地聚合物注浆材料的开发及性能研究.docx

地聚合物注浆材料的开发及性能争论白蕾【摘 要】以粉煤灰、矿渣等大宗工业固体废弃物及水泥为主要原料,在改性水玻璃的激发下进展地聚合反响,制备型低碳、高强、无收缩的地聚合物注浆材料.试验结果说明:随矿渣、水泥掺量的增加,地聚合物注浆材料的分散时间大幅度缩短、抗压强度大幅度提高;改性水玻璃中的 Na2O 主要掌握其对粉煤灰及矿渣等的激发力量,而水玻璃模数 Ms 主要掌握早期地聚合反响的过程.经工程应用说明,承受该非开挖式地聚合物注浆材料能有效修复路面的不均匀沉降,经优选的 F15C15G70-912 型地聚合物注浆处理后,代表弯沉值降低 50,路面强度系数由 0.390.42 提高到0.760.80,路面强度评级由次提高到良.【期刊名称】型建筑材料【年(卷),期】2023(000)007【总页数】5 页(P11-15)【关键词】地聚合物;注浆材料;路基加固;协作比【作 者】白蕾【作者单位】河南建筑职业技术学院,河南 郑州 450064【正文语种】中 文【中图分类】TU528.59 0 引言对于大局部道路破损，仅承受面层修补无法根本转变道路状况，必需对其路基进展处理，以提高路基的承载力量12。大规模地翻挖原有路面，施工周期长、资金投入多、对交通干扰较大。1996 年，国务院城市道路治理条例国务院 198 号令第 33 条明确规定“建、改建、扩建城市道路交付使用后 5 年内，大修道路竣工后 3 年内，不得开挖”。非开挖式注浆加固技术凭借工艺简洁、本钱低、开放交通快等优点已成为道路补强加固的首选方案34。我国每年生产大量的粉煤灰、矿渣等工业废渣，其利用率较低。矿渣本身是一种具有潜在活性的玻璃体构造物质，有争论说明56：玻璃态的矿渣并不具有单独水化硬化力量，矿渣作为具有潜在水硬性的工业废渣，含有较多的玻璃态物质，在纯水中水化反响很慢，甚至不进展水化，但在 CaOH2、NaOH 或水玻璃等碱性物质激发作用下，其活性被激发，能够促进水化反响。粉煤灰具有火山灰效应和微集料效应，其本身不具备水化硬化力量，但当体系中存在 CaOH2、NaOH 或水玻璃等碱性物质时，在碱性激发剂作用下，粉煤灰中的玻璃态物质渐渐解体，硅酸根离子、铝酸根离子溶解，与溶液中的 Ca2+及SiOH4等一起发生水化反响，生成具有凝胶性的硅铝酸盐，该水化产物能够增加结石体的耐久性79。 依据地聚合物反响原理，在一般水泥水玻璃注浆材料的根底上，用粉煤灰和矿渣代替局部水泥，以水泥、粉煤灰、矿渣、水玻璃为主要原材料，研发一种型注浆材料地聚合物注浆材料1011。该注浆材料充分利用了粉煤灰、矿渣等工业废渣，不仅削减了粉煤灰、矿渣对环境的污染，将其变废为宝，应用于实际工程中， 而且粉煤灰、矿渣的本钱较低，大幅度降低地下工程注浆所需本钱，同时因水泥使 用量的削减，降低了生产水泥所消耗的不行再生能源的使用量1214。该注浆材料具有凝胶时间可控、结石体强度高、抗地下水侵蚀强、本钱低、环境友好等优点，抑制了水泥水玻璃双液浆稳定性差、易被水溶蚀、耐久性差的缺点。本文主要争论矿渣、粉煤灰、水泥掺量及水玻璃模数等对地聚合物注浆材料性能的影响，并介绍了所研制注浆材料在实际工程中的应用效果。1 试验1.1 原材料（1） 粉煤灰FA：市售级粉煤灰，其主要化学组成如表 1 所示。激光粒度分析结果说明，该粉煤灰的 d10、d50、d90 分别为 1.04、10.80、68.52 m。此外，XRD 分析结果说明，该粉煤灰中含有莫来石PDF No.：791276和石英PDF No.：83539，而 2=15°35°范围内消灭的“馒头峰”说明粉煤灰中含有大量玻璃相见图 1。表 1 粉煤灰的主要化学成分 %? 图 1 粉煤灰的 XRD 图谱（2） 矿渣GBFS：市售 S95 粒化高炉矿渣，密度为 2.86 g/cm3，其化学组成如表 2 所示。激光粒度分析结果说明，该矿渣的中位粒径 d50=11.4 m。XRD 分析结果说明，在 2=20°40°范围内消灭的漫散射峰说明矿渣中含有大量玻璃体，因而其火山灰活性较高。