礦粉摻量對膨脹穩(wěn)定性漿液性能的影響

楊磊，付鑫,2，張圣濤，王瑞鵬，林榮峰，王森巍，于洪豪，張童

(1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南，250061；2.中電建(山東)勘測設(shè)計有限公司，山東 濟(jì)南，250098；3.山東高速集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南，250101；4.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南，250002)

注漿是隧道與地下工程應(yīng)對突水突泥災(zāi)害治理與軟弱圍巖加固的有效手段，而注漿材料的選擇與性能調(diào)配在很大程度上控制著注漿的整體效果。在眾多漿材類型中，普通水泥漿液因其膠凝強(qiáng)度高、成本低、原料來源廣泛、制備工藝簡單等優(yōu)勢[1]，被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、水利等領(lǐng)域的各類注漿工程中。為保證普通水泥漿液的流動性和可注性，工程上采用的水灰比通常大于0.6[2]。然而，該水灰比范圍內(nèi)的普通水泥漿液易發(fā)生離析[3]，導(dǎo)致結(jié)石體強(qiáng)度低與體積收縮，注漿效果往往難以達(dá)到預(yù)期。

與普通水泥漿液相比，穩(wěn)定性水泥漿液具有析水率低和結(jié)石率高的顯著優(yōu)勢[4]，更易填充在被注地層中的孔洞和寬大裂隙，在富水環(huán)境中留存率高。自20世紀(jì)90年代起，穩(wěn)定性漿液就被應(yīng)用到大壩帷幕注漿和固結(jié)注漿中[5]，顯著提升了注漿效率與長期效果。穩(wěn)定性水泥漿液通常指靜置2 h而析水率不超過5%的漿液，關(guān)于穩(wěn)定性漿液配制及性能調(diào)控方法的研究已成為注漿材料研發(fā)的重要課題。目前，在普通水泥漿液的基礎(chǔ)上，降低水灰比、摻加膨潤土等穩(wěn)定劑是制備穩(wěn)定性漿液的主要方法[6-7]，然而隨著水灰比減小，漿液的流動性會隨之降低[4]，摻入膨潤土也會造成結(jié)石體體積收縮[8]。研究表明，摻加減水劑等外加劑能夠改善穩(wěn)定性漿液的流動性[9]，并提升結(jié)石體抗?jié)B性、抗壓強(qiáng)度等性能[10]。此外，在穩(wěn)定性漿液的基礎(chǔ)上，摻加膨脹劑可將其改性為膨脹穩(wěn)定性漿液，能夠補(bǔ)償漿液膠凝固化過程中的體積收縮，進(jìn)一步提升注漿加固與堵水效果。

礦粉、粉煤灰等礦物摻合料已被廣泛應(yīng)用于水泥基漿液的配制。利用礦物摻合料不但可以降低材料成本、減少固廢污染，還能有效調(diào)控漿液性能。其中，礦粉具有火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)[11]，能夠有效提升漿液的流動性、強(qiáng)度及耐久性，因此，它在實(shí)際工程中得以廣泛應(yīng)用。鑒于礦粉作用模式與機(jī)理的復(fù)雜性，目前關(guān)于礦粉對漿液性能調(diào)控的研究大多聚焦于普通水泥漿液，而針對膨脹穩(wěn)定性漿液的研究較少見。

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，研究礦粉摻量對膨脹穩(wěn)定性漿液性能的影響。首先，以普通水泥漿液為基礎(chǔ)，通過調(diào)整膨潤土、水溶性高聚物、減水劑和復(fù)合膨脹劑摻量，確定膨脹穩(wěn)定性漿液的配比；然后，采用摻加礦粉等量替代水泥的方式，分析礦粉摻量對漿液析水率、流動度、凝結(jié)時間以及結(jié)石體抗壓強(qiáng)度、膨脹性、抗硫酸鹽侵蝕性能的影響規(guī)律；最后，采用XRD和SEM方法分析礦粉對漿液水化產(chǎn)物以及結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)特征的影響。

1 試驗(yàn)材料與測試方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所采用的試驗(yàn)材料主要包括水泥、礦粉、膨潤土以及三類外加劑。其中，水泥材料選用山東山水水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，密度為3.14 g/cm3，比表面積為350 m2/kg；礦粉選用河南鉑潤鑄造材料公司生產(chǎn)的S 95級礦粉，密度為2.9 g/cm3，比表面積為420 m2/kg。水泥與礦粉的化學(xué)組分如表1所示。試驗(yàn)中選用鈉基膨潤土來配制膨脹穩(wěn)定性漿液，其作用是提高漿液的表觀黏度與穩(wěn)定性。

