0 引 言
随着我国地下工程建设的增加、西部大开发的进一步实施，大批交通隧道、矿山井巷和城市地下空间工程投入建设，面临的水文地质条件日趋复杂，时常遭遇富水沙层、破碎带、断层引起的突然涌水、塌方等地质灾害，对工程建设和生命财产安全均造成了极大的威胁[1]。在遇到上述问题的时候大多采用注浆堵漏、补强、加固等技术措施，但是，在青海、内蒙古、新疆、陕北等高寒地区遇到了低温环境下注浆材料凝结时间长、扩散距离不可控、水化反应不充分、强度增长迟缓等问题[2]。
水玻璃是一种兼具开发价值及应用前景的环境友好型胶凝材料，同时也是化学灌浆中使用最早且最广的材料[3]，以水泥和水玻璃作为主剂，两者按一定比例混合的水泥-水玻璃双液浆是目前应用最多的水玻璃悬浊型双液注浆材料[3-4]。文献[5-7]研究了水玻璃掺量对水泥-水玻璃双液浆凝胶时间的影响；文献[8-9]研究了氯化铝和磷酸氢二钠等外加剂对水泥-水玻璃浆液凝固特性的影响，得出氯化铝和磷酸氢二钠可延缓双液浆凝胶时间，提高浆液的结石率。陈川等[2]测试了持续低温环境下混凝土水化放热量，得出水泥放热规律及水化热计算公式；宋雪飞等[4]将粉煤灰替代部分水泥，得出粉煤灰改性后的水泥-水玻璃浆液的凝结时间增大，后期强度提高；胡银如等[10]在严寒环境下采用热水配制纯水泥浆或水泥-水玻璃双液浆，缩短了凝结时间并提高了应用效果；王强等[11]采用醇、酯和添加剂在酸性介质中缩合反应得到一种高分子溶液，降低了水泥浆固结体的脆性，提高浆液与破碎煤岩体的黏结力；袁东锋等[12]分别研究了氯化钠、三乙醇胺和水玻璃对水泥浆水化热的影响；许刚刚等[13]在-2、0、3 ℃条件下研究甲酸钙、氯化钙和工业盐对水泥浆凝结时间的影响；樊海军等[14]试验了-15、0、5、20 ℃低温条件下水泥砂浆的抗折、抗压试验，低温会降低砂浆早期强度，脆性降低。蒋正武等[15]进行了-110 ℃超低温条件下砂浆强度试验，砂浆强度和脆性降低。
目前，虽然对水泥-水玻璃双液浆研究的较多，但是对低温环境下以水玻璃为速凝剂的水泥浆凝结特性研究的较少，通过对低温环境下添水玻璃的水泥浆凝结特性进行研究，掌握低温环境下的水玻璃对水泥浆液凝结特性的影响规律，为低温环境下注浆加固、堵漏、防渗施工提供参考。
1 原材料及试验方案
添水玻璃的水泥浆凝结时间受水玻璃的浓度及其掺量影响较大，水玻璃浓度或掺量过大会使浆液凝结过早，不利于浆液扩散到设计的注浆范围，浓度或掺量过小又使浆液凝结时间过长，注浆时浆液易被地下水冲释，造成注浆材料大量流失[16]。相关研究表明，常温环境下水玻璃波美度为40°Bé左右，掺量8%～10%时，凝结时间及强度较理想易控制[16]，而且水灰比0.8～1.2的水泥浆液结石体稳定性强，抗渗性好[1]。
1.1 水泥浆液原材料
水泥浆液的主要原材料有：P·O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积355 m2/kg，初凝时间214 min、终凝时间308 min(表1)；水玻璃的波美度为40°Bé，模数3.34(表2)；水为自来水。
表1 P·O 42.5普通硅酸盐水泥性能指标
Table 1 Performance index of P·O 42.5 cement
氧化镁含量/%三氧化硫含量/%烧失量/%比表面积/(m2·kg-1)安定性初凝时间/min终凝时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa3 d28 d3 d28 d1.772.624.12355合格21430878.72247
表2 水玻璃性能指标
Table 2 Performance index of sodium silicate
类 别检测结果外观半透明黏稠状液体波美度(20 ℃)/°Bé40铁(Fe)含量/%0.010水不溶物含量/%0.050密度(20 ℃)/(g·cm-3)1.387氧化钠(Na2O)含量/%8.900二氧化硅(SiO2)含量/%28.800模数M3.340
1.2 浆液配合比
根据低温环境的特点以及工程应用对水泥浆液的要求，结合文献[17-19]的研究成果，设计了0、3和5 ℃的环境温度，水灰比0.8、1.0和1.2的水泥浆液，水玻璃占水泥质量(称掺量)的0%、3%、5%、8%、10%和12%共54种配比的水泥浆液。具体配比见表3。
表3 水泥浆液配合比
Table 3 Mix ratio of cement slurry