在 2=29.5°d=0.30284 nm处的衍射峰代表镁硅钙石，在 2=31.3°d=0.28545 nm处的衍射峰代表镁黄长石或钙铝黄长石见图 2。表 2 粒化高炉矿渣的化学组成 %? 图 2 矿渣的 XRD 图谱（3） 水泥C：江南小野田生产的 P·52.5 水泥，CaCO3 含量 5%。依据化学组成按鲍格法计算，该水泥各矿物组成分别为：C3S 46.7%、C2S 25.9%、C3A 6.8%、C4AF 10.0%。4水玻璃WG：SiO2 含量 26.2%，Na2O 含量 8.5%，H2O 含量 65.3%， 工业级，南京道勤实业；固体氢氧化钠：纯度96%，西陇化工股份有限 公司；水：去离子。1.2 制备方法1.2.1 改性水玻璃的制备按式1和式 2分别将计算好的固体氢氧化钠、去离子水参加工业水玻璃中， 复配制成 Na2O 含量分别为 6.0%、9.0%、12.0%，水玻璃模数 Ms 分别为 1.2、1.4、1.6 的改性水玻璃，静置 24 h 后使用。式中：mNaOH固体氢氧化钠质量，g；mH2O去离子水质量，g； MSiO2SiO2 的摩尔质量，60 g/mol；MNa2ONa2O 的摩尔质量，62 g/mol；MNaOHNaOH 的摩尔质量，40 g/mol ；MH2O水的摩尔质量， 18 g/mol；H2O 为原水玻璃中水的质量分数；H2O改性水玻璃中水的质量分数；Na2O原水玻璃中 Na2O 的质量分数； SiO2原水玻璃中 SiO2 的质量分数；Ms改性水玻璃的模数；P固体氢氧化钠的纯度，按 96%计。1.2.2 地聚合物注浆材料的制备按表 3 协作比，称取肯定质量的复合粉体和改性水玻璃于水泥净浆搅拌机中搅匀， 再注入 30 mm×30 mm×30 mm 钢模具中。用 PE 保鲜膜将试样包裹起来，置于20±1、相对温度95%的标准养护室中养护 24 h 后脱模，然后连续置于标准养护箱中养护至规定龄期。表 3 地聚合物注浆材料的质量协作比设计注：1水玻璃中各组分含量均以复合粉体质量计；2水与复合粉体+Na2O+SiO2的质量之比均为 0.45。1.3 性能测试与表征（1） 流淌度：参照 SZG B042023大路路基与基层地聚合物注浆加固技术规程进展测试。测试时，先将漏斗调整放平，关上底门，将搅拌均匀的地聚合物浆体倾入漏斗内，直至外表触及点测规下端。翻开活门，让地聚合物浆体浆自由流出，地聚合物浆体全部流完时间s即为地聚合物注浆材料的流淌度。（2） 分散时间：参照 SZG B042023 进展测试。（3） 抗压强度：承受无锡路达仪器设备 TYA-100C 型电液式水泥抗压试验机，依据 GB/T 176711999水泥胶砂强度检测方法ISO 法，分别测试养护至 4 h、6 h、1 d、7 d、28 d 期龄试样的抗压强度。1.4 性能技术指标调整上海市地方标准 SZG B042023大路路基与基层地聚合物注浆加固技术规程对地聚合物注浆材料的技术要求见表 4。虽然这些技术参数是目前在江浙沪地区各大设计院在设计地聚合物注浆材料的时候常常承受的指标，但是在实际的工作中觉察其中存在着很多的不适应工程实际的状况。表 4 SZG B042023 规定的地聚合物注浆材料主要技术要求?表 4 中的“路基加固用”地聚合物注浆材料在实际应用中几乎从来没有用到过， 这主要是由于该类注浆材料分散时间太长，强度增长太慢，根本无法实现短时间内通车的目的；此外，假设路基与基层承受不同的注浆材料，则需在注浆过程中更换注浆材料，从而极大降低现场施工效率。 “基层加固用”类型中的“快凝早强型”材料的分散太快，留给施工人员的可操作时间太短，常常会消灭浆未注完已经分散的状况。该材料适合用于道路的极快速修补，比方在 1 h 内完成修补并开放交通。“基层加固用”类型中的“一般型”材料是实际工程中最常用的，但该类型的技术参数的限定与实际工程应用存在较大差异：一方面，分散时间的要求范围太大。假设某注浆材料的分散时间是 400 min，虽然该材料是合格的，但不能满足夜间施工， 天亮开放的实际需求；另一方面，强度的要求也过于广泛。因此，应当依据分散时间和强度，对该类型地聚合物注浆材料进展进一步细化。