偏高嶺土、粉煤灰和礦渣地聚合物注漿材料研制與應用

陳宇亮， 曾 輝， 李婷玉， 劉至飛

( 湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

自改革開放以來，隨著我國經濟高速發展，道路建設也快速發展。目前我國投入運營的道路路面中有相當一部分接近或超過了設計年限，還有的雖然未到設計年限，但在重交通荷載、自然環境等外部條件的作用下都出現了不同程度的破壞，大批道路亟待改造修復[1]。國內多數道路出現病害的原因與地基問題有著密不可分的關系，而公路路基出現病害后，很難進行大規模修復[2]。道路非開挖注漿加固法是處理路基病害的常用方法[2-3]。其中注漿材料的性能是影響注漿效果的關鍵因素，傳統無機類注漿材料如水泥類材料，雖然其價格低廉，但是存在后期強度不足、養護時間偏長、耐久性較差等問題[2，4-7]，已經不能滿足當下經濟高效的社會發展需要。

地聚合物是近年來興起的一種新材料，它具有早期性能好、體積穩定性好、耐久性好等優良性能，是一種綠色環保，可替代水泥的新型膠凝材料[8]。市場上地聚合物注漿材料價格是水泥價格的4～8倍，這限制了其在工程上的大規模應用。地聚合物原材料來源廣泛，富含硅鋁相的工業廢渣或天然礦物均可作為原材料[9]，近年來利用工業廢渣，如粉煤灰、礦渣制備地聚合物的研究越來越多。王健[10]等在水泥中摻入粉煤灰或者礦渣來制備注漿材料以提高其抗侵蝕性差、后期體積倒縮問題。胡曙光[11-12]等指出，水泥基注漿材料始終存在抗溶蝕能力較差的問題。

針對道路深層病害特性和注漿材料存在的問題，本文從工程應用的角度出發，選用偏高嶺土作為制備地聚合物基本材料，并用粉煤灰、礦渣部分替代偏高嶺土以降低成本和拌和需水量。以水玻璃為堿激發材料，制備了適用于道路深層病害非開挖修復的一種快凝早強地聚合物注漿材料，并分析了原材料適用性和堿激發劑對注漿材料性能影響，為工程應用提供參考。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗所用粉煤灰、礦渣來自于鞏義市元亨凈水材料廠，粒徑為300～400目；偏高嶺土來自于鞏義市辰義耐材磨料有限公司，粒徑為1250目；鈉水玻璃和鉀水玻璃均來自嘉善縣優瑞耐火材料有限公司，模數分別為2.25和3.3，波美度(20 ℃)分別為50和38.5；氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化鉀(KOH)和分析純均來自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。化學成分含量見表1。

表1 原材料化學成分百分含量Table 1 Chemical compositions of raw material原材料不同化學成分百分含量/%SiO2Al2O3CaOFe2O3MgO燒失量一級粉煤灰53.3629.092.273.870.812.48偏高嶺土54～5543～44<0.5<0.5<0.05—S95礦渣36.1016.3235.58—11.32—

1.2 試驗方案

前驅物粉料配比設計：將粉煤灰、偏高嶺土、礦渣按如表2所示配比組成前驅物粉料。在配比1～7中，保持偏高嶺土的含量為50%，變化粉煤灰與礦渣摻量。在配比8～10中，保持偏高嶺土含量為35%，變化礦渣和粉煤灰的含量。在11～13配比中，保持粉煤灰和礦渣為4∶3，變化偏高嶺土含量。

表2 前驅物粉料配比設計Table 2 Proportioning design of precursor powder配比編號偏高嶺土/%粉煤灰/%礦渣/%配比編號偏高嶺土/%粉煤灰/%礦渣/%1500508353035250104093540253502030103550154502525113040305503020122045.7134.296504010131051.4338.57750500

水玻璃配比設計：在鉀水玻璃中加入KOH和水得到K2SiO3溶液，調整其固含量分別為20%、24%、28%、32%、36%，每一種固含量分別對應1、1.25、1.5、1.75這4種模數，共計20種；相似的在鈉水玻璃中加入NaOH得到Na2SiO3溶液20種；另在鈉水玻璃中加入KOH得到Na2SiO3/KOH溶液，調整其固含量分別為20%、24%、28%、32%、36%，每一種固含量分別對應1、1.25、1.5、1.75這4種模數。見表3。

表3 水玻璃堿激發劑配比設計Table 3 Proportioning design of sodium silicate alkali activator類型模數(K2O+Na2O)/SiO2/molNa2O/ SiO2/molK2O/SiO2/mol固含量/%K2SiO3溶液——1/1.25/1.5/1.7520/24/28/32/36Na2SiO3溶液—1/1.25/1.5/1.75—20/24/28/32/36Na2SiO3/KOH溶液1/1.25/1.5/1.75——20/24/28/32/36