表1 水泥與礦粉的化學(xué)組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of cement and slag powder%

此外，試驗(yàn)所采用的外加劑包括水溶性高聚物、減水劑和膨脹劑。其中，水溶性高聚物選用黏度為100 Pa·s的羥丙基甲基纖維素(簡稱HPMC)，用于提升漿液黏度進(jìn)而增強(qiáng)其穩(wěn)定性；減水劑選用固含量為99.5%的聚羧酸高效減水劑(簡稱PC)，用于提高漿液的流動性；膨脹劑選用以鈣礬石和氫氧化鎂為膨脹源的復(fù)合膨脹劑，可將穩(wěn)定性漿液改性為膨脹穩(wěn)定性漿液。

1.2 試驗(yàn)方案

以水灰比為0.8的普通水泥漿液為基礎(chǔ)，配制膨脹穩(wěn)定性漿液。在該水灰比條件下，測得普通水泥漿液的流動度為160 mm，析水率為6.2%，可見其析水率不滿足穩(wěn)定性漿液要求。在膨脹穩(wěn)定性漿液配制過程中，首先，摻加占普通水泥漿液中水泥質(zhì)量10%的復(fù)合膨脹劑，等量替代水泥，實(shí)現(xiàn)漿液結(jié)石體的微膨脹性能。然后，摻加膨潤土與兩類外加劑(HPMC、PC)，以滿足膨脹穩(wěn)定性漿液關(guān)于析水率與流動度的要求。在試驗(yàn)中，復(fù)合膨脹劑摻量保持不變，采用控制變量法逐次調(diào)整膨潤土、HPMC 和PC 摻量，具體方案及測試結(jié)果見表2。表2 中第3 組配比制備的漿液既滿足穩(wěn)定性要求，又具備與普通水泥漿液相近的流動性。因此，采用第3組配比制備后續(xù)試驗(yàn)所用的膨脹穩(wěn)定性漿液。

表2 膨脹穩(wěn)定性漿液配比與測試結(jié)果Table 2 Mixing ratios and testing results of expansive stable grout

膨脹穩(wěn)定性漿液配比確定后，摻入礦粉等量替代水泥，進(jìn)一步研究摻加礦粉對漿液性能的影響。本文采用礦粉摻量比(即礦粉質(zhì)量占漿液中水泥與礦粉總質(zhì)量的百分比)來定義摻入礦粉量，分別設(shè)為0(不摻礦粉)、15%、30%、45%和60%。此外，另設(shè)1組不摻復(fù)合膨脹劑與礦粉的配比，用于分析復(fù)合膨脹劑對漿液的改性作用。具體試驗(yàn)方案如表3所示(漿液水膠比均為0.8)。

表3 礦粉對膨脹穩(wěn)定性漿液性能影響的試驗(yàn)方案Table 3 Experiment scheme for investigating effect of slag powder on performance of expansive stable grout%

1.3 漿液性能測試方法

按前文設(shè)計漿液配合比稱量各材料組分，倒入攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，立刻開展?jié){液析水率、流動度和凝結(jié)時間測試。其中，漿液析水率與流動度按量筒法和JC/T 985—2017《地面用水泥基自流平砂漿》[12]規(guī)定的截錐圓模法進(jìn)行測試，漿液凝結(jié)時間按維卡儀法進(jìn)行測試[13]。

為研究漿液結(jié)石體性能，對不同齡期的漿液結(jié)石體進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度、自由膨脹率和抗硫酸鹽侵蝕性能測試。其中，結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》[14]規(guī)定進(jìn)行測試；結(jié)石體自由膨脹率參照J(rèn)C/T 453—2004《自應(yīng)力水泥物理檢驗(yàn)方法》[15]進(jìn)行測試；結(jié)石體抗硫酸鹽侵蝕性能參照GB/T 749—2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》[16]規(guī)定的浸泡法進(jìn)行測試。

最后，采用XRD和SEM方法對結(jié)石體試件開展微觀測試，以研究礦粉對漿液水化產(chǎn)物以及結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)特征的影響。