基于前述的缘由，在不违反 SZG B042023大路路基与基层地聚合物注浆加固技术规程标准的前提下，可以将地聚合物注浆材料的技术指标进展调整见表5。表 5 修订后的地聚合物注浆材料的主要技术要求注：全部地质聚合物注浆材料的泌水率均0.4%，膨胀率均0.01%，耐水性均95%。?2 结果与争论2.1 矿渣掺量对地质聚合物性能的影响固定改性水玻璃中 Na2O 含量为 9%、Ms 为 1.2，争论矿渣掺量对地质聚合物注浆材料分散时间及力学性能的影响，结果见表 6。表 6 矿渣掺量对地质聚合物注浆材料性能的影响由表 6 可见，当矿渣掺量为 30%70%时，所制地质聚合物注浆材料的分散时间及力学性能均满足修订后基层加固用一般型地聚合物注浆材料的技术要求。2.2 水泥掺量对地质聚合物性能的影响为满足“夜间施工，天亮开放交通”的实际养护需求，通过调整硅酸盐水泥掺量来调整地聚合物注浆材料的早期地聚合反响历程，进而调控后期反响产物种类及产物构造，最终实现快凝早强型地聚合物注浆材料的制备。固定改性水玻璃中 Na2O 含量为 9%、Ms 为 1.2，争论水泥掺量对地质聚合物注浆材料分散时间及力学性能的影响，结果见表 7。表 7 水泥掺量对地聚合物注浆材料性能的影响?由表 7 可见，硅酸盐水泥的参加大大改善了地聚合物注浆材料早期的水化行为， 改性水玻璃中大量硅氧单体及低聚体快速与水泥熟料中 C2S、C3S、C3A 等矿物溶解产生的 Ca2+结合，形成 CSH 凝胶，从而实现快凝早强的目的。另一方面，硅酸盐水泥熟料的参加转变了地聚合物注浆材料体系中 Si、Ca、Al 等元素间的比例，最终导致产物类型由 NASH 与 CASH 混杂型产物转变为 CASH 与 CSH 混杂型产物，后期强度大幅度提升。水泥掺量为 15%和20%的 F15C15G70912 和 F10C20G70912 两组试样的关键性能符合修订后基层加固用一般型地聚合物注浆材料的技术要求；而 F20C10G70912 型试样的关键性能符合修订后基层加固用一般型地聚合物注浆材料的技术要求。2.3 Ms 对地质聚合物性能的影响水玻璃模数 Ms 的变化一方面意味着改性水玻璃中硅氧化物总量的变化，另一方面也对硅氧化物中单体与低聚体的比例产生影响。为进一步调控地聚合物注浆材料早期分散硬化行为，固定mFAmCmGBFS=151570下同， 改性水玻璃中 Na2O 含量为 9%，争论改性水玻璃模数 Ms 对地聚合物注浆材料分散时间及力学性能的影响，结果见表 8。表 8 Ms 对地聚合物注浆材料性能的影响?由表 8 可见，当改性水玻璃模数 Ms 由 1.2 增至 1.6 的过程中，地聚合物注浆材料的分散时间及早期抗压强度均发生了较大变化。当 Ms 由 1.2 增至 1.4 时，地聚合物注浆材料的分散时间变化幅度不大，但早期强度明显降低；当 Ms 由 1.4 增至1.6 时，地聚合物注浆材料的初凝时间大幅缩短，终凝时间稍许缩短，除 4 h 和 6 h 强度上升外，后期强度均发生不同程度的降低。2.4 Na2O 含量对地质聚合物性能的影响在 Ms 肯定时，改性水玻璃中 Na2O 含量的变化一方面打算了体系的碱度，进而影响其对粉煤灰、矿渣等硅铝质原料的激发力量，另一方面也打算了激发体系中Na2O+SiO2的总量。为进一步调控地聚合物注浆材料的早期分散硬化行为及后期强度进展，固定改性水玻璃的 Ms 为 1.4，争论改性水玻璃中 Na2O 含量对地聚合物注浆材料分散时间及力学性能的影响，结果见表 9。表 9 Na2O 含量对地聚合物注浆材料性能的影响?由表 9 可见，随改性水玻璃中 Na2O 含量由 6.0%增至 12.0%，地聚合物注浆材料的初凝时间由 25 min 渐渐增至 65 min，而终凝时间则大幅缩短。Na2O 含量为 9.0%和 12.0%的 F15C15G70914 和 F15C15G701214 两组试样的分散时间满足修订后基层加固用一般型地聚合物注浆材料的技术指标，而其抗压强度满足基层加固用一般型的技术指标。F15C15G70614 型地聚合物注浆材料由于Na2O 含量较低，改性水玻璃的整体激发力量较弱，终凝时间较长，故无法快速形成强度。