拌和與測試方法：將前驅物粉料、堿激發劑、水拌和形成漿液。用倒錐法(T0508—2005)測試漿液的流動度；用維卡儀(T0592—2020)測試其初凝時間和終凝時間；將漿液倒入40 mm×40 mm×160 mm三聯試模中，養護，然后測試1、7 d抗折/抗壓強度(T0506—2005)。

2 試驗結果和分析

2.1 原材料對注漿材料的影響

試驗選用K2SiO3溶液作為堿激發劑，其模數為1.25，固含量為24%。為保證注漿材料的強度和流動度，通過試驗確定堿激發劑的固液比為0.65。表4所示為不同組分比例下地聚合物材料的凝結時間、抗折強度和抗壓強度。

表4 不同組分比例下凝結時間、抗折和抗壓強度Table 4 Setting time, flexural strength and compressive strength with different proportions配比編號流動度/s初凝時間/min終凝時間/min1D抗折強度/MPa1 D抗壓強度/MPa備注1355101.7620.63有裂縫23210181.3717.98有裂縫33015301.1316.1943016311.1811.7952920350.639.6962823370.607.57722>300<6000.905.0582013261.3617.3791917302.3212.90102015311.3213.47111914332.6214.91121813282.4914.57有裂縫131713263.1415.47有裂縫

由表4中試驗結果可以看出，當偏高嶺土含量為50%時，試樣的流動度隨粉煤灰與礦渣比例的增大逐漸減小；試樣的抗折強度和抗壓強度隨著粉煤灰與礦渣比例的增大而減小；當礦渣含量超過30%時，容易出現裂縫，且漿液凝結時間很短。礦渣相對粉煤灰更容易被激發，其原因可能是礦渣中CaO較多、反應活性高，容易激發礦渣的潛在水硬性生成C — S — H凝膠材料[13-15]。根據配比編號為8～13的試驗結果可知，摻入粉煤灰代替偏高嶺土，能提高漿液的流動性和地聚合物的抗折性能。但是摻入粉煤灰過多，會導致凝結速度過慢，早期強度較低。參考相關規范，將注漿材料性能指標擬定為：流動度≤20 s，初凝時間≥10 min、終凝時間≤30 min，1 d抗壓強度>10 MPa。根據試驗結果，地聚合物前驅物合適的組成為：偏高嶺土30%～40%，粉煤灰30%～40%，礦渣20%～30%。

2.2 水玻璃固含量和種類對注漿材料性能的影響

使用粉煤灰∶偏高嶺土∶礦渣=40∶30∶30的粉料作為前驅物，固定水玻璃模數為1.25，液固比為0.65。變化水玻璃的固含量和種類，分析不同水玻璃類型和固含量對漿料的流動性和地聚合物的力學性能的影響。圖1是流動度隨不同堿激發劑固含量變化的情況，可以看出，漿液的流動度隨著堿激發劑固含量的增大而增大，即堿激發劑固含量越大，流動性越差。當堿激發劑溶液的固含量接近20%，漿液不能凝膠固化。試驗發現堿激發劑元素種類對漿液流動度也有影響，相當固含量(固含量>20%)、相同模數相同液固比和堿激發劑存在K+的情況下，漿液流動度明顯比堿激發劑只存在Na+情況下的漿液流動度小，流動性更好，由圖1可以看出，不同激發劑漿液流動性大小為：K2SiO3溶液>Na2SiO3/KOH溶液>Na2SiO3溶液。

圖1 流動度隨不同堿激發劑固含量變化情況圖 (M=1.25)

圖2和圖3所示為使用不同水玻璃地聚合物1 d和7 d抗折、抗壓強度隨水玻璃固含量變化。由圖可知，地聚合物的抗折、抗壓強度隨著水玻璃固含量增大而增大。當水玻璃固含量較小(24%)時，相比只含有Na+的水玻璃，含有K+的水玻璃明顯提高了地聚合物早期(1 d)和后期(7 d)抗折、抗壓強度。當固含量較大時(≥28%)，水玻璃的類型對早期強度和后期強度影響都不大，但是此時漿液流動性很差。這是因為在堿性環境下，物料中Al和Si的溶解析出速率受堿金屬陽離子影響，堿金屬陽離子不同會造成物料中Al和Si的溶解析出速率不同，導致物料顆粒附近鋁硅酸結構的Al/Si出現差異，隨后會對飛灰顆粒附近形成的結構產生影響[16]。試驗發現K+能夠提高地聚合物早期強度，說明本實驗采用的物料組合下，堿性壞境下K+比Na+更能促進物料中Al的溶解釋放，Al的釋放速度越快，反應活性越高[17]。溶解的Al與水玻璃中已存在的硅氧結構在堿性環境下發生縮聚反應生成低聚結構，釋放出水；在低聚結構進一步反應形成長鏈結構之前，釋放出的水能使體系的稠度降低，從而導致漿液流動度變小，流動性變好，這也較好地解釋了圖1中得到的結果： 堿激發劑中存在K+時，流動性變好。

