超细矿渣微粉浆液的制备与可注性研究*

韩洪兴

(新乡学院 土木工程与建筑学院，河南 新乡 453003)

0 引 言

注浆加固技术具有非开挖、施工方便、节约资源等优点，广泛应用于道路病害处理[1]、微裂岩石防渗[2-3]、软土地基加固[4-5]、围岩巷道加固[6]。注浆法是通过注浆设备将所配浆液注入到岩石裂隙、粗细砂土、软弱土层中，形成不易渗水、更加稳定的结实体。目前，工程中常采用的注浆材料有普通硅酸盐水泥、超细水泥和化学浆液等[1-7]。王江峰等[8]采用超细水泥浆液加固煤壁，取得了较好了的注浆效果；Zhang和Yue[9]采用废旧玻璃粉作为胶凝材料，对掺有玻璃粉的矿渣砂浆强度、干缩和抗硫酸侵蚀性能的研究；许宏发等[10]基于水泥浆液，建立了注浆扩散模型；Gustafson等[11]在宾汉姆流体方程的基础上，推导了恒定条件下的注浆扩散模型；Kravchenko等[12]对矿渣微粉粒度分布和比表面进行了研究，发现平均粒径的减小会引起粉体比表面积的增大。近年来，我国公路、铁路、港口和房建等基础设施得到了快速发展，砂土地基问题逐渐凸显，特别是我国沿海、东部地区。大量砂土地基因承载力不足、易渗水、变形大，导致在砂土地基上修建的建筑物或构筑物发生不均匀沉降、开裂等严重问题，给砂土地基施工带来较大问题。

大量室内试验及工程实践表明，普通水泥浆液具有无毒、强度高、成本低和施工方便等优点，但该浆液的稳定性差、析水率大、凝结时间较长、难以注入到较小裂隙或细砂土层[13-14]，超细水泥浆液成本相对较高[15-16]，化学浆液具有毒性[17-18]。为了解决上述传统材料存在的问题。本文以超细矿渣微粉为基材，采用SF胶凝剂、HN增强剂作为掺入量，分别研究了不同水灰比(W/C)、HN增强剂掺量、SF胶凝剂掺量对该浆液粘度、胶凝时间、抗压强度的影响。开发一种无毒、无污染和低成本的新型注浆材料。

1 试验材料与设计

1.1 试验材料

超细矿渣微粉，来源于某建材有限公司，主要化学成分见表1所示。SiO2、Al2O3为超细矿渣微粉的主要活性成分，在碱性溶液条件下与水发生化学反应。碱性激发剂(如Ca(OH)2、NaOH等)能激发其活性，生产胶凝物质，增加胶凝物含量[19]。基于超细矿渣微粉本身固有活性及上述机理，本文选择了2种添加剂来激发超细矿渣微粉的活性，即HN增强剂和SF胶凝剂。HN增强剂是一种超细注浆材料，平均粒径为3～6 μm,比表面积在800 m2/kg以上，能够有效提高超细矿渣微粉浆液的扩散半径、渗透能力和结实体强度；SF胶凝剂属于碱性材料，该材料在水化早期,OH-将对矿渣微观网络结构中的Si-O-Si链、Al-O-Al链、Si-O-Al链进行破坏，加速矿渣微粉溶解。

表1 超细矿渣微粉的化学成分及其含量

1.2 试验方案

在本次试验中，选择了不同水灰比(W/C)、HN增强剂掺量和SF胶凝剂掺量为主要因素。通过分析超细矿渣微粉浆液的粘度、凝结时间、以及试样的抗压强度，初步确定3种因素的影响范围[20]，即水灰比取1.0～2.0，HN增强剂取2%～6%，SF胶凝剂取6%～10%。本次试验采用3个因素，选择的正交设计表为L9(34)，见表2所示。浆液粘度采用标准漏斗粘度计(1006型)对其进行测定。试样尺寸为φ45 mm×90 mm，制备后的试样放在标准恒温恒湿养护箱(YH-90B)养护,温度设为20 ℃，湿度≥90%。大量注浆工程试验表明[1-6]：浆材粘度、凝结时间和早期强度对注浆工程至关重要。因此，选取试样在7和14 d的抗压强度。抗压强度的计算精度至0.001 KPa。