3 工程应用沈海高速G15江苏段濒临黄海，路线大多处于海相沉积平原，区域内地下水位高，沿线软土分布广泛，且大多为海陆交互的厚层或超厚层软土，局部路段软土厚度达 30 m。此外，沿线地基土含水量高、自然孔隙比大、压缩性高、分散力小、固结系数小。自该高速投入运营以来，局部路段消灭了不同程度的沉降，沉降严峻路段对行车安全性和舒适性造成肯定程度的影响。为此，2023 年 9 月承受 F15C15G70912 型地聚合物对该高速局部不均匀沉降段进展注浆处理，表 10 为 G15 江苏某段承受地聚合物注浆前后的数据比照。表 10 G15 江苏某段承受地聚合物注浆前后数据比照注：评价等级参照 JTG E60 2023大路路基路面现场测试规程执行。?由表 10 可见，该高速不均匀沉降路段经过地聚合物注浆加固以后，代表弯沉值降低 50%，路面强度系数由 0.390.42 提高到 0.760.80，路面强度评级由次提高到良。经过 2 年的运营以后，质量完好，行车舒适。4 结语（1） 当改性水玻璃中 Na2O 含量为 9%、Ms 为 1.2、矿渣掺量为 30%70%时， 所制地聚合物注浆材料的分散时间及力学性能均符合修订后基层加固用一般型地 聚合物注浆材料的技术要求。（2） F15C15G70912 和 F10C20G70912 两组地聚合物注浆材料的关键性能符合修订后基层加固用一般型地聚合物注浆材料的技术要求。（3） 承受非开挖式地聚合物注浆技术能有效修复路面的不均匀沉降，经F15C15G70912 型地聚合物注浆处理后，代表弯沉值降低约 50%；路面强度系数由 0.390.42 提高到 0.760.80，路面强度评级由次提高到良。经过 2 年的运营以后，质量完好，行车舒适。【相关文献】1 徐建军，吴开胜，赵大军.用于道路修复加固的地聚合物注浆材料的研制J.型建筑材料， 20233：2628.2 裴连日，孙家瑛.承受地聚合物灌浆材料提高道路土路基承载力量J.中国市政工程，20236： 1011.3 连萌.路面构造非开挖式快速补强技术试验争论J.大路，2023，5912：206209.4 张磊，问鹏辉，王朝辉，等.道路非开挖注浆加固补强材料争论进展J.材料导报，2023，3111：98105.5 Li C，Sun H，Li L.A review：The comparison between alkaliactivated slagSi+Ca and metakaolin Si+AlcementsJ.Cement and Concrete Research ，2023，409： 13411349.6 Davidovits J.Geopolymer Chemistry and ApplicationsM.Saint Quentin：Geopolymer Institute，2023.7 Provis J L，Duxson P，Van Deventer J S J，et al.The role of mathematical modelling and gel chemistry in advancing geopolymer technologyJ.Chemical Engineering Research&Design，2023，83A7：853860.8 Provis J L，Bernal S A.Geopolymers and related alkali activated materialsJ.Annual Review of Materials Research，2023，441：299327.9 Myers R J，Bernal S A，San Nicolas R，et al.Generalized structural description of calciumsodium aluminosilicate hydrate gels ：the crosslinked substituted tobermorite 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