徐 行， 趙 文， 李慎剛， 王德保

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110004 )

0 引言

注漿是處治各類地質(zhì)災(zāi)害的一種有效技術(shù)手段[1]，其技術(shù)的核心是選擇合適的注漿材料。目前常用的注漿材料有普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、超細(xì)水泥、水泥-水玻璃雙漿液及水泥-黏土漿液等材料[2]。但上述注漿材料對水泥的消耗量極大，不利于社會的可持續(xù)發(fā)展，目前研究的重點轉(zhuǎn)向?qū)G色材料的開發(fā)[3]。如宋雪飛[4]研究了在水泥-水玻璃雙漿液中摻入30%～50%的粉煤灰對漿液性能的影響，使大摻量粉煤灰的水泥-水玻璃漿液在實際工程中得到了應(yīng)用;陳灃等[5]對鋼渣改性硅酸鹽水泥-水玻璃雙液注漿材料進(jìn)行了研究，所配置的漿液早期強(qiáng)度高，軟化系數(shù)大，適用于堵漏搶險工程中；張義順等[6]從不同的粉煤灰摻量和不同的水灰質(zhì)量比與漿液凝結(jié)時間和黏度的關(guān)系出發(fā)，對大摻量粉煤灰的注漿材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。目前綠色注漿材料多以單摻1種礦物摻合料為主，而針對復(fù)摻2種或2種以上礦物摻合料的研究較少。遼寧省作為東北老工業(yè)基地，每年都會排放出大量的鋼渣和礦渣等工業(yè)廢渣，大量堆置的工業(yè)廢渣使土地和水體受到不同程度的污染[7]。這些工業(yè)廢渣具有潛在的膠凝性能，不僅可以制成新型摻合料鋼鐵渣粉，還可以改善傳統(tǒng)注漿材料的性能[8]。

本文通過不同體系雙液注漿材料的優(yōu)選試驗和最優(yōu)配比試驗，對復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料的性能進(jìn)行研究。

1 試驗

1.1 試驗材料

1.1.1 A液

1)水泥。采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為350 m2/kg。

2)鋼渣微粉。以轉(zhuǎn)爐鋼尾渣為原料，對鋼渣進(jìn)行磨細(xì)處理，比表面積為450 m2/kg。

3)礦渣微粉。采用S95級高爐礦渣微粉，比表面積為 446 m2/kg。

4)粉煤灰。采用Ⅰ級灰，比表面積為410 m2/kg。

1.1.2 B液

采用工業(yè)水玻璃，模數(shù)為2.7，將水玻璃加水稀釋至波美度為35 °Bé。

原材料的化學(xué)組分見表1。

表1 原材料的化學(xué)組分

1.2 試驗方法

1)流動度測試。根據(jù)GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》,將漿液注入圓錐截模內(nèi)(上口36 mm，下口60 mm，高60 mm)，用刮刀刮平，垂直提起，同時開啟秒表計時，漿液在玻璃板上流動至少30 s，用游標(biāo)卡尺量取流淌部分互相垂直的2個方向的最大直徑，取平均值作為流動度[9]。

2)凝膠時間測試。采用常用的倒杯法，將A液倒入B液燒杯中，立即將混合液再倒入A液燒杯中，循環(huán)交替，從開始混合計時到漿液傾斜45°不再流動時停止計時，所獲得的時間即為凝膠時間[10]。

3)抗壓強(qiáng)度測試。將漿液倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試模中，24 h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至3 d和28 d之后用WDW-100型數(shù)字式壓力試驗機(jī)測試抗壓強(qiáng)度。測試結(jié)果取3個試塊的平均值作為最終的抗壓強(qiáng)度值，如果試塊的強(qiáng)度測定值中有超過或低于平均值10%的，則將此測定值剔除。若剔除后的試塊不足2個，需重新進(jìn)行試驗[10]。

1.3 試驗思路

1)不同體系雙液注漿材料的優(yōu)選試驗。在A液水灰質(zhì)量比為0.8，B液水玻璃體積摻量占A液體積的20%的情況下，通過比較水泥-水玻璃體系、水泥單摻鋼渣-水玻璃體系、水泥單摻粉煤灰-水玻璃體系、水泥復(fù)摻鋼渣和礦渣-水玻璃體系、水泥復(fù)摻礦渣和粉煤灰-水玻璃體系及鋼渣-礦渣-粉煤灰-水玻璃體系，優(yōu)選出一種早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均較高、流動性能好、施工方便、價格低廉及綠色環(huán)保的雙液注漿材料體系。

