固體堿激發(fā)礦粉/粉煤灰注漿材料性能及機理研究

曹巍巍，雷 濤，閔召輝，徐肖龍，段鵬鵬

(1.英達熱再生有限公司，南京 210046；2.東南大學交通學院，南京 211100)

0 引 言

隨著我國公路養(yǎng)護里程不斷增加，道路非開挖式注漿技術得到快速應用和發(fā)展。目前，最常用的是水泥類注漿材料，其來源廣泛，成本低，但易沉淀泌水，早期強度低，形成的水化產物黏結性和抗?jié)B性能差[1]。同時，水泥生產存在高能耗、高碳排放等缺點。因此，研究開發(fā)性能優(yōu)異且低碳環(huán)保的注漿材料意義重大。近年來，堿激發(fā)地聚合物注漿材料受到國內道路養(yǎng)護領域研究者的廣泛關注[2]。其以工業(yè)固體廢棄物(礦渣、鋼渣、粉煤灰等)為原材料，在改性水玻璃等激發(fā)劑作用下，通過解聚-聚合-縮聚反應，形成三維網絡結構的無機高分子聚合物[3-5]，具有快凝早強、流動性能好、抗?jié)B性能優(yōu)異、可固結松散體等特點，是一種應用范圍廣、環(huán)境友好的新型無機材料[6]。

液體水玻璃因具有良好的堿激發(fā)效果，常作為地聚物注漿材料激發(fā)劑。但用其制備的漿液凝結時間較難控制，初終凝時間受環(huán)境溫度影響大，對注漿施工不利[7]。此外，液體水玻璃配置時需添加NaOH調節(jié)模數，無論生產還是施工，存在操作安全風險，且不便長距離運輸。相比于液體激發(fā)劑，固體堿激發(fā)劑可與粉料一起研磨，制作為成品。使用時只需加水拌制即可，具有更大的便捷性。張巨松等[8]用復合堿激發(fā)劑NaOH和Na2CO3制備出地聚合物膠凝材料，28 d抗壓強度可達到50 MPa以上。姜奉華[9]通過煅燒Na2CO3激發(fā)礦渣/粉煤灰膠凝材料，試件最終抗壓強度與液體水玻璃為激發(fā)劑時相當。用上述非硅酸弱酸鹽Na2CO3參與激發(fā)反應，雖然后期強度增長快，但前期的提供[SiO4]單體少，因此早期強度較低，體現(xiàn)不出堿激發(fā)膠凝材料快凝早強的特點。劉夢珠等[10]利用Na2SiO3粉末替代Na2CO3，制備出Na2O摻量為4%(質量分數)、模數為0.50的固體堿激發(fā)劑，試件28 d抗壓強度20.5 MPa，抗折強度6.3 MPa，但難以滿足注漿材料力學性能要求，主要由于Na2SiO3粉末溶解度小且溶解速度慢，無法為反應提供足夠硅源，影響最終強度。此外，上述研究主要集中于材料力學性能方面，缺乏深入的機理和注漿材料實際應用性能研究，如初終凝時間、力學性能調控、可工作時間以及養(yǎng)護條件對力學性能影響等。因此，選擇合適的固體堿激發(fā)劑，探究其對地聚合物性能影響，制備出滿足注漿使用性能要求的材料，并對微觀機理進行分析，將為固體堿激發(fā)地聚合物注漿材料研究提供良好的理論基礎，同時也將促進該技術在國內的應用發(fā)展。

本文以礦粉和粉煤灰為主要原料，以NaOH和易溶Na2SiO3·5H2O粉末為固體堿激發(fā)劑，考察激發(fā)劑的模數、添加量、養(yǎng)護條件對地聚合物材料力學性能、初終凝時間、流動度的影響，并通過XRD、FT-IR、SEM/EDS等表征手段對材料微觀結構進行分析。

1 實 驗

1.1 實驗原料

礦粉來自南京梅鋼廠的水淬粒化高爐礦渣，細度為400～420 m2/kg，粉煤灰來自南京市某材料分裝廠Ⅰ級灰，通過X射線熒光光譜分析(XRF)，測得化學組分如表1所示。市售工業(yè)級氫氧化鈉，純度≥96%(下文純度、含量、摻量均為質量分數)，采購于濱化集團股份有限公司；五水偏硅酸鈉粉末，白色粉末，純度≥99%，采購于青島海灣化學有限公司；萘系減水劑采購于山東萬山化工有限公司；羥丙基甲基纖維素醚來源于河北誼達纖維素有限公司。

