李 佐 春

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京　100083)



·建筑材料及应用·

温度对硫酸—水玻璃浆液黏度及凝胶时间影响的研究

李 佐 春

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京100083)

通过实验，研究了不同温度条件对硫酸—水玻璃浆液黏度及凝胶时间的影响，探讨了硫酸—水玻璃浆液随温度的变化规律，得出了一些有实用价值的结论。

硫酸—水玻璃浆液，凝胶时间，黏度，温度

0　引言

酸性水玻璃可在中性或酸性环境下凝胶[1]，凝胶体不呈碱性，没有碱的溶出，所以没有任何毒性，不会对环境造成污染[2]，并且具有耐久性[3]，造价也比碱性水玻璃便宜。粉细砂地层中酸性水玻璃浆液相比水泥浆液也有更好的效果[4]。近些年来在我国的地下加固工程中已得到了应用[5]。例如北京地铁复兴门—西单站区间隧道工程中采用酸性水玻璃注浆加固，不仅解决了粉细砂地层注浆困难的问题，同时还使地面沉降得到有效控制[6]。

近些年来很多学者对酸性水玻璃浆液进行了大量的研究，取得了很多有用的成果。许婵娟详细研究了pH值对酸性水玻璃灌浆材料凝胶时间的影响[7]。李慎刚通过分析影响水玻璃浆材耐久性的主要因素，探讨了提高水玻璃注浆材料耐久性和注浆效果的主要方法[8]。王迎宾通过在浆液中加入一些外加剂使酸性水玻璃浆液在酸性、碱性土壤中得到良好的加固效果[9]。李雪分析了硫酸—水玻璃体系的成胶特点，发现凝胶时间与体系的pH值有较大的关系[10]。肖尊群研究了碳酸钙加入酸性水玻璃浆液后，对其凝胶时间和强度的影响[11]。这些研究为酸性水玻璃浆液提供了大量的理论依据。

由于我国幅员辽阔，南方北方、夏季冬季的温度差别较大，所以温度也必定成为影响浆液性能的一个关键因素[12]。吕擎峰进行了温度改性水玻璃固化黄土机制的研究，通过对固化后黄土化学组成和矿物成分分析、微观结构分析，得出了温度对其的影响规律[13]。吴国栋发现温度对凝胶时间的影响与硅溶胶的pH值有关，酸性硅胶溶液随温度的升高,凝胶速度加快[14]。扈竹芳研究发现温度对浆液凝胶时间的影响也很大,温度高则凝胶时间短[15]。

本文通过控制温度的变化，研究了温度对硫酸—水玻璃浆液凝胶时间和黏度的影响，得出了硫酸—水玻璃浆液随温度变化的规律，为酸性水玻璃浆液的应用提供参考。

1　实验材料及方法

1.1实验材料

实验试剂及所用设备主要有水玻璃、浓硫酸、烧杯若干、量筒、玻璃棒、波美计、温度计、恒温水浴箱(如图1所示)和六速黏度计(见图2)。水玻璃和浓硫酸的具体参数见表1。

表1　实验选用试剂的参数

1.2实验过程

首先配制好波美度为30的水玻璃和质量分数为4.5%的稀硫酸溶液，分开盛放待用。然后，量取48 mL的稀硫酸、40 mL的水玻璃，共7份。将这7份溶液分别置于20 ℃，30 ℃，40 ℃，50 ℃，60 ℃，70 ℃，80 ℃的水中，待温度达到预定要求后将稀硫酸沿杯壁缓慢倒入水玻璃溶液中，同时用玻璃棒不断搅拌使两种溶液充分混合，此时开始记录时间。待烧杯中的浆液倾倒不流淌时，记下终凝时间。重复上述步骤进行不同温度下的实验。完毕后，重新配制一定体积的浆液，用六速黏度计测量浆液在各个温度下的黏度。然后在硫酸浓度为4.75%，5.0%，5.25%，5.5%的条件下，重复进行上述实验。

