李款，潘友強，解建光，張輝

（1.南京航空航天大學(xué)土木工程系，江蘇南京 210016；2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇南京 211806）

0 引言

日益增長的交通壓力對道路養(yǎng)護作業(yè)提出了快速化要求。道路面層修復(fù)技術(shù)對于破損道路治標(biāo)不治本，而對路基進行修復(fù)處理是恢復(fù)路基承載能力的有效方法[1-2]。由于存在修復(fù)時間過長、投入成本較多、影響車輛通行等缺點，大規(guī)模路面開挖修復(fù)技術(shù)并不可取。憑借施工流程簡便、施工成本低、道路復(fù)通快等優(yōu)點，非開挖式注漿加固技術(shù)成為道路修復(fù)的發(fā)展趨勢[3-4]。

工業(yè)化的快速發(fā)展導(dǎo)致粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣大量堆積，我國對于粉煤灰、礦渣的二次利用仍局限于水泥混凝土行業(yè)。相關(guān)研究表明[5]：礦渣中含有大量具有火山灰活性的玻璃態(tài)物質(zhì)，其與水間的反應(yīng)較為微弱，但在水玻璃、Ca（OH）2、NaOH等堿性物質(zhì)或酸性物質(zhì)激發(fā)作用下，礦渣中的活性玻璃態(tài)物質(zhì)會被化學(xué)激發(fā)，進而生產(chǎn)凝膠產(chǎn)物。與礦渣類似，粉煤灰也不具備水化硬化能力，同樣需要采用化學(xué)激發(fā)劑對其進行化學(xué)激發(fā)，但其生成的硅鋁酸鹽凝膠可顯著改善激發(fā)產(chǎn)物的耐久性[6-8]。基于化學(xué)激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰和礦渣而制備的新型注漿材料[9-10]較傳統(tǒng)水泥基注漿材料具有更低的施工成本、更低的能源消耗、降低了環(huán)境污染等優(yōu)點，為注漿材料的未來發(fā)展提供了新思路。

為系統(tǒng)研究改性水玻璃參數(shù)及礦渣摻量對粉煤灰基地質(zhì)聚合物注漿材料的影響，本文首先分析不同改性水玻璃參數(shù)和礦渣摻量下粉煤灰（FA）基地質(zhì)聚合物注漿材料的力學(xué)性能和干燥收縮，然后采用XRD、MIP及SEM/EDS進一步分析不同配比下FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的產(chǎn)物組成及微觀結(jié)構(gòu)，最后按照SZ-G-B04—2007《公路路基與基層地質(zhì)聚合物注漿加固技術(shù)規(guī)程》優(yōu)選粉煤灰基地質(zhì)聚合物注漿材料進行試驗段工程應(yīng)用，并進行長期跟蹤觀測。

1 實 驗

1.1 原材料

粉煤灰（FA）：市售，Ⅰ級，其主要化學(xué)成分如表1所示。采用激光粒度儀（Mastersizer 2000，英國馬爾文儀器公司）對FA的粒度分布進行分析，F(xiàn)A的中位粒徑d50為10.80 μm，F(xiàn)A的主要礦物組分為莫來石和石英，同時還含有大量玻璃態(tài)物質(zhì)（見圖1）。

圖1 FA的XRD圖譜

?；郀t礦渣（GBFS）：市售，S95級，其化學(xué)成分如表1所示。采用激光粒度儀對GBFS的粒度分布進行分析，GBFS的中位粒徑d50=11.4 μm。GBFS的XRD圖譜見圖2。

表1 FA及GBFS的化學(xué)成分%

由圖2可見，在2θ=20°～40°范圍內(nèi)出現(xiàn)的漫散射峰，表明GBFS中含有大量玻璃態(tài)物質(zhì)，在2θ=29.5°（d=0.30284 nm）處的衍射峰代表鎂硅鈣石，在2θ=31.3°（d=0.28545 nm）處的衍射峰為鎂黃長石或鈣鋁黃長石。

圖2 GBFS的XRD圖譜

改性水玻璃：將固體氫氧化鈉（純度≥96%，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）和去離子水加入工業(yè)水玻璃（SiO2=26.2%，Na2O=8.5%，H2O=65.3%，南京道勤實業(yè)有限公司）中，調(diào)制出Na2O含量分別為6.0%、9.0%、12.0%，模數(shù)（Ms）分別為1.2、1.4、1.6的改性水玻璃，所有改性水玻璃使用前需靜止24 h，并恢復(fù)至室溫后方可使用。

