一种新型地聚合物胶料制备与路基溶洞充填应用技术

柴涛 刘鹏

摘 要：針对传统路基溶洞充填材料抗压强度低，凝胶时间长，对溶洞结石加固作用差问题，提出一种新型地质聚合物充填材料的制备。材料配比进行优化，然后对地质聚合物加固路基溶洞的作用进行研究。结果表明，偶联剂KH550用量为粉煤灰总质量的2%，碱激发剂叔丁醇钠、硅酸钠用量分别为5%和10%，7、28 d抗压强度分别为28.5、30.6 MPa。初凝时间和终凝时间分别为176、268 min。流动度为298 mm，满足相关标准，可以作为路基溶洞充填材料使用。在实际工程中应用，注浆后溶洞结构颗粒间的结构致密，颗粒结合更加紧密，这也使土体更加结实牢固。对地质聚合物充填的溶洞路基沉降情况进行预测分析，指数曲线的拟合与实际数据相关系数为0.996 1，依照现场施工进度，铺轨时沉降量S503为216.32，回填路基最终沉降量为226.01 mm，沉降差值在允许的沉降要求内，即车辆在此回填体上可正常的安全行驶。

关键词：地质聚合物；地基充填材料；碱激发剂；力学性能

中图分类号：TQ 177

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）04-0100-05

Preparation of a novel type of geopolymer compound and its application technology on filling subgrade cave

CHAI Tao1，LIU Peng2

（1.Chongqing Jinlu Traffic Engineering Co.，LTD.，Chongqing 402660，China；

2.Chongqing Underground Application Technology Research Institute Co.，LTD.，Chongqing 401120，China

）

Abstract：Aiming at the problems of low compressive strength，long cementation time and poor reinforcement effect of traditional filling materials for karst caves in subgrade，a new type of geopolymer filling material was proposed.We first optimized the material ratio，and then studied the effect of geopolymer on the reinforcement of subgrade karst caves.The test results showed that the compressive strength of the prepared geopolymer is 28.5 MPa and 30.6 MPa at 7 d and 28 drespectively，when the amount of coupling agent KH550 was 2% of the total mass of fly ash，the amount of alkali activator sodium tert-butanol was 5%，and sodium silicatewas 10%.The initialand finalcementation timewere 176 min and 268 min respectively.The fluidity was 298 mm，which qulified relevant standards and could be used as filling material for subgrade karst caves.In practical engineering applications，after grouting，the structure between the particles in the karst cave structure was dense，and the particles were more closely combined，which also made the soil more solid and firm.The settlement of the karst cave subgrade filled with geopolymer was predicted and analyzed.The correlation coefficient between the fitting of the exponential curve and the actual data was 0.9961.According to the site construction progress，the settlement during track laying was S503=216.32，and the final settlement of the backfill subgrade was 226.01 mm.In conclusion，the settlement difference is within the allowable settlement requirements，vehicles can normally and safely drive on the backfill.

Key words：geopolymer;foundation filling materials;alkali activator;mechanical property

我国经济不断迅速发展，高铁建设不断辐射到全国各个地区，西南地区相应隧道在线路中的占比也越来越高。高速公路穿越溶洞是时下较为正常的现象。目前，铁路穿越岩溶洞隧道工程一直都面临着很大的施工难题。充填型溶洞受其充填特性的影响，溶洞力学状态以及工程地质都不稳定。寻找一种适合的溶洞充填材料是提升穿越溶洞高速公路安全性的重要方式。对此，部分学者也进行了很多研究，如吴丽萍通过碱化长径稻草对铁尾矿水泥充填材料进行改性，增强其抗压强度。试验结果表明，稻草在充填体中发挥纽带作用，增加了充填体黏结和机械咬合力［1］。宋俊杰则通过正交试验对废石-磷尾砂充填材料配比进行优化，使优化后的充填材料可以满足矿山充填要求［2］。罗鹏翔则研究了氯化钙作为碱激发剂激发粉煤灰充填材料，以达到增强充填物强度的目的［3］。孙文杰则通過碱渣对矸石胶结充填材料力学性能进行改良。试验结果表明，经过碱渣改良后，材料早期强度和后期强度增幅高达449%和187%，表现出良好的力学性能［4］。以上学者的研究为路基溶洞充填用聚合材料的发展提供了一些参考，但还达不到路基溶洞充填用聚合材料的使用要求，基于此，本试验以卢春阳［5］论文中的方法作为参考，制备了一种新型地质聚合物路基溶洞充填材料，并对其充填效果进行研究。

1 试验材料与方法

1.1 材料与设备

主要材料：偶联剂KH550（AR 沅锦新材料 ）；叔丁醇钠（AR，裕德顺化工）；硅酸钠（AR，双牛化工）；粉煤灰（Ⅰ级，宏乾环保工程）。

主要设备：NJ-160型净浆搅拌机（航凯仪器）；ZY-9000S型拉力试验机（卓亚仪器）；DH108型红外光谱仪（恒美电子）；ZEM15型扫描电镜（泽镜科技）；SC-145型维卡仪（天棋星子检测设备）。