具体操作步骤如图3所示(以30 ℃为例)。

2　数据分析

硫酸浓度为4.75%，5.0%，5.25%，5.5%所配制的浆液分别在80 ℃，70 ℃，60 ℃反应时，浆液中瞬间产生了白色的凝胶体，由于这几组实验的反应机理和低温时的有所不同，所以其凝胶时间和黏度另行讨论。通过对数据的分析，得到了不同硫酸浓度的浆液凝胶时间、黏度随温度变化的曲线、不同温度的浆液凝胶时间、黏度随硫酸浓度变化的曲线和各个浓度浆液发生突变的温度曲线，如图4～图8所示。

根据图4可以看出，5种不同浓度浆液的凝胶时间在40 ℃之前，随着温度的升高时间都有所变长。40 ℃之后，随着温度的升高，凝胶时间逐渐缩短。40 ℃时，硫酸—水玻璃浆液的凝胶时间达到最大值。

根据图5可以看出，随着温度的升高，不同浓度浆液的黏度都在不断下降，浆液的黏度和温度成负相关关系。

根据图6可以看出，随着硫酸浓度的增加，同样温度下硫酸浓度较高的浆液较硫酸浓度较低的浆液的凝胶时间要短。硫酸浓度越高，凝胶时间越短。

根据图7可以看出，随着浆液中硫酸浓度的增加，同样温度的浆液黏度并没有受到较大的影响，所以温度还是影响浆液黏度的主要因素。

根据图8可以看出，随着浆液中硫酸浓度的增大，浆液中瞬间出现凝胶体的温度也在不断下降。硫酸浓度较低时，出现突变的温度较高，硫酸浓度高时，出现突变的温度较低。

3　结语

1)5种不同浓度的浆液在40 ℃之前，随着温度的升高，凝胶时间变长，40 ℃之后，浆液的凝胶时间开始缩短。硫酸和水玻璃混合后浆液中瞬间产生絮状凝胶体的温度为浆液的突变点，在这一温度，浆液的凝胶时间较前一温度有所增长，但随着温度继续增加，浆液的凝胶时间又开始缩短。

2)5种不同浓度的浆液都随着温度的升高后，黏度不断降低。

3)相同温度下，硫酸的浓度越高，凝胶时间就越短，且产生的凝胶体的强度也越高。

4)温度升高时，较高浓度条件下的浆液首先出现瞬间产生絮状凝胶体的现象，这种现象对凝胶体的强度起负面作用。所以，在降低温度时选择较高浓度的硫酸，较高温度时，选择较低浓度的硫酸。

[1]蒋硕忠.我国化学灌浆技术发展与展望[J].长江科学院院报,2003(5):25-27,34.

[2]孙永明,华莉.水玻璃灌浆材料的发展现状与展望[J].吉林水利,2005,17(9):13-14.

[3]马哲.化学灌浆材料的研究进展综述[J].广州化学，2014,39(1):9-13.

[4]李慎刚.砂性地层渗透注浆试验及工程应用研究[D].沈阳：东北大学博士学位论文，2010.

[5]李慎刚,赵文,杜嘉鸿.渗透注浆试验研究现状及展望[J].路基工程,2010(3)：34-36.

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[8]李慎刚.水玻璃注浆材料的耐久性分析[A].地基基础工程与锚固注浆技术研讨会论文集[C].2009.

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[13]吕擎峰.温度改性水玻璃固化黄土机制研究[J].岩土力学,2013,34(5)：1923-1928.

[14]吴国栋.酸性水玻璃化学注浆材料的实验研究及注浆工艺设计[D].长沙：中南大学硕士学位论文，2008.

[15]扈竹芳.非碱性水玻璃灌浆材料的研究及其应用[M].北京：中国学术期刊电子出版社，1994.

Effect of temperature on viscosity and gel time of sulfate-silicate slurry

Li Zuochun

(CollegeofEngineeringTechnology,ChinaGeologyUniversity(Beijing),Beijing100083,China)

Through experiments, the paper studies the impact of temperature upon sulfate-silicate slurry viscosity and gellitation time under different temperature conditions, explores the law of sulfate-silicate slurry with temperature alteration, and finally obtains some applicable and valuable conclusions.

sulfate-silicate slurry, gellitation time, viscosity, temperature

1009-6825(2016)19-0091-03

2016-04-21

李佐春(1991- )，男，在读硕士

TU502

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