徐建軍，吳開(kāi)勝，趙大軍（1.江蘇尼高科技有限公司，江蘇常州　213141；2.常州市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇常州　213015）

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用于道路修復(fù)加固的地聚合物注漿材料的研制

徐建軍1，2，吳開(kāi)勝1，2，趙大軍1，2
（1.江蘇尼高科技有限公司，江蘇常州213141；2.常州市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇常州213015）

摘要：選用礦粉、粉煤灰為主要原料，通過(guò)堿激發(fā)劑形成膠凝體結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)高性能高分子膠結(jié)材料，研究了礦物摻量、激發(fā)劑、減水劑、緩凝劑、塑性膨脹劑A對(duì)注漿材料性能的影響，確定了地聚合物注漿材料的最優(yōu)配合比為：礦粉摻量30%，粉煤灰摻量70%，F(xiàn)DN減水劑摻量1%，緩凝劑BL摻量1%，激發(fā)劑模數(shù)1.6、摻量8%，塑性膨脹劑A摻量0.1%。制備的用于道路修復(fù)加固的地聚合物注漿材料較好地解決了傳統(tǒng)水泥注漿材料耐久性差、使用壽命短等問(wèn)題，且實(shí)際工程應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：地聚合物；非開(kāi)挖注漿加固；礦粉；激發(fā)劑

Development of geopolymer grouting material for road repair and reinforcement

當(dāng)前，我國(guó)已建和在建的高等級(jí)公路絕大部分都是瀝青路面，而基層基本上為水泥、石灰穩(wěn)定的半剛性基層。對(duì)于路基的建設(shè)，由于受到資金、工期等各種因素的影響，通常只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，如淺層換填、水泥石灰處治、強(qiáng)夯等。隨著交通量的劇增和超載超限日益加重，以及氣候環(huán)境和軟弱土地質(zhì)條件的影響，一些公路出現(xiàn)了不同程度的病害，嚴(yán)重影響了路面使用性能。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)行修復(fù)［1］。

道路非開(kāi)挖注漿加固法是處理這一病害的常用方法，通過(guò)把注漿材料注入路基和基層的裂縫或孔隙中，起到加固作用，提高基層的承載能力［2］。

目前，公路注漿材料一般采用水泥凈漿，其優(yōu)點(diǎn)為造價(jià)低，但后期強(qiáng)度低，耐久性差，使用壽命通常不超過(guò)2年。本文正是針對(duì)公路注漿材料存在的問(wèn)題，選用工業(yè)廢渣礦物活性成分（礦粉、粉煤灰、高嶺土等）為主要原料，通過(guò)堿激發(fā)劑形成膠凝體結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)高性能高分子膠結(jié)材料，研究礦物摻量、激發(fā)劑、減水劑、緩凝劑等對(duì)注漿材料性能的影響，研制出流動(dòng)性好、早期強(qiáng)度高、微膨脹的地聚合物注漿材料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

（1）粉煤灰：常州國(guó)電產(chǎn)Ⅰ級(jí)粉煤灰，密度2.10 g/cm3，比表面積285 m2/kg。

（2）礦粉：重慶鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司產(chǎn)水淬高爐礦渣，密度2.95 g/cm3，比表面積498 m2/kg。（3）水玻璃：市售，M值為3.28，密度1.436～1.465 g/cm3。（4）氫氧化鈉：分析純，調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)，上海埃彼化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

（5）FDN減水劑：江蘇尼高科技有限公司生產(chǎn)，主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 FDN減水劑的主要性能指標(biāo)

（6）BL型緩凝劑：為鉻或鋇的重金屬鹽或它們的混合物，江蘇尼高科技有限公司配制。

（7）偶氮類(lèi)塑性膨脹劑A：江蘇尼高科技有限公司配制。

1.2 試驗(yàn)方法

稱(chēng)取適量的水（加水量以漿體流動(dòng)度在15～20 s控制）倒入攪拌鍋，加入按比例混合均勻的物料，在砂漿攪拌機(jī)攪拌5 min，制成地聚合物漿體，按照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》測(cè)試地聚合物注漿材料的性能，其性能應(yīng)滿(mǎn)足表2要求。

表2 地聚合物注漿材料應(yīng)滿(mǎn)足的性能指標(biāo)