表2 试验配比

2 结果与分析

2.1 超细矿渣微粉浆液

根据1.2正交设计方案，分别配制超细矿渣微粉浆液，测出试样的抗压强度(7和14 d)和浆液粘度，见表3所示。

表3 正交试验结果

从表3可以看出，配方号1-3浆液粘度大于180，配方号4-9的最大浆液粘度为24，最小浆液粘度为16，表明配方号4-9浆液粘度变化很小，均符合注浆要求，而配方号1-3浆液粘度不符合注浆要求。试样的抗压强度(14 d)与三因素的关系见图1所示。从图1可知，在单因素变化条件下，超细矿渣微粉浆液随着水灰比(W/C)和SF胶凝剂的增加而逐渐下降，该浆液随着HN增强剂的增加呈先增加后下降趋势，HN增强剂掺量为4%时，试样在14 d的抗压强度最大。从图1可知，超细矿渣微粉浆液在水灰比(W/C)为1.0、SF胶凝剂掺量为6%、HN增强剂掺量为4%时，该配比为浆液的最佳组合，但没有出现在9组配方号中，故追加试验。

图1 抗压强度(14 d)与三因素的关系Fig 1 Relationships between compressive strength (14d) and three factors

在上述最佳水平组合(HN增强剂为4%，SF胶凝剂为6%)基础上，再分别配制7组不同水灰比(W/C)的超细矿渣微粉浆液，即：W/C=1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0和2.2，分别测试所配浆液的粘度、抗压强度。水灰比与抗压强度(7和14 d)的关系见图2所示，水灰比与浆液粘度的关系见图3所示(水灰比为1.0时，浆液粘度大于180)。

图2 水灰比与抗压强度的关系Fig 2 Relationships between water cement ratio and compressive strength

图3 水灰比与粘度的关系Fig 3 Relationship between water cement ratio and viscosity

2.2 砂土的注浆试验

为了进一步分析超细矿渣微粉浆液能够注入到细砂土层中，将普通水泥浆液和超细矿渣微粉浆液的泄流量、扩散半径进行对比。本试验采用自行研究的注浆设备，塑料管长度设为65 cm，介质为淮河天然细砂[20]，超细矿渣微粉浆液和普通水泥浆液的泄流量见图4所示。

从图4可以看出，在相同注浆压力和对应的时间间隔内，超细矿渣微粉浆液在细砂土中的扩散半径和泄流量均大于普通水泥浆液。随着注浆时间(t)的增加，超细矿渣微粉浆液的泄流量近似呈线性下降，而普通水泥浆液的泄流量先下降较快，再缓慢下降，最后几乎保持不变。原因是超细矿渣微粉的粒径远大于普通水泥的粒径，使其更易注入到细砂土层中。

图4 超细矿渣微粉浆液和普通水泥浆液的泄流量Fig 4 Discharge of superfine slag powder slurry and common cement slurry

3 结 论

(1)超细矿渣微粉浆液的最优配比为：水灰比(W/C)为1.2、HN增强剂掺量为4.0%、SF胶凝剂掺量为6.0%，该浆液粘度为47.03,7 d抗压强度为5.208 kPa；

(2)随着水灰比(W/C)的增加，试样抗压强度(7 d和14 d)逐渐下降，浆液粘度先快速下降，再缓慢下降，最后几乎保持不变；

(3)通过注浆试验，对比相同注浆压力、注浆时间间隔，超细矿渣微粉浆液在细砂土中的扩散半径、泄流量均大于普通水泥浆液，注入细砂土层的深度更长、固结效果更好。