白蕾

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064）

0 引言

對(duì)于大部分道路破損，僅采用面層修補(bǔ)無法根本改變道路狀況，必須對(duì)其路基進(jìn)行處理，以提高路基的承載能力[1－2]。大規(guī)模地翻挖原有路面，施工周期長、資金投入多、對(duì)交通干擾較大。1996年，國務(wù)院《城市道路管理?xiàng)l例》（國務(wù)院198號(hào)令）第33條明確規(guī)定“新建、改建、擴(kuò)建城市道路交付使用后5年內(nèi)，大修道路竣工后3年內(nèi)，不得開挖”。非開挖式注漿加固技術(shù)憑借工藝簡(jiǎn)單、成本低、開放交通快等優(yōu)點(diǎn)已成為道路補(bǔ)強(qiáng)加固的首選方案[3－4]。

我國每年生產(chǎn)大量的粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣，其利用率較低。礦渣本身是一種具有潛在活性的玻璃體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，有研究表明[5－6]：玻璃態(tài)的礦渣并不具有單獨(dú)水化硬化能力，礦渣作為具有潛在水硬性的工業(yè)廢渣，含有較多的玻璃態(tài)物質(zhì)，在純水中水化反應(yīng)很慢，甚至不進(jìn)行水化，但在Ca（OH）2、NaOH或水玻璃等堿性物質(zhì)激發(fā)作用下，其活性被激發(fā)，能夠促進(jìn)水化反應(yīng)。粉煤灰具有火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，其本身不具備水化硬化能力，但當(dāng)體系中存在Ca（OH）2、NaOH或水玻璃等堿性物質(zhì)時(shí)，在堿性激發(fā)劑作用下，粉煤灰中的玻璃態(tài)物質(zhì)逐漸解體，硅酸根離子、鋁酸根離子溶解，與溶液中的Ca2+及[Si（OH）4]等一起發(fā)生水化反應(yīng)，生成具有凝膠性的硅鋁酸鹽，該水化產(chǎn)物能夠增強(qiáng)結(jié)石體的耐久性[7－9]。

根據(jù)地聚合物反應(yīng)原理，在普通水泥水玻璃注漿材料的基礎(chǔ)上，用粉煤灰和礦渣代替部分水泥，以水泥、粉煤灰、礦渣、水玻璃為主要原材料，研發(fā)一種新型注漿材料——地聚合物注漿材料[10－11]。該注漿材料充分利用了粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣，不僅減少了粉煤灰、礦渣對(duì)環(huán)境的污染，將其變廢為寶，應(yīng)用于實(shí)際工程中，而且粉煤灰、礦渣的成本較低，大幅度降低地下工程注漿所需成本，同時(shí)因水泥使用量的減少，降低了生產(chǎn)水泥所消耗的不可再生能源的使用量[12－14]。該注漿材料具有凝膠時(shí)間可控、結(jié)石體強(qiáng)度高、抗地下水侵蝕強(qiáng)、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，克服了水泥水玻璃雙液漿穩(wěn)定性差、易被水溶蝕、耐久性差的缺點(diǎn)。

本文主要研究礦渣、粉煤灰、水泥摻量及水玻璃模數(shù)等對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響，并介紹了所研制注漿材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

（1）粉煤灰（FA）：市售Ⅰ級(jí)粉煤灰，其主要化學(xué)組成如表1所示。激光粒度分析結(jié)果表明，該粉煤灰的d10、d50、d90分別為 1.04、10.80、68.52 μm。此外，XRD 分析結(jié)果表明，該粉煤灰中含有莫來石（PDF No.：79－1276）和石英（PDF No.：83－539），而 2θ=15°～35°范圍內(nèi)出現(xiàn)的“饅頭峰”表明粉煤灰中含有大量玻璃相（見圖1）。

表1 粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

圖1 粉煤灰的XRD圖譜

（2）礦渣（GBFS）：市售S95粒化高爐礦渣，密度為2.86 g/cm3，其化學(xué)組成如表2所示。激光粒度分析結(jié)果表明，該礦渣的中位粒徑 d50=11.4 μm。XRD 分析結(jié)果表明，在 2θ=20°～40°范圍內(nèi)出現(xiàn)的漫散射峰表明礦渣中含有大量玻璃體，因而其火山灰活性較高。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）處的衍射峰代表鎂黃長石或鈣鋁黃長石（見圖2）。

