粉煤灰及礦粉對水泥基注漿料性能的影響

李福海,胡志明,李 瑞,余泳江,李星燁,占玉林

(1.西南交通大學 土木工程學院,成都 610031; 2.北京城建設計研究院,北京 100037)

0 引 言

隨著經濟和科學技術的快速發展，中國的地下工程、高速鐵路及各種基礎設施建設進入了快車道。由于施工過程中混凝土澆筑不密實，隧道開挖不當導致隧道襯砌背后空洞的存在，嚴重影響了隧道的運營安全。為了使結構滿足其最初的設計強度、使用性能和耐久性要求，需要對隧道結構進行補救和采取加固措施[1]。水泥基注漿加固隧道背后空洞是保證結構整體性最廣泛采用的加固技術[2]。

灌注砂漿由于自身的大流動度、早強、高強、微膨脹等性能廣泛應用于地腳螺栓錨固、隧道的二次灌漿、混凝土結構的修復和加固[3]。Zhang等[4]提出了一種硬化水泥-膨潤土水泥基注漿材料(HCBGM)作為隧道開挖前巖土地基的動態地下水流動的防滲和加固處理。Zhang等[5]采用水泥和硅酸鈉的雙流體為基材的灌漿砂漿來控制隧道的沉降，并在上海的DOT、UL、UU隧道上應用。Jiang等[6]提出了一種新的填充技術—粉煤灰漿運輸管道回填注漿，能有效控制上覆地層的運動，從而減少地表沉陷。

隨著科學研究的不斷深入，注漿技術已越發的成熟和完善，注漿材料的性能決定著注漿效果。一種良好的注漿材料必須具備：較高的強度、較好的流動性、較低的泌水率、對鋼筋無銹蝕、凝固前的膨脹性能[7]。基于此要求，許多學者[8-13]通過改變和優化水泥基材料的配合比做了大量的相關研究。Zhang等[13]通過對普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥組成的水泥及注漿材料XRD與SEM分析，得出了硫鋁酸鹽水泥與膨脹劑反應產生了更多的鈣釩石晶體，對注漿材料起到了很好的強化和膨脹作用的結論。Shannag[14]認為添加礦物摻合料(天然火山灰，硅灰，粒化高爐礦渣和粉煤灰)和超塑化劑可以生產高性能水泥基灌漿材料，其具有好的流動性、抗滲性、抗侵蝕性、抗凍耐久性、體積穩定性和強度。劉娟紅等[15]研究了特制砂，粉煤灰及抗裂防水劑的不同摻量對高性能水泥基灌漿材料自收縮性能的影響，并通過SEM形貌和EDS等手段，對水泥基注漿材料水化產物的早期結構、形貌和相組成進行了研究。當前，水泥基注漿材料的研究取得了很大的進展，但仍存在流動性差、收縮、成本高等不足。為改善水泥基注漿材料的流動性能，提高其膨脹性，降低成本，本文以普通硅酸鹽和硫鋁酸鹽復合水泥為基材，添加化學添加劑(減水劑、膨脹劑、早強劑、消泡劑、緩凝劑)礦物摻合料等制作而成的水泥基注漿料，研究了不同類型、摻量的粉煤灰及礦粉對復合水泥基注漿材料流動性、容重、膨脹率及抗壓抗折強度的影響，為復合水泥基注漿材料的研究提供了有效的理論指導。

1 試驗原材料及方法

1.1 試驗原材料

試驗采用的原材料：P·O42.5R水泥，R·SAC硫鋁酸鹽水泥，Ⅰ級粉煤灰，Ⅱ級粉煤灰；礦粉為S95和S75；骨料由兩種不同顆粒級配的石英砂按一定摻配比例組成；化學添加劑由減水劑、增稠劑、消泡劑、緩凝劑等組成的復合外加劑。粉煤灰化學成分及物理性能見表1和2。

表1 粉煤灰的化學成分 %

表2 粉煤灰物理性能指標

1.2 試驗方案及方法

本試驗以粉煤灰和礦粉為單一變量，分別研究了不同級別、摻量的粉煤灰及礦粉對水泥基注漿材料的性能(流動性、容重、膨脹率及抗壓抗折強度)的影響。粉煤灰的取代率(粉煤灰/膠凝材料總量)取值為5%、10%、15%、20%、25%，礦粉的取代率(礦粉/膠凝材料總量)分別為3%、5%、7%、9%、11%。試驗配合比(石英砂800 kg/m3,復合外加劑11.80 kg/m3,水362 kg/m3)如表3、4所示。