2 礦粉摻量對膨脹穩(wěn)定性漿液性能的影響規(guī)律

2.1 漿液析水率與流動度

析水率是評價漿液穩(wěn)定性的基本指標(biāo)，漿液在靜置或運(yùn)移過程中固體顆粒沉降會引發(fā)析水現(xiàn)象，造成結(jié)石體性質(zhì)不均和體積收縮[17]，從而影響注漿填充與加固效果。漿液流動度是評價其可注性的重要指標(biāo)。流動度越大，漿液的可注性越好。為研究礦粉摻量對漿液穩(wěn)定性與可注性的影響，針對不同配比漿液開展析水率與流動度測試，結(jié)果見圖1。

圖1 礦粉摻量對膨脹穩(wěn)定性漿液析水率與流動度的影響Fig.1 Effects of slag powder content on water extraction rate and fluidity of expansive stable grout

從圖1可見：隨著礦粉摻量增加，膨脹穩(wěn)定性漿液的析水率與流動度均先增大后減小，且當(dāng)?shù)V粉摻量比為30%時，2個指標(biāo)均達(dá)到最大值。在析水率方面，摻加礦粉后的漿液析水率均高于未摻加礦粉的析水率，但仍滿足穩(wěn)定性要求。在流動度方面，礦粉摻量比不高于45%的漿液流動度均高于不摻礦粉的漿液流動度，說明此時漿液的可注性得到一定程度的改善。當(dāng)?shù)V粉摻量比增至60%時，漿液流動度反而有所降低，不利于其可注性。因此，在本試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)V粉摻量比為30%時，漿液在滿足穩(wěn)定性要求的前提下流動度最大，有利于漿液的泵注與擴(kuò)散。為進(jìn)一步闡明礦粉對漿液析水率與流動度的影響規(guī)律，分析漿液中水泥、礦粉等固體顆粒及水的賦存形式，結(jié)果見圖2。

圖2 礦粉摻量對漿液內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響示意圖Fig.2 Schematic diagram of effect of slag powder content on internal structure of grout

從圖2(a)可見：對于不摻礦粉的情況，漿液中的水除少量發(fā)生水化反應(yīng)外，大多以自由水形式存在于漿液中，一部分填充于水泥顆粒之間，一部分包裹于水泥顆粒外形成水膜。當(dāng)靜置一定時間后，漿液逐漸膠凝，此時水泥顆粒表面水膜逐漸析出[18]，通常水膜越厚，漿液析水率也越大；此外，水膜在水泥顆粒運(yùn)移時起潤滑作用，有利于漿液流動，即水膜越厚，漿液流動度越大?？梢姡瑵{液析水率與流動度隨水膜厚度的變化趨勢一致。從圖2(b)可見：摻入適量礦粉后，細(xì)小礦粉顆粒填充于水泥顆粒之間，置換出部分自由水，使?jié){液中的水能夠更多地包裹于水泥、礦粉顆粒表面，表面水膜厚度增大，漿液析水率與流動度隨之升高。從圖2(c)可見：由于礦粉顆粒比表面積較大，相同質(zhì)量下包裹其表面的水膜需水量也多于水泥顆粒，當(dāng)?shù)V粉摻量進(jìn)一步增多時，需水量相應(yīng)增多，此時水泥與礦粉顆粒表面的水膜變薄，漿液析水率與流動度也隨之降低。

2.2 漿液凝結(jié)時間

漿液凝結(jié)時間是影響其擴(kuò)散范圍的關(guān)鍵指標(biāo)。漿液凝結(jié)時間分為初凝時間和終凝時間[19]。對于膨脹穩(wěn)定性漿液而言，摻加礦粉將會影響其凝結(jié)過程，導(dǎo)致凝結(jié)時間發(fā)生變化。本文測試不同礦粉摻量所對應(yīng)的漿液初凝時間和終凝時間，結(jié)果如圖3所示。從圖3可見：摻加礦粉延緩了漿液的膠凝速度，導(dǎo)致初凝時間和終凝時間明顯延長，且隨著礦粉摻量增大，膠凝時間有持續(xù)增長趨勢。分析認(rèn)為，摻加的礦粉等量替換部分水泥，水泥用量相應(yīng)減少，導(dǎo)致漿液水化反應(yīng)熱量降低以及反應(yīng)驅(qū)動力減弱[20]，進(jìn)而使得早期水化產(chǎn)物生成量減少，漿液凝結(jié)時間也隨之延長。此外，礦粉的早期反應(yīng)活性較低，在水泥顆粒間隙僅起填充作用，此時需要水泥生成更多水化產(chǎn)物來膠結(jié)水泥和礦粉固體顆粒，該過程需要一定時間，進(jìn)一步導(dǎo)致漿液凝結(jié)時間延長。

