1.化學漿材
常用化學漿材,包含真溶液(離子態溶液)和膠狀溶液(懸浮態溶液)兩類,分別以化學反應及物理促凝方式產生膠凝或固化行為。利用灌漿設備注入地層中,藉由滲透、擴散、膠凝或固化等行為,達到增加地層強度、降低地層滲透性、防治地層液化等目的的化學漿材材料。
廣義的化學漿材,也把高分子聚合物(如:聚氨酯樹脂等) 、土汙治理化學材料(如:特殊藥劑、雙氧水、硫酸、超微細金屬粉末懸濁液等)、水泥或皂土與化學溶液搭配使用的漿材,亦稱為化學漿材。 因為該類漿材性質及使用目的差異性較大,為避免產生混淆,建議另外歸類。
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2-1 常用化學漿材種類
矽酸鈉(Sodium silicat): 矽酸鈉俗稱“水玻璃”,是一種應用很廣泛的化工材料。舉凡土木工程、民生工業、化工產品、機械產業等都會用到矽酸鈉。矽酸鈉因其摩爾比(Molar ratio)不同分為5種型號,運用在不同產業。 其中土木工程最常用的是#3矽酸鈉及#5矽酸鈉。兩者之間的差異在鈉離子及二氧化矽成分不同。#3矽酸鈉,鈉離子含量高; #5矽酸鈉,鈉離子含量低。
◆ 矽酸鈉由石英砂+碳酸鈉+苛性鈉合成,溶於水呈鹼性。
◆ 不同型號含有不同比例鈉離子。
◆ 膠凝機制,由酸鹼度控制(化學反應)。
◆ 膠凝體耐久性(水解) ,主要由鈉離子含量控制。(其他金屬離子及雜質也有影響)
◆ #3矽酸鈉,鈉離子含量高,適合短期使用(建議2年左右),於鹽鹼地層膠凝性差,膠凝時間及瞬凝行為不易控制。
◆ #5矽酸鈉,鈉離子含量低,適合長期使用,於鹽鹼地層膠凝性佳,膠凝時間較易控制,可進行瞬凝及超瞬凝使用。
針對工程應用,為了能夠長時間膠凝不水解,能夠在特殊地層(如:鹽鹼地層、有機質含量高地層、化學汙染地層使用),可以單獨使用或與水泥漿搭配達到超瞬凝膠凝(固化)效果,專業廠商特別純化#5矽酸鈉,降低其中雜質及金屬離子, 開發升級#5矽酸鈉,工程運用代號「SSA 」。
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2-2 新型化學漿材
矽溶膠(Colloid silicat): 矽溶膠是一種應用廣泛的化工材料,土木工程、民生工業、電子產業等都會用到。針對運用領域,分為中性、帶正電、 帶負電等類型。灌漿用奈米級矽溶膠因為製造過程要求較高,價格上與矽酸鈉仍有一定差距(較貴)。
- 濃度: 7– 50% ⼆氧化矽
- 顆粒⼤⼩分布
- 外觀: 球狀(high S-value) 或鏈狀(low S-value)
- 顆粒⼤⼩2–100 奈米
- 表⾯積⼤⼩: 30-1100 m2/g
- pH: 2–12
- 表⾯改質: 銨改質, 鋁改質, 氯離⼦改質, 烷基改質, 去離⼦
矽溶膠為懸浮液的一種,膠凝機制屬於物理反應,促凝劑並不參與二氧化矽鍵結轉換,僅造成群體電荷不平衡引發膠凝反應。操作上,技術門檻較低。因為膠凝機制為物理反應,改變促凝劑濃度即可改變反應終止時間。但因為矽溶膠主劑對於電荷變化較敏感,漿材並不適合在現場稀釋調配,相對也造成材料成本及運輸費用提高。
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3-1 化學漿材應用方式
選擇要點 :
- 目的
- 效果
- 時間
- 成本
考慮項目 :
- 施工場地配合
- 工址周邊影響(箱涵、管道、地下空間、構造物/道路等)
- 施工廠商是否具備類似經驗
- 廠商現場管理能力
- 可以配合進場時間
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3-2 化學漿材主要功能與應用
矽酸鈉及矽溶膠:
- 封堵湧水
- 降低地層透水係數
- 增加地層自立高度(凝聚力)
- 防止砂土液化
配合工法 :
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4. 化學漿材的優缺點
化學漿材優點﹕
- 瞬凝漿液凝結時間快,可減少漿材被地下水稀釋或沖散。
- 材料具高滲透性與耐久性,適用於土層(砂土)滲透灌漿。
- 可均勻降低地層透水係數。
- 可適度增加土層強度。(最大0.4MPa)
- 漿液有重疊性,可建構連續性止水隔幕。
- 搭配雙環塞工法,可重複灌注。
化學漿材缺點:
- 不適用於地中孔洞填充。
- 固化後漿液強度低。
- 地層需在有一定程度含水量才能維持膠凝狀態。
- 矽酸鈉材料調配技術門檻高,矽溶膠需仰賴廠內調配。
- 需要注重現場施工管理(管控)。
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5-1 案例
(潛盾隧道發進、到達及聯絡通道地盤改良)
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5-2 案例
(捷運隧道發進端與淺覆土段)
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5-3 案例
(捷運隧道聯絡通道地盤改良)
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5-4 案例
(施工中潛盾隧道湧水崩坍搶險)
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5-5 案例
(地下室開挖過程湧水搶險土層)
逆打建築地下室開挖過程,於開挖面點井外側發生湧水、湧砂現象,經採用二重管止水工法搭配超瞬凝及緩凝矽酸鈉化學漿液灌注,有效克服湧水問題。
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