表3 粉煤灰對注漿料性能影響試驗配合比 kg/m3

表4 礦粉對注漿料性能影響試驗配合比 kg/m3

注漿料流動度的測試依據GB/T50448—2015[16]進行。試驗儀器用截錐原模，尺寸高(60±0.5) mm，上口內徑(70±0.5) mm；下口外徑120 mm玻璃板尺寸不小于500 mm×500 mm，放置在水平試驗臺上。平穩提起截錐圓模，注漿材料在無擾動下自由流動直至停止，用標尺測量底面最大擴算直徑及其垂直方向直徑，計算平均值，以此作為流動度初始值，結果精確到1 mm。塑性膨脹率按《客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件》[17](科技基[2008]74號)進行，測定其3 h的膨脹率。抗壓抗折強度依GB/T17671—1999[18]進行。試模采用普通砂漿試模，試模尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。將攪拌好的水泥基灌漿材料倒入試模中后不需振動，初凝后將多余漿體抹去，使漿體與試模上邊緣齊平。試件成型24 h內拆模，拆模后將試塊轉移至標準養護箱中養護，分別測定試件不同齡期的抗折、抗壓強度。

2 結果與分析

2.1 粉煤灰對注漿材料性能的影響

2.1.1 粉煤灰對注漿材料流動性的影響

如圖1、圖2所示，無論是Ⅰ級，還是Ⅱ級粉煤灰，隨著粉煤灰摻量的增加，漿體出機流動度和90 min流動度均呈逐漸增大的趨勢；在相同摻量情況下，Ⅰ級粉煤灰的作用效果明顯優于Ⅱ級粉煤灰。當Ⅰ級粉煤灰摻量為20%時，漿體出機流動度和90 min流動度分別為380 mm和320 mm，均滿足規范要求；對于Ⅱ級粉煤灰，在5%～25%摻量范圍內，出機流動度和90 min流動度均低于最低標準。

圖1 不同摻量粉煤灰對出機流動度的影響

圖2 不同摻量粉煤灰對90 min流動度的影響

用粉煤灰取代部分水泥可以明顯提高水泥基注漿料的流動度，在混合料中起到了很好的減水和潤滑效果。通過掃描電鏡分析，粉煤灰是由大小不等的光滑致密半透明的空心球狀玻璃體組成[19]。粉煤灰相較于水泥具有更好的細度，單個玻璃微珠體多,有更大的比表面積，擴大了漿體的流動范圍，極大地改善了流變性能。Ⅰ級粉煤灰比Ⅱ級粉煤灰細度更小，玻璃微珠粒子更多、更細、更分散，滾珠效果更明顯。因此，在注漿材料中摻入粉煤灰(特別是Ⅰ級粉煤灰)能夠改善注漿材料的和易性，減少在泵送和灌注過程的分離、沉降并有效地降低了拌合物的泌水率。

2.1.2 粉煤灰對容重和膨脹率的影響

如圖3所示，隨著粉煤灰摻量的增加，注漿材料的容重逐漸減小，這是因為粉煤灰的密度較水泥的密度低，等量替代水泥時，注漿材料的容重必將隨著粉煤灰摻量的增大而減小。當摻量為25%時，采用Ⅱ級粉煤灰的漿體容重較采用Ⅰ級粉煤灰的漿體大20 kg/m3；當摻量低于25%時，采用兩種不同規格粉煤灰的注漿材料，其容重均相差不大。

圖3 不同摻量粉煤灰對容重的影響

由圖4可知，隨著粉煤灰摻量的增加，注漿材料3 h膨脹率呈先增后減的趨勢，當粉煤灰摻量大于20%時，注漿材料膨脹率下降且逐漸變為負值，由膨脹變成收縮。因為摻入粉煤灰后，注漿材料的含水量能很快到達平衡狀態，因而能補償材料的收縮，但當粉煤灰摻量過大時，用于生成鈣礬石結晶的Ca(OH)2被粉煤灰消耗，膨脹機理失效，從而產生收縮。對于Ⅰ級粉煤灰，當摻量為20%時，注漿材料的3 h膨脹達到最大值，為1.0%；采用Ⅱ級粉煤灰時，摻量為15%時，3 h膨脹率達到最大，為1.0%。