圖3 礦粉摻量對膨脹穩(wěn)定性漿液凝結(jié)時間的影響Fig.3 Effect of slag powder content on setting time of expansive stable grout

3 礦粉摻量對膨脹穩(wěn)定性漿液結(jié)石體性能的影響規(guī)律

3.1 結(jié)石體強(qiáng)度

漿液注入地層后逐漸膠凝固化并形成結(jié)石體，對地層起加固或堵水作用。結(jié)石體的強(qiáng)度反映了漿液固結(jié)后對地應(yīng)力和地下水壓力的承受能力，在很大程度上影響著地下工程災(zāi)害的治理效果與巖土體的穩(wěn)定性[21]?；趩屋S壓縮試驗(yàn)，研究不同礦粉摻量和養(yǎng)護(hù)齡期條件下膨脹穩(wěn)定性漿液結(jié)石體的強(qiáng)度變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4 礦粉摻量對結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of slag powder content on uniaxial compressive strength of grout consolidation

從圖4 可見：在膨脹穩(wěn)定性漿液中摻入礦粉后，其結(jié)石體強(qiáng)度均得到不同程度提升，各齡期強(qiáng)度增幅范圍為8.2%～59.6%。礦粉對結(jié)石體強(qiáng)度的提升作用主要體現(xiàn)在2個方面：1)細(xì)小礦粉顆粒填充于水泥顆粒之間，提高了結(jié)石體的密實(shí)度；2)礦粉在水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣的作用下發(fā)揮火山灰效應(yīng)，生成水化硅酸鈣凝膠，進(jìn)一步提高了結(jié)石體的密實(shí)度與抗壓強(qiáng)度。

結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期延長而逐漸增大。然而，針對不同齡期的結(jié)石體試件，摻加礦粉對強(qiáng)度的影響程度不同。摻加礦粉對結(jié)石體3 d 抗壓強(qiáng)度的影響不明顯，強(qiáng)度增幅范圍僅為1.5%～8.2%。這是因?yàn)閾饺氲V粉會提升結(jié)石體密實(shí)度，并有部分礦粉參與水化反應(yīng)，有助于提升結(jié)石體強(qiáng)度；然而，膨脹穩(wěn)定性漿液結(jié)石體的初期強(qiáng)度變化主要是由水泥水化所致，礦粉等量代替部分水泥后，水泥含量降低，水化反應(yīng)減弱，對初期強(qiáng)度發(fā)展不利。經(jīng)綜合研究認(rèn)為，摻加礦粉對結(jié)石體初期強(qiáng)度的2種作用程度接近，導(dǎo)致強(qiáng)度提升不大。

結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度隨礦粉摻量增加而持續(xù)增大，這主要是由于水泥水化生成的氫氧化鈣提供了堿性環(huán)境，能夠激發(fā)礦粉反應(yīng)，有利于結(jié)石體密實(shí)度提升并減少有害孔隙數(shù)量。養(yǎng)護(hù)齡期為28 d和63 d 時，結(jié)石體強(qiáng)度隨礦粉摻量增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)?shù)V粉摻量比為45%時，結(jié)石體28 d 和63 d 強(qiáng)度均達(dá)到最大值，摻量比增大至60%時，結(jié)石體強(qiáng)度有所下降。如前文所述，摻加礦粉有利于結(jié)石體強(qiáng)度提升，但礦粉摻量比超過45%時，由于礦粉替換大量水泥，導(dǎo)致水泥水化生成的氫氧化鈣減少，不足以充分激發(fā)礦粉活性，未反應(yīng)的礦粉顆粒夾雜在膠凝物質(zhì)中，對結(jié)石體強(qiáng)度產(chǎn)生弱化作用。