温度/℃水灰比不同用量水玻璃掺量/%12345600.8035810121.0035810121.20358101230.8035810121.0035810121.20358101250.8035810121.0035810121.203581012
1.3 试验方案
按照表3的配比将浆液制好，然后将浆液倒入圆模内，放入设置恒定温度的冻融循环箱内进行养护，分别进行环境温度为0、3、5 ℃条件下添水玻璃的水泥浆凝结试验，从装模养护到维卡仪初凝试针沉至距离底板(4±1)mm时所需时间为初凝时间。初凝后，将试模连同浆体以平移的方式从玻璃板取下翻转180°，直径大端向上，小端向下放在玻璃板上，放入冻融循环箱中继续养护，维卡仪终凝试针沉入试体0.5 mm时、环形附件开始不能在试体上留下痕迹时，达到终凝状态。
2 试验结果分析
低温环境下，水玻璃能够缩短水泥浆液凝结时间，提高岩土体加固、防渗、堵漏的效率。水泥浆液形态变化如图1所示，水泥浆液与水玻璃混合前浆液较稀、易分层，水泥浆液与水玻璃混合后浆液迅速凝胶呈黏稠状，充分搅拌后浆液由黏稠状逐渐变为流态。
图1 水泥浆变化情况
Fig.1 Changes of cement slurry
2.1 搅拌程度对浆液凝结时间影响
在0 ℃环境温度下，添水玻璃的水泥浆充分搅拌与未充分搅拌初凝时间变化曲线如图2所示，水泥浆初凝时间随着水玻璃含量的增加而缩短，水玻璃含量3%～5%时的曲线变化较陡、5%～12%时的曲线变化较缓。添水玻璃的水灰比0.8、1.0和1.2水泥浆未充分搅拌的初凝时间均较充分搅拌时分别缩短26%～49.7%、45%左右和37.3%～48.4%。水玻璃含量5%～12%水泥浆未充分搅拌的初凝时间较充分搅拌的浆液缩短，未充分搅拌时浆液中的局部水玻璃比例相对加大，利于水泥浆初凝。
图2 0 ℃环境浆液初凝时间
Fig.2 Initial setting time of cement slurry at 0 ℃
0 ℃环境温度下，添水玻璃的水泥浆充分搅拌与未搅拌终凝时间变化曲线如图3所示，水泥浆终凝时间随水玻璃含量增加而缩短，水玻璃含量3%～8%时的曲线变化较缓、8%～12%时的曲线变化较陡。添水玻璃的水灰比0.8、1.0、1.2水泥浆充分搅拌较未充分搅拌的终凝时间分别缩短10%～43.2%、11%～40%和5%～37.6%。水玻璃含量3%～12%充分搅拌的水泥浆初凝时间较未充分搅拌的浆液缩短，充分搅拌利于水泥浆终凝。
图3 0 ℃环境浆液终凝时间
Fig.3 Final setting time of cement slurry at 0 ℃
2.2 温度对添水玻璃的水泥浆凝结时间影响
水玻璃掺量与初凝时间关系如图4所示，水灰比为0.8的浆液，在3、5 ℃环境温度下初凝时间分别较0 ℃缩短37%～47%和33%～45%；水灰比为1.0的浆液，3、5 ℃分别较0 ℃缩短2%～29%和35%～39%；水灰比1.2的浆液，3、5 ℃分别较0 ℃缩短5%～32%和24%～47%。水泥浆的初凝时间随着水玻璃含量的增加逐渐缩短，随着温度升高而缩短。
图4 低温环境浆液初凝时间
Fig.4 Initial setting time of cement slurry under low temperature
水玻璃掺量与终凝时间关系如图5所示，水灰比为0.8的浆液，在3、5 ℃温度下分别较0 ℃终凝时间缩短30%～45%和31%～48%；水灰比1.0的浆液，3、5 ℃分别较0 ℃缩短26%～35%和34%～44%；水灰比1.2的浆液，3、5 ℃分别较0 ℃缩短0%～16%和19%～37%。水泥浆的终凝时间随着水玻璃含量的增加逐渐缩短，随着温度升高而缩短。
图5 低温环境浆液终凝时间
Fig.5 Final setting time of cement slurry at low temperature
2.3 水灰比对添水玻璃的水泥浆凝结时间影响
从图4所知，0 ℃低温环境下，添水玻璃的水泥浆在水灰比1.0和1.2时较水灰比0.8的初凝时间延长8%～21%和23%～45%；3 ℃低温环境下，添水玻璃的水泥浆在水灰比1.0和1.2时较水灰比0.8的初凝时间延长37～94%和54%～125%；5 ℃低温环境下，添水玻璃的水泥浆在水灰比1.0和1.2时较水灰比0.8的初凝时间延长16%～28%和20%～82%。低温环境下，添水玻璃的水泥浆初凝时间随着水灰比的增大而延长。
