道路工程用地聚合物灌漿料的制備及性能研究

吳浩辰 許嘉豪 符式洋

道路工程用地聚合物灌漿料的制備及性能研究

吳浩辰 許嘉豪 符式洋

（揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

以礦渣、粉煤灰、堿激發劑等為原料制備無機聚合物材料——地聚合物，研究原材料配比對地聚合物灌漿材料基本性能的影響規律；即研究m值（礦渣/粉煤灰）、水灰比、堿當量對地聚合物灌漿料流動度、抗壓強度的影響規律，以及m值對灌漿料干縮率的影響規律。結果表明：水對地聚合物的流動度影響大，但水灰比過大會影響材料的抗壓強度；礦渣含量越高，地聚合物的抗壓強度也越大，而粉煤灰的增加會導致地聚合物強度下降，但會使干縮率減小，改善灌漿料的抗干縮性能。

地聚合物；堿激發；流動度；抗壓強度；干縮率

0 引言

由于復雜的氣候環境和惡劣的交通條件等原因，水泥混凝土路面易出現斷板、開裂、脫空和卿泥等損壞，造成許多公路投入使用沒有多久，就出現了不同程度的早期損壞[1]。為延長水泥路面使用壽命，常使用灌漿技術來改善水泥路面脫空病害[2]。

近些年，國內對灌漿技術的深入研究以及相關產業的發展，使得灌漿技術在各個行業都被廣泛應用。但在實際工程中，灌漿技術存在諸多制約條件，如漿液原材料的多樣性及其配比的復雜性，被加固工程地質條件的不可預見性，這些不確定的因素導致了灌漿理論發展緩慢[3]。國內外相繼開發出普通硅酸鹽類、火山灰改性混凝土類、纖維改性水泥基類、超快硬灌漿料等一系列材料，多以水泥基材料為主，存在能耗大、造價高等缺陷，且有些材料施工工藝復雜。因此，為彌補傳統膠凝材料的不足，需要一種早期性能優良、環境友好型修補材料。

地聚合物是是以礦渣、偏高嶺土、粉煤灰等工業廢渣為主要原料，經堿激發處理，在較低溫度條件下得到的新型無機聚合物材料[4]。地聚合物的概念在上個世紀70年代末首先由J. Davidovits提出[5]，具有強度高、硬化快、耐酸堿腐蝕等優于普通硅酸鹽水泥的獨特性能，有可能在許多場合代替水泥，并有著比水泥更優異的特性[6]。國外眾多學者基于大量的室內試驗，結果發現在混凝土中摻入地聚合物后，能夠快速提高混凝土塊體的早期抗壓強度、抗拉強度以及抗彎強度[7]，此時對應的塊體總孔隙率以及大孔隙體積均大幅度降低，而膠結性水化產物的數量與混凝土漿液水化過程中釋放的能量卻大幅增加[8]；與此同時，還能大幅度降低混凝土塊體的干縮應變以及凝固所需要的時間[9]；除此之外，其亦能夠提高混凝土的抗氯離子侵蝕、抗硫酸鹽侵蝕以及抗凍融劣化等能力，延長了混凝土在各種復雜環境下的使用壽命，提高結構的耐久性能的新型材料[10]。采用地聚合物對道路的各種病害進行非破損、快速注漿修復，該工藝工期短、見效快，較好解決了道路修復與交通運輸的矛盾。

本試驗以高爐礦渣、粉煤灰為主要原料制備地聚合物，研究m（礦渣/粉煤灰）、水灰比、堿當量對地聚合物材料流動度和抗壓強度的影響，以及初步探究m（礦渣/粉煤灰）對地聚合物灌漿材料干縮率的影響。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

試驗所用S95級礦渣（BFS）：灰白色粉末，平均粒徑5.182μm；Ⅱ級粉煤灰（FA）：黑色粉末，平均粒徑16.55μm；均產自河南鞏義，兩者主要成分見表1。

表1 原材料化學組成

堿激發劑由NaOH溶解于水玻璃中配制而成。所用水玻璃為模數3.3的液體硅酸鈉，固含量64.16%，波美度38.5Be。調整水玻璃模數NaOH為純度99%的片狀固體顆粒。

1.2 配合比設計

本試驗以m（礦渣/粉煤灰）、水灰比、堿當量為參數，固定堿激發劑模數為2.3測定其對地聚合物灌漿材料流動度、抗壓強度和干縮率的影響。將礦渣、粉煤灰、堿激發溶液按一定比例在水泥攪拌鍋中攪拌5分鐘，制備地聚合物灌漿材料。

表2 地聚合物灌漿材料配合比設計

2 結果與分析

2.1 m值（粉煤灰/礦渣）對地聚合物灌漿料性能的影響

固定水灰比為0.4，堿當量為5%，m值（粉煤灰/礦渣）從7/3變化到5/5，試驗結果見圖1。隨著粉煤灰占比的減小，地聚合物的流動度減小，7d的抗壓強度呈上升趨勢。

圖1 m（粉煤灰/礦渣）對地聚合物灌漿材料的性能影響

礦渣含量較低，地聚合物的硅鋁比低，使漿體的粘度下降，從而流動性能提升。且粉煤灰具有“滾珠”效應，可以在地聚合物中起到潤滑作用，使漿體擴散加快且均勻，增加其流動性能。礦渣中含較多CaO，因此會反應生成大量C-S-H，C-S-H和N-A-S-H在反應中共同作用，可以大幅度提高地聚合物的抗壓強度。而粉煤灰屬于惰性材料，不易被堿性激發劑激發，含量越高強度越低。