圖2 使用不同水玻璃地聚合物1 d抗折、抗壓強度隨水玻璃固含量變化(M=1.25)

圖3 使用不同水玻璃地聚合物7 d抗折、抗壓強度隨水玻璃固含量變化(M=1.25)

試驗表明，K2SiO3溶液作為堿激發劑，漿液流動性和地聚合物早期強度較好。而使用通過在鈉水玻璃中添加KOH引入K+得到的Na2SiO3/KOH溶液，能夠取得和使用K2SiO3溶液相近的漿液流動性和地聚合物早期強度。由于市場上鉀水玻璃的價格相對鈉水玻璃價格要昂貴許多，而KOH和NaOH的價格相似，綜合考慮漿液流動性能、地聚合物早期力學性能和成本，使用Na2SiO3/KOH溶液作為堿激發劑最適宜。

2.3 水玻璃模數對地聚合物注漿材料的影響

保持水玻璃的固含量為24%，變化Na2SiO3溶液和Na2SiO3/KOH溶液這2種水玻璃的模數，研究模數對注漿材料流動性和地聚合物早期強度影響。圖4和圖5分別為不用模數下的漿液流動度和地聚合物1 d抗折、抗壓強度。

圖4 不同水玻璃流動度隨模數變化

圖5 不同水玻璃1 d抗折、抗壓強度隨模數變化

由圖4、圖5可知，當固含量一定時，同一種水玻璃流動度隨著模數變化不大，但隨著模數降低，地聚合物早期力學性能提高，當模數<1.2時，力學性能增大趨勢延緩。這是因為隨著模數減小，堿含量越大，更容易激發前驅物粉料反應。但是模數越低，消耗堿的數量增加，成本也越高；且堿性越強，容易引起碳化等負面影響，所以水玻璃的模數不宜過低。另外從圖4、圖5中可以看出，相同模數下，Na2SiO3/KOH溶液相較于Na2SiO3溶液可使漿液獲得更好的流動性和更加優良的抗折、抗壓強度。

根據室內實驗，最終將地聚合物注漿材料的前驅物比列確定為偏高嶺土30%～40%，粉煤灰30%～40%，礦渣20%～30%。堿激發劑確定為固含量約24%，模數約1.2～1.3、液固比0.65的Na2SiO3/KOH溶液。

3 工程試點應用

選擇湘潭鋼城北路作為工程試點，湘潭鋼城北路位于湘潭市岳塘區，始于湖南華菱湘鋼鋼鐵廠北門，連接岳塘路，全長約500 m。原路面為配筋水泥混凝土路面，后湘鋼公司在原水泥混凝土路面上罩一層瀝青混凝土，路面結構為：26 cm水泥碎石穩定層+26 cm連續配筋水泥混凝土層+12 cm AC-13。主要用于廠區運輸各種資料和鋼鐵成品的通道，大車重車多，路面多處出現開裂、局部沉降、破損翻漿冒泥等病害。2020年12月，課題組選擇了一段存在脫空的路段使用研制的地聚合物注漿材料進行了注漿。圖6為注漿前后同一區域的雷達探傷結果圖。本次勘測選用了美國勞雷公司SIR-3000型地質雷達，400 MHz雷達天線，采集模式為時間觸發的方式。

由圖6中探測結果可知，在注漿之前，測試路段范圍存在不密實和空洞；在注漿之后，雷達圖變得規整。這說明不密實和空洞的現象得到有效填充和修復，反應了研制的地聚合物注漿材料有不錯的流動性。地聚合物相對水泥最明顯的優勢是耐久性，注漿完成后道路結構得到有效改善，前期注漿效果良好，為體現該地聚合物注漿效果的耐久性，課題組將對試驗路段進行長期觀測，得到長期使用后的效果。

圖6 同一位置雷達探測圖

4 結論

通過室內試驗制備一種偏高嶺土、粉煤灰、礦渣組成的地聚合物注漿材料，分析了不同類型水玻璃溶液對其力學性能、工作性能和經濟性影響。研究主要得到以下結論：

a.礦渣具有較好的前期激活特性，同時具有硬脆的特點，所以不宜過多，粉煤灰代替部分粉煤灰，既能降低成本，還能提高韌性。三者合適的配比為偏高嶺土30%～40%，粉煤灰30%～40%，礦渣20%～30%。

b.用水玻璃做堿激發劑時，K+相對Na+具有更高的反應活性，能夠提高拌合物的流動性地聚合物的早期強度。在鈉水玻璃中加入KOH制備的Na2SiO3/KOH溶液是理想的堿激發劑，其最優指標為固含量約24%，模數1.2～1.3、液固比0.65。

c.地聚合物注漿結果表明研制的地聚合物具有較好的流動性，修復效果較好。