2)最優(yōu)配比試驗。在選擇合適的雙液注漿材料體系后，在A2和A5 2種水泥摻量的情況下，分析B液水玻璃體積摻量為10%、20%、30%、40%、50%和A液水灰質(zhì)量比為0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.5時對漿液流動度、凝膠時間及抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，得出最佳的水玻璃體積摻量范圍和水灰質(zhì)量比范圍。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同體系雙液注漿材料的性能分析

見表2。

表2 不同體系的雙液注漿材料的性能

由表2可以得出如下規(guī)律：

1)水泥復(fù)摻20%鋼渣和20%礦渣的A2漿液比單摻40%鋼渣的A1漿液抗壓強(qiáng)度高，凝膠時間更長，表明礦渣的加入可延長凝膠時間并提高抗壓強(qiáng)度。

2)水泥單摻60%鋼渣的A3漿液比單摻60%粉煤灰的A4漿液抗壓強(qiáng)度高，表明鋼渣的早期活性比粉煤灰高。

3)水泥復(fù)摻30%鋼渣和30%礦渣的A5漿液比復(fù)摻30%礦渣和30%粉煤灰的A6漿液抗壓強(qiáng)度高，表明鋼渣可加強(qiáng)對礦渣的激活作用，兩者可實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，鋼渣-礦渣復(fù)合的效果要優(yōu)于目前工程上常用的礦渣-粉煤灰雙摻粉。

4)水泥復(fù)摻30%鋼渣和30%礦渣的A5漿液與純水泥A0漿液的強(qiáng)度接近。A0漿液由于迅速發(fā)生水化反應(yīng)導(dǎo)致凝膠時間過快[11]，而A5漿液流動性較好，表明在保證強(qiáng)度的前提下，礦渣和鋼渣的摻入對凝膠時間的延長和流動度的提高有利。

5)不加水泥的A7漿液的早期強(qiáng)度過低，表明在大水灰質(zhì)量比的情況下，無水泥堿激發(fā)-工業(yè)廢渣雙液注漿材料體系不適用于對早期強(qiáng)度要求高的注漿搶險加固工程。

綜上分析，選用鋼渣和礦渣代替部分水泥作為雙液注漿材料的原材料，既可以充分利用鋼渣的微膨脹特性和潛在的膠凝特性[12]，同時也為鋼渣和礦渣2種摻合料在注漿材料中的應(yīng)用提供保障，實現(xiàn)工業(yè)廢渣的資源再利用。

2.2 水玻璃體積摻量對漿液的性能影響分析

試驗中A液水灰質(zhì)量比為0.8，A液中鋼渣和礦渣的質(zhì)量比為1∶1，水泥摻量為40%和60%時，水玻璃的體積摻量對注漿材料流動度的影響規(guī)律如圖1所示?？梢钥闯觯?1)漿液的流動度隨著水玻璃摻量的增加而增大； 2)A2、A5漿液在水玻璃體積摻量為50%時的流動度相對于10%時的流動度分別增長了19.32%和19.57%； 3)當(dāng)水玻璃摻量達(dá)到50%時，漿液的流動度高達(dá)330 mm，流動性能好。主要原因是水玻璃體積增大，對A液產(chǎn)生了稀釋作用，使?jié){液自身的流動阻力減小。

圖1 水玻璃體積摻量對流動度的影響

Fig. 1 Influence of volume of water glass on fluidity of grouting material

水泥摻量為40%和60%時，水玻璃的體積摻量對注漿材料凝膠時間的影響規(guī)律如圖2所示?？梢钥闯觯?1)漿液的凝膠時間隨著水玻璃摻量的增加而延長； 2)A2、A5漿液在水玻璃體積摻量為50%時的凝膠時間相對于水玻璃體積摻量為10%時的凝膠時間分別增長了225.48%和229.73%。主要原因是水玻璃體積增大，使顆粒與顆粒之間的間距拉大，水化產(chǎn)生的空間網(wǎng)狀絮凝結(jié)構(gòu)連接成整體的時間延長[13]。

圖2 水玻璃體積摻量對凝膠時間的影響

Fig. 2 Influence of volume of water glass on gelling time of grouting material

對于漿液的固結(jié)性能，主要針對漿液的硬化固結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行分析。在水泥摻量分別為40%和60%的情況下，水玻璃的體積摻量對注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖3所示?？梢钥闯觯?1)漿液的抗壓強(qiáng)度在水玻璃體積摻量為30%時最大； 2)A5漿液在水玻璃體積摻量為30%時，3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度為13.35 MPa和18.27 MPa； 3)在水玻璃摻量為10%時，與摻量為30%相比，A5漿液的3 d抗壓強(qiáng)度降低了49.88%，28 d抗壓強(qiáng)度降低了22.71%； 4)在水玻璃摻量為50%時，與摻量為30%相比，A5漿液的3 d抗壓強(qiáng)度降低了29.14%，28 d抗壓強(qiáng)度降低了21.56%。主要原因是水玻璃摻量較少，對鋼渣和礦渣的水化活性激發(fā)作用較弱；當(dāng)水玻璃摻量過多時，水玻璃水解產(chǎn)生大量的HnSiO4x-，生成一種強(qiáng)度較低的硅凝膠，與此同時，水玻璃中的水稀釋了漿液，致使?jié){液的結(jié)石體強(qiáng)度降低[14]。

