復摻鋼渣與礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料研究

徐 行， 趙 文， 李慎剛， 王德保

(東北大學資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110004 )

0 引言

注漿是處治各類地質(zhì)災害的一種有效技術手段[1]，其技術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行了研究，所配置的漿液早期強度高，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)時間和黏度的關系出發(fā)，對大摻量粉煤灰的注漿材料進行了系統(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，對復摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料的性能進行研究。

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，對鋼渣進行磨細處理，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。

原材料的化學組分見表1。

表1 原材料的化學組分

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，在標準條件下進行養(yǎng)護，養(yǎng)護至3 d和28 d之后用WDW-100型數(shù)字式壓力試驗機測試抗壓強度。測試結(jié)果取3個試塊的平均值作為最終的抗壓強度值，如果試塊的強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、水泥復摻鋼渣和礦渣-水玻璃體系、水泥復摻礦渣和粉煤灰-水玻璃體系及鋼渣-礦渣-粉煤灰-水玻璃體系，優(yōu)選出一種早期強度和后期強度均較高、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漿液抗壓強度高，表明鋼渣的早期活性比粉煤灰高。

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

4)水泥復摻30%鋼渣和30%礦渣的A5漿液與純水泥A0漿液的強度接近。A0漿液由于迅速發(fā)生水化反應導致凝膠時間過快[11]，而A5漿液流動性較好，表明在保證強度的前提下，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)當水玻璃摻量達到50%時，漿液的流動度高達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)強度進行分析。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度的影響規(guī)律如圖3所示?？梢钥闯觯?1)漿液的抗壓強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抗壓強度降低了49.88%，28 d抗壓強度降低了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抗壓強度降低了29.14%，28 d抗壓強度降低了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)石體強度降低[14]。

圖3 水玻璃體積摻量對抗壓強度的影響

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

綜上分析，當水玻璃摻量為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，導致結(jié)石體的密實度降低，結(jié)石體的抗壓強度降低[15]。2)當水灰質(zhì)量比為1.5時，A2、A5漿液結(jié)石體3 d的抗壓強度相對于水灰質(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)量比對抗壓強度的影響

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

綜上分析，當水灰質(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)石體抗壓強度較高，流動性較好。

3 結(jié)論與討論

1)復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性能影響要優(yōu)于單摻一種礦物摻合料和復摻礦渣和粉煤灰。

3)復摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料達到最高的固結(jié)體強度時，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。

復摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料經(jīng)濟環(huán)保，可以滿足注漿工程的需要，擁有廣闊的應用前景。當然，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系進行研究，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用提供可靠的依據(jù)。

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