地聚合物注浆材料的开发及性能研究

地聚合物注浆材料的开发及性能研究

白蕾

【摘要】以粉煤灰、矿渣等大宗工业固体废弃物及水泥为主要原料,在改性水玻璃的激发下进行地聚合反应,制备新型低碳、高强、无收缩的地聚合物注浆材料.试验结果表明:随矿渣、水泥掺量的增加,地聚合物注浆材料的凝结时间大幅度缩短、抗压强度大幅度提高;改性水玻璃中的Na2O主要控制其对粉煤灰及矿渣等的激发能力,而水玻璃模数Ms主要控制早期地聚合反应的过程.经工程应用表明,采用该非开挖式地聚合物注浆材料能有效修复路面的不均匀沉降,经优选的F15C15G70-912型地聚合物注浆处理后,代表弯沉值降低50％,路面强度系数由0.39～0.42提高到0.76～0.80,路面强度评级由次提高到良.

【期刊名称】《新型建筑材料》

【年(卷),期】2018(000)007

【总页数】5页(P11-15)

【关键词】地聚合物;注浆材料;路基加固;配合比

【作者】白蕾

【作者单位】河南建筑职业技术学院,河南郑州 450064

【正文语种】中文

【中图分类】TU528.59

0 引言

对于大部分道路破损，仅采用面层修补无法根本改变道路状况，必须对其路基进行处理，以提高路基的承载能力[1－2]。大规模地翻挖原有路面，施工周期长、资金投入多、对交通干扰较大。1996年，国务院《城市道路管理条例》（国务院198号令）第33条明确规定“新建、改建、扩建城市道路交付使用后5年内，大修道路竣工后3年内，不得开挖”。非开挖式注浆加固技术凭借工艺简单、成本低、

开放交通快等优点已成为道路补强加固的首选方案[3－4]。

我国每年生产大量的粉煤灰、矿渣等工业废渣，其利用率较低。矿渣本身是一种具有潜在活性的玻璃体结构物质，有研究表明[5－6]：玻璃态的矿渣并不具有单独水化硬化能力，矿渣作为具有潜在水硬性的工业废渣，含有较多的玻璃态物质，在纯水中水化反应很慢，甚至不进行水化，但在Ca（OH）2、NaOH或水玻璃等碱性物质激发作用下，其活性被激发，能够促进水化反应。粉煤灰具有火山灰效应和微集料效应，其本身不具备水化硬化能力，但当体系中存在Ca（OH）2、NaOH或水玻璃等碱性物质时，在碱性激发剂作用下，粉煤灰中的玻璃态物质逐渐解体，硅酸根离子、铝酸根离子溶解，与溶液中的Ca2+及[Si（OH）4]等一起发生水化反应，生成具有凝胶性的硅铝酸盐，该水化产物能够增强结石体的耐久性[7－9]。

根据地聚合物反应原理，在普通水泥水玻璃注浆材料的基础上，用粉煤灰和矿渣代替部分水泥，以水泥、粉煤灰、矿渣、水玻璃为主要原材料，研发一种新型注浆材料——地聚合物注浆材料[10－11]。该注浆材料充分利用了粉煤灰、矿渣等工业

废渣，不仅减少了粉煤灰、矿渣对环境的污染，将其变废为宝，应用于实际工程中，而且粉煤灰、矿渣的成本较低，大幅度降低地下工程注浆所需成本，同时因水泥使用量的减少，降低了生产水泥所消耗的不可再生能源的使用量[12－14]。该注浆

材料具有凝胶时间可控、结石体强度高、抗地下水侵蚀强、成本低、环境友好等优点，克服了水泥水玻璃双液浆稳定性差、易被水溶蚀、耐久性差的缺点。

本文主要研究矿渣、粉煤灰、水泥掺量及水玻璃模数等对地聚合物注浆材料性能的

影响，并介绍了所研制注浆材料在实际工程中的应用效果。

1 实验

1.1 原材料

（1）粉煤灰（FA）：市售Ⅰ级粉煤灰，其主要化学组成如表1所示。激光粒度分析结果表明，该粉煤灰的d10、d50、d90分别为 1.04、10.80、68.52 μm。此外，XRD 分析结果表明，该粉煤灰中含有莫来石（PDF No.：79－1276）和石英（PDF No.：83－539），而2θ=15°～35°范围内出现的“馒头峰”表明粉煤灰

中含有大量玻璃相（见图1）。

表1 粉煤灰的主要化学成分 %?

图1 粉煤灰的XRD图谱

（2）矿渣（GBFS）：市售S95粒化高炉矿渣，密度为2.86 g/cm3，其化学组成如表2所示。激光粒度分析结果表明，该矿渣的中位粒径d50=11.4 μm。XRD

分析结果表明，在2θ=20°～40°范围内出现的漫散射峰表明矿渣中含有大量玻璃体，因而其火山灰活性较高。在2θ=29.5°（d=0.30284 nm）处的衍射峰代表镁硅钙石，在2θ=31.3°（d=0.28545 nm）处的衍射峰代表镁黄长石或钙铝黄长石（见图2）。

表2 粒化高炉矿渣的化学组成 %?

图2 矿渣的XRD图谱

（3）水泥（C）：江南小野田生产的P·Ⅱ52.5水泥，CaCO3含量5%。根据化学组成按鲍格法计算，该水泥各矿物组成分别为：C3S 46.7%、C2S 25.9%、C3A 6.8%、C4AF 10.0%。

（4）水玻璃（WG）：SiO2含量26.2%，Na2O 含量8.5%，H2O含量65.3%，工业级，南京道勤实业有限公司；固体氢氧化钠：纯度≥96%，西陇化工股份有限公司；水：去离子。

1.2 制备方法

1.2.1 改性水玻璃的制备

按式（1）和式（2）分别将计算好的固体氢氧化钠、去离子水加入工业水玻璃中，复配制成Na2O含量分别为6.0%、9.0%、12.0%，水玻璃模数Ms分别为1.2、1.4、1.6的改性水玻璃，静置24 h后使用。

式中：mNaOH——固体氢氧化钠质量，g；mH2O——去离子水质量，g；MSiO2——SiO2的摩尔质量，60 g/mol；MNa2O——Na2O的摩尔质量，62

g/mol；MNaOH——NaOH的摩尔质量，40 g/mol；MH2O——水的摩尔质量，18 g/mol；ωH2O为原水玻璃中水的质量分数；ω′H2O

——改性水玻璃中水的质量分数；ωNa2O——原水玻璃中Na2O的质量分数；

ωSiO2——原水玻璃中SiO2的质量分数；Ms′——改性水玻璃的模数；P——固体氢氧化钠的纯度，按96%计。

1.2.2 地聚合物注浆材料的制备

按表3配合比，称取一定质量的复合粉体和改性水玻璃于水泥净浆搅拌机中搅匀，再注入30 mm×30 mm×30 mm钢模具中。用PE保鲜膜将试样包裹起来，置于（20±1）℃、相对温度≥95%的标准养护室中养护24 h后脱模，然后继续置于标准养护箱中养护至规定龄期。

表3 地聚合物注浆材料的质量配合比设计注：（1）水玻璃中各组分含量均以复合粉体质量计；（2）水与（复合粉体+Na2O+SiO2）的质量之比均为0.45。

1.3 性能测试与表征

（1）流动度：参照SZG B04—2007《公路路基与基层地聚合物注浆加固技术规程》进行测试。测试时，先将漏斗调整放平，关上底口活门，将搅拌均匀的地聚合物浆体倾入漏斗内，直至表面触及点测规下端。打开活门，让地聚合物浆体浆自由