1.2 FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的制備

按表2配合比，向工業(yè)水玻璃中添加適量固體氫氧化鈉和去離子水調(diào)制改性水玻璃，充分搖勻后靜置24 h后再使用。按表2配合比稱取復(fù)合粉體（FA+GBFS）和改性水玻璃，經(jīng)水泥凈漿攪拌機攪拌均勻后注入30 mm×30 mm×30 mm的立方體塑料模具和裝好釘頭的20 mm×20 mm×80 mm的長方體塑料模具中。其中，立方體試樣用于地質(zhì)聚合物注漿材料抗壓強度測試，長方體試樣用于地質(zhì)聚合物注漿材料干燥收縮測試。所有試樣注模后，立即采用聚乙烯薄膜進行包裹，然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱[（20±1）℃，RH≥95%]中養(yǎng)護24 h后脫模，脫模后繼續(xù)置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行性能測試。

表2 FA基地質(zhì)聚合物注漿材料配合比設(shè)計

1.3 性能測試與表征

抗壓強度：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢測方法（ISO法）》，采用電液式水泥抗壓試驗機（TYA-100C，無錫新路達儀器設(shè)備有限公司）分別測試不同期齡FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的抗壓強度。

干燥收縮：采用比長儀測量脫模后試樣的長度，記為初長Lin。將常溫養(yǎng)護1 d后的試樣置于（20±2）℃，相對濕度為（45±5）%條件下繼續(xù)養(yǎng)護，測量2、3、7、14、21、28、56、90、180 d試樣終長Lfi，并按式（3）計算線變化率。

XRD分析：采用X射線衍射儀（Smartlab，日本理學(xué)株式會社，Cu-Kα 射線，管電壓為40 kV，管電流為30 mA）對FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進行分析，掃描范圍為5°～85°，掃描速率為10°/min。

SEM分析：采用掃描電子顯微鏡（JEM 6510，日本電子株式會社）分析FA基地質(zhì)聚合物注漿材料試樣斷面的微觀結(jié)構(gòu)。將養(yǎng)護至28 d齡期的試樣置于無水乙醇中浸泡24 h，然后置于40 ℃下真空干燥24 h，試樣破碎后進行噴金處理。試驗過程中的加速電壓為15 kV。

MIP分析：采用全自動壓汞儀（Poremaster GT-60，美國康塔儀器公司）分析FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的微觀孔結(jié)構(gòu)。為除去試樣中的自由水并最大限度地保留FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的微觀孔結(jié)構(gòu)，將養(yǎng)護至28 d齡期的試樣破碎至最大尺寸不超過1 cm的小塊，并置于無水乙醇中浸泡24 h，然后在40 ℃下真空干燥24 h以除去試樣中的水分。

其他性能：參照SZ-G-B04—2007《公路路基與基層地聚合物注漿加固技術(shù)規(guī)程》對FA基地質(zhì)聚合物注漿材料流動度、初凝時間、終凝時間及抗壓強度進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

改性水玻璃中Na2O含量、改性水玻璃Ms及GBFS摻量對FA基地質(zhì)聚合物注漿材料7、28、90 d抗壓強度的影響見圖3。

圖3 改性水玻璃參數(shù)和GBFS摻量對FA基地質(zhì)聚合物注漿材料抗壓強度的影響

由圖3可知：

（1）FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的7、28、90 d抗壓強度均隨改性水玻璃中Na2O含量的增大而提高。當(dāng)改性水玻璃中Na2O含量由6.0%逐漸增至12.0%時，其對應(yīng)FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的7 d抗壓強度由6.0 MPa逐漸提高至14.1 MPa；28 d抗壓強度由12.6 MPa逐漸提高至24.4 MPa；90 d抗壓強度由16.7 MPa逐漸提高至39.0 MPa。地質(zhì)聚合過程伴隨著Na+的消耗，隨著地質(zhì)聚合反應(yīng)進行，改性水玻璃中的Na+進入N-A-S（H）凝膠網(wǎng)絡(luò)，體系堿度下降。當(dāng)W/S和Ms不變時，Na2O含量越大，體系堿度越高，F(xiàn)A的溶解量越大；另一方面，Na2O含量越大，改性水玻璃中起膠結(jié)作用的SiO2含量越高，故FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的抗壓強度隨Na2O摻量的增大而增大。