2 結(jié)果與分析

2.1 激發(fā)劑對(duì)地聚合物注漿材料性能影響

2.1.1 激發(fā)劑模數(shù)對(duì)地聚合物注漿材料的影響

激發(fā)劑摻量為8%（以Na2O當(dāng)量計(jì)，下同），固定FDN摻量為1%，礦粉和粉煤灰摻量各為50%，激發(fā)劑模數(shù)對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響見(jiàn)表3。

表3 激發(fā)劑模數(shù)對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

由表3可知，隨著激發(fā)劑模數(shù)降低，地聚合物注漿材料凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，當(dāng)激發(fā)劑模數(shù)為0.8時(shí)，漿體迅速稠化，流動(dòng)度無(wú)法測(cè)出，試件成型困難。地聚合物注漿材料的抗壓強(qiáng)度隨激發(fā)劑模數(shù)的降低而提高，當(dāng)模數(shù)低至1.2后，抗壓強(qiáng)度反而降低。因此，綜合凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度，激發(fā)劑模數(shù)為1.6～2.0較為合適。

2.1.2 激發(fā)劑摻量對(duì)地聚合物注漿材料的影響

激發(fā)劑模數(shù)為1.6，F(xiàn)DN摻量為1%，礦粉和粉煤灰摻量各為50%，激發(fā)劑摻量對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響見(jiàn)表4。

表4 激發(fā)劑摻量對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

由表4可知，當(dāng)激發(fā)劑摻量為4%時(shí)，地聚合物注漿材料的凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，1 d無(wú)強(qiáng)度。隨著激發(fā)劑摻量的增加，各齡期抗壓強(qiáng)度也隨之提高。當(dāng)激發(fā)劑摻量為10%時(shí)，漿體稠化速度較快，凝結(jié)時(shí)間短。因此，激發(fā)劑摻量在6%～8%較為合適。

2.2 礦粉摻量對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

實(shí)驗(yàn)研究了礦粉摻量為20%、30%、40%和50%時(shí)對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響，其中激發(fā)劑模數(shù)1.6、摻量為8%，F(xiàn)DN摻量為1%，粉煤灰對(duì)應(yīng)摻量為80%、70%、60%和50%。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 礦粉摻量對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

由表5可知，隨著礦粉摻量增加，地聚合物注漿材料的凝結(jié)時(shí)間有一定縮短，各齡期抗壓強(qiáng)度也隨之提高。當(dāng)?shù)V粉摻量為20%時(shí)，硬化時(shí)間較長(zhǎng)，1 d無(wú)強(qiáng)度。從性?xún)r(jià)比考慮，礦粉摻量為30%較為合適。

2.3 緩凝劑BL對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

地聚合物注漿材料采用注漿工藝進(jìn)行施工，漿體的凝結(jié)時(shí)間太短，來(lái)不及壓漿操作，漿體硬化在壓漿設(shè)備中，從施工方便考慮，漿體的初凝時(shí)間以70～100 min為宜。實(shí)驗(yàn)研究了緩凝劑BL摻量對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響，其中激發(fā)劑模數(shù)為1.6、摻量為8%，F(xiàn)DN摻量為1%，礦粉摻量為30%，粉煤灰摻量為70%時(shí)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 緩凝劑BL摻量對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

由表6可知，摻加緩凝劑BL對(duì)地聚合物注漿材料的凝結(jié)時(shí)間有明顯的延長(zhǎng)作用，但強(qiáng)度損失較大。當(dāng)緩凝劑BL摻量達(dá)到2.0%時(shí)，強(qiáng)度降低明顯，1 d無(wú)強(qiáng)度。結(jié)合凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度來(lái)看，緩凝劑BL摻量為1.0%～1.5%較為合適，地聚合物注漿材料各齡期抗壓強(qiáng)度符合SZ-G-B04—2007的要求。

2.4 塑性膨脹劑A對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

地聚合物注漿材料有一定的微膨脹。實(shí)驗(yàn)研究了塑性膨脹劑A摻量對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響，其中激發(fā)劑模數(shù)為1.6、摻量為8%，F(xiàn)DN摻量為1%，緩凝劑BL摻量為1.0%，礦粉摻量為30%，粉煤灰摻量為70%。結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 塑性膨脹劑A摻量對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