1.2 试验方法

1.2.1 改性粉煤灰的制备

在30 mL去离子水中溶入不同体积的KH550，然后放入300 g粉煤灰，在NJ-160型净浆搅拌机的作用下进行搅拌，搅拌时间为30 min，通过静置过滤烘干，得到改性粉煤灰。

1.2.2 地质聚合物的制备

（1）将一定质量的碱激发剂溶于水后静置，静置时间为2 h。将模量为2.0的硅酸钠粉末放入碱激发剂溶液中，得到碱激发混合溶液；

（2）将改性粉煤灰放入碱激发混合溶液内，并通过净浆搅拌器搅拌混合均匀，搅拌转速和时间分别为1 200 r/min和15 min；

（3）将分散均匀的浆液倒入提前准备好的模具中，然后在保温箱内养护1 d后进行脱模，继续在保温箱内25  ℃和相对湿度为95%的条件下养护至指定龄期，得到聚合物注浆材料。

1.2.3 配比设计

偶联剂KH550用量设计，具体如表1所示。

对地质聚合物碱激发剂用量配比进行设计，具体如表2所示。

1.3 性能测试

参照SZ-G-B04—2007测试地质聚合物的性能［6-7］。抗压强度测试，通过拉力试验机测试地质聚合物抗压强度。

红外光谱测试：通过红外光谱仪测试地质聚合材料官能团。

微观形貌测试：通过扫描电镜观察材料的微观形貌。

凝结时间测试：通过维卡仪测试地质聚合物的凝结时间。

2 结果与讨论

2.1 偶联剂 KH550用量优化

图1为KH550用量优化结果。

从图1可以看出，当偶联剂KH550用量为6 mL（质量分数2%）时，地质聚合物表现出较好的抗压强度。这是因为偶联剂KH550在粉煤灰表面与

SiOH结合生成

SiOSi键，为地质聚合反应提供更多的反应活性位点。但偶联剂KH550自身也为小分子结构，在对粉煤灰改性过程中，会形成氢键，当偶联剂用量过多时， SiOH通过分子间氢键结合，形成低聚物，这降低了参与反应的地质聚合物，使得抗压强度有一定降低［8-9］。因此，适宜的偶联剂KH550用量为6 mL（粉煤灰总质量的2%）。

2.2 地质聚合物结构与形貌表征

2.2.1 官能团表征

图2为红外光谱测试结果。

由图2可以看出，经过偶联剂KH550改性后在2 930 cm-1处存在CH键的特征峰，这就说明偶联剂成功对粉煤灰进行了改性。同时，在1 000 cm-1处属于

SiOSi键明显右移，这说明粉煤灰经过改性后，表面的活性位点明显增加，对反应物的聚合反应有促进作用，制备的地质聚合物抗压强度增加［10］。

2.2.2 微观形貌表征

图3为微观形貌测试结果。

从图3可以观察到，没有经过偶联剂改性的粉煤灰，具备较低的反应活性，地质聚合物结合受到影响，降低了界面能，进而降低了聚合物的力学性能。而经过偶联剂KH550改性后，在粉煤灰玻璃微珠表面有较多孔洞形成，这就增加了粉煤灰的比表面积，使其释放的玻璃体相增多，提升了粉煤灰溶解度。同时，改性后的粉煤灰会释放更多活性硅铝溶胶，生成更多的水化产物与地质聚合物，这些水化产物和地质聚合物也会进入地质聚合物内部，增强了地质聚合物内部结构的致密性［11］。同时，还能增强玻璃微珠与地质聚合物界面结合力，基体稳定性增加，其抗压强度也随之增加［12］。

2.3 碱激发种类及用量优化

2.3.1 碱激发剂种类优化

固定碱激发剂摩尔浓度为5 mol/L，通过抗压强度对碱激发剂种类进行优化，结果图4如所示。

由图4可知，在相同条件下养护28 d后，STB/SS复合碱激发剂激发的粉煤灰聚合物抗压强度最高，达到了30.1 KPa，碱激发效果良好。这是因为碱激发剂会为聚合反应创造过度的碱性环境，使得大量硅酸盐离子与铝酸盐离子迅速溶解累积。选择单一碱激发剂对地质聚合物作用时，激发剂中缺少足够可溶性硅，因此对抗压强度的增强效果有限。而混合碱激发剂中的硅酸钠经过水解后，除了为地质聚合反应提供碱性环境外，还提供了大量的活性二氧化硅，这能促进地质聚合物生成三维立体结构，增强了地质聚合物的抗压强度［13］。而TBS水解产物为叔丁醇，与SiOH反应后，形成SiOSi键参与地质聚合物三维网络结构的形成，对抗压强度产生积极的影响。因此，适合的碱激发剂种类为STB/SS复合碱激发剂。