表1 礦粉和粉煤灰的化學組成Table 1 Chemical composition of slag and fly ash

1.2 固體堿激發(fā)劑制備

將氫氧化鈉和五水偏硅酸鈉粉末按照試驗要求配置出不同模數(n)的固體堿激發(fā)劑，n為SiO2與Na2O的摩爾比，分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4。氫氧化鈉的添加量為m1，無水硅酸鈉添加量為m2，按公式(1)計算：

(1)

1.3 試件制備

前期研究結果表明，礦粉和粉煤灰質量比1 ∶1，萘系減水劑添加量為0.8%，穩(wěn)定劑羥丙基甲基纖維素醚添加量為0.6%，水灰比0.48時，漿液流動度為16.15 s，泌水率≤0.4%，符合SZ-G-B04—2007《公路路基與基層地聚合物注漿加固技術規(guī)程》要求。基于階段性研究結果，控制上述摻量不變，通過改變固體堿激發(fā)劑的模數和摻量制備漿液。

將固體堿激發(fā)劑(NaOH和Na2SiO3·5H2O)和水按比例攪拌配制成堿溶液，并冷卻至室溫。將礦粉、粉煤灰和添加劑倒入砂漿攪拌機，攪拌5 min，倒入堿液繼續(xù)攪拌3 min，隨后將拌制好的漿液倒入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)試模，插搗并在振實臺振動60 s，放入標準養(yǎng)護箱內在密閉和非密閉養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期。密閉養(yǎng)護是將成型后試模，裝入薄膜袋中并封口，隔絕水分和空氣。

1.4 測試方法

1.4.1 初終凝時間測定

根據GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢測方法》測試漿液初終凝時間。

1.4.2 力學性能測試

利用萬能試驗機(SANS CDT1305-2)測定固體堿激發(fā)注漿材料不同齡期的力學性能，測試方法參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行，取平均值作為最終強度值。

1.4.3 微觀分析

利用粉末X射線衍射儀(Bruker D8 ADVANCE)分析地質聚合物28 d的物相組成，利用傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolct710)分析地質聚合物28 d樣品的化學鍵和官能團的變化，利用掃描電子顯微鏡(Hitachi-SU8010)分析地質聚合物28 d的組織形貌，并配合能譜儀分析微區(qū)元素成分。

2 結果與討論

2.1 固體堿激發(fā)劑模數對注漿材料強度的影響

為了探究固體堿激發(fā)劑模數對注漿材料強度影響，試驗中控制固體堿激發(fā)劑摻量8%不變，各配合比下不同齡期強度數據見表2。從表2可以看出，固體堿激發(fā)劑模數對注漿材料抗折、抗壓強度有顯著影響。隨模數提高，強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在固體堿激發(fā)劑模數為1.0時，注漿材料28 d抗折和抗壓強度達到最大值，分別為7.1 MPa和42.7 MPa。不同齡期的試件強度也符合上述規(guī)律。

表2 固體激發(fā)劑模數對注漿材料強度影響Table 2 Influence of the modulus of solid alkali-activator on strength of grouting material

目前，大部分學者認為堿激發(fā)膠凝類材料反應過程分為三個階段，即Si、Al單體溶出、單體重構、縮聚三階段構成。在本研究中，低模數的固體堿激發(fā)劑配制出的漿液OH-濃度高，可促進礦粉和粉煤灰中高能態(tài)的鋁氧鍵(—Al—O—)、硅氧鍵(—Si—O—)等共價鍵斷裂，生成[AlO4]與[SiO4]單體，參與聚合反應，從而提高注漿材料的強度。若模數過低，漿液中OH-濃度過高，使得解聚與聚合反應在粉體表面迅速進行，發(fā)生“鈍化反應”，硅鋁質材料沒有充分反應而殘留在漿液中，最終導致材料力學性能變差[11]。若模數過高，漿液中OH-濃度不足，難以完全激發(fā)出礦粉和粉煤灰中的Si、Al單體參與聚合反應，導致強度下降。