表2 ?；郀t礦渣的化學(xué)組成 %

圖2 礦渣的XRD圖譜

（3）水泥（C）：江南小野田生產(chǎn)的 P·Ⅱ52.5水泥，CaCO3含量5%。根據(jù)化學(xué)組成按鮑格法計(jì)算，該水泥各礦物組成分別為：C3S 46.7%、C2S 25.9%、C3A 6.8%、C4AF 10.0%。

（4）水玻璃（WG）：SiO2含量 26.2%，Na2O 含量 8.5%，H2O含量65.3%，工業(yè)級(jí)，南京道勤實(shí)業(yè)有限公司；固體氫氧化鈉：純度≥96%，西隴化工股份有限公司；水：去離子。

1.2 制備方法

1.2.1 改性水玻璃的制備

按式（1）和式（2）分別將計(jì)算好的固體氫氧化鈉、去離子水加入工業(yè)水玻璃中，復(fù)配制成Na2O含量分別為6.0%、9.0%、12.0%，水玻璃模數(shù)Ms分別為1.2、1.4、1.6的改性水玻璃，靜置24 h后使用。

式中：mNaOH——固體氫氧化鈉質(zhì)量，g；mH2O——去離子水質(zhì)量，g；MSiO2——SiO2的摩爾質(zhì)量，60 g/mol；MNa2O——Na2O的摩爾質(zhì)量，62 g/mol；MNaOH——NaOH的摩爾質(zhì)量，40 g/mol；MH2O——水的摩爾質(zhì)量，18 g/mol；ωH2O為原水玻璃中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ω′H2O

——改性水玻璃中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ωNa2O——原水玻璃中Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ωSiO2——原水玻璃中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ms′——改性水玻璃的模數(shù)；P——固體氫氧化鈉的純度，按96%計(jì)。

1.2.2 地聚合物注漿材料的制備

按表3配合比，稱取一定質(zhì)量的復(fù)合粉體和改性水玻璃于水泥凈漿攪拌機(jī)中攪勻，再注入30 mm×30 mm×30 mm鋼模具中。用PE保鮮膜將試樣包裹起來，置于（20±1）℃、相對(duì)溫度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，然后繼續(xù)置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

表3 地聚合物注漿材料的質(zhì)量配合比設(shè)計(jì)

1.3 性能測(cè)試與表征

（1）流動(dòng)度：參照SZG B04—2007《公路路基與基層地聚合物注漿加固技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，先將漏斗調(diào)整放平，關(guān)上底口活門，將攪拌均勻的地聚合物漿體傾入漏斗內(nèi)，直至表面觸及點(diǎn)測(cè)規(guī)下端。打開活門，讓地聚合物漿體漿自由流出，地聚合物漿體全部流完時(shí)間（s）即為地聚合物注漿材料的流動(dòng)度。

（2）凝結(jié)時(shí)間：參照SZG B04—2007進(jìn)行測(cè)試。

（3）抗壓強(qiáng)度：采用無錫新路達(dá)儀器設(shè)備有限公司TYA-100C型電液式水泥抗壓試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法（ISO法）》，分別測(cè)試養(yǎng)護(hù)至4 h、6 h、1 d、7 d、28 d期齡試樣的抗壓強(qiáng)度。

1.4 性能技術(shù)指標(biāo)調(diào)整

上海市地方標(biāo)準(zhǔn)SZG B04—2007《公路路基與基層地聚合物注漿加固技術(shù)規(guī)程》對(duì)地聚合物注漿材料的技術(shù)要求見表4。雖然這些技術(shù)參數(shù)是目前在江浙滬地區(qū)各大設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)地聚合物注漿材料的時(shí)候常常采用的指標(biāo)，但是在實(shí)際的工作中發(fā)現(xiàn)其中存在著許多的不適應(yīng)工程實(shí)際的情況。

表4 SZG B04—2007規(guī)定的地聚合物注漿材料主要技術(shù)要求

表4中的“路基加固用”地聚合物注漿材料在實(shí)際應(yīng)用中幾乎從來沒有用到過，這主要是因?yàn)樵擃愖{材料凝結(jié)時(shí)間太長，強(qiáng)度增長太慢，根本無法實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)通車的目的；此外，如果路基與基層采用不同的注漿材料，則需在注漿過程中更換注漿材料，從而極大降低現(xiàn)場(chǎng)施工效率。

