陳宇亮， 曾 輝， 李婷玉， 劉至飛

( 湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

自改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，道路建設(shè)也快速發(fā)展。目前我國(guó)投入運(yùn)營(yíng)的道路路面中有相當(dāng)一部分接近或超過(guò)了設(shè)計(jì)年限，還有的雖然未到設(shè)計(jì)年限，但在重交通荷載、自然環(huán)境等外部條件的作用下都出現(xiàn)了不同程度的破壞，大批道路亟待改造修復(fù)[1]。國(guó)內(nèi)多數(shù)道路出現(xiàn)病害的原因與地基問(wèn)題有著密不可分的關(guān)系，而公路路基出現(xiàn)病害后，很難進(jìn)行大規(guī)模修復(fù)[2]。道路非開(kāi)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(guān)鍵因素，傳統(tǒng)無(wú)機(jī)類注漿材料如水泥類材料，雖然其價(jià)格低廉，但是存在后期強(qiáng)度不足、養(yǎng)護(hù)時(shí)間偏長(zhǎng)、耐久性較差等問(wèn)題[2，4-7]，已經(jīng)不能滿足當(dāng)下經(jīng)濟(jì)高效的社會(huì)發(fā)展需要。

地聚合物是近年來(lái)興起的一種新材料，它具有早期性能好、體積穩(wěn)定性好、耐久性好等優(yōu)良性能，是一種綠色環(huán)保，可替代水泥的新型膠凝材料[8]。市場(chǎng)上地聚合物注漿材料價(jià)格是水泥價(jià)格的4～8倍，這限制了其在工程上的大規(guī)模應(yīng)用。地聚合物原材料來(lái)源廣泛，富含硅鋁相的工業(yè)廢渣或天然礦物均可作為原材料[9]，近年來(lái)利用工業(yè)廢渣，如粉煤灰、礦渣制備地聚合物的研究越來(lái)越多。王健[10]等在水泥中摻入粉煤灰或者礦渣來(lái)制備注漿材料以提高其抗侵蝕性差、后期體積倒縮問(wèn)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(wèn)題。

針對(duì)道路深層病害特性和注漿材料存在的問(wèn)題，本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，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(fā)材料，制備了適用于道路深層病害非開(kāi)挖修復(fù)的一種快凝早強(qiáng)地聚合物注漿材料，并分析了原材料適用性和堿激發(fā)劑對(duì)注漿材料性能影響，為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用粉煤灰、礦渣來(lái)自于鞏義市元亨凈水材料廠，粒徑為300～400目；偏高嶺土來(lái)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(lái)自嘉善縣優(yōu)瑞耐火材料有限公司，模數(shù)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(lái)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司?；瘜W(xué)成分含量見(jiàn)表1。

表1 原材料化學(xué)成分百分含量Table 1 Chemical compositions of raw material原材料不同化學(xué)成分百分含量/%SiO2Al2O3CaOFe2O3MgO燒失量一級(jí)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(yàn)方案

前驅(qū)物粉料配比設(shè)計(jì)：將粉煤灰、偏高嶺土、礦渣按如表2所示配比組成前驅(qū)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(qū)物粉料配比設(shè)計(jì)Table 2 Proportioning design of precursor powder配比編號(hào)偏高嶺土/%粉煤灰/%礦渣/%配比編號(hào)偏高嶺土/%粉煤灰/%礦渣/%1500508353035250104093540253502030103550154502525113040305503020122045.7134.296504010131051.4338.57750500

水玻璃配比設(shè)計(jì)：在鉀水玻璃中加入KOH和水得到K2SiO3溶液，調(diào)整其固含量分別為20%、24%、28%、32%、36%，每一種固含量分別對(duì)應(yīng)1、1.25、1.5、1.75這4種模數(shù)，共計(jì)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(diào)整其固含量分別為20%、24%、28%、32%、36%，每一種固含量分別對(duì)應(yīng)1、1.25、1.5、1.75這4種模數(shù)。見(jiàn)表3。

表3 水玻璃堿激發(fā)劑配比設(shè)計(jì)Table 3 Proportioning design of sodium silicate alkali activator類型模數(shù)(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(cè)試方法：將前驅(qū)物粉料、堿激發(fā)劑、水拌和形成漿液。用倒錐法(T0508—2005)測(cè)試漿液的流動(dòng)度；用維卡儀(T0592—2020)測(cè)試其初凝時(shí)間和終凝時(shí)間；將漿液倒入40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模中，養(yǎng)護(hù)，然后測(cè)試1、7 d抗折/抗壓強(qiáng)度(T0506—2005)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 原材料對(duì)注漿材料的影響