圖4 不同摻量粉煤灰對3 h膨脹率的影響

2.1.3 粉煤灰對早期強度的影響

從圖5～8可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，注漿材料的12、24 h強度均呈逐漸降低的趨勢；對于Ⅱ級粉煤灰，摻量達到15%時，注漿材料的24 h抗壓強度不能滿足技術要求；對于Ⅰ級粉煤灰而言，摻量達到25%時，注漿材料的24 h抗壓強度無法達到技術指標。粉煤灰摻量越大，對注漿材料的早期強度越不利。這是因為材料的早期強度依賴于水泥水化的產物，而粉煤灰自身不發生水化反應，因此粉煤灰對材料強度的貢獻主要是后期強度的增長。

圖5 不同摻量粉煤灰對12 h抗折強度的影響

圖6 不同摻量粉煤灰對12 h抗壓強度的影響

圖7 不同摻量粉煤灰對24 h抗折強度的影響

2.1.4 粉煤灰對28 d強度的影響

由圖9、10可知，隨著粉煤灰摻量的增加，注漿材料的28 d抗折、抗壓強度均明顯增大。當粉煤灰摻量為5%時，摻入Ⅰ級粉煤灰的注漿材料28 d抗折、抗壓強度分別為10.7、72.6 MPa；摻入Ⅱ級粉煤灰的注漿材料28 d抗折、抗壓強度分別為10.1、66.7 MPa，均能滿足相關技術要求。Ⅰ級粉煤灰由于其活性礦物比例較高，因此更有利于改善注漿材料的強度。當摻量為25%時，摻入Ⅰ級粉煤灰的注漿材料其28 d抗折、抗壓強度分別為13.4、106.7 MPa；比摻量為5%時，抗折強度提高了26%，抗壓強度提高了47%。

圖8 不同摻量粉煤灰對24 h抗壓強度的影響

圖9 不同摻量粉煤灰對28 d抗折強度的影響

圖10 不同摻量粉煤灰對28 d抗壓強度的影響

綜上所述，隨著粉煤灰摻量的增加，注漿材料的早期強度逐漸降低，但28 d強度均有較大幅度的增長。粉煤灰的主要化學成分雖然與普通硅酸鹽相近，都是由SiO2、Al2O3、Fe2O3組成，但是含量與存在的形態卻存在較大差異。普通硅酸鹽水泥中的成分以粉末狀存在，而粉煤灰中是玻璃體空心珠狀。因此粉煤灰不能像水泥一樣直接與水發生水化反應生成具有膠凝特性的鋁酸三鈣、硅酸三鈣。當水泥的水化產物Ca(OH)2到達一定的濃度時，粉煤灰的活性被激發，反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。但是粉煤灰與水泥漿體之間粘結較強，有較好的界面效應，對粉煤灰顆粒和水泥漿間的顯微研究證明:隨著水化產物的進展，粉煤灰和水泥界面的接觸越趨緊密。微集料效應明顯的增強了硬化整體的結構強度[20]。因此在注漿材料中摻入粉煤灰，早期強度會隨粉煤灰摻量增加而下降，但摻量適宜時可以明顯提按高后期強度。

2.2 礦粉對注漿材料性能的影響

2.2.1 礦粉對流動性的影響

由圖11、12可見，漿體出機流動度和90 min流動度隨礦粉摻量的增加而增大，其中使用S95礦粉的注漿材料的流動性更優；當S95礦粉摻量為7%時，漿體出機流動度和90 min流動度分別僅為370 mm和310 mm，均無法滿足流動性的最低技術要求。為保證良好的工作性，礦粉摻量不得低于9%。在研究過程中發現，當礦粉摻量達到11%時，漿體嚴重泌水，90 min流動度甚至超過出機流動度。這是由于多角形的礦粉，形態不規則，并不具有粉煤灰的滾珠效應，使得礦粉在保水性方面與粉煤灰相去甚遠。雖然礦粉外觀呈棱角分明的多棱狀和碎屑狀，但其顆粒的表面很光滑，其中的細小顆粒能夠緊密嵌入水泥顆粒間和絮凝結構中，將充水空間中的水分釋放出來，使砂漿的流動度增大；因為礦渣的密度小于水泥的密度，在礦渣等量取代水泥時，礦渣形成的漿體的體積大于取代部分的水泥的成漿體積，當膠凝材料的總量未變時，產漿量增加，增加了砂漿的流動性。