3.2 結(jié)石體膨脹性能

普通水泥漿液固結(jié)后會發(fā)生一定程度的體積收縮，而膨脹穩(wěn)定性漿液的體積穩(wěn)定性好，不僅能夠補(bǔ)償水泥漿液的固化收縮量[22]，還能產(chǎn)生一定的膨脹變形，有利于注漿效果的發(fā)揮。為研究摻入礦粉對膨脹穩(wěn)定性漿液結(jié)石體體積變化的影響，針對不同養(yǎng)護(hù)齡期的結(jié)石體開展自由膨脹率測試，由軸向變形表征其體積變化[23]，結(jié)果如圖5所示。

圖5 礦粉摻量對結(jié)石體自由膨脹率的影響Fig.5 Effect of slag powder content on free expansibility rate of grout consolidation

從圖5可見：對于不摻加復(fù)合膨脹劑的穩(wěn)定性漿液(見表3第1組)，在14 d齡期范圍內(nèi)，水泥水化過程中生成少量鈣礬石[24]，結(jié)石體體積發(fā)生小幅膨脹，5 d 時自由膨脹率最大，為1.42×10-4；14 d 之后，結(jié)石體自由膨脹率持續(xù)下降，到21 d時已轉(zhuǎn)為體積收縮，此時的自由膨脹率為-0.25×10-4，63 d時結(jié)石體的自由膨脹率下降至-1.36×10-4。

養(yǎng)護(hù)后期，結(jié)石體體積收縮是由水泥干燥收縮與化學(xué)收縮共同導(dǎo)致[25]。對于摻加復(fù)合膨脹劑的穩(wěn)定性水泥漿液，其結(jié)石體的自由膨脹率隨養(yǎng)護(hù)齡期延長而顯著提升。根據(jù)膨脹率隨齡期變化曲線，結(jié)石體體積膨脹可分為2個階段。

1)在養(yǎng)護(hù)齡期14 d 以內(nèi)，復(fù)合膨脹劑迅速反應(yīng)生成大量鈣礬石，鈣礬石發(fā)生晶體生長和吸水膨脹，共同導(dǎo)致結(jié)石體體積快速膨脹[26]，此時，膨脹率曲線呈迅速上升形態(tài)。

2)從養(yǎng)護(hù)齡期14～63 d，復(fù)合膨脹劑中的鈣礬石已基本反應(yīng)穩(wěn)定，主要由反應(yīng)較慢的氫氧化鎂引發(fā)膨脹，且結(jié)石體已具備一定強(qiáng)度，對膨脹有一定約束作用，因此，膨脹速率減緩，曲線斜率降低。

與不摻礦粉的情況(礦粉摻量比為0)相比，摻入礦粉后結(jié)石體膨脹率明顯降低，說明礦粉對結(jié)石體的膨脹有抑制作用。其中，礦粉摻量比為15%、30%和45%的3組漿液結(jié)石體的膨脹率接近(相對誤差≤4%)，相比于不摻礦粉的情況，各齡期的自由膨脹率下降了12.6%～22.7%；當(dāng)?shù)V粉摻量比為60%時，結(jié)石體膨脹率降幅較大，相比于不摻礦粉的情況下降了32.4%～43.6%。經(jīng)分析認(rèn)為，礦粉對結(jié)石體膨脹的抑制作用主要表現(xiàn)在3個方面：

1)摻加礦粉提升了結(jié)石體強(qiáng)度，對體積膨脹有更強(qiáng)的約束作用；

2)礦粉消耗了水泥水化生成的部分氫氧化鈣，從而影響膨脹性鈣礬石的生成；

3)礦粉改變了水泥漿體的孔隙結(jié)構(gòu)，增大了結(jié)石體的干燥收縮[27]，同時，礦粉的火山灰反應(yīng)也會加大結(jié)石體的化學(xué)收縮[28]。當(dāng)?shù)V粉摻量比達(dá)到60%時，未反應(yīng)的礦粉吸附了大量自由水，且火山灰反應(yīng)更加強(qiáng)烈，對結(jié)石體膨脹更不利，導(dǎo)致自由膨脹率明顯下降。

3.3 結(jié)石體抗侵蝕能力

圖6 礦粉摻量對不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下結(jié)石體抗折強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of slag powder content on flexural strength of grout consolidation under different curing environment

