偏高岭土、粉煤灰和矿渣地聚合物注浆材料研制与应用

陈宇亮， 曾 辉， 李婷玉， 刘至飞

( 湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

自改革开放以来，随着我国经济高速发展，道路建设也快速发展。目前我国投入运营的道路路面中有相当一部分接近或超过了设计年限，还有的虽然未到设计年限，但在重交通荷载、自然环境等外部条件的作用下都出现了不同程度的破坏，大批道路亟待改造修复[1]。国内多数道路出现病害的原因与地基问题有着密不可分的关系，而公路路基出现病害后，很难进行大规模修复[2]。道路非开挖注浆加固法是处理路基病害的常用方法[2-3]。其中注浆材料的性能是影响注浆效果的关键因素，传统无机类注浆材料如水泥类材料，虽然其价格低廉，但是存在后期强度不足、养护时间偏长、耐久性较差等问题[2，4-7]，已经不能满足当下经济高效的社会发展需要。

地聚合物是近年来兴起的一种新材料，它具有早期性能好、体积稳定性好、耐久性好等优良性能，是一种绿色环保，可替代水泥的新型胶凝材料[8]。市场上地聚合物注浆材料价格是水泥价格的4～8倍，这限制了其在工程上的大规模应用。地聚合物原材料来源广泛，富含硅铝相的工业废渣或天然矿物均可作为原材料[9]，近年来利用工业废渣，如粉煤灰、矿渣制备地聚合物的研究越来越多。王健[10]等在水泥中掺入粉煤灰或者矿渣来制备注浆材料以提高其抗侵蚀性差、后期体积倒缩问题。胡曙光[11-12]等指出，水泥基注浆材料始终存在抗溶蚀能力较差的问题。

针对道路深层病害特性和注浆材料存在的问题，本文从工程应用的角度出发，选用偏高岭土作为制备地聚合物基本材料，并用粉煤灰、矿渣部分替代偏高岭土以降低成本和拌和需水量。以水玻璃为碱激发材料，制备了适用于道路深层病害非开挖修复的一种快凝早强地聚合物注浆材料，并分析了原材料适用性和碱激发剂对注浆材料性能影响，为工程应用提供参考。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验所用粉煤灰、矿渣来自于巩义市元亨净水材料厂，粒径为300～400目；偏高岭土来自于巩义市辰义耐材磨料有限公司，粒径为1250目；钠水玻璃和钾水玻璃均来自嘉善县优瑞耐火材料有限公司，模数分别为2.25和3.3，波美度(20 ℃)分别为50和38.5；氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)和分析纯均来自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。化学成分含量见表1。

表1 原材料化学成分百分含量Table 1 Chemical compositions of raw material原材料不同化学成分百分含量/%SiO2Al2O3CaOFe2O3MgO烧失量一级粉煤灰53.3629.092.273.870.812.48偏高岭土54～5543～44<0.5<0.5<0.05—S95矿渣36.1016.3235.58—11.32—

1.2 试验方案

前驱物粉料配比设计：将粉煤灰、偏高岭土、矿渣按如表2所示配比组成前驱物粉料。在配比1～7中，保持偏高岭土的含量为50%，变化粉煤灰与矿渣掺量。在配比8～10中，保持偏高岭土含量为35%，变化矿渣和粉煤灰的含量。在11～13配比中，保持粉煤灰和矿渣为4∶3，变化偏高岭土含量。

表2 前驱物粉料配比设计Table 2 Proportioning design of precursor powder配比编号偏高岭土/%粉煤灰/%矿渣/%配比编号偏高岭土/%粉煤灰/%矿渣/%1500508353035250104093540253502030103550154502525113040305503020122045.7134.296504010131051.4338.57750500

水玻璃配比设计：在钾水玻璃中加入KOH和水得到K2SiO3溶液，调整其固含量分别为20%、24%、28%、32%、36%，每一种固含量分别对应1、1.25、1.5、1.75这4种模数，共计20种；相似的在钠水玻璃中加入NaOH得到Na2SiO3溶液20种；另在钠水玻璃中加入KOH得到Na2SiO3/KOH溶液，调整其固含量分别为20%、24%、28%、32%、36%，每一种固含量分别对应1、1.25、1.5、1.75这4种模数。见表3。

表3 水玻璃碱激发剂配比设计Table 3 Proportioning design of sodium silicate alkali activator类型模数(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

拌和与测试方法：将前驱物粉料、碱激发剂、水拌和形成浆液。用倒锥法(T0508—2005)测试浆液的流动度；用维卡仪(T0592—2020)测试其初凝时间和终凝时间；将浆液倒入40 mm×40 mm×160 mm三联试模中，养护，然后测试1、7 d抗折/抗压强度(T0506—2005)。