2.2 水灰比對地聚合物灌漿料性能的影響

固定m（粉煤灰/礦渣）為7/3，堿當量為5%，水灰比從0.35上升到0.45，以0.05為一個梯度，試驗結果見圖2。由圖2可知，水灰比越高，灌漿料的流動度越小，7d抗壓強度呈減小趨勢。水的增加雖然可以減小流動度，但對地聚合物的抗壓強度會造成負面影響。

圖2 水灰比對地聚合物灌漿材料的性能影響

2.3 堿當量對地聚合物灌漿材料的性能影響

固定m（粉煤灰/礦渣）為7/3，水灰比為0.4，堿當量從4%上升為6%，以1%為梯度，試驗結果見圖3。隨著堿當量的增加，即溶液濃度增加，溶質增加而水減少導致流動度有所上升。隨著溶液濃度的增加，地聚合物的7d抗壓強度增加。

圖3 堿當量對地聚合物灌漿材料的性能影響

堿當量越高，地聚合物與堿激發劑反應速率加快，導致流動度的增加。堿當量低，地聚合物材料固化反應不完全，使抗壓強度低。一方面，堿當量越高，地聚合物材料固化反應更完全，原材料礦渣、粉煤灰活性成分得到充分激發，從而影響地聚合物抗壓強度。

3 干縮率

當存放在濕度較低的環境下，水分將以蒸發的形式流出體系進入外界環境，并使體系產生收縮。一般來說，水分損失越多，干燥收縮越大，但除此之外，也與基體特性、孔結構相關。地聚合物具有優良的耐腐蝕性能、耐高溫、綠色環保等優點，但其存在硬化體收縮大等缺點。本試驗從原材料的角度來觀察材料對地聚合物干縮率的影響。

固定水灰比0.45，堿當量為5%，m（粉煤灰/礦渣）從7/3變化到5/5，試驗結果見圖4。

圖4 m（粉煤灰/礦渣）對地聚合物灌漿材料干縮率影響

從上圖可以看出，隨著時間的增長干縮率不斷增加，增加到一定程度時，增長趨緩。當m（粉煤灰/礦渣）=6/4時，地聚合物的干縮率最佳。地聚合物的收縮主要取決于反應后水的剩余量，養護地聚合物材料時水分蒸發越多干縮率越大。為減小地聚合物材料的干縮率，考慮往材料中摻入20%標準砂。因為標準砂的體積不會受水分影響，水分蒸發時標準砂填充在材料中，一定程度上抑制地聚合物的干縮。

表3 地聚合物灌漿材料干縮率

由表3可以看出，標準砂的摻加使地聚合物的干縮率有較大幅度的下降，說明標準砂的加入可以明顯改善地聚合物的干縮率。

4 結論

（1）隨著m（粉煤灰/礦渣）和堿當量的減小、水灰比的增大，地聚合物的流動度越小，流動性能越好。

（2）隨著m（粉煤灰/礦渣）和水灰比的減小、堿當量的增大，地聚合物的7d抗壓強度越大，早期強度性能越好。

（3）比較發現m（粉煤灰/礦渣）對干縮率并無明顯影響，m（粉煤灰/礦渣）=6/4時，干縮率最小。在地聚合物材料中加入標準砂會減小干縮率。

[1] SHEKARCHI M, BONAKDAR A, BAKHSHI M, et al. Transport properties in metakaolin blended concrete[J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(11):2217-223.

[2] 張云升. 高性能地聚合物混凝土結構形成機理及其性能研究[D]. 東南大學, 2003.

[3] Kumar M, Saxena S K, Singh N B. Influence of some additives on the properties of fly ash based geopolymer cement mortars[J]. SN Applied Sciences, 2019, 1(5).

[4] J.Davidovits. Geopolymers: inorganic polymeric new materials[J]. Therm Anal, 1991, 37(8): 1633-1656.

[5] 約瑟夫·戴維德維斯, 著. 地聚合物化學及應用[M]. 王克儉, 譯. 北京：國防工業出版社, 2011.

[6] Kozo Onoue, Takeomi Iwamoto, Yasutaka Sagawa. Optimization of the design parameters of fly ash-based geopolymer using the dynamic approach of the Taguchi method[J]. Construction and Building Materials, 2019, 219:1-10.

[7] Duan P, Yan C, Luo W. A novel waterproof, fast setting and high early strength repair material derived from metakaolin geopolymer[J]. Construction and Building Materials, 2016, 124:69-73.

[8] Warid Wazien A Z, Mustafa A B A M, Abd Razak R, et al. Potential of Geopolymer Mortar as Concrete Repairing Materials[J]. Materials Science Forum, 2016, 857:382-387.

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[10] 李三, 彭小芹, 茍菁, 周淦, 黃婷, 陳洋, 王淑萍. 礦物摻合料對地聚合物抗凍性能的影響[J]. 材料導報, 2018, 32(10):138-142.

江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（202011117016Z）。

吳浩辰（2000.01-），男，漢，籍貫：江蘇揚州，在讀本科生，學校：揚州大學建筑科學與工程學院，研究方向：土木工程方向；許嘉豪（1999.11-），男，漢，籍貫：江蘇南通，在讀本科生，學校：揚州大學建筑科學與工程學院，研究方向：土木工程方向；符式洋（1999.12-），男，漢族，籍貫：海南文昌，在讀本科生，學校：揚州大學建筑科學與工程學院，研究方向：土木工程方向。

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1007-6344（2021）04-0278-02