地聚合物注浆材料的开发及性能研究

白蕾

（河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064）

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

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流出，地聚合物浆体全部流完时间（s）即为地聚合物注浆材料的流动度。

（2）凝结时间：参照SZG B04—2007进行测试。

（3）抗压强度：采用无锡新路达仪器设备有限公司TYA-100C型电液式水泥抗压试验机，按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法（ISO法）》，分别测试养护至4 h、6 h、1 d、7 d、28 d期龄试样的抗压强度。

1.4 性能技术指标调整

上海市地方标准SZG B04—2007《公路路基与基层地聚合物注浆加固技术规程》对地聚合物注浆材料的技术要求见表4。虽然这些技术参数是目前在江浙沪地区各大设计院在设计地聚合物注浆材料的时候常常采用的指标，但是在实际的工作中发现其中存在着许多的不适应工程实际的情况。

表4 SZG B04—2007规定的地聚合物注浆材料主要技术要求

表4中的“路基加固用”地聚合物注浆材料在实际应用中几乎从来没有用到过，这主要是因为该类注浆材料凝结时间太长，强度增长太慢，根本无法实现短时间内通车的目的；此外，如果路基与基层采用不同的注浆材料，则需在注浆过程中更换注浆材料，从而极大降低现场施工效率。

“基层加固用”类型中的“快凝早强型”材料的凝结太快，留给施工人员的可操作时间太短，经常会出现浆未注完已经凝结的情况。该材料适合用于道路的极快速修补，比如在1 h内完成修补并开放交通。

“基层加固用”类型中的“普通型”材料是实际工程中最常用的，但该类型的技术参数的限定与实际工程应用存在较大差异：一方面，凝结时间的要求范围太大。若某注浆材料的凝结时间是400 min，虽然该材料是合格的，但不能满足夜间施工，天亮开放的实际需求；另一方面，强度的要求也过于宽泛。因此，应当根据凝结时间和强度，对该类型地聚合物注浆材料进行进一步细化。

基于前述的原因，在不违背SZG B04—2007《公路路基与基层地聚合物注浆加固技术规程》标准的前提下，可以将地聚合物注浆材料的技术指标进行调整（见表5）。

表5 修订后的地聚合物注浆材料的主要技术要求

2 结果与讨论

2.1 矿渣掺量对地质聚合物性能的影响

固定改性水玻璃中Na2O含量为9%、Ms为1.2，研究矿渣掺量对地质聚合物注浆材料凝结时间及力学性能的影响，结果见表6。

表6 矿渣掺量对地质聚合物注浆材料性能的影响

由表6可见，当矿渣掺量为30%～70%时，所制地质聚合物注浆材料的凝结时间及力学性能均满足修订后基层加固用普通Ⅲ型地聚合物注浆材料的技术要求。

2.2 水泥掺量对地质聚合物性能的影响

为满足“夜间施工，天亮开放交通”的实际养护需求，通过调整硅酸盐水泥掺量来调整地聚合物注浆材料的早期地聚合反应历程，进而调控后期反应产物种类及产物结构，最终实现快凝早强型地聚合物注浆材料的制备。

固定改性水玻璃中Na2O含量为9%、Ms为1.2，研究水泥掺量对地质聚合物注浆材料凝结时间及力学性能的影响，结果见表7。

表7 水泥掺量对地聚合物注浆材料性能的影响

由表7可见，硅酸盐水泥的加入大大改善了地聚合物注浆材料早期的水化行为，改性水玻璃中大量硅氧单体及低聚体迅速与水泥熟料中C2S、C3S、C3A等矿物溶解产生的Ca2+结合，形成C－S－H凝胶，从而实现快凝早强的目的。另一方面，硅酸盐水泥熟料的加入改变了地聚合物注浆材料体系中Si、Ca、Al等元素间的比例，最终导致产物类型由N－A－S－H与C－A－S－H 混杂型产物转变为 C－A－S－H 与 C－S－H 混杂型产物，后期强度大幅度提升。水泥掺量为15%和20%的F15C15G70－912和F10C20G70－912两组试样的关键性能符合修订后基层加固用普通Ⅰ型地聚合物注浆材料的技术要求；而F20C10G70－912型试样的关键性能符合修订后基层加固用普通Ⅱ型地聚合物注浆材料的技术要求。