2 试验结果和分析

2.1 原材料对注浆材料的影响

试验选用K2SiO3溶液作为碱激发剂，其模数为1.25，固含量为24%。为保证注浆材料的强度和流动度，通过试验确定碱激发剂的固液比为0.65。表4所示为不同组分比例下地聚合物材料的凝结时间、抗折强度和抗压强度。

表4 不同组分比例下凝结时间、抗折和抗压强度Table 4 Setting time, flexural strength and compressive strength with different proportions配比编号流动度/s初凝时间/min终凝时间/min1D抗折强度/MPa1 D抗压强度/MPa备注1355101.7620.63有裂缝23210181.3717.98有裂缝33015301.1316.1943016311.1811.7952920350.639.6962823370.607.57722>300<6000.905.0582013261.3617.3791917302.3212.90102015311.3213.47111914332.6214.91121813282.4914.57有裂缝131713263.1415.47有裂缝

由表4中试验结果可以看出，当偏高岭土含量为50%时，试样的流动度随粉煤灰与矿渣比例的增大逐渐减小；试样的抗折强度和抗压强度随着粉煤灰与矿渣比例的增大而减小；当矿渣含量超过30%时，容易出现裂缝，且浆液凝结时间很短。矿渣相对粉煤灰更容易被激发，其原因可能是矿渣中CaO较多、反应活性高，容易激发矿渣的潜在水硬性生成C — S — H凝胶材料[13-15]。根据配比编号为8～13的试验结果可知，掺入粉煤灰代替偏高岭土，能提高浆液的流动性和地聚合物的抗折性能。但是掺入粉煤灰过多，会导致凝结速度过慢，早期强度较低。参考相关规范，将注浆材料性能指标拟定为：流动度≤20 s，初凝时间≥10 min、终凝时间≤30 min，1 d抗压强度>10 MPa。根据试验结果，地聚合物前驱物合适的组成为：偏高岭土30%～40%，粉煤灰30%～40%，矿渣20%～30%。

2.2 水玻璃固含量和种类对注浆材料性能的影响

使用粉煤灰∶偏高岭土∶矿渣=40∶30∶30的粉料作为前驱物，固定水玻璃模数为1.25，液固比为0.65。变化水玻璃的固含量和种类，分析不同水玻璃类型和固含量对浆料的流动性和地聚合物的力学性能的影响。图1是流动度随不同碱激发剂固含量变化的情况，可以看出，浆液的流动度随着碱激发剂固含量的增大而增大，即碱激发剂固含量越大，流动性越差。当碱激发剂溶液的固含量接近20%，浆液不能凝胶固化。试验发现碱激发剂元素种类对浆液流动度也有影响，相当固含量(固含量>20%)、相同模数相同液固比和碱激发剂存在K+的情况下，浆液流动度明显比碱激发剂只存在Na+情况下的浆液流动度小，流动性更好，由图1可以看出，不同激发剂浆液流动性大小为：K2SiO3溶液>Na2SiO3/KOH溶液>Na2SiO3溶液。

图1 流动度随不同碱激发剂固含量变化情况图 (M=1.25)

图2和图3所示为使用不同水玻璃地聚合物1 d和7 d抗折、抗压强度随水玻璃固含量变化。由图可知，地聚合物的抗折、抗压强度随着水玻璃固含量增大而增大。当水玻璃固含量较小(24%)时，相比只含有Na+的水玻璃，含有K+的水玻璃明显提高了地聚合物早期(1 d)和后期(7 d)抗折、抗压强度。当固含量较大时(≥28%)，水玻璃的类型对早期强度和后期强度影响都不大，但是此时浆液流动性很差。这是因为在碱性环境下，物料中Al和Si的溶解析出速率受碱金属阳离子影响，碱金属阳离子不同会造成物料中Al和Si的溶解析出速率不同，导致物料颗粒附近铝硅酸结构的Al/Si出现差异，随后会对飞灰颗粒附近形成的结构产生影响[16]。试验发现K+能够提高地聚合物早期强度，说明本实验采用的物料组合下，碱性坏境下K+比Na+更能促进物料中Al的溶解释放，Al的释放速度越快，反应活性越高[17]。溶解的Al与水玻璃中已存在的硅氧结构在碱性环境下发生缩聚反应生成低聚结构，释放出水；在低聚结构进一步反应形成长链结构之前，释放出的水能使体系的稠度降低，从而导致浆液流动度变小，流动性变好，这也较好地解释了图1中得到的结果： 碱激发剂中存在K+时，流动性变好。