試驗(yàn)選用K2SiO3溶液作為堿激發(fā)劑，其模數(shù)為1.25，固含量為24%。為保證注漿材料的強(qiáng)度和流動(dòng)度，通過(guò)試驗(yàn)確定堿激發(fā)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(jié)時(shí)間、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

表4 不同組分比例下凝結(jié)時(shí)間、抗折和抗壓強(qiáng)度Table 4 Setting time, flexural strength and compressive strength with different proportions配比編號(hào)流動(dòng)度/s初凝時(shí)間/min終凝時(shí)間/min1D抗折強(qiáng)度/MPa1 D抗壓強(qiáng)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(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)偏高嶺土含量為50%時(shí)，試樣的流動(dòng)度隨粉煤灰與礦渣比例的增大逐漸減??；試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰與礦渣比例的增大而減??；當(dāng)?shù)V渣含量超過(guò)30%時(shí)，容易出現(xiàn)裂縫，且漿液凝結(jié)時(shí)間很短。礦渣相對(duì)粉煤灰更容易被激發(fā)，其原因可能是礦渣中CaO較多、反應(yīng)活性高，容易激發(fā)礦渣的潛在水硬性生成C — S — H凝膠材料[13-15]。根據(jù)配比編號(hào)為8～13的試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入粉煤灰代替偏高嶺土，能提高漿液的流動(dòng)性和地聚合物的抗折性能。但是摻入粉煤灰過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)速度過(guò)慢，早期強(qiáng)度較低。參考相關(guān)規(guī)范，將注漿材料性能指標(biāo)擬定為：流動(dòng)度≤20 s，初凝時(shí)間≥10 min、終凝時(shí)間≤30 min，1 d抗壓強(qiáng)度>10 MPa。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，地聚合物前驅(qū)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(duì)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(qū)物，固定水玻璃模數(shù)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(duì)漿料的流動(dòng)性和地聚合物的力學(xué)性能的影響。圖1是流動(dòng)度隨不同堿激發(fā)劑固含量變化的情況，可以看出，漿液的流動(dòng)度隨著堿激發(fā)劑固含量的增大而增大，即堿激發(fā)劑固含量越大，流動(dòng)性越差。當(dāng)堿激發(fā)劑溶液的固含量接近20%，漿液不能凝膠固化。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)劑元素種類對(duì)漿液流動(dòng)度也有影響，相當(dāng)固含量(固含量>20%)、相同模數(shù)相同液固比和堿激發(fā)劑存在K+的情況下，漿液流動(dòng)度明顯比堿激發(fā)劑只存在Na+情況下的漿液流動(dòng)度小，流動(dòng)性更好，由圖1可以看出，不同激發(fā)劑漿液流動(dòng)性大小為：K2SiO3溶液>Na2SiO3/KOH溶液>Na2SiO3溶液。

圖1 流動(dòng)度隨不同堿激發(fā)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(qiáng)度隨水玻璃固含量變化。由圖可知，地聚合物的抗折、抗壓強(qiáng)度隨著水玻璃固含量增大而增大。當(dāng)水玻璃固含量較小(24%)時(shí)，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(qiáng)度。當(dāng)固含量較大時(shí)(≥28%)，水玻璃的類型對(duì)早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度影響都不大，但是此時(shí)漿液流動(dòng)性很差。這是因?yàn)樵趬A性環(huán)境下，物料中Al和Si的溶解析出速率受堿金屬陽(yáng)離子影響，堿金屬陽(yáng)離子不同會(huì)造成物料中Al和Si的溶解析出速率不同，導(dǎo)致物料顆粒附近鋁硅酸結(jié)構(gòu)的Al/Si出現(xiàn)差異，隨后會(huì)對(duì)飛灰顆粒附近形成的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[16]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)K+能夠提高地聚合物早期強(qiáng)度，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)采用的物料組合下，堿性壞境下K+比Na+更能促進(jìn)物料中Al的溶解釋放，Al的釋放速度越快，反應(yīng)活性越高[17]。溶解的Al與水玻璃中已存在的硅氧結(jié)構(gòu)在堿性環(huán)境下發(fā)生縮聚反應(yīng)生成低聚結(jié)構(gòu)，釋放出水；在低聚結(jié)構(gòu)進(jìn)一步反應(yīng)形成長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)之前，釋放出的水能使體系的稠度降低，從而導(dǎo)致漿液流動(dòng)度變小，流動(dòng)性變好，這也較好地解釋了圖1中得到的結(jié)果： 堿激發(fā)劑中存在K+時(shí)，流動(dòng)性變好。