2.2 固體堿激發(fā)劑摻量對注漿材料性能的影響

根據上述研究結果，接下來考察了固體堿激發(fā)劑模數為1.0時，其摻量對注漿材料強度和凝結時間的影響，結果如表3所示。從表中數據可看出，激發(fā)劑添加量從4%增加到10%，各個齡期的試件強度均不斷增加。當摻量為10%時，28 d抗折和抗壓強度達到最高，分別為7.5 MPa和45.8 MPa；當固體堿激發(fā)劑摻量達到12%時，強度反而下降，主要由于過量的堿液會抑制縮聚反應，最終因存在大量未反應的硅鋁質原料而導致其強度下降。從材料力學性能方面評價，固體堿激發(fā)劑最佳摻量為10%。

表3 固體激發(fā)劑摻量對注漿材料初終凝時間及強度的影響Table 3 Influence of content of solid alkali-activator on setting time and strength of grouting material

此外，從表3可以看到，材料的凝結時間隨固體堿激發(fā)劑摻量的增加而縮短。其原因在于材料形成早期強度需要一定量的[SiO4]單體參與聚合反應。而礦粉和粉煤灰在解聚過程中硅氧鍵斷裂能較高，無法提供充足的硅源，不利于[AlO4]與[SiO4]聚合反應的進行。而固體堿激發(fā)劑中含有易溶五水偏硅酸鈉，一方面可為聚合反應提供大量的硅源，另一方面隨著摻量的增加，漿液中OH-濃度變大，促進原料中硅氧鍵的斷裂，在二者協(xié)同作用下更有利于反應進行。因此，其添加量越大，初終凝時間越短，越有利于早強[12]。固體堿激發(fā)劑摻量為10%時，漿液的初凝時間為45 min，終凝時間為60 min;而固體堿激發(fā)劑摻量為8%時，漿液的初凝時間為120 min，終凝時間為150 min。考慮到漿液工作性能，凝結時間過短不利于施工，易造成堵管，影響施工效率。此外，在8%和10%摻量下，漿液強度相差不大。因此，在本研究體系中，固體堿激發(fā)劑最佳摻量為8%。

2.3 漿液流動度隨時間變化規(guī)律

為了考察在固體堿激發(fā)劑模數為1.0，摻量8%時，漿液的工作性能。流動度隨時間變化規(guī)律如圖1所示。漿液初始流動度為15.55 s，在35 min內，漿液流動度一直較為穩(wěn)定，在15～16 s之間；50 min后，漿液流動度迅速下降，達到20 s以上，主要由于隨著反應的進行，膠凝相開始沉淀，降低了漿體的工作性能。因此，在上述配合比下，漿液的工作時間可達50 min，能滿足實際施工要求。

圖1 漿液流動度隨時間變化曲線Fig.1 Slurry fluidity change curve with time

2.4 養(yǎng)護條件對注漿材料強度的影響

注漿材料注入地下后，相當于在隔絕空氣的密閉環(huán)境下養(yǎng)護。為模擬上述環(huán)境，考察了密閉和非密閉養(yǎng)護條件下注漿材料抗折和抗壓強度隨時間的變化規(guī)律，分別如圖2、圖3所示。在兩種養(yǎng)護條件下，材料的強度都隨著養(yǎng)護時間延長呈遞增趨勢。但在密閉養(yǎng)護環(huán)境下，抗折、抗壓強度明顯高于非密閉養(yǎng)護，1 d、3 d、7 d抗壓強度分別提高了38.0%、38.2%和19.3%。出現(xiàn)該現(xiàn)象可能與下列因素有關：非密閉養(yǎng)護環(huán)境下，激發(fā)劑中的堿金屬離子會在反應產物形成前隨水分蒸發(fā)而在硬化體表面析出，降低固結體強度，而密閉環(huán)境限制了水分蒸發(fā)；非密閉養(yǎng)護，空氣中CO2會與固結體的鈣質產物發(fā)生反應生成碳酸鈣，使材料發(fā)生碳化，導致硬化體孔隙中溶液pH值下降，反應產物分解，影響強度形成[13]。

