普通水泥-水玻璃双液浆

普通水泥-水玻璃双液浆是将普通水泥浆和水玻璃溶液作为两种主要成分，按照一定的比例，采用双液浆灌注工艺进行注浆。由于普通水泥-水玻璃双液浆凝胶时间短（从几秒钟至几十分钟可调），注浆体结石率高（达到95%以上），并且具有一定的强度，因此，对于堵水，特别是水压较高、水流速较快，以及当填充宽度较大的岩溶裂隙时经常采用。普通水泥-水玻璃双液浆简称C-S浆液，C代表水泥（Cement），S代表水玻璃（Silicate）。

3.4.2.1 浆液凝胶机理

在水泥浆中加入水玻璃，水玻璃与硅酸三钙水化反应生成的氢氧化钙很快反应，生成凝胶性硅酸钙。

3CaO·SiO₂＋nH₂O→2CaO·SiO₂·（n-1）H₂O＋Ca（OH）₂（水泥水化反应）

Ca（OH）₂＋Na₂O·nSiO₂＋mH₂O→CaO·nSiO₂·mH₂O↓＋2NaOH

3.4.2.2 水玻璃

水玻璃又称泡花碱，其主要成分为Na₂O·nSiO₂。

模数M是水玻璃性能的一个重要指标参数，模数M定义为：

地下工程注浆技术

水玻璃模数的大小对注浆影响很大。模数小时，二氧化硅含量低，凝胶时间长，结石体强度低；模数大时，二氧化硅含量高，凝胶时间短，结石体强度高，模数过大过小都对注浆不利，因此，注浆时，一般要求水玻璃模数在2.4～3.4之间较为合适。

水玻璃浓度用波美度Be′表示。波美度与密度ρ之间换算关系如下：

地下工程注浆技术

水玻璃出厂浓度一般为50～56Be′，而现场注浆使用的范围一般为30～45Be′，有时，为减少水玻璃用量，也可将水玻璃稀释到20～25Be′。

3.4.2.3 水玻璃离析问题

水玻璃作为普通水泥-水玻璃双液浆的主要原材料，用量很大。为降低工程造价，一般购置高浓度的浓水玻璃，在现场施工过程中进行稀释。在工程注浆施工中，为了提高施工效率，施工中水玻璃采取洞外稀释到设计浓度后，再运入洞内放入水玻璃储浆桶中待用的方法，因而会造成水玻璃溶液的长时间静置。水玻璃溶液长时间静置后，是否会产生较大离析？是否会严重影响现场使用？是否需要静置一段时间后对水玻璃溶液重新进行搅拌均匀？此等一系列问题的解决对于注浆施工质量有着十分重要的影响，因而，应对水玻璃溶液的离析问题进行试验研究，确定出合理的处理措施。

（1）试验仪器

量筒、吸管、天平、玻璃棒、温度计、吸耳球、波美计等。

（2）原材料

水玻璃：模数2.9～3.2 ，浓度37Be′，湖南龙山县永兴民族化工有限责任公司生产。

（3）试验步骤

1）将37Be′的浓水玻璃稀释至30Be′，然后分别倒入15个500mL的量筒中，倒入量均为500mL。

2）分别在第1、3、5、7、10天每次用吸管从上到下依次取体积25mL、25mL、50mL、100mL、100mL、100mL 的液体，即总体积的 5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%体积点相对应溶液量，用天平称量出其质量，推算出密度。

3）每次测3组求出其密度平均值，并换算为波美度。

4）分别绘制出第1、3、5、7、10天各体积点的密度图。

5）根据以上数据绘出离析率与放置时间的关系。

（4）标准的提出

试验中配置的标准水玻璃溶液的浓度为30Be′。针对普通水泥-水玻璃双液浆，在现场注浆施工中当水玻璃浓度为25～35Be′时，一般对注浆材料的凝胶时间和抗压强度等性能指标影响不大，因而可提出如下标准：针对普通水泥-水玻璃双液浆，当水玻璃浓度选择采用30Be′时，适宜于正常施工的水玻璃浓度上限为35Be′，下限为25Be′。

（5）试验一

室内试验从2001年8月12日开始。经对试验所获得的数据分析，得出每天各体积点与密度的关系，如图3-5。离析率与放置时间关系曲线如图3-6。

图3-5 体积百分点的浓度曲线

图3-6 离析率与放置时间关系曲线

从体积百分点的浓度曲线、离析率与放置时间关系曲线可以看出：

1）水玻璃溶液静置后，水玻璃的浓度随体积百分点呈增大的趋势，这可以说明在水玻璃静置过程中有一定的离析现象发生，但离析影响度不大，基本不影响其正常使用。分析认为：对于水玻璃而言，水玻璃应溶解于水，但由于并非纯水玻璃，因而存在一定的离析现象，但影响不大。

