃成本低、施工容易，成为首选。为满足粉细砂层等注浆加固的要求，需对水玻璃浆液的性能如强度、耐水性进行一定改善。

2 水玻璃注浆材料的优势与固化分析

2.1 水玻璃注浆材料的优点

硅酸钠又名泡花碱，其水溶液被称为水玻璃，是一种常用的矿粘合剂，其化学式为M2O·nSiO2，其中M主要有Na、K、Li等。水玻璃无色、无臭、绿色、环保，因此在铸造、基础建设工程上大量使用，是公认的无公害、清洁的工程材料。优点如下：

（1）水玻璃浆液为真溶液型注浆材料，浆液粘度低，可灌注性优异。

（2）水玻璃能够就地取材，价格低廉，工程经济性好。

（3）水玻璃本身绿色环保，工人操作使用安全。

（4）水玻璃类注浆材料可以根据不同的工况选用相应固化助剂。

2.2 水玻璃注浆材料的固化方式

（1）水玻璃的固化方式。水玻璃注浆材料的凝胶固化剂主要有两大类，一类是无机物，另一类是有机物，相应的凝胶固化原理亦不同。

①无机物固化剂如磷酸、硫酸氢钠、氟硅酸钠、硫酸铝、铝酸钠，反应机理如下所述。

通常，水玻璃中不存在简单的偏硅酸根离子SiO32-。在溶液中的离子有H2SiO42-和H3SiO4-，二者随着酸根离子的加入，逐步与H+结合，如下反应式所示。

在碱性溶液和近中性溶液中，硅酸分子和正一价硅酸离子进行羟联反应，形成双硅酸，由双硅酸、三硅酸、多硅酸一直聚合下去便形成了硅溶胶，直至形成硅凝胶。在形成多硅酸时，Si-O-Si 链也可以在链的中部形成，这样可得到支链多硅酸。多硅酸进一步聚合便形成胶态二氧化硅质点[1-4]。

②有机物主要指有机酯类、乙二醛、酰胺类。以有机醋酸酯为例，对水玻璃的固化可分为三步：第一步，有机酯以碱作为催化剂发生水解生成酸或醇；第二步，水玻璃因失水反应模数升高，当它粘度超过临界值便失去流动性而固化；第三步，水玻璃进一步失水硬化。这里的脱水主要是指水合硅凝胶的脱水和反应水玻璃的脱水。

酰胺类和醋酸脂类反应类似，而乙二醛则是在碱性条件下发生分子岐化反应，使水玻璃凝胶。反应式如下：

（2）水玻璃固化需要改进之处。水玻璃固化的不足之处：

①采用无机类固化方式的水玻璃注浆料存在以下问题：反应速度过快（很多存在瞬间凝固），不好控制反应速度；通过试验发现此类反应后的固结体强度较低。

有机类固化方式有醋酸脂类、乙二醛、酰胺类，对固结体强度有所提高。

②无论是无机类固化方式还是有机类固化方式，水玻璃固结体的耐水性均无明显提高。

为了提高水玻璃类注浆材料的性能、拓宽使用工况，需对其进行必要的改性，期望保持一定强度的同时提高固结体的耐水性[5]，以满足临时工程加固的实际需求。

3 水玻璃注浆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时保持一定的强度。铸造领域往水玻璃中添加一种或数种其他物质以阻缓水玻璃的老化，减少因老化而损失的自身固结强度和提高水玻璃的抗吸湿性。这些材料在注浆料上也有一定的使用价值。

Jains Robins等人利用硅烷偶联剂配合树脂改进水玻璃砂型的强度，同时改进了抗潮性能。朱纯熙、卢晨研究了非钠水玻璃的性能，通过对比研究发现硅酸锂的存在明显能够提高抗吸湿性；谈剑通过K+与Li+取长补短，同样改善吸湿性的目的。李艺明采用四硼酸钠对水玻璃进行改性，表明四硼酸钠可以提高水玻璃硬化后的强度和抗吸湿性。屈银虎利用磷酸氢二钠、三聚磷酸钠等对水玻璃进行改性，表明磷酸氢二钠和三聚磷酸钠均能提高水玻璃的粘结强度。朱筠采用聚氧化乙烯树脂对水玻璃进行改性，表明聚氧化乙烯改性水玻璃的常温强度高、抗吸湿性强，具有良好的综合性能[6-7]。