“基層加固用”類型中的“快凝早強(qiáng)型”材料的凝結(jié)太快，留給施工人員的可操作時(shí)間太短，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漿未注完已經(jīng)凝結(jié)的情況。該材料適合用于道路的極快速修補(bǔ)，比如在1 h內(nèi)完成修補(bǔ)并開放交通。

“基層加固用”類型中的“普通型”材料是實(shí)際工程中最常用的，但該類型的技術(shù)參數(shù)的限定與實(shí)際工程應(yīng)用存在較大差異：一方面，凝結(jié)時(shí)間的要求范圍太大。若某注漿材料的凝結(jié)時(shí)間是400 min，雖然該材料是合格的，但不能滿足夜間施工，天亮開放的實(shí)際需求；另一方面，強(qiáng)度的要求也過于寬泛。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度，對(duì)該類型地聚合物注漿材料進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化。

基于前述的原因，在不違背SZG B04—2007《公路路基與基層地聚合物注漿加固技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)的前提下，可以將地聚合物注漿材料的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整（見表5）。

表5 修訂后的地聚合物注漿材料的主要技術(shù)要求

2 結(jié)果與討論

2.1 礦渣摻量對(duì)地質(zhì)聚合物性能的影響

固定改性水玻璃中Na2O含量為9%、Ms為1.2，研究礦渣摻量對(duì)地質(zhì)聚合物注漿材料凝結(jié)時(shí)間及力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表6。

表6 礦渣摻量對(duì)地質(zhì)聚合物注漿材料性能的影響

由表6可見，當(dāng)?shù)V渣摻量為30%～70%時(shí)，所制地質(zhì)聚合物注漿材料的凝結(jié)時(shí)間及力學(xué)性能均滿足修訂后基層加固用普通Ⅲ型地聚合物注漿材料的技術(shù)要求。

2.2 水泥摻量對(duì)地質(zhì)聚合物性能的影響

為滿足“夜間施工，天亮開放交通”的實(shí)際養(yǎng)護(hù)需求，通過調(diào)整硅酸鹽水泥摻量來調(diào)整地聚合物注漿材料的早期地聚合反應(yīng)歷程，進(jìn)而調(diào)控后期反應(yīng)產(chǎn)物種類及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)快凝早強(qiáng)型地聚合物注漿材料的制備。

固定改性水玻璃中Na2O含量為9%、Ms為1.2，研究水泥摻量對(duì)地質(zhì)聚合物注漿材料凝結(jié)時(shí)間及力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表7。

表7 水泥摻量對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

由表7可見，硅酸鹽水泥的加入大大改善了地聚合物注漿材料早期的水化行為，改性水玻璃中大量硅氧單體及低聚體迅速與水泥熟料中C2S、C3S、C3A等礦物溶解產(chǎn)生的Ca2+結(jié)合，形成C－S－H凝膠，從而實(shí)現(xiàn)快凝早強(qiáng)的目的。另一方面，硅酸鹽水泥熟料的加入改變了地聚合物注漿材料體系中Si、Ca、Al等元素間的比例，最終導(dǎo)致產(chǎn)物類型由N－A－S－H與C－A－S－H 混雜型產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)?C－A－S－H 與 C－S－H 混雜型產(chǎn)物，后期強(qiáng)度大幅度提升。水泥摻量為15%和20%的F15C15G70－912和F10C20G70－912兩組試樣的關(guān)鍵性能符合修訂后基層加固用普通Ⅰ型地聚合物注漿材料的技術(shù)要求；而F20C10G70－912型試樣的關(guān)鍵性能符合修訂后基層加固用普通Ⅱ型地聚合物注漿材料的技術(shù)要求。

2.3 Ms對(duì)地質(zhì)聚合物性能的影響

水玻璃模數(shù)Ms的變化一方面意味著改性水玻璃中硅氧化物總量的變化，另一方面也對(duì)硅氧化物中單體與低聚體的比例產(chǎn)生影響。為進(jìn)一步調(diào)控地聚合物注漿材料早期凝結(jié)硬化行為，固定 m（FA）∶m（C）∶m（GBFS）=15∶15∶70（下同），改性水玻璃中Na2O含量為9%，研究改性水玻璃模數(shù)Ms對(duì)地聚合物注漿材料凝結(jié)時(shí)間及力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表8。

