道路工程用地聚合物灌漿料的制備及性能研究

吳浩辰 許嘉豪 符式洋

道路工程用地聚合物灌漿料的制備及性能研究

吳浩辰 許嘉豪 符式洋

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

以礦渣、粉煤灰、堿激發(fā)劑等為原料制備無機(jī)聚合物材料——地聚合物，研究原材料配比對(duì)地聚合物灌漿材料基本性能的影響規(guī)律；即研究m值（礦渣/粉煤灰）、水灰比、堿當(dāng)量對(duì)地聚合物灌漿料流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，以及m值對(duì)灌漿料干縮率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：水對(duì)地聚合物的流動(dòng)度影響大，但水灰比過大會(huì)影響材料的抗壓強(qiáng)度；礦渣含量越高，地聚合物的抗壓強(qiáng)度也越大，而粉煤灰的增加會(huì)導(dǎo)致地聚合物強(qiáng)度下降，但會(huì)使干縮率減小，改善灌漿料的抗干縮性能。

地聚合物；堿激發(fā)；流動(dòng)度；抗壓強(qiáng)度；干縮率

0 引言

由于復(fù)雜的氣候環(huán)境和惡劣的交通條件等原因，水泥混凝土路面易出現(xiàn)斷板、開裂、脫空和卿泥等損壞，造成許多公路投入使用沒有多久，就出現(xiàn)了不同程度的早期損壞[1]。為延長水泥路面使用壽命，常使用灌漿技術(shù)來改善水泥路面脫空病害[2]。

近些年，國內(nèi)對(duì)灌漿技術(shù)的深入研究以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得灌漿技術(shù)在各個(gè)行業(yè)都被廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際工程中，灌漿技術(shù)存在諸多制約條件，如漿液原材料的多樣性及其配比的復(fù)雜性，被加固工程地質(zhì)條件的不可預(yù)見性，這些不確定的因素導(dǎo)致了灌漿理論發(fā)展緩慢[3]。國內(nèi)外相繼開發(fā)出普通硅酸鹽類、火山灰改性混凝土類、纖維改性水泥基類、超快硬灌漿料等一系列材料，多以水泥基材料為主，存在能耗大、造價(jià)高等缺陷，且有些材料施工工藝復(fù)雜。因此，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)膠凝材料的不足，需要一種早期性能優(yōu)良、環(huán)境友好型修補(bǔ)材料。

地聚合物是是以礦渣、偏高嶺土、粉煤灰等工業(yè)廢渣為主要原料，經(jīng)堿激發(fā)處理，在較低溫度條件下得到的新型無機(jī)聚合物材料[4]。地聚合物的概念在上個(gè)世紀(jì)70年代末首先由J. Davidovits提出[5]，具有強(qiáng)度高、硬化快、耐酸堿腐蝕等優(yōu)于普通硅酸鹽水泥的獨(dú)特性能，有可能在許多場合代替水泥，并有著比水泥更優(yōu)異的特性[6]。國外眾多學(xué)者基于大量的室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入地聚合物后，能夠快速提高混凝土塊體的早期抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度[7]，此時(shí)對(duì)應(yīng)的塊體總孔隙率以及大孔隙體積均大幅度降低，而膠結(jié)性水化產(chǎn)物的數(shù)量與混凝土漿液水化過程中釋放的能量卻大幅增加[8]；與此同時(shí)，還能大幅度降低混凝土塊體的干縮應(yīng)變以及凝固所需要的時(shí)間[9]；除此之外，其亦能夠提高混凝土的抗氯離子侵蝕、抗硫酸鹽侵蝕以及抗凍融劣化等能力，延長了混凝土在各種復(fù)雜環(huán)境下的使用壽命，提高結(jié)構(gòu)的耐久性能的新型材料[10]。采用地聚合物對(duì)道路的各種病害進(jìn)行非破損、快速注漿修復(fù)，該工藝工期短、見效快，較好解決了道路修復(fù)與交通運(yùn)輸?shù)拿堋?/p>

本試驗(yàn)以高爐礦渣、粉煤灰為主要原料制備地聚合物，研究m（礦渣/粉煤灰）、水灰比、堿當(dāng)量對(duì)地聚合物材料流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度的影響，以及初步探究m（礦渣/粉煤灰）對(duì)地聚合物灌漿材料干縮率的影響。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用S95級(jí)礦渣（BFS）：灰白色粉末，平均粒徑5.182μm；Ⅱ級(jí)粉煤灰（FA）：黑色粉末，平均粒徑16.55μm；均產(chǎn)自河南鞏義，兩者主要成分見表1。

表1 原材料化學(xué)組成

堿激發(fā)劑由NaOH溶解于水玻璃中配制而成。所用水玻璃為模數(shù)3.3的液體硅酸鈉，固含量64.16%，波美度38.5Be。調(diào)整水玻璃模數(shù)NaOH為純度99%的片狀固體顆粒。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以m（礦渣/粉煤灰）、水灰比、堿當(dāng)量為參數(shù)，固定堿激發(fā)劑模數(shù)為2.3測定其對(duì)地聚合物灌漿材料流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度和干縮率的影響。將礦渣、粉煤灰、堿激發(fā)溶液按一定比例在水泥攪拌鍋中攪拌5分鐘，制備地聚合物灌漿材料。

表2 地聚合物灌漿材料配合比設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 m值（粉煤灰/礦渣）對(duì)地聚合物灌漿料性能的影響

