超細(xì)礦渣微粉漿液的制備與可注性研究*

韓洪興

(新鄉(xiāng)學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

注漿加固技術(shù)具有非開挖、施工方便、節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于道路病害處理[1]、微裂巖石防滲[2-3]、軟土地基加固[4-5]、圍巖巷道加固[6]。注漿法是通過注漿設(shè)備將所配漿液注入到巖石裂隙、粗細(xì)砂土、軟弱土層中，形成不易滲水、更加穩(wěn)定的結(jié)實體。目前，工程中常采用的注漿材料有普通硅酸鹽水泥、超細(xì)水泥和化學(xué)漿液等[1-7]。王江峰等[8]采用超細(xì)水泥漿液加固煤壁，取得了較好了的注漿效果；Zhang和Yue[9]采用廢舊玻璃粉作為膠凝材料，對摻有玻璃粉的礦渣砂漿強(qiáng)度、干縮和抗硫酸侵蝕性能的研究；許宏發(fā)等[10]基于水泥漿液，建立了注漿擴(kuò)散模型；Gustafson等[11]在賓漢姆流體方程的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了恒定條件下的注漿擴(kuò)散模型；Kravchenko等[12]對礦渣微粉粒度分布和比表面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)平均粒徑的減小會引起粉體比表面積的增大。近年來，我國公路、鐵路、港口和房建等基礎(chǔ)設(shè)施得到了快速發(fā)展，砂土地基問題逐漸凸顯，特別是我國沿海、東部地區(qū)。大量砂土地基因承載力不足、易滲水、變形大，導(dǎo)致在砂土地基上修建的建筑物或構(gòu)筑物發(fā)生不均勻沉降、開裂等嚴(yán)重問題，給砂土地基施工帶來較大問題。

大量室內(nèi)試驗及工程實踐表明，普通水泥漿液具有無毒、強(qiáng)度高、成本低和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但該漿液的穩(wěn)定性差、析水率大、凝結(jié)時間較長、難以注入到較小裂隙或細(xì)砂土層[13-14]，超細(xì)水泥漿液成本相對較高[15-16]，化學(xué)漿液具有毒性[17-18]。為了解決上述傳統(tǒng)材料存在的問題。本文以超細(xì)礦渣微粉為基材，采用SF膠凝劑、HN增強(qiáng)劑作為摻入量，分別研究了不同水灰比(W/C)、HN增強(qiáng)劑摻量、SF膠凝劑摻量對該漿液粘度、膠凝時間、抗壓強(qiáng)度的影響。開發(fā)一種無毒、無污染和低成本的新型注漿材料。

1 試驗材料與設(shè)計

1.1 試驗材料

超細(xì)礦渣微粉，來源于某建材有限公司，主要化學(xué)成分見表1所示。SiO2、Al2O3為超細(xì)礦渣微粉的主要活性成分，在堿性溶液條件下與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。堿性激發(fā)劑(如Ca(OH)2、NaOH等)能激發(fā)其活性，生產(chǎn)膠凝物質(zhì)，增加膠凝物含量[19]?；诔?xì)礦渣微粉本身固有活性及上述機(jī)理，本文選擇了2種添加劑來激發(fā)超細(xì)礦渣微粉的活性，即HN增強(qiáng)劑和SF膠凝劑。HN增強(qiáng)劑是一種超細(xì)注漿材料，平均粒徑為3～6 μm,比表面積在800 m2/kg以上，能夠有效提高超細(xì)礦渣微粉漿液的擴(kuò)散半徑、滲透能力和結(jié)實體強(qiáng)度；SF膠凝劑屬于堿性材料，該材料在水化早期,OH-將對礦渣微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的Si-O-Si鏈、Al-O-Al鏈、Si-O-Al鏈進(jìn)行破壞，加速礦渣微粉溶解。

表1 超細(xì)礦渣微粉的化學(xué)成分及其含量

1.2 試驗方案

在本次試驗中，選擇了不同水灰比(W/C)、HN增強(qiáng)劑摻量和SF膠凝劑摻量為主要因素。通過分析超細(xì)礦渣微粉漿液的粘度、凝結(jié)時間、以及試樣的抗壓強(qiáng)度，初步確定3種因素的影響范圍[20]，即水灰比取1.0～2.0，HN增強(qiáng)劑取2%～6%，SF膠凝劑取6%～10%。本次試驗采用3個因素，選擇的正交設(shè)計表為L9(34)，見表2所示。漿液粘度采用標(biāo)準(zhǔn)漏斗粘度計(1006型)對其進(jìn)行測定。試樣尺寸為φ45 mm×90 mm，制備后的試樣放在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱(YH-90B)養(yǎng)護(hù),溫度設(shè)為20 ℃，濕度≥90%。大量注漿工程試驗表明[1-6]：漿材粘度、凝結(jié)時間和早期強(qiáng)度對注漿工程至關(guān)重要。因此，選取試樣在7和14 d的抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度的計算精度至0.001 KPa。