（2）FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的7 d抗壓強度均隨改性水玻璃Ms增大而緩慢提高。當(dāng)改性水玻璃Ms由1.2增大至1.6時，其對應(yīng)FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的7 d抗壓強度由9.6 MPa提高至12.1 MPa；28 d抗壓強度由18.6 MPa提高至20.1 MPa；90 d抗壓強度由23.7 MPa提高至24.2 MPa。水玻璃是一類重要的膠結(jié)劑，當(dāng)W/S和Na2O含量不變時，Ms越大，改性水玻璃中的硅氧低聚物含量越大，大量硅氧低聚物在未溶解FA顆粒表面沉淀，從而增大了FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的抗壓強度。當(dāng)Ms較高時，溶解產(chǎn)生的[Al（OH）4]-立即被[Si（OH）4]所飽和，后續(xù)縮聚反應(yīng)在反應(yīng)活化能較高的[Si（OH）4]與[Si（OH）4]間進行，F(xiàn)A基地質(zhì)聚合物注漿材料的凝結(jié)、硬化時間延長，不利于實際工程應(yīng)用。

（3）當(dāng)GBFS摻量由0增至30%時，對應(yīng)FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的7 d抗壓強度由9.6 MPa逐漸提高至28.3 MPa，增幅達195%；28 d抗壓強度由18.6 MPa逐漸提高至37.5 MPa，增幅達101%；90 d抗壓強度由23.7 MPa逐漸提高至44.6 MPa，增幅達88%。顯然，GBFS的摻入大幅度提高了FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的抗壓強度，尤其對其早期強度的提升明顯。

2.2 干燥收縮

干燥收縮是限制地質(zhì)聚合物材料應(yīng)用的最大障礙之一，國內(nèi)外學(xué)者已針對該體系作了較為詳盡的研究[11-13]。目前對于FA基地質(zhì)聚合物干燥收縮方面的研究較少[14-15]，該體系的配合比設(shè)計和養(yǎng)護制度的優(yōu)化僅以抗壓強度為響應(yīng)，而忽略了制品的體積穩(wěn)定性。

改性水玻璃中Na2O含量、Ms及GBFS摻量對FA基地質(zhì)聚合物注漿材料不同齡期干燥收縮的影響見圖4。

圖4 改性水玻璃參數(shù)和GBFS摻量對FA基地質(zhì)聚合物注漿材料干燥收縮的影響

由圖4可知，固定改性水玻璃Ms為1.4，當(dāng)改性水玻璃中Na2O含量由6%增至12%時，F(xiàn)A基地質(zhì)聚合物注漿材料的180 d干燥收縮率由0.08%增至0.49%，增幅達513%。固定改性水玻璃Na2O含量為9%，當(dāng)改性水玻璃Ms由1.2增至1.6時，F(xiàn)A基地質(zhì)聚合物注漿材料180 d干燥收縮變化不大，先由0.29%降至0.15%，再升至0.29%。當(dāng)GBFS摻量由0逐漸增至30%時，F(xiàn)A基地質(zhì)聚合物注漿材料的180 d干燥收縮率由0.29%降至0.21%，降幅達28%。

FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的干燥收縮率遠大于硅酸鹽水泥基注漿材料，其根本原因在于地質(zhì)聚合物的反應(yīng)產(chǎn)物主要為N-A-S（H）凝膠，凝膠體內(nèi)含有大量幾納米至幾十納米的凝膠孔和毛細孔，脫水時產(chǎn)生巨大的毛細管力，并引起制品收縮開裂；另一方面，以N-A-S（H）凝膠為主的地質(zhì)聚合產(chǎn)物缺乏晶態(tài)物質(zhì)的限制作用，當(dāng)摻加少量GBFS后，F(xiàn)A基地質(zhì)聚合物注漿材料的反應(yīng)產(chǎn)物N-A-S（H）凝膠中包含部分CA-S-H凝膠，與N-A-S（H）凝膠不同的是，C-A-S-H凝膠更加致密，故其干燥收縮值較FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的更低。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 XRD分析

不同水玻璃參數(shù)及GBFS摻量時FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的XRD譜圖見圖5。