由表7可知，摻加塑性膨脹劑A對(duì)地聚合物注漿材料的抗壓強(qiáng)度影響不大，但膨脹率明顯增大。塑性膨脹劑A摻量以0.1%較為合適。

2.5 地聚合物注漿材料性能的測(cè)試

通過(guò)上述研究，確定符合SZ-G-B04—2007要求的配合比為：礦粉摻量30%、粉煤灰摻量70%、FDN減水劑摻量1%、緩凝劑BL摻量1%，激發(fā)劑模數(shù)1.6、摻量為8%，塑性膨脹劑A摻量0.1%，水灰比0.5。按此配比制備的地聚合物注漿材料的性能見(jiàn)表8。

表8 地聚合物注漿材料的性能

2.6 工程應(yīng)用實(shí)例

常州市武進(jìn)區(qū)金雞路與312國(guó)道中間，其車(chē)道寬為18 m。該道路自2006年投入使用，由于當(dāng)時(shí)道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，使用又嚴(yán)重超載，加之超期服役，道路基層和面層都有不同程度的損壞，其中二灰碎石層損壞嚴(yán)重。工程選用本研究開(kāi)發(fā)的地聚合物注漿材料進(jìn)行了路基和基層注漿加固，鉆孔孔徑50 mm，鉆孔深度以穿透道路堅(jiān)硬層為宜，采用振動(dòng)器將注漿管打入路基注漿方案設(shè)計(jì)的規(guī)定深度，注漿孔采用梅花形布孔。

采用本注漿材料能較好地對(duì)路基空洞、空穴進(jìn)行注漿填充滲透、壓密，達(dá)到對(duì)原土體進(jìn)行填充、擠密加固的目的，同時(shí)最大限度保證道路原有的整體性，能最大限度地對(duì)道路路基進(jìn)行修復(fù)加固。施工方普遍反映路基加固和基層加固用注漿材料工程應(yīng)用效果良好，并希望在其它道路修復(fù)工程中得到推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）用于道路修復(fù)的地聚合物注漿材料的最優(yōu)配比為：礦粉摻量30%，粉煤灰摻量70%，F(xiàn)DN減水劑摻量1%，緩凝劑BL摻量1%，激發(fā)劑模數(shù)1.6、摻量為8%，塑性膨脹劑A摻量0.1%。制備的地聚合物注漿材料流動(dòng)度為17.8 s，初凝時(shí)間80 min，終凝時(shí)間110 min，1 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為15.1、27.7、36.0 MPa，泌水率為0，膨脹率為0.01%，耐水率為112%，符合SZ-G-B04—2007規(guī)定的路基加固用和基層加固用注漿材料性能要求。

（2）用于道路修復(fù)的地聚合物注漿材料的工程應(yīng)用結(jié)果表明：其對(duì)公路塌陷、面層下空洞、路基和基層材料流失等問(wèn)題修復(fù)效果良好。

參考文獻(xiàn)：

［1］郭峰，周文平，馬震宇，等.用于道路修復(fù)加固的地聚合物注漿工藝：中國(guó)，201410809534.9［P］.2015-05-13.

［2］劉文永，王新剛，馮春喜，等.注漿材料與施工工藝［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2008.

XU Jianjun1，2，WU Kaisheng1，2，ZHAO Dajun1，2

（1.Jiangsu NIGAO Science of Technology Co. Ltd.，Changzhou 213141，China；2.Changzhou Architectural Research Institute Co. Ltd.，Changzhou 213015，China）

Abstract：Inorganic high performance polymer cementing material of gel structure was formed with alkali activator by selecting slag and fly ash as the main raw material. The effect of mineral admixture，activator，reducing agent，retarder，plastic expansion agent A on the properties of grouting materials was studied and the optimal mix proportion of polymer grouting material was determined：slag powder content of 30%，the amount of fly ash of 70%，F(xiàn)DN reducing agent dosage of 1%，retarder BL content of 1%，modulus of activator of 1.6，dosage of 8%，plastic expansion agent A content of 0.1%. The geopolymer grouting material prepared for road repair and reinforcement is a good solution to the problems of poor durability，short service life and so on. And the actual engineering application effect is good.

Key words：geopolymer，non excavation grouting，slag，activator

中圖分類(lèi)號(hào)：TU472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）03-0026-03

收稿日期：2015-09-29；

修訂日期：2015-11-11

作者簡(jiǎn)介：徐建軍，男，1987年生，湖北黃岡人，工程師，從事新型建筑材料研究。