表8 Ms對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

由表8可見，當(dāng)改性水玻璃模數(shù)Ms由1.2增至1.6的過程中，地聚合物注漿材料的凝結(jié)時(shí)間及早期抗壓強(qiáng)度均發(fā)生了較大變化。當(dāng)Ms由1.2增至1.4時(shí)，地聚合物注漿材料的凝結(jié)時(shí)間變化幅度不大，但早期強(qiáng)度明顯降低；當(dāng)Ms由1.4增至1.6時(shí)，地聚合物注漿材料的初凝時(shí)間大幅縮短，終凝時(shí)間稍許縮短，除4 h和6 h強(qiáng)度上升外，后期強(qiáng)度均發(fā)生不同程度的降低。

2.4 Na2O含量對(duì)地質(zhì)聚合物性能的影響

在Ms一定時(shí)，改性水玻璃中Na2O含量的變化一方面決定了體系的堿度，進(jìn)而影響其對(duì)粉煤灰、礦渣等硅鋁質(zhì)原料的激發(fā)能力，另一方面也決定了激發(fā)體系中（Na2O+SiO2）的總量。為進(jìn)一步調(diào)控地聚合物注漿材料的早期凝結(jié)硬化行為及后期強(qiáng)度發(fā)展，固定改性水玻璃的Ms為1.4，研究改性水玻璃中Na2O含量對(duì)地聚合物注漿材料凝結(jié)時(shí)間及力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表9。

表9 Na2O含量對(duì)地聚合物注漿材料性能的影響

由表9可見，隨改性水玻璃中Na2O含量由6.0%增至12.0%，地聚合物注漿材料的初凝時(shí)間由25 min逐漸增至65 min，而終凝時(shí)間則大幅縮短。Na2O含量為9.0%和12.0%的F15C15G70－914和F15C15G70－1214兩組試樣的凝結(jié)時(shí)間滿足修訂后基層加固用普通Ⅰ型地聚合物注漿材料的技術(shù)指標(biāo)，而其抗壓強(qiáng)度滿足基層加固用普通Ⅱ型的技術(shù)指標(biāo)。F15C15G70－614型地聚合物注漿材料由于Na2O含量較低，改性水玻璃的整體激發(fā)能力較弱，終凝時(shí)間較長，故無法快速形成強(qiáng)度。

3 工程應(yīng)用

沈海高速（G15）江蘇段瀕臨黃海，路線大多處于海相沉積平原，區(qū)域內(nèi)地下水位高，沿線軟土分布廣泛，且大多為海陸交互的厚層或超厚層軟土，部分路段軟土厚度達(dá)30 m。此外，沿線地基土含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、凝聚力小、固結(jié)系數(shù)小。

自該高速投入運(yùn)營以來，部分路段出現(xiàn)了不同程度的沉降，沉降嚴(yán)重路段對(duì)行車安全性和舒適性造成一定程度的影響。為此，2015年9月采用F15C15G70－912型地聚合物對(duì)該高速部分不均勻沉降段進(jìn)行注漿處理，表10為G15江蘇某段采用地聚合物注漿前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。

表10 G15江蘇某段采用地聚合物注漿前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由表10可見，該高速不均勻沉降路段經(jīng)過地聚合物注漿加固以后，代表彎沉值降低50%，路面強(qiáng)度系數(shù)由0.39～0.42提高到0.76～0.80，路面強(qiáng)度評(píng)級(jí)由次提高到良。經(jīng)過2年的運(yùn)營以后，質(zhì)量完好，行車舒適。

4 結(jié)語

（1）當(dāng)改性水玻璃中Na2O含量為9%、Ms為1.2、礦渣摻量為30%～70%時(shí)，所制地聚合物注漿材料的凝結(jié)時(shí)間及力學(xué)性能均符合修訂后基層加固用普通Ⅲ型地聚合物注漿材料的技術(shù)要求。

（2）F15C15G70－912和 F10C20G70－912兩組地聚合物注漿材料的關(guān)鍵性能符合修訂后基層加固用普通Ⅰ型地聚合物注漿材料的技術(shù)要求。

（3）采用非開挖式地聚合物注漿技術(shù)能有效修復(fù)路面的不均勻沉降，經(jīng)F15C15G70－912型地聚合物注漿處理后，代表彎沉值降低約50%；路面強(qiáng)度系數(shù)由0.39～0.42提高到0.76～0.80，路面強(qiáng)度評(píng)級(jí)由次提高到良。經(jīng)過2年的運(yùn)營以后，質(zhì)量完好，行車舒適。