水玻璃化學(xué)灌漿材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

    水玻璃是化學(xué)灌漿中使用較早的一種材料，由于其優(yōu)越的綜合性能，目前仍然是使用較廣的化學(xué)灌漿材料之一。至 1974 年日本福岡丙烯酰胺注漿引起環(huán)境污染造成中毒事件后，水玻璃化學(xué)灌漿材料作為一種污染小的漿材更為世界各國(guó)所重視。
    水玻璃化學(xué)灌漿材料的優(yōu)點(diǎn)：
1)水玻璃漿液是真溶液，起始粘度低，可灌性好；
2)水玻璃漿材來(lái)源廣，造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)效益巨大；
3)水玻璃漿材主劑毒副作用小，不會(huì)污染環(huán)境，使用安全；
4)可以與水泥配合使用，能結(jié)合水泥漿材利水玻璃漿材兩者的優(yōu)點(diǎn)；
5)水玻璃類化學(xué)灌漿材料是指一系列漿材，可以針對(duì)不同施工、水文、地質(zhì)、土壤條件，選用相應(yīng)種類。
    水玻璃化學(xué)灌漿材料的分類：
    水玻璃化學(xué)灌漿材料是指水玻璃在膠凝劑的作用下，產(chǎn)生凝膠的一種化學(xué)灌漿材料。大致分為在堿性區(qū)域凝膠化的堿類和中性一酸性區(qū)域凝膠化非堿類漿材，堿類漿材目前研究已經(jīng)比較深入，按膠凝劑的不同可分為酸反應(yīng)劑（小蘇打 Na 2 HCO 3 、磷酸 H 3 PO 4 、硫酸氫鈉 NaHSO 4 、氟硅酸鈉 Na 2 SiF 6 、硫酸銨（ NH 4 ） 2 SO 4 等），金屬鹽反應(yīng)劑（氯化鈣 CaCl 2 、硫酸鋁 Al 2 SO 4 等）以及堿性反應(yīng)劑（鋁酸鈉 NaAlO 2 等）三種。亦可按膠凝劑分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系類和無(wú)機(jī)類水玻璃漿材。
    傳統(tǒng)水玻璃化學(xué)灌漿材料：
    堿類水玻璃化學(xué)灌漿材料是比較常用的水玻璃漿材。以氯化鈣作為膠凝劑的水玻璃化學(xué)灌漿材料使用較早，對(duì)環(huán)境不造成污染，固砂體強(qiáng)度是目前所開(kāi)發(fā)的各類水玻璃漿材中較高的，但是由于其瞬時(shí)固化，除了在處理涌水中有非常大優(yōu)勢(shì)外，總體說(shuō)來(lái)給工程施工帶來(lái)許多不便。固結(jié)安全性等性質(zhì)較差。堿性反應(yīng)劑，以鋁酸鈉為例，漿液滲透性好，如注入地層的漿液被地下水稀釋，其具有凝膠固化時(shí)間變快的性質(zhì)。
    選用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系膠凝劑作為水玻璃漿材添加劑比選用無(wú)機(jī)膠凝材料在固化時(shí)間的控制上更有優(yōu)勢(shì)，而且在凝膠后的固結(jié)物凝膠體中，因反應(yīng)緩慢進(jìn)行，故反應(yīng)效率高，穩(wěn)定性和固結(jié)強(qiáng)度非常大，且有利于降低水玻璃漿液的堿性。但是就目前已開(kāi)發(fā)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系類水玻璃漿材而言往往容易帶來(lái)一些環(huán)境問(wèn)題。
    新型水玻璃化學(xué)灌漿材料的研究