图2 使用不同水玻璃地聚合物1 d抗折、抗压强度随水玻璃固含量变化(M=1.25)

图3 使用不同水玻璃地聚合物7 d抗折、抗压强度随水玻璃固含量变化(M=1.25)

试验表明，K2SiO3溶液作为碱激发剂，浆液流动性和地聚合物早期强度较好。而使用通过在钠水玻璃中添加KOH引入K+得到的Na2SiO3/KOH溶液，能够取得和使用K2SiO3溶液相近的浆液流动性和地聚合物早期强度。由于市场上钾水玻璃的价格相对钠水玻璃价格要昂贵许多，而KOH和NaOH的价格相似，综合考虑浆液流动性能、地聚合物早期力学性能和成本，使用Na2SiO3/KOH溶液作为碱激发剂最适宜。

2.3 水玻璃模数对地聚合物注浆材料的影响

保持水玻璃的固含量为24%，变化Na2SiO3溶液和Na2SiO3/KOH溶液这2种水玻璃的模数，研究模数对注浆材料流动性和地聚合物早期强度影响。图4和图5分别为不用模数下的浆液流动度和地聚合物1 d抗折、抗压强度。

图4 不同水玻璃流动度随模数变化

图5 不同水玻璃1 d抗折、抗压强度随模数变化

由图4、图5可知，当固含量一定时，同一种水玻璃流动度随着模数变化不大，但随着模数降低，地聚合物早期力学性能提高，当模数<1.2时，力学性能增大趋势延缓。这是因为随着模数减小，碱含量越大，更容易激发前驱物粉料反应。但是模数越低，消耗碱的数量增加，成本也越高；且碱性越强，容易引起碳化等负面影响，所以水玻璃的模数不宜过低。另外从图4、图5中可以看出，相同模数下，Na2SiO3/KOH溶液相较于Na2SiO3溶液可使浆液获得更好的流动性和更加优良的抗折、抗压强度。

根据室内实验，最终将地聚合物注浆材料的前驱物比列确定为偏高岭土30%～40%，粉煤灰30%～40%，矿渣20%～30%。碱激发剂确定为固含量约24%，模数约1.2～1.3、液固比0.65的Na2SiO3/KOH溶液。

3 工程试点应用

选择湘潭钢城北路作为工程试点，湘潭钢城北路位于湘潭市岳塘区，始于湖南华菱湘钢钢铁厂北门，连接岳塘路，全长约500 m。原路面为配筋水泥混凝土路面，后湘钢公司在原水泥混凝土路面上罩一层沥青混凝土，路面结构为：26 cm水泥碎石稳定层+26 cm连续配筋水泥混凝土层+12 cm AC-13。主要用于厂区运输各种资料和钢铁成品的通道，大车重车多，路面多处出现开裂、局部沉降、破损翻浆冒泥等病害。2020年12月，课题组选择了一段存在脱空的路段使用研制的地聚合物注浆材料进行了注浆。图6为注浆前后同一区域的雷达探伤结果图。本次勘测选用了美国劳雷公司SIR-3000型地质雷达，400 MHz雷达天线，采集模式为时间触发的方式。

由图6中探测结果可知，在注浆之前，测试路段范围存在不密实和空洞；在注浆之后，雷达图变得规整。这说明不密实和空洞的现象得到有效填充和修复，反应了研制的地聚合物注浆材料有不错的流动性。地聚合物相对水泥最明显的优势是耐久性，注浆完成后道路结构得到有效改善，前期注浆效果良好，为体现该地聚合物注浆效果的耐久性，课题组将对试验路段进行长期观测，得到长期使用后的效果。

图6 同一位置雷达探测图

4 结论

通过室内试验制备一种偏高岭土、粉煤灰、矿渣组成的地聚合物注浆材料，分析了不同类型水玻璃溶液对其力学性能、工作性能和经济性影响。研究主要得到以下结论：

a.矿渣具有较好的前期激活特性，同时具有硬脆的特点，所以不宜过多，粉煤灰代替部分粉煤灰，既能降低成本，还能提高韧性。三者合适的配比为偏高岭土30%～40%，粉煤灰30%～40%，矿渣20%～30%。

b.用水玻璃做碱激发剂时，K+相对Na+具有更高的反应活性，能够提高拌合物的流动性地聚合物的早期强度。在钠水玻璃中加入KOH制备的Na2SiO3/KOH溶液是理想的碱激发剂，其最优指标为固含量约24%，模数1.2～1.3、液固比0.65。

c.地聚合物注浆结果表明研制的地聚合物具有较好的流动性，修复效果较好。