3.1 水玻璃注浆材料性能改善方法

通常水玻璃的化学改性方法有以下几种：

（1）将钠水玻璃、钾水玻璃与季铵水玻璃、锂水玻璃按照一定比例混合。该方法改性的水玻璃的成本上升。锂水玻璃相比钾钠水玻璃价格更贵，但锂水玻璃注浆料的最终耐水性比钠水玻璃有所提高。

（2）在水玻璃中加入一定量的磷酸盐、硼酸盐、铝酸盐，例如聚合磷酸铝、聚合磷酸硅等，该方法的材料成本虽有所提高，但是固结体的耐水性能却得到了很好的提升。

（3）在水玻璃中加入多元醇，能够一定程度控制注浆材料的反应速度，例如不同分子量的聚乙二醇的反应速度明显存在差距。

（4）有机酯作为水玻璃注浆材料的部分固化剂使用，不仅能够有效控制反应速度且提高强度，以及更易于工程使用[8-13]。

3.2 实验定性验证改善效果

（1）无机物固化采用碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸盐（磷酸氢钙、磷酸二氢钙）、氯化钙、三氯化铁进行实验，发现反应不易控制导致固结体沙化或者果冻状，强度普遍偏低，同时耐水性差。

①利用氯化钙、碳酸氢钠固化时，反应速度很快，很快成果冻状，且固结体基本没有什么强度，与果冻相似。同时存在固结体收缩现象和析出水现象，收缩率、析水率都和固化剂的量存在一定的联系。

②磷酸盐固化反应速度快，固结体起初有一定的强度但放置室外失水后很快风化，强度全部失去且完全砂化。

③无机酸类通过改变pH值使水玻璃凝胶，常见的有硫酸，耐水性得到了提高但是强度、反应速度仍不理想。

部分实验的固结体见图1。

（2）进行了有机物直接固化实验，固结体强度相当，但是耐水性差，图2可以看出固结体在水中不断溶解。

（3）有机无机复合改性水玻璃。取水玻璃100g（波美度42）；将磷酸盐（磷酸铝、磷酸硅）溶解在水中形成饱和溶液，取饱和溶液52g，向饱和溶液中加入多元醇（甘油、乙二醇、聚醚多元醇）10g进行改性，再加入有机醋酸酯（醋酸甘油酯、醋酸乙二醇酯）10g搅拌3min，再将水玻璃和固化剂混合后搅拌1min，倒入固定的容器，待凝24h后取出固结体放入水中进行耐水实验验证。

同理也进行了强度测试实验，发现该纯浆体的强度最大可以达到1MPa，同时也进行了固砂实验（图3）。

最终得到固结体强度与有机酯固化强度相当，耐水性却明显提高。固结体浸泡在水中3个月，固结体外观良好无变化，质量减少3.2%。参见表1、图4。

表1 固结体浸水试验表

从图4 可以看出，固结体虽然发生了部分溶解，但浸泡3 个月的固结体背后字体仍可见，说明耐水性较好。

4 结语

水玻璃材料就耐水性改性而言，酸性水玻璃是一种选择，大部分采用硫酸酸化水玻璃后再进行固化，但固结体强度较低，较难满足工程实际需求。

单纯采用有机物固化的方式可以使强度提高，但是由于Na+、K+产生的盐通常都是易溶于水的盐，因此耐水性不能取得很好的改善效果。

上述实验可见，通过复合改性水玻璃可取得更好的效果。利用无机物和有机物屏蔽或替代Na+、K+离子，提高固结体的耐水性，强度通过有机物调整更为优异，同时有机物固化剂凝结时间更易控制。

综上，利用磷酸盐、多元醇改性水玻璃并通过有机醋酸酯制备水玻璃注浆材料，方向可行，既能够提高水玻璃注浆材料的强度，同时耐水性也明显改善。