2.3 Ms对地质聚合物性能的影响

水玻璃模数Ms的变化一方面意味着改性水玻璃中硅氧化物总量的变化，另一方面也对硅氧化物中单体与低聚体的比例产生影响。为进一步调控地聚合物注浆材料早期凝结硬化行为，固定 m（FA）∶m（C）∶m（GBFS）=15∶15∶70（下同），改性水玻璃中Na2O含量为9%，研究改性水玻璃模数Ms对地聚合物注浆材料凝结时间及力学性能的影响，结果见表8。

表8 Ms对地聚合物注浆材料性能的影响

由表8可见，当改性水玻璃模数Ms由1.2增至1.6的过程中，地聚合物注浆材料的凝结时间及早期抗压强度均发生了较大变化。当Ms由1.2增至1.4时，地聚合物注浆材料的凝结时间变化幅度不大，但早期强度明显降低；当Ms由1.4增至1.6时，地聚合物注浆材料的初凝时间大幅缩短，终凝时间稍许缩短，除4 h和6 h强度上升外，后期强度均发生不同程度的降低。

2.4 Na2O含量对地质聚合物性能的影响

在Ms一定时，改性水玻璃中Na2O含量的变化一方面决定了体系的碱度，进而影响其对粉煤灰、矿渣等硅铝质原料的激发能力，另一方面也决定了激发体系中（Na2O+SiO2）的总量。为进一步调控地聚合物注浆材料的早期凝结硬化行为及后期强度发展，固定改性水玻璃的Ms为1.4，研究改性水玻璃中Na2O含量对地聚合物注浆材料凝结时间及力学性能的影响，结果见表9。

表9 Na2O含量对地聚合物注浆材料性能的影响

由表9可见，随改性水玻璃中Na2O含量由6.0%增至12.0%，地聚合物注浆材料的初凝时间由25 min逐渐增至65 min，而终凝时间则大幅缩短。Na2O含量为9.0%和12.0%的F15C15G70－914和F15C15G70－1214两组试样的凝结时间满足修订后基层加固用普通Ⅰ型地聚合物注浆材料的技术指标，而其抗压强度满足基层加固用普通Ⅱ型的技术指标。F15C15G70－614型地聚合物注浆材料由于Na2O含量较低，改性水玻璃的整体激发能力较弱，终凝时间较长，故无法快速形成强度。

3 工程应用

沈海高速（G15）江苏段濒临黄海，路线大多处于海相沉积平原，区域内地下水位高，沿线软土分布广泛，且大多为海陆交互的厚层或超厚层软土，部分路段软土厚度达30 m。此外，沿线地基土含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、凝聚力小、固结系数小。

自该高速投入运营以来，部分路段出现了不同程度的沉降，沉降严重路段对行车安全性和舒适性造成一定程度的影响。为此，2015年9月采用F15C15G70－912型地聚合物对该高速部分不均匀沉降段进行注浆处理，表10为G15江苏某段采用地聚合物注浆前后的数据对比。

表10 G15江苏某段采用地聚合物注浆前后数据对比

由表10可见，该高速不均匀沉降路段经过地聚合物注浆加固以后，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。经过2年的运营以后，质量完好，行车舒适。

4 结语

（1）当改性水玻璃中Na2O含量为9%、Ms为1.2、矿渣掺量为30%～70%时，所制地聚合物注浆材料的凝结时间及力学性能均符合修订后基层加固用普通Ⅲ型地聚合物注浆材料的技术要求。

（2）F15C15G70－912和 F10C20G70－912两组地聚合物注浆材料的关键性能符合修订后基层加固用普通Ⅰ型地聚合物注浆材料的技术要求。

（3）采用非开挖式地聚合物注浆技术能有效修复路面的不均匀沉降，经F15C15G70－912型地聚合物注浆处理后，代表弯沉值降低约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。经过2年的运营以后，质量完好，行车舒适。