2）静置一段时间后，当水玻璃溶液的体积百分点大于90%，其离析材料的浓度超过了上限值35Be′，最大浓度达到37.2Be′。据分析，引起浓度变大的原因并不是离析的结果，而是由于原水玻璃存在杂质（体积约为60mL），静置后杂质沉淀从而引起溶液浓度的上升，因此，在购进水玻璃时，应严格控制产品质量。

3）从体积百分点的浓度曲线可以明显看出：所有溶液在体积点20%时浓度较高，这可能是因为外界温度较高而引起溶液表面水分的蒸发，同时水玻璃溶液又具有较大的黏度，从而形成表面张力，使得接近表面的溶液浓度较高。

（6）试验二

本次试验采用经过沉淀的水玻璃。试验中同样配制标准溶液的浓度为30Be′，采取与试验一相同的试验方法，并对试验溶液进行密封，以减少溶液体积的损失。同时取等量（500mL）水于未封闭的量筒中，与溶液进行体积损失对比。

经对试验所获得的数据计算分析，得出各体积点与密度的关系曲线如图3-7所示。

图3-7 体积百分点与密度的关系曲线

由测试数据和体积百分点与密度的关系曲线来看：

1）由于本次试验所取的原水玻璃已经经过一段时间的静置，试验中溶液的沉淀量比第一次有明显的减少，沉淀量由第一次的60mL减少到本次的25mL，减少率为58.33%。

2）每天测试的水玻璃浓度随溶液体积百分点的增加也有一定的上升趋势，但不是很明显，可见水玻璃稀释后产生离析不大，对于离析现象不是因为水玻璃的离析产生，这主要还是由于溶液中含有一定量的杂质引起的。

3）从10天中5次测试结果曲线可以看出：各条曲线的趋势差异基本一致，且起伏较小，都能满足标准要求。

4）试验中所取等量未封闭水在10天内的损失量达75mL，这和第一次试验中水玻璃损失量50mL相比略大，这充分可以说明在第一次试验中水玻璃溶液存在水分蒸发损失，同时由于水玻璃表面张力的存在，水玻璃损失较对比试验中水的损失略小。同时也可以证明试验一中溶液在体积点为20%时浓度较高主要是因为溶液表面水分的蒸发而导致接近表面的溶液浓度的升高。

（7）结论

从以上两次试验可以得出，在正常情况下水玻璃溶液静置10天之内不会发生较大的离析现象，不会影响其正常的施工性能。所以可以采取洞外稀释到设计浓度再运进洞内放入水玻璃储浆桶中使用。但应加强密封和温度控制，避免其中水分蒸发。

3.4.2.4 浆液配制

（1）普通水泥浆配制。

1）根据预配制水泥浆的体积，按水灰比和缓凝剂掺量计算出所需要的水泥、水和缓凝剂的用量。

2）根据用量，首先在容器中加入水和缓凝剂，强力搅拌，待缓凝剂充分溶解后，加入水泥，强力搅拌，混合均匀。

（2）水玻璃浆配制

水玻璃浆的配制是指高浓度水玻璃的稀释。水玻璃浆的配制一般有两种方法。

第一种方法：①根据预配制水玻璃浆的体积，分别计算出稀释前所需要的浓水玻璃的体积和稀释用水的体积。

根据质量守恒原理：

地下工程注浆技术

式中：m_稀S为稀释前浓水玻璃质量（g）；m_W为稀释过程中加入水的质量（g）；m_稀S为稀释后稀水玻璃质量（g）。

根据体积守恒原理（近似计算）：

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式中：V_浓S为稀释前浓水玻璃体积（cm³）；V_W为稀释过程中加入水的体积（cm³）；V_稀S为稀释后稀水玻璃体积（cm³）。

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式中：ρ_浓S为稀释前浓水玻璃密度（g/cm³）；ρ_稀S为稀释后稀水玻璃密度（g/cm³）；ρ_W为水的密度（g/cm³），取1。

根据以上公式，推导出浓水玻璃和水的用量，计算公式为：

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公式中ρ_浓S、ρ_稀S可由下式计算：

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式中：