从图5所知，0 ℃低温环境下，添水玻璃的水泥浆在水灰比1.0和1.2时较水灰比0.8的终凝时间延长约25%和35%；3 ℃低温环境下，添水玻璃的水泥浆在水灰比1.0和1.2时较水灰比0.8的终凝时间延长20%～92%和65%～155%；5 ℃低温环境下，添水玻璃的水泥浆在水灰比1.0和1.2时较水灰比0.8的终凝时间延长11%～69%和26%～117%。低温环境下，添水玻璃的水泥浆终凝时间随着水灰比的增大而延长。
2.4 水玻璃对水泥浆结石率影响
水玻璃掺量与结石率关系如图6所示，0～5 ℃低温环境下，水灰比0.8浆液的结石率由纯水泥浆的83.33上升至98.5，水灰比1.0浆液的结石率由纯水泥浆的72.22上升至97.12，水灰比1.2浆液的结石率由纯水泥浆的63.33上升至95.4。添水玻璃的水泥浆结石率随着水玻璃掺量的增加而增大，随着水灰比的增大而减小。
2.5 水玻璃对水泥浆液强度影响
水玻璃掺量与水泥浆抗压强度关系[15]如图7所示，李享松等[16]研究发现，浆液凝固体强度随水玻璃掺量的增加而逐渐减小，当水玻璃掺量≤10%时，凝固体强度随水玻璃掺量的增加缓慢降低，当掺量大于10%时，凝固体强度曲线发生骤降，添水玻璃的水泥浆凝固体强度难控制且强度较低。
图6 水泥浆结石率
Fig.6 Stone rate of cement slurry
图7 水泥浆强度变化
Fig.7 Strength curves of cement slurry
3 结果与讨论
水泥的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的物质所引起的，水泥本身所含的矿物遇水发生反应产生氢氧化钙和水化硅酸钙凝胶等[6,20]。硅酸三钙、硅酸二钙发生水化，生产水化硅酸钙，化学反应方程式为
3CaO·SiO2+(n+1)H2O→
2CaO·SiO2·nH2O+Ca(OH)2
(1)
2CaO·SiO2+(n+1)H2O→
CaO·SiO2·nH2O+Ca(OH)2
(2)
而加入水玻璃后，水泥水化产生的氢氧化钙很快与水玻璃发生反应，生成具有一定强度的水化硅酸钙凝胶体[3]，其主要化学反应方程式为
3Ca(OH)2 +NaO·nSiO2 +mH2O→CaO·
nSiO2·mH2O+2NaOH
(3)
水泥水化与水泥水玻璃反应后的产物基本相同，但水泥与水玻璃的反应速度要比水泥水化反应快，添水玻璃的水泥浆凝结时间较短。
当水泥浆液与水玻璃未充分搅拌的情况下，水玻璃与其周围的水泥浆液反应，优先形成凝胶体，局部类似于水泥-水玻璃双液浆，导致添水玻璃的水泥浆未充分搅拌的初凝时间较充分搅拌的缩短，而距离水玻璃较远的水泥浆的水玻璃含量较小，其凝结时间接近纯水泥浆，终凝时间较充分搅拌的水泥浆长。由式(3)可知，在达到化学平衡前，水泥浆液中水玻璃含量的增多，化学反应方程进一步向右反应，加速水泥浆的凝结，缩短其初凝和终凝时间。
低温环境持续吸收水泥浆的热量和水化反应放出的水化热，抑制化学反应式(3)进一步反应，环境温度越低，水泥浆进行水化的越缓慢，水化速率越低，表现出水泥浆的凝结时间随着温度的升高而不断缩短。水泥浆的凝结时间随着水玻璃掺量的增加而逐渐缩短，掺量10%～12%时，相比3%～8%时的凝结时间减小的速率大。水玻璃掺量3%～12%的水泥浆结石率较高，可达94%～98.5%，远高于同条件的纯水泥浆，利于充填空洞、堵漏、防渗。
当水玻璃掺量≤10%时，强度随水玻璃掺量的变化较小，当掺量大于10%时，强度曲线发生骤降，强度难控制且强度较低，从经济和安全角度考虑，水玻璃作为速凝剂在水泥浆中掺量不宜超过10%[16]。
4 结 论
通过低温环境下添水玻璃的水泥浆凝结特性试验，经过分析与对比，初步得出以下4条结论。
1)低温环境下，在水泥浆液中添水玻璃能够有效缩短水泥浆液的初凝、终凝时间，初凝和终凝时间均随着温度的降低而延长，随着温度的升高而缩短，而随着水灰比的增大而延长。
2)添水玻璃的水泥浆在充分搅拌后无分层现象，初凝时间、终凝时间较理想，且结石率较高，达到 94%以上。
3)水泥浆结石体的强度随着水玻璃掺量的增加而降低，掺量达到10%后，强度直线下降。
4)水玻璃掺量在10%以内的水泥浆凝结时间缩短、结石率较高、强度损失较小，有利于解决高寒地区低温环境下浆液凝结时间长、扩散距离不可控、水化反应不充分、强度增长迟缓等问题。
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