    粘度低，可灌性好，造價(jià)低，這是水玻璃漿材的優(yōu)點(diǎn)，但是水玻璃漿材有待改進(jìn)之處也很多，如膠凝時(shí)間的調(diào)節(jié)不夠穩(wěn)定，可控范圍小，凝膠強(qiáng)度底，凝膠體穩(wěn)定性差，固砂體耐久性還有待進(jìn)一步考證，金屬離子易膠溶等，在較久性工程中的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。水玻璃漿材的潛在效果是巨大的，對(duì)它的研究一直在不斷進(jìn)行。加入新型添加劑對(duì)水玻璃漿材進(jìn)行改性的研究工作目前正逐步展開(kāi)。由于地下工程的復(fù)雜性，應(yīng)根據(jù)不同的水文地質(zhì)環(huán)境，不同的工程使用目的，選取不同種類的水玻璃漿材，也就是說(shuō)當(dāng)前水玻璃化學(xué)灌漿材料總的發(fā)展方向應(yīng)該是研制出適合不同水文地質(zhì)環(huán)境要求的一系列環(huán)保型水玻璃漿材。針對(duì)添加無(wú)機(jī)膠凝劑的水玻璃灌漿材料凝膠時(shí)間太短，滲透性能不能滿足要求，粘度低時(shí)強(qiáng)度較低，很難同時(shí)達(dá)到凝膠時(shí)間長(zhǎng)和抗壓強(qiáng)度高的問(wèn)題，采用乙酸乙酯和早酰胺作為復(fù)合膠凝劑的水玻璃漿材，在漿液的膠凝時(shí)間，固砂體抗壓強(qiáng)度和耐久性等方面有了改進(jìn)。 [1] 通過(guò)往水玻璃和乙酸乙酯中加入兩種不同的乳化劑，將兩液混合輕輕攪動(dòng)即可使用的水玻璃——乙酸乙酯微乳化學(xué)灌漿材料，該漿液具有高固結(jié)強(qiáng)度，低成本，純凈，膠凝時(shí)間可控的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合在鉆井護(hù)壁堵漏中使用。 [2] 月桂醇、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉三種表面活性劑在提高水玻璃漿材的濕潤(rùn)滲透性能方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出十二烷基苯磺酸鈉作用效果明顯的結(jié)論 [3] 一種水玻璃單液法高度度的調(diào)制劑，其膠凝時(shí)間在 3~26h 內(nèi)可以調(diào)節(jié)，適用于 70 ℃～ 100 ℃溫度地層，封堵強(qiáng)度高，堵塞率高，配制簡(jiǎn)單，施工方便，且純凈的新型中高溫堵劑，能對(duì)油田的穩(wěn)油控水起一定作用。 [4]
    水玻璃化學(xué)灌漿材料的研制方向和展望
    ①化學(xué)灌漿材料主要應(yīng)用于地下工程，而地下環(huán)境是復(fù)雜多變的，這就要求根據(jù)不同的地下環(huán)境研制不同種類的綜合性能良好的一系列水玻璃漿材。
    ②研究新型水玻璃漿液的重要意義之一上源于水玻璃漿液的主劑水玻璃除了可能引起堿性污染外，不會(huì)造成環(huán)境問(wèn)題，因此在選用添加劑時(shí)，就必須考慮是否有毒，在漿液使用前有毒，還是在使用過(guò)程中有毒，或者是在工程完成以后有毒。尋找無(wú)害性的水玻璃添加劑是新型水玻璃漿材發(fā)展的趨勢(shì)。
    ③水玻璃類漿材料作為一種化學(xué)灌漿材料使用歷史悠久，但是其膠凝固化原理到目前為止，仍沒(méi)有一致的說(shuō)法，要研制新型水玻璃類漿材料，則有必要對(duì)水玻璃凝膠機(jī)理進(jìn)行深入研究。
    ④水玻璃漿液的聚合固化過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，只有首先認(rèn)識(shí)了膠結(jié)固結(jié)原理，才能為研究水玻璃膠凝時(shí)間提供依據(jù) [5] 。
    ⑤水玻璃漿材較之其他化學(xué)灌漿材料的非常大優(yōu)點(diǎn)是成本低，而不足之處則是他的固結(jié)強(qiáng)度不及某些化學(xué)漿材，因此在強(qiáng)度上發(fā)掘水玻璃漿液的潛力，也是今后一個(gè)努力方向。
    ⑥水玻璃漿液的應(yīng)用目前大多限于臨時(shí)或半較久性工程，由于在耐久性方面的研究還有待深入。
    ⑦水玻璃改性劑的研制過(guò)程，由單一改性劑向復(fù)合改性劑發(fā)展，實(shí)驗(yàn)證明使用復(fù)合改性劑比單一改性劑往往具有更加優(yōu)異的性能。