圖3 水玻璃體積摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

Fig. 3 Influence of volume of water glass on compressive strength of grouting material

綜上分析，當(dāng)水玻璃摻量為20%～30%時，結(jié)石體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，且不產(chǎn)生硅凝膠，漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度較高，漿液的流動性能較好，滿足注漿工程的要求。

2.3 水灰質(zhì)量比對漿液的性能影響分析

試驗中B液水玻璃體積摻量為30%，A液中鋼渣和礦渣的質(zhì)量比為1∶1。水泥摻量為40%和60%時，A液的水灰質(zhì)量比對注漿材料流動度的影響規(guī)律如圖4所示?？梢钥闯觯?漿液的流動度隨著水灰質(zhì)量比的增加而增大。主要原因是加水量增多時，水的流動會帶動顆粒的流動，漿液的流動阻力減小，故漿液的流動度增大。

圖4 水灰質(zhì)量比對流動度的影響

Fig. 4 Influence of water-cement ratio on fluidity of grouting material

A液的水灰質(zhì)量比對注漿材料凝膠時間的影響規(guī)律如圖5所示?？梢钥闯觯?漿液的凝膠時間隨著水灰質(zhì)量比的增大而延長，其原因和水玻璃摻量對凝膠時間的影響機(jī)制類似。

圖5 水灰質(zhì)量比對凝膠時間的影響

Fig. 5 Influence of water-cement ratio on gelling time of grouting material

水泥摻量為40%和60%時，A液的水灰質(zhì)量比對注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖6所示?？梢钥闯觯?1)結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度隨著水灰質(zhì)量比的增大而降低。主要原因是水灰質(zhì)量比越大，結(jié)構(gòu)中粉料水化剩余的自由水越多，自由水留下的孔隙就越多，導(dǎo)致結(jié)石體的密實度降低，結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度降低[15]。2)當(dāng)水灰質(zhì)量比為1.5時，A2、A5漿液結(jié)石體3 d的抗壓強(qiáng)度相對于水灰質(zhì)量比為0.8時分別降低了53.44%和62.39%，結(jié)石體28 d的抗壓強(qiáng)度相對于水灰質(zhì)量比為0.8時分別降低了34.86%和42.75%，這表明，水灰質(zhì)量比是影響注漿材料固結(jié)性能的重要因素。

圖6 水灰質(zhì)量比對抗壓強(qiáng)度的影響

Fig. 6 Influence of water-cement ratio on compressive strength of grouting material

綜上分析，當(dāng)水灰質(zhì)量比為0.6時，流動度過低，水灰質(zhì)量比為1.5時，抗壓強(qiáng)度過低，故最佳水灰質(zhì)量比為 0.7～1.0，此范圍內(nèi)漿液的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度較高，流動性較好。

3 結(jié)論與討論

1)復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料體系與其他雙液注漿材料體系相比，具有凝膠時間可控、流動性好、抗壓強(qiáng)度高和綠色環(huán)保的特點。

2)增大B液水玻璃體積摻量和增大A液水灰質(zhì)量比會延長漿液的凝膠時間和流動度。采用鋼渣和礦渣代替部分水泥會延長漿液的凝膠時間，并且當(dāng)鋼渣和礦渣的摻量越大，凝膠時間越長。且在相同水泥用量的情況下，復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料的工作性能和力學(xué)性能影響要優(yōu)于單摻一種礦物摻合料和復(fù)摻礦渣和粉煤灰。

3)復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料達(dá)到最高的固結(jié)體強(qiáng)度時，存在最佳的水玻璃體積摻量為20%～30%，最佳的水灰質(zhì)量比為0.7～1.0，故水玻璃體積摻量和水灰質(zhì)量比是影響注漿材料工作性能的重要因素。

復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料經(jīng)濟(jì)環(huán)保，可以滿足注漿工程的需要，擁有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)然，對于此注漿材料，仍可對水泥、鋼渣、礦渣3種組分之間具體組成關(guān)系進(jìn)行研究，形成漿液的最優(yōu)配比參數(shù)，為今后該種材料在注漿工程中的應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

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