复掺钢渣与矿渣的水泥-水玻璃双液注浆材料研究

徐 行， 赵 文， 李慎刚， 王德保

(东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110004 )

0 引言

注浆是处治各类地质灾害的一种有效技术手段[1]，其技术的核心是选择合适的注浆材料。目前常用的注浆材料有普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、超细水泥、水泥-水玻璃双浆液及水泥-黏土浆液等材料[2]。但上述注浆材料对水泥的消耗量极大，不利于社会的可持续发展，目前研究的重点转向对绿色材料的开发[3]。如宋雪飞[4]研究了在水泥-水玻璃双浆液中掺入30%～50%的粉煤灰对浆液性能的影响，使大掺量粉煤灰的水泥-水玻璃浆液在实际工程中得到了应用;陈沣等[5]对钢渣改性硅酸盐水泥-水玻璃双液注浆材料进行了研究，所配置的浆液早期强度高，软化系数大，适用于堵漏抢险工程中；张义顺等[6]从不同的粉煤灰掺量和不同的水灰质量比与浆液凝结时间和黏度的关系出发，对大掺量粉煤灰的注浆材料进行了系统的研究。目前绿色注浆材料多以单掺1种矿物掺合料为主，而针对复掺2种或2种以上矿物掺合料的研究较少。辽宁省作为东北老工业基地，每年都会排放出大量的钢渣和矿渣等工业废渣，大量堆置的