圖11 不同摻量礦粉對出機流動度的影響

圖12 不同摻量礦粉對90 min流動度的影響

2.2.2 礦粉對容重和膨脹率的影響

由圖13、14可見，隨著礦粉摻量的增加，注漿材料的容重和3 h膨脹率均呈逐漸減小的趨勢。在礦粉摻量為3%～11%時，注漿材料的容重維持在2 140～2 190 kg/m3；對于S75礦粉來說，礦粉摻量大于7%時，注漿料微膨脹性失效，表現為收縮；摻入S95礦粉的注漿料在摻量為8%左右時，出現收縮。

2.2.3 礦粉對早期強度的影響

從圖15～18可以看出，隨著礦粉摻量的增加，注漿材料12、24 h的抗折、抗壓強度均呈逐漸減小的趨勢。對于S75礦粉，當摻量為7%時，注漿材料的24 h抗折強度為3.9 MPa，不能滿足相關技術要求。由于S95礦粉的活性成分更多，當摻量為9%時，注漿材料的12 h、24 h抗折和抗壓強度分別為1.5、4.3、4.2、19.1 MPa，均能滿足技術要求。而當S95礦粉摻量為11%時，注漿材料24 h抗折、抗壓強度分別為3.7 MPa和16.3 MPa，低于最低限值。

圖13 不同摻量礦粉對容重的影響

圖14 不同摻量礦粉對3 h膨脹率的影響

圖15 不同摻量礦粉對12 h抗折強度的影響

圖16 不同摻量礦粉對12 h抗壓強度的影響

圖17 不同摻量礦粉對24 h抗折強度的影響

圖18 不同摻量礦粉對24 h抗壓強度的影響

2.2.4 礦粉對28 d強度的影響

如圖19、20所示，隨著礦粉摻量的增加，注漿材料28 d抗折、抗壓強度平穩下降，但有一定的起伏。當S95礦粉的摻量為3%時，注漿材料的28 d抗折、抗壓強度分別為11.6、83.1 MPa，達到最大；當S75礦粉的摻量為5%時，注漿材料28 d抗折、抗壓強度分別為11.4、80.6 MPa，達到最大。礦粉的摻入對注漿材料的早期強度不利，同時，對注漿材料的28 d強度變化影響不大。這是因為礦粉屬于活性礦物摻合料，其參與水泥水化的機理類似于粉煤灰，但礦粉不具備粉煤灰的微觀形態，因此對漿體的后期強度的影響沒有粉煤灰明顯。

圖19 不同摻量礦粉對28 d抗折強度的影響

圖20 不同摻量礦粉對28 d抗壓強度的影響

3 結 語

(1) 在注漿材料中摻入粉煤灰能夠明顯改善漿體的流動性，隨著粉煤灰摻量的增大，漿體的出機流動度和90 min流動度也逐漸增大，且粉煤灰摻量不應低于20%。粉煤灰對注漿材料的容重有不利影響；當摻量低于20%時，粉煤灰對注漿材料的提高塑性膨脹率有一定作用。當Ⅰ級粉煤灰摻量為20%時或Ⅱ級粉煤灰摻量為15%時，注漿材料的塑性膨脹率達到最大值，為1.0%。

(2) 粉煤灰能明顯提高注漿材料的28 d強度，但對早期強度有不利影響。在摻量為5%～25%范圍內，注漿材料的28 d強度均能滿足技術要求；但當Ⅰ級粉煤灰摻量大于20%或Ⅱ級粉煤灰摻量大于15%時，注漿材料的早期強度低于最低限值。

(3) 礦粉的加入能明顯改善注漿材料的流動性，但過量的礦粉，對漿體的保水性有負作用。當S75或S95礦粉摻量達到11%時，漿體會出現嚴重的泌水。在注漿材料中摻加礦粉，對漿體的容重和塑性膨脹率有不利影響。隨著礦粉摻量的增加，注漿材料的容重和3 h膨脹率均呈下降趨勢。

(4) 礦粉對注漿材料的早期強度影響較大，當S75礦粉摻量達到7%時，注漿材料的24 h抗折強度低于最低限值；當S95礦粉摻量為11%時，注漿材料的24 h抗折、抗壓強度均不滿足技術要求。隨著礦粉摻量的增加，注漿材料的28 d強度波動變化，但總體呈下降趨勢。