從圖6可見：在不摻礦粉的情況下，離子侵蝕作用明顯，在硫酸鈉溶液中養(yǎng)護(hù)成型的漿液結(jié)石體的抗折強(qiáng)度明顯降低，抗蝕系數(shù)為58.8%。摻加礦粉能夠有效提升結(jié)石體的抗侵蝕性能，表現(xiàn)為侵蝕環(huán)境下試件的抗折強(qiáng)度明顯增大(超過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下測得的抗折強(qiáng)度)，相應(yīng)的抗蝕系數(shù)也顯著提升。隨著礦粉摻量增大，結(jié)石體抗折強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當(dāng)?shù)V粉摻量比為45%時，抗折強(qiáng)度提升效果最明顯。

摻加礦粉后，結(jié)石體的抗侵蝕能力明顯提升，分析原因如下：

1)礦粉在硫酸鹽環(huán)境下活性被激發(fā)[30]，生成大量膠凝物質(zhì)，使結(jié)石體更加密實(shí)，從而提高結(jié)石體強(qiáng)度，并降低其孔隙連通性，抑制硫酸根離子侵入[31]；

2)硫酸根離子主要與水泥中的鋁酸三鈣和硅酸三鈣反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物，引起結(jié)石體開裂，導(dǎo)致強(qiáng)度降低[29]，而摻入礦粉降低了鋁酸三鈣和硅酸三鈣的含量，從而抑制了硫酸根離子反應(yīng)。

4 結(jié)石體水化產(chǎn)物與微觀結(jié)構(gòu)特征

漿液水化產(chǎn)物類型與結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)特征是控制漿液宏觀性能的內(nèi)在因素。為研究礦粉摻量對膨脹穩(wěn)定性漿液性能的微觀作用機(jī)制，采用XRD 技術(shù)對不同配比的漿液結(jié)石體進(jìn)行測試，以分析其物相種類、含量及隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律，同時采用SEM 技術(shù)研究漿液結(jié)石體的微觀結(jié)構(gòu)特征。

選取礦粉摻量比為0、30%和60%的3 種工況，研究礦粉摻量對3 d和28 d齡期的結(jié)石體水化產(chǎn)物的影響，XRD測試結(jié)果見圖7。其中，AFt表示鈣礬石，CH 為氫氧化鈣，SiO2為二氧化硅，C3S為硅酸三鈣。

圖7 不同礦粉摻量結(jié)石體的水化產(chǎn)物Fig.7 Hydration products of grout consolidation with different slag powder contents

水泥和礦粉的主要水化產(chǎn)物C-S-H凝膠屬非晶態(tài)，因此，在XRD 圖譜中C-S-H 不可見。此外，AFt 和CH 的衍射峰較強(qiáng)，SiO2和C3S 的衍射峰較弱。AFt 是復(fù)合膨脹劑的反應(yīng)產(chǎn)物，CH 是水泥水化的主要產(chǎn)物，在反應(yīng)過程中生成較多，導(dǎo)致衍射峰較強(qiáng)；而SiO2和C3S是參與水化反應(yīng)的主要物質(zhì)，在反應(yīng)過程中消耗較大，因此，衍射峰較弱。

對于養(yǎng)護(hù)齡期為3 d的結(jié)石體試件，當(dāng)不摻礦粉時，存在較強(qiáng)的AFt峰，而摻入礦粉后AFt峰值有所降低，說明摻加礦粉對鈣礬石的生成具有一定抑制作用。由于鈣礬石促進(jìn)結(jié)石體膨脹，因此，摻加礦粉對結(jié)石體早期膨脹有不利影響。在3組配比的結(jié)石體中，都存在較強(qiáng)的CH衍射峰，但隨著礦粉摻量增加，CH衍射峰值逐漸降低，這是由于摻入礦粉替代部分水泥且礦粉反應(yīng)不生成CH，導(dǎo)致結(jié)石體中CH含量減少。此外，由于礦粉中含有大量SiO2且礦粉早期活性較低，只有部分參與水化反應(yīng)，因此，摻入礦粉后結(jié)石體中可觀察到稍強(qiáng)的SiO2衍射峰。

對于養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的試件，AFt衍射峰值較3 d 時提升幅度較小，說明鈣礬石主要生成于早期階段，對結(jié)石體的早期膨脹起主要作用。28 d結(jié)石體中氫氧化鈣含量隨礦粉摻量增加而減小，說明摻入礦粉會消耗大量氫氧化鈣；隨礦粉摻量增加，28 d時SiO2衍射峰值顯著升高，這是由于結(jié)石體中的SiO2主要來源于礦粉，摻入過量礦粉時，礦粉無法完全反應(yīng)，仍有少量存在于結(jié)石體中。