表2 試驗配比

2 結(jié)果與分析

2.1 超細(xì)礦渣微粉漿液

根據(jù)1.2正交設(shè)計方案，分別配制超細(xì)礦渣微粉漿液，測出試樣的抗壓強(qiáng)度(7和14 d)和漿液粘度，見表3所示。

表3 正交試驗結(jié)果

從表3可以看出，配方號1-3漿液粘度大于180，配方號4-9的最大漿液粘度為24，最小漿液粘度為16，表明配方號4-9漿液粘度變化很小，均符合注漿要求，而配方號1-3漿液粘度不符合注漿要求。試樣的抗壓強(qiáng)度(14 d)與三因素的關(guān)系見圖1所示。從圖1可知，在單因素變化條件下，超細(xì)礦渣微粉漿液隨著水灰比(W/C)和SF膠凝劑的增加而逐漸下降，該漿液隨著HN增強(qiáng)劑的增加呈先增加后下降趨勢，HN增強(qiáng)劑摻量為4%時，試樣在14 d的抗壓強(qiáng)度最大。從圖1可知，超細(xì)礦渣微粉漿液在水灰比(W/C)為1.0、SF膠凝劑摻量為6%、HN增強(qiáng)劑摻量為4%時，該配比為漿液的最佳組合，但沒有出現(xiàn)在9組配方號中，故追加試驗。

圖1 抗壓強(qiáng)度(14 d)與三因素的關(guān)系Fig 1 Relationships between compressive strength (14d) and three factors

在上述最佳水平組合(HN增強(qiáng)劑為4%，SF膠凝劑為6%)基礎(chǔ)上，再分別配制7組不同水灰比(W/C)的超細(xì)礦渣微粉漿液，即：W/C=1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0和2.2，分別測試所配漿液的粘度、抗壓強(qiáng)度。水灰比與抗壓強(qiáng)度(7和14 d)的關(guān)系見圖2所示，水灰比與漿液粘度的關(guān)系見圖3所示(水灰比為1.0時，漿液粘度大于180)。

圖2 水灰比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig 2 Relationships between water cement ratio and compressive strength

圖3 水灰比與粘度的關(guān)系Fig 3 Relationship between water cement ratio and viscosity

2.2 砂土的注漿試驗

為了進(jìn)一步分析超細(xì)礦渣微粉漿液能夠注入到細(xì)砂土層中，將普通水泥漿液和超細(xì)礦渣微粉漿液的泄流量、擴(kuò)散半徑進(jìn)行對比。本試驗采用自行研究的注漿設(shè)備，塑料管長度設(shè)為65 cm，介質(zhì)為淮河天然細(xì)砂[20]，超細(xì)礦渣微粉漿液和普通水泥漿液的泄流量見圖4所示。

從圖4可以看出，在相同注漿壓力和對應(yīng)的時間間隔內(nèi)，超細(xì)礦渣微粉漿液在細(xì)砂土中的擴(kuò)散半徑和泄流量均大于普通水泥漿液。隨著注漿時間(t)的增加，超細(xì)礦渣微粉漿液的泄流量近似呈線性下降，而普通水泥漿液的泄流量先下降較快，再緩慢下降，最后幾乎保持不變。原因是超細(xì)礦渣微粉的粒徑遠(yuǎn)大于普通水泥的粒徑，使其更易注入到細(xì)砂土層中。

圖4 超細(xì)礦渣微粉漿液和普通水泥漿液的泄流量Fig 4 Discharge of superfine slag powder slurry and common cement slurry

3 結(jié) 論

(1)超細(xì)礦渣微粉漿液的最優(yōu)配比為：水灰比(W/C)為1.2、HN增強(qiáng)劑摻量為4.0%、SF膠凝劑摻量為6.0%，該漿液粘度為47.03,7 d抗壓強(qiáng)度為5.208 kPa；

(2)隨著水灰比(W/C)的增加，試樣抗壓強(qiáng)度(7 d和14 d)逐漸下降，漿液粘度先快速下降，再緩慢下降，最后幾乎保持不變；

(3)通過注漿試驗，對比相同注漿壓力、注漿時間間隔，超細(xì)礦渣微粉漿液在細(xì)砂土中的擴(kuò)散半徑、泄流量均大于普通水泥漿液，注入細(xì)砂土層的深度更長、固結(jié)效果更好。