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

試驗(yàn)表明，K2SiO3溶液作為堿激發(fā)劑，漿液流動(dòng)性和地聚合物早期強(qiáng)度較好。而使用通過(guò)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(dòng)性和地聚合物早期強(qiáng)度。由于市場(chǎng)上鉀水玻璃的價(jià)格相對(duì)鈉水玻璃價(jià)格要昂貴許多，而KOH和NaOH的價(jià)格相似，綜合考慮漿液流動(dòng)性能、地聚合物早期力學(xué)性能和成本，使用Na2SiO3/KOH溶液作為堿激發(fā)劑最適宜。

2.3 水玻璃模數(shù)對(duì)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(shù)，研究模數(shù)對(duì)注漿材料流動(dòng)性和地聚合物早期強(qiáng)度影響。圖4和圖5分別為不用模數(shù)下的漿液流動(dòng)度和地聚合物1 d抗折、抗壓強(qiáng)度。

圖4 不同水玻璃流動(dòng)度隨模數(shù)變化

圖5 不同水玻璃1 d抗折、抗壓強(qiáng)度隨模數(shù)變化

由圖4、圖5可知，當(dāng)固含量一定時(shí)，同一種水玻璃流動(dòng)度隨著模數(shù)變化不大，但隨著模數(shù)降低，地聚合物早期力學(xué)性能提高，當(dāng)模數(shù)<1.2時(shí)，力學(xué)性能增大趨勢(shì)延緩。這是因?yàn)殡S著模數(shù)減小，堿含量越大，更容易激發(fā)前驅(qū)物粉料反應(yīng)。但是模數(shù)越低，消耗堿的數(shù)量增加，成本也越高；且堿性越強(qiáng)，容易引起碳化等負(fù)面影響，所以水玻璃的模數(shù)不宜過(guò)低。另外從圖4、圖5中可以看出，相同模數(shù)下，Na2SiO3/KOH溶液相較于Na2SiO3溶液可使?jié){液獲得更好的流動(dòng)性和更加優(yōu)良的抗折、抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，最終將地聚合物注漿材料的前驅(qū)物比列確定為偏高嶺土30%～40%，粉煤灰30%～40%，礦渣20%～30%。堿激發(fā)劑確定為固含量約24%，模數(shù)約1.2～1.3、液固比0.65的Na2SiO3/KOH溶液。

3 工程試點(diǎn)應(yīng)用

選擇湘潭鋼城北路作為工程試點(diǎn)，湘潭鋼城北路位于湘潭市岳塘區(qū)，始于湖南華菱湘鋼鋼鐵廠北門，連接岳塘路，全長(zhǎng)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(jié)構(gòu)為：26 cm水泥碎石穩(wěn)定層+26 cm連續(xù)配筋水泥混凝土層+12 cm AC-13。主要用于廠區(qū)運(yùn)輸各種資料和鋼鐵成品的通道，大車重車多，路面多處出現(xiàn)開(kāi)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(jìn)行了注漿。圖6為注漿前后同一區(qū)域的雷達(dá)探傷結(jié)果圖。本次勘測(cè)選用了美國(guó)勞雷公司SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)，400 MHz雷達(dá)天線，采集模式為時(shí)間觸發(fā)的方式。

由圖6中探測(cè)結(jié)果可知，在注漿之前，測(cè)試路段范圍存在不密實(shí)和空洞；在注漿之后，雷達(dá)圖變得規(guī)整。這說(shuō)明不密實(shí)和空洞的現(xiàn)象得到有效填充和修復(fù)，反應(yīng)了研制的地聚合物注漿材料有不錯(cuò)的流動(dòng)性。地聚合物相對(duì)水泥最明顯的優(yōu)勢(shì)是耐久性，注漿完成后道路結(jié)構(gòu)得到有效改善，前期注漿效果良好，為體現(xiàn)該地聚合物注漿效果的耐久性，課題組將對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，得到長(zhǎng)期使用后的效果。

圖6 同一位置雷達(dá)探測(cè)圖

4 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)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(duì)其力學(xué)性能、工作性能和經(jīng)濟(jì)性影響。研究主要得到以下結(jié)論：

a.礦渣具有較好的前期激活特性，同時(shí)具有硬脆的特點(diǎn)，所以不宜過(guò)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(fā)劑時(shí)，K+相對(duì)Na+具有更高的反應(yīng)活性，能夠提高拌合物的流動(dòng)性地聚合物的早期強(qiáng)度。在鈉水玻璃中加入KOH制備的Na2SiO3/KOH溶液是理想的堿激發(fā)劑，其最優(yōu)指標(biāo)為固含量約24%，模數(shù)1.2～1.3、液固比0.65。

c.地聚合物注漿結(jié)果表明研制的地聚合物具有較好的流動(dòng)性，修復(fù)效果較好。