李 三

(重慶建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中心有限公司，重慶 401336)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，地下工程已成為建設(shè)工程中的重要一環(huán)，地下工程的水害嚴(yán)重制約工程的安全和穩(wěn)定[1]，在軟弱地基的加固處理和地下管道的防水封堵處理中通常采用注漿工藝[2]。工程上主要采用的注漿種類有聚氨酯有機(jī)材料注漿、水泥單液材料注漿、水泥復(fù)合材料注漿等[3]，前者因穩(wěn)定性差、凝膠時(shí)間不可控、容易分層離析或污染環(huán)境等因素導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定條件的限制。

目前水泥復(fù)合材料注漿中普遍采用水泥-水玻璃(C-S)雙液注漿技術(shù)，其具備凝膠時(shí)間可控、早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但凝結(jié)過快、水泥用量大、固結(jié)體耐水性差等也是制約其推廣應(yīng)用的問題[4-6]。

每年大量排放的粉煤灰、礦渣粉、鋼渣粉等工業(yè)廢渣對(duì)環(huán)境造成了較大的壓力，其目前主要用于改善水泥和混凝土的相關(guān)性能[7]，工業(yè)廢渣的綜合利用率還有待進(jìn)一步提高。文章擬研究工業(yè)廢渣對(duì)C-S注漿材料性能的影響，達(dá)到改善注漿性能、降低成本、實(shí)現(xiàn)綠色建材的目的，對(duì)工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥(C)為重慶西南水泥生產(chǎn)，PO42.5R，安定性合格，比表面積350 m2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度45.2 MPa。水玻璃(S)采用重慶井口化工廠生產(chǎn)鈉水玻璃，模數(shù)2.64。粉煤灰(F)采用重慶珞璜電廠II級(jí)粉煤灰，燒失量4.30%，45 μm方孔篩篩余14.5%。礦渣粉(K)為重慶鈺宏建材生產(chǎn)，S95級(jí)，比表面積405 m2/kg，堿性系數(shù)為0.95，活性系數(shù)為0.50。鋼渣粉(G)由重慶鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐鋼渣經(jīng)磨細(xì)處理，比表面積415 m2/kg，安定性合格。各粉料的主要化學(xué)組分見表1。

表1 粉料的主要化學(xué)組分 w/%

1.2 方法

1.2.1 力學(xué)性能和耐水性能測試

固結(jié)體強(qiáng)度和凝膠時(shí)間參照《水泥-水玻璃灌漿材料》JC/T 2536—2019，采用40 mm×40 mm×160 mm試模成型試件并測試28 d抗壓強(qiáng)度，采用倒杯法將配制的注漿液在兩個(gè)燒杯中反復(fù)倒回致漿體不再流動(dòng)的時(shí)間即為凝膠時(shí)間。孔隙率采用真空飽水法測試，標(biāo)養(yǎng)28 d試件烘干致恒重m0后，飽水24 h稱量質(zhì)量m1，則孔隙率ρv=(m1-m0)/V0，其中V0為試件體積。采用自來水浸泡試件，測試浸泡28 d后其強(qiáng)度相對(duì)值反映耐水性能。

1.2.2 注漿材料配合比

根據(jù)《水泥-水玻璃灌漿材料》JC/T 2536—2019推薦比例，采用水膠比(W/B)為0.5～1.1配制膠凝材料凈漿，該凈漿與水玻璃按照體積比(C/S)為1∶0.5～1∶1.1配制注漿液，在選取的最優(yōu)配合比基礎(chǔ)上內(nèi)摻5%～20%礦物摻合料。

2 結(jié)果與分析

2.1 C-S注漿材料凝結(jié)硬化性能

C-S注漿材料的凝膠時(shí)間和固結(jié)體強(qiáng)度如圖1所示，W/B和C/S共同影響C-S注漿材料的凝膠時(shí)間和固結(jié)體強(qiáng)度。W/B增加和C/S減少均能使凝膠時(shí)間延長，在試驗(yàn)比例范圍內(nèi)，凝膠時(shí)間在10～130 s之間可調(diào)，固結(jié)體強(qiáng)度隨著W/B和C/S增加均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。

分析認(rèn)為，C-S注漿材料在混合過程中，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生膠凝物質(zhì)和氫氧化鈣，后者可與水玻璃結(jié)合產(chǎn)生新的水化產(chǎn)物[8]，水玻璃促進(jìn)了水泥-水玻璃體系的凝結(jié)硬化過程。凝膠時(shí)間過快和水玻璃用量偏低均不利于固結(jié)體硬化，而水玻璃用量過高時(shí)，未參與水化反應(yīng)的水玻璃會(huì)離解成為低強(qiáng)度的硅凝膠和氫氧化鈉[9]，并產(chǎn)生一部分游離水，均不利于強(qiáng)度的發(fā)展。為進(jìn)一步研究礦物摻合料對(duì)C-S注漿材料的影響，選擇W/B為0.8和C/S為1.0∶0.8進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 摻入礦物摻合料的C-S注漿材料凝結(jié)硬化性能

摻入礦物摻合料后的C-S注漿材料凝膠時(shí)間和固結(jié)體強(qiáng)度如圖2所示，三種摻合料均能延長凝膠時(shí)間，并且隨著摻量的增加，凝膠時(shí)間越來越長。在相同摻量情況下，粉煤灰的延長效果明顯優(yōu)于鋼渣粉和礦渣粉，這是因?yàn)榉勖夯业幕钚韵鄬?duì)更低，相同取代水泥的情況下，粉煤灰參與水化反應(yīng)較少，延緩了水化反應(yīng)過程。