固定水灰比為0.4，堿當(dāng)量為5%，m值（粉煤灰/礦渣）從7/3變化到5/5，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。隨著粉煤灰占比的減小，地聚合物的流動(dòng)度減小，7d的抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢。

圖1 m（粉煤灰/礦渣）對(duì)地聚合物灌漿材料的性能影響

礦渣含量較低，地聚合物的硅鋁比低，使?jié){體的粘度下降，從而流動(dòng)性能提升。且粉煤灰具有“滾珠”效應(yīng)，可以在地聚合物中起到潤滑作用，使?jié){體擴(kuò)散加快且均勻，增加其流動(dòng)性能。礦渣中含較多CaO，因此會(huì)反應(yīng)生成大量C-S-H，C-S-H和N-A-S-H在反應(yīng)中共同作用，可以大幅度提高地聚合物的抗壓強(qiáng)度。而粉煤灰屬于惰性材料，不易被堿性激發(fā)劑激發(fā)，含量越高強(qiáng)度越低。

2.2 水灰比對(duì)地聚合物灌漿料性能的影響

固定m（粉煤灰/礦渣）為7/3，堿當(dāng)量為5%，水灰比從0.35上升到0.45，以0.05為一個(gè)梯度，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知，水灰比越高，灌漿料的流動(dòng)度越小，7d抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢。水的增加雖然可以減小流動(dòng)度，但對(duì)地聚合物的抗壓強(qiáng)度會(huì)造成負(fù)面影響。

圖2 水灰比對(duì)地聚合物灌漿材料的性能影響

2.3 堿當(dāng)量對(duì)地聚合物灌漿材料的性能影響

固定m（粉煤灰/礦渣）為7/3，水灰比為0.4，堿當(dāng)量從4%上升為6%，以1%為梯度，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。隨著堿當(dāng)量的增加，即溶液濃度增加，溶質(zhì)增加而水減少導(dǎo)致流動(dòng)度有所上升。隨著溶液濃度的增加，地聚合物的7d抗壓強(qiáng)度增加。

圖3 堿當(dāng)量對(duì)地聚合物灌漿材料的性能影響

堿當(dāng)量越高，地聚合物與堿激發(fā)劑反應(yīng)速率加快，導(dǎo)致流動(dòng)度的增加。堿當(dāng)量低，地聚合物材料固化反應(yīng)不完全，使抗壓強(qiáng)度低。一方面，堿當(dāng)量越高，地聚合物材料固化反應(yīng)更完全，原材料礦渣、粉煤灰活性成分得到充分激發(fā)，從而影響地聚合物抗壓強(qiáng)度。

3 干縮率

當(dāng)存放在濕度較低的環(huán)境下，水分將以蒸發(fā)的形式流出體系進(jìn)入外界環(huán)境，并使體系產(chǎn)生收縮。一般來說，水分損失越多，干燥收縮越大，但除此之外，也與基體特性、孔結(jié)構(gòu)相關(guān)。地聚合物具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、耐高溫、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但其存在硬化體收縮大等缺點(diǎn)。本試驗(yàn)從原材料的角度來觀察材料對(duì)地聚合物干縮率的影響。

固定水灰比0.45，堿當(dāng)量為5%，m（粉煤灰/礦渣）從7/3變化到5/5，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 m（粉煤灰/礦渣）對(duì)地聚合物灌漿材料干縮率影響

從上圖可以看出，隨著時(shí)間的增長干縮率不斷增加，增加到一定程度時(shí)，增長趨緩。當(dāng)m（粉煤灰/礦渣）=6/4時(shí)，地聚合物的干縮率最佳。地聚合物的收縮主要取決于反應(yīng)后水的剩余量，養(yǎng)護(hù)地聚合物材料時(shí)水分蒸發(fā)越多干縮率越大。為減小地聚合物材料的干縮率，考慮往材料中摻入20%標(biāo)準(zhǔn)砂。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)砂的體積不會(huì)受水分影響，水分蒸發(fā)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)砂填充在材料中，一定程度上抑制地聚合物的干縮。

表3 地聚合物灌漿材料干縮率

由表3可以看出，標(biāo)準(zhǔn)砂的摻加使地聚合物的干縮率有較大幅度的下降，說明標(biāo)準(zhǔn)砂的加入可以明顯改善地聚合物的干縮率。

4 結(jié)論

（1）隨著m（粉煤灰/礦渣）和堿當(dāng)量的減小、水灰比的增大，地聚合物的流動(dòng)度越小，流動(dòng)性能越好。

（2）隨著m（粉煤灰/礦渣）和水灰比的減小、堿當(dāng)量的增大，地聚合物的7d抗壓強(qiáng)度越大，早期強(qiáng)度性能越好。

（3）比較發(fā)現(xiàn)m（粉煤灰/礦渣）對(duì)干縮率并無明顯影響，m（粉煤灰/礦渣）=6/4時(shí)，干縮率最小。在地聚合物材料中加入標(biāo)準(zhǔn)砂會(huì)減小干縮率。

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江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202011117016Z）。

吳浩辰（2000.01-），男，漢，籍貫：江蘇揚(yáng)州，在讀本科生，學(xué)校：揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向：土木工程方向；許嘉豪（1999.11-），男，漢，籍貫：江蘇南通，在讀本科生，學(xué)校：揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向：土木工程方向；符式洋（1999.12-），男，漢族，籍貫：海南文昌，在讀本科生，學(xué)校：揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向：土木工程方向。

S210

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1007-6344（2021）04-0278-02