圖5 不同改性水玻璃參數(shù)和GBFS摻量地質(zhì)聚合物注漿材料的XRD圖譜

由圖5可見，經(jīng)改性水玻璃激發(fā)后，粉煤灰中的“饅頭峰”加寬并向高角度偏移，這是堿激發(fā)生成N-A-S（H）凝膠的標(biāo)志之一[16]。石英和莫來石并未參加地質(zhì)聚合反應(yīng)，仍存在于地質(zhì)聚合產(chǎn)物中。不同改性水玻璃Na2O含量和Ms下FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的XRD譜圖幾乎完全一致，顯然XRD并不能有效表征以N-A-S（H）凝膠為主要產(chǎn)物的FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的相組成。

在FA基地質(zhì)聚合物注漿材料中摻加0～30%的GBFS后，F(xiàn)A中的石英和莫來石相仍然存在于地質(zhì)聚合產(chǎn)物中，且隨GBFS摻量增加，其衍射強度逐漸減弱，一方面，證實了這兩相并未參加地質(zhì)聚合反應(yīng)；另一方面，也表明GBFS的摻入增大了FA的溶解量，從而增大了FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的反應(yīng)程度，非晶產(chǎn)物比例大幅上升[17]。隨GBFS摻量增加，“饅頭峰”加寬，并進一步向高角度偏移，這主要是由于GBFS中大量Ca2+溶出，并參與地質(zhì)聚合反應(yīng)，從而導(dǎo)致FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的產(chǎn)物由以N-A-S（H）凝膠為主轉(zhuǎn)變?yōu)镹-AS（H）凝膠和C-A-S-H凝膠共存，故“饅頭峰”向高角度偏移。

2.3.2 MIP分析

不同GBFS摻量下FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的孔徑分布見圖6。

由圖6可見，摻加30%GBFS時，F(xiàn)A基地質(zhì)聚合物注漿材料的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，其總孔隙率由36.72%降至18.49%，<10 nm的孔占總孔體積的百分比由6.83%增至27.28%，>50 nm的孔占總孔體積的百分比比由43.16%降至23.24%。G-9-12-30型地質(zhì)聚合物注漿材料的微觀結(jié)構(gòu)較G-9-12型致密，且其凝膠產(chǎn)物中<50 nm的孔遠小于后者，故在干燥條件下，G-9-12-30型的干燥收縮遠小于G-9-12型地質(zhì)聚合物注漿材料。

2.3.3 SEM分析

FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的SEM照片見圖7。

圖6 不同GBFS摻量下FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的孔徑分布

圖7 FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的SEM照片

由圖7可見：

（1）FA基地質(zhì)聚合物注漿材料呈現(xiàn)“巧克力曲奇”狀結(jié)構(gòu)：大量未溶解完全的FA顆?；蜩偳队谀z產(chǎn)物中，或因制樣時剝落并留下大小不一的坑洞，部分未溶解FA顆粒表面有絮狀或晶狀物質(zhì)堆積。此外，F(xiàn)A基地質(zhì)聚合物注漿材料的凝膠產(chǎn)物中存在大量網(wǎng)狀裂紋，部分裂紋呈貫穿狀。大量未溶解完全的FA顆粒與凝膠產(chǎn)物間存在較大間隙，這主要由凝膠產(chǎn)物脫水收縮造成。采用伍德合金壓入法對地質(zhì)聚合物微觀結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果也表明經(jīng)溶解、縮聚生成的地質(zhì)聚合產(chǎn)物并不足以回填FA顆粒溶解所產(chǎn)生的孔隙[18]。

（2）與G-9-12型地質(zhì)聚合物注漿材料相比，摻入30%GBFS后的G-9-12-30型地質(zhì)聚合物注漿材料的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，且未溶解FA顆粒的數(shù)量明顯少于G-9-12型地質(zhì)聚合物注漿材料。GBFS的反應(yīng)活性遠高于FA，GBFS中玻璃體在激發(fā)劑溶液中溶解并生成大量Ca2+。一方面，GBFS中溶出的Ca2+可替代部分N-A-S（H）凝膠網(wǎng)絡(luò)中的電荷平衡離子Na+，導(dǎo)致N-A-S（H）凝膠逐漸向C-A-S-H型凝膠轉(zhuǎn)變[17]；另一方面，Ca2+能降低Si2P、Al2P和O1S的鍵能，從而促進FA中玻璃態(tài)物質(zhì)的溶解[19]，適量GBFS的加入對FA基地質(zhì)聚合物注漿材料微觀結(jié)構(gòu)致密性的提升有較大幫助[20]。