圖2 密閉和非密閉養(yǎng)護對材料抗折強度影響Fig.2 Influence of sealed curing and un-sealed curing on flexural strength

圖3 密閉和非密閉養(yǎng)護對材料抗壓強度影響Fig.3 Influence of sealed curing and un-sealed curing on compressive strength

2.5 水化產物分析

在上述研究的基礎上，控制固體堿激發(fā)劑模數1.0，摻量8%，礦粉與粉煤灰質量比1 ∶1，水灰比0.48，減水劑和穩(wěn)定劑添加量分別為0.8%和0.6%，制備地聚合物漿液，待養(yǎng)生28 d后進行XRD、FT-IR、SEM/EDS測試分析。

2.5.1 XRD分析

圖4是礦粉、粉煤灰及注漿材料經28 d養(yǎng)護后的水化產物XRD譜。礦粉衍射譜圖在20°～40°的范圍內出現(xiàn)由SiO2和Al2O3等玻璃體形成的“鼓包”峰，說明礦粉具有較高的潛在活性，在反應中起到關鍵性作用。粉煤灰的晶體相主要為莫來石和石英，活性較弱。水化產物在20°～40°出現(xiàn)無定形漫射峰，說明產物中存在大量的非晶質或結晶度極低的物質。在衍射角28.8°處出現(xiàn)強度較高的衍射峰，說明有新物質生成，主要產物為鈣沸石(CaO·Al2O3·7SiO2·2H2O)、水合鋁硅酸鈉鈣礦(2NaO·CaO·3Al2O3·3SiO2·8H2O)和C-S-H凝膠。此外，粉煤灰中石英、莫來石等特征衍射峰強度顯著減弱，說明粉煤灰活性較弱，但在固體堿激發(fā)劑作用下反應程度仍然很高，且較為徹底。

圖4 礦粉、粉煤灰與注漿材料水化產物的XRD譜Fig.4 XRD patterns of slag,fly ash and alkali-activated hydration product

2.5.2 FT-IR分析

圖5 礦粉、粉煤灰與注漿材料水化產物的FT-IR譜比較Fig.5 Comparison of FT-IR spectra of slag,fly ash and alkali-activated hydration product

2.5.3 SEM/EDS分析

圖6為注漿材料養(yǎng)護28 d后水化產物的SEM照片。從圖6(a)、(b)可以看出，水化產物結構致密，原料水化完全。試樣表面也存在少量無定形C-S-H凝膠，如圖6(c)所示。此外，礦渣和粉煤灰大量水化，團聚成顆粒狀、圓球狀的凝膠物質并在試樣表面形成了球形產物，如圖6(d)所示。對圖6(d)中球形產物進行EDS分析，如圖6(e)所示，Na、Al、Si、Ca的原子數百分比約為1 ∶0.7 ∶1.4 ∶0.15，結合XRD的分析結果知，球形產物是鈣沸石。這些球形產物填充在縫隙中，為膠凝材料提供了更高的強度。

圖6 注漿材料水化產物的SEM照片及EDS譜Fig.6 SEM images and EDS pattern of solid alkali-activated hydration product

3 結 論

(1)固體堿激發(fā)地聚合物注漿材料強度隨著固體堿激發(fā)劑模數和添加量增加先增大后減小。當模數為1.0，摻入量為8%(質量分數)時，注漿材料初凝時間為120 min，工作時間可達50 min，28 d后結石體的抗折強度和抗壓強度分別為7.1 MPa和42.7 MPa。

(2)固體堿激發(fā)注漿材料在密閉養(yǎng)護環(huán)境下的早期強度高于非密閉養(yǎng)護，1 d、3 d、7 d抗壓強度分別提高了38.0%、38.2%和19.3%。

(3)注漿材料經28 d養(yǎng)護后形成的最終產物主要包含無定形水化產物、鈣沸石、水合鋁硅酸鈉鈣礦和C-S-H凝膠等組分。反應過程中Si—O—Al、Si—O—Si發(fā)生重組生成C-S-H、C-A-S-H，并最終形成鈣沸石類球形產物，水化產物結構致密，原料水化完全。