由圖2可知，隨著礦物摻合料摻量的增加，摻入粉煤灰的固結(jié)體強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)，而摻入鋼渣粉和礦渣粉后，固結(jié)體強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢(shì)，并且礦渣粉在20%摻量時(shí)，固結(jié)體強(qiáng)度依然略高于不摻任何摻合料的強(qiáng)度。

分析認(rèn)為，礦渣粉和鋼渣粉具有潛在活性，在水泥水化產(chǎn)物和水玻璃共存的堿型環(huán)境中，能有效被激發(fā)并產(chǎn)生C-S-H凝膠、C-A-S-H凝膠及其他沸石類礦物[10]，同時(shí)該過程消耗了一定數(shù)量的自由水，減少了有害孔隙的數(shù)量，形成的固結(jié)體更加密實(shí)，固結(jié)體強(qiáng)度得到有效的提高。但是摻合料摻量較高時(shí)，水泥被大幅度取代，且C-S體系中的氫氧化鈣和水玻璃等堿型激發(fā)劑不足以完全激發(fā)其活性，其水化反應(yīng)程度未達(dá)到充分，因此固結(jié)體強(qiáng)度在摻入較多摻合料時(shí)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

鋼渣粉作為一種劣質(zhì)熟料，其潛在活性相比礦渣粉更低，因此在大摻量時(shí)后者的固結(jié)體強(qiáng)度相對(duì)更高。因此，根據(jù)JC/T 2536—2019標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于注漿材料固結(jié)體強(qiáng)度的要求，在C-S注漿材料中，應(yīng)嚴(yán)格控制粉煤灰的摻量，鋼渣粉和礦渣粉的最大摻量不宜超過20%。

2.3 C-S注漿材料孔隙率和固結(jié)體耐水性能

為了進(jìn)一步探究礦物摻合料對(duì)C-S注漿材料固結(jié)體性能的影響，分別選取了每種摻合料摻量10%的注漿材料進(jìn)行了孔隙率和耐水性能測試，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，C-S注漿材料固結(jié)體的孔隙率較高，是因?yàn)槠渌冶容^高，大量未參與水化反應(yīng)的自由水蒸發(fā)后會(huì)形成較多的孔隙。C-S注漿材料硬化體中存在較多的氫氧化鈣、C-S-H凝膠和硅酸凝膠，在水環(huán)境的作用下，會(huì)因?yàn)樗娜芙舛嬖诠探Y(jié)體的水腐蝕過程，導(dǎo)致固結(jié)體長期強(qiáng)度降低。

礦物摻合料的引入在一定程度上降低了C-S固結(jié)體的孔隙率，主要是由于C-S注漿材料中，摻合料在堿型激發(fā)劑的作用下部分參與了水化反應(yīng)，生成的凝膠類和沸石類物質(zhì)有效的填充了一部分孔隙，同時(shí)消耗了一部分游離水，使得固化體的孔隙率降低。但是粉煤灰由于相對(duì)活性較低，參與水化的粉煤灰較少，對(duì)孔隙率的改善作用沒有鋼渣粉和礦渣粉明顯。分析認(rèn)為，大量未參與二次水化反應(yīng)的粉煤灰顆粒，鑲嵌、填充于固結(jié)體結(jié)構(gòu)中，仍然能在一定程度上有效的降低固結(jié)體的孔隙率，使得固結(jié)體的結(jié)構(gòu)密實(shí)性能得到提高。

對(duì)于浸水處理后的固結(jié)體強(qiáng)度相對(duì)值，引入礦物摻合料的注漿材料，其相對(duì)值得到提高，耐水性能得到改善，是因?yàn)榈V物摻合料降低了注漿材料固結(jié)體的孔隙率，從而減少了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中與自由水接觸的幾率，延緩了水腐蝕過程，使得其耐水性能改善。另一方面，礦物摻合料的二次水化反應(yīng)過程，消耗了一部分水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣，導(dǎo)致固結(jié)體的水腐蝕過程延緩，這也是了摻入鋼渣粉和礦渣粉的C-S注漿材料浸水處理后，強(qiáng)度相對(duì)值大幅度增加的原因。

3 結(jié) 論

a.在C-S注漿材料中摻入礦物摻合料，能有效的延長凝膠時(shí)間，粉煤灰降低了固結(jié)體強(qiáng)度，鋼渣粉和礦渣粉在適宜摻量范圍內(nèi)能夠有效提高固結(jié)體強(qiáng)度，因此應(yīng)嚴(yán)格控制粉煤灰摻量，鋼渣粉和礦渣粉的摻量不宜超過20%。

b.礦物摻合料在C-S注漿材料中，由于二次水化反應(yīng)生成凝膠類等物質(zhì)和未參與水化反應(yīng)的顆粒填充在固結(jié)體結(jié)構(gòu)中，有效降低了固結(jié)體的孔隙率，增加了固結(jié)體強(qiáng)度和耐水性能。

c.礦物摻合料部分取代水泥用于注漿材料具備一定的可行性，提高了固體廢棄物的綜合利用率，有效的降低了工程成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色建材有參考意義。