3 工程應(yīng)用

為進一步驗證所研制的FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的應(yīng)用效果，選取G-9-12-30型地質(zhì)聚合物作為試驗段用注漿材料，并參照SZ-G-B04—2007對FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的性能進行測試，如表3所示，G-9-12-30型地質(zhì)聚合物材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)均滿足SZ-G-B04—2007相關(guān)技術(shù)要求。

表3 FA基地質(zhì)聚合物注漿材料關(guān)鍵性能

G15高速江蘇段大多位于黃海之濱的海相沉積平原，沿線區(qū)域內(nèi)多為厚層或超厚層軟土，部分路段軟土層厚度可達30 m。此外，該段落沿線地基土含水量高、可壓縮性高、固結(jié)系數(shù)小，極易產(chǎn)生不均勻沉降。自該段落投入運營以來，不均勻沉降問題一直是該段落的養(yǎng)護重點及難點，同時也對行車舒適性及安全性造成一定影響。為此，選取該高速大豐境內(nèi)某不均勻沉降段（K1035+513～K1035+866），并于2016年9月采用G-9-12-30型地質(zhì)聚合物注漿材料進行注漿加固處理。

FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的加固工藝主要包括以下步驟：

（1）布孔。采用探地雷達對試驗段內(nèi)不均勻沉降區(qū)域進行探測，并結(jié)合探測結(jié)果標(biāo)注注漿孔洞位置及對應(yīng)鉆孔深度。

（2）鉆孔?；冢?）中空洞位置及深度進行鉆孔，待注漿孔清理完畢后插入注漿導(dǎo)管，如圖8所示。

圖8 注漿導(dǎo)管結(jié)構(gòu)示意

（3）注漿。注漿壓力控制在5～7 MPa，當(dāng)反饋壓力≥0.8 MPa且流量小于0.001 m3/s時，穩(wěn)壓1 min后，即可停止注漿。如注漿過程中出現(xiàn)臨近孔洞竄漿時，停止注漿。

經(jīng)FA基地質(zhì)聚合物注漿材料加固處理以后，不均勻沉降段落的代表彎沉值由1.104 mm降至0.576 mm，降幅達47.8%，路面強度系數(shù)由0.40提高到0.78，增幅達95%。經(jīng)過近4年的使用，該段落的代表彎沉值和路面強度系數(shù)與注漿后相當(dāng)，道路整體結(jié)構(gòu)性完好，路面無裂縫、網(wǎng)裂等病害，行車舒適性較好。G15大豐某路段采用FA基地質(zhì)聚合物注漿材料處理前后數(shù)據(jù)對比見表4。

表4 G15大豐某段采用FA基地質(zhì)聚合物注漿材料處理前后數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

（1）FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的抗壓強度隨改性水玻璃中Na2O含量增加而顯著增加，而隨改性水玻璃Ms增加而緩慢增加。另一方面，F(xiàn)A基地質(zhì)聚合物注漿材料的干燥收縮受改性水玻璃中Na2O含量的影響遠大于其Ms。

（2）隨著GBFS摻量由0逐漸增至30%時，F(xiàn)A基地質(zhì)聚合物注漿材料的抗壓強度顯著提高，且其干燥收縮值也顯著減小。GBFS的摻入不僅顯著改善了FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的微觀結(jié)構(gòu)密實程度，而且也將對應(yīng)FA基地質(zhì)聚合物注漿材料的反應(yīng)產(chǎn)物逐漸由以N-A-S（H）凝膠為主轉(zhuǎn)變?yōu)镹A-S（H）凝膠和C-A-S-H凝膠共存。

（3）參照SZ-G-B04—2007，優(yōu)選改性水玻璃的Na2O含量為9.0%、Ms為1.2，并將該改性水玻璃制備的G-9-12-30型地質(zhì)聚合物注漿材料用于G15高速大豐境內(nèi)某不均勻沉降段的處理。經(jīng)G-9-12-30型地質(zhì)聚合物注漿材料加固處理后，該段落的代表彎沉值降低了47.8%、路面強度系數(shù)提高了95%、路面強度評級由次提高到良；且經(jīng)過近4年使用后，該段落的代表彎沉值和路面強度系數(shù)與注漿后相當(dāng)。