選取不摻膨脹劑的漿液以及摻加膨脹劑且礦粉摻量比分別為0、30%、60%的4 組配比，研究膨脹劑與礦粉摻量對3 d和28 d結(jié)石體微觀形貌特征的影響，測試結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 膨脹劑對養(yǎng)護(hù)3 d的結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.8 Effect of expansion agent on microstructure of grout consolidation cured for 3 d

圖9 不同礦粉摻量和養(yǎng)護(hù)周期所對應(yīng)的結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)Fig.9 Microstructure of grout consolidation corresponding to different slag powder contents and curing days

從圖8可見：摻加復(fù)合膨脹劑能夠有效提升結(jié)石體的膨脹性能。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時，在未摻加膨脹劑的結(jié)石體中觀察到少量鈣礬石(AFt)，而摻加復(fù)合膨脹劑后，結(jié)石體內(nèi)鈣礬石的數(shù)量顯著增多，導(dǎo)致結(jié)石體體積在養(yǎng)護(hù)早期迅速膨脹。此外，在不摻礦粉的膨脹穩(wěn)定性漿液結(jié)石體內(nèi)可見少量水化產(chǎn)物，但其連接性較差，導(dǎo)致內(nèi)部不夠致密，仍存在較大孔隙。

摻加礦粉導(dǎo)致結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而對其物理力學(xué)性能產(chǎn)生影響。對比圖9(a)和9(c)以及圖8(b)可知：摻入礦粉后，結(jié)石體中的鈣礬石數(shù)量有所減少，還能夠觀察到未反應(yīng)的礦粉顆粒，說明養(yǎng)護(hù)3 d時礦粉反應(yīng)程度較低，對結(jié)石體強(qiáng)度提升不大，且影響鈣礬石生成，進(jìn)而對結(jié)石體膨脹性能產(chǎn)生不利影響。

對比圖9(b)和9(d)可見，2 組結(jié)石體內(nèi)都生成大量水化產(chǎn)物，相互之間連接緊密，結(jié)石體更加密實(shí)，孔隙率減少，有利于提升其強(qiáng)度；但當(dāng)?shù)V粉摻量為60%時，結(jié)石體內(nèi)可見未反應(yīng)的礦粉顆粒，說明此時礦粉摻量過大，無法完全水化，殘余礦粉夾雜于C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物中，反而影響其對結(jié)石體強(qiáng)度的提升效果。

5 結(jié)論

1)以水灰比為0.8的普通水泥漿液為基礎(chǔ)，摻入水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的復(fù)合膨脹劑、3%的膨潤土、0.3%的HPMC和0.2%的PC配制膨脹穩(wěn)定性漿液，該漿液2 h析水率為2.8%，流動度為150 mm，結(jié)石體63 d 自由膨脹率為15.01×10-4，滿足穩(wěn)定性、可注性和膨脹性要求。

2)摻加礦粉對膨脹穩(wěn)定性漿液性能具有顯著影響。隨著礦粉摻量增加，漿液析水率與流動度均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，當(dāng)?shù)V粉摻量比為30%時，2個指標(biāo)均達(dá)到最大值，同時延緩了漿液膠凝速度，導(dǎo)致初凝時間和終凝時間明顯延長。

3)摻加礦粉有助于提升結(jié)石體強(qiáng)度、不利于結(jié)石體膨脹，當(dāng)?shù)V粉摻量比為60%時，礦粉對結(jié)石體強(qiáng)度提升效果減弱且會大幅降低結(jié)石體自由膨脹率。摻加礦粉能有效提高結(jié)石體抗硫酸鹽侵蝕能力，當(dāng)?shù)V粉摻量為45%時，提升效果最明顯。

4)結(jié)石體中AFt衍射峰值隨礦粉摻量增大而減小，說明摻加礦粉不利于結(jié)石體膨脹。礦粉摻量比為30%時，礦粉顆粒在養(yǎng)護(hù)齡期3 d的結(jié)石體內(nèi)可見而28 d 時不可見，當(dāng)摻量比增大到60%時，在28 d 時仍可見，說明礦粉隨養(yǎng)護(hù)齡期增長逐漸反應(yīng)，但摻量過大時無法完全反應(yīng)。