2.3.2 碱激发剂配比优化

图5为碱激发剂配比优化结果。从图5可观察到，当STB用量为15 g，SS用量30 g时，地质聚合物的抗压强度最高，7、28 d抗压强度分别为28.5 、30.6 MPa。这是因为叔丁醇用量存在适宜值，在该含量条件下，丁醇钠水解产生的 OH-可最小程度的抑制硅酸钠的是水解，对形成地质聚合物三维结构产生积极的影响，进而增强材料的抗压强度。从抗压强度方面考虑，选择适合的碱激发剂用量为15 g和30 g，占粉煤灰总质量的15%（5%STB和10%SS）。

2.4 凝胶时间及流动度测试

表3为地质聚合物凝胶时间与流动度试验结果。

3 工程技术与应用

3.1 试验方案

3.1.1 工程概况

选择西南地区典型岩溶地质区域穿越隧道为试验对象。进口里程DIK51+348，出口里程DIK51+288，全長4025.3 m，这条铁路隧道是高速公路隧道，设计的时速是200 km/h，纵向坡度是-17.6%、-13%的单面下坡［16-17］。地层主要是由灰岩夹白云岩、奥陶系下统组灰岩夹泥灰岩，洞身周围有断层，断层通过处地表形成裂谷，地质条件比较复杂，属于I级风险隧道［18］。溶洞洞内表面溶蚀发育，到处都是钟乳石、石笋、石柱，表面有水流很急，安静时能听见微弱的水流声，溶洞外露20～25 m，最宽处和深度分别约为56 m和46 m；溶洞顶部呈倒锅底形，基本岩体是巨厚状坚硬整体的硅质石灰岩，稳定性良好，但侧壁局部为强风化呈黄灰色的悬崖，层间结合比较差，夹全风化黏土，风化裂隙发育，有发生掉块和小型坍塌的可能性［19-20］。

3.1.2 施工方案

采用垂直导管法将本试验制备的地质聚合物进行灌注，灌注进度，振捣效果以及灌注量的选择都在现场由专业的工程师进行操作。

3.1.3 检测方案

如图6所示，检测系统的建立包含了感知、采集、传输以及处理系统。远程监测系统经过光纤数据采集传输到洞外，检测人员可以在千里之外获得测试数据。报警功能可及时提示沉降超限的问题，检测人员及时得到反馈，这对于施工指导、施工安全，施工速率，及时采取处置措施都有十分显著的效果。

3.2 工程技术应用结果

3.2.1 微观形貌

图7为注浆前后结石微观形貌。由图7（a）可知，在注浆之前，土体颗粒之间的缝隙相对大一些，也可以看出电镜下架空的组织结构，呈现一种镶嵌半胶结状态。由图7（b）可观察到，注浆后溶洞结构颗粒间的结构致密，颗粒结合更加紧密，这也使土体更加结实牢固。

3.2.2 沉降预测分析

通过指数曲线拟合图对回填后溶洞沉降情况进行预测，选取隧道中线的一测点，实测数据为样本值，检验拟合精度，指数曲线弥合参数α=-224.675，β=0.00 791，拟合公式：S=224.789 97-374.997e-0.007 82t。指数曲线拟合图如图8、图9所示。结合图8、图9可知，指数曲线的拟合与实际数据相关系数为0.996 1，拟合精确度较高，依照现场施工进度，铺轨时沉降量S503=216.32，回填路基最终沉降量为226.01 mm，如果选择明洞隧道的预留在500 mm的范围内，这个沉降差值在所允许的沉降要求之内，也就是说明车辆在这样的回填体之上可以正常的安全行驶。

4 结语

（1）偶联剂KH550用量为2%；

（2）经过KH550改性后，粉煤灰的比表面积增加，帮助粉煤灰释放更多的玻璃体相，生成更多的水化产物与地质聚合物，提升地质聚合物的基体密实度和抗压强度；

（3）选择适合的碱激发剂种类为STB/SS复合碱激发剂，适合的碱激发剂用量，粉煤灰总质量的15%（5%STB 和 10%SS）。此时地质聚合物7、28 d抗压强度分别为28.5、30.6 MPa，初凝时间和终凝时间分别为176、268 min，流动度为298 mm，满足相关标准，可以作为路基溶洞充填材料使用；

（4）在实际工程中应用，注浆后溶洞结构颗粒间的结构致密，颗粒结合更加紧密，这也使土体更加结实牢固；

（5）沉降预测结果，指数曲线的拟合与实际数据相关系数为0.996 1，依照现场施工进度，铺轨时沉降量S503=216.32，回填路基最终沉降量为226.01 mm，沉降差值在所允许的沉降要求之内，即车辆在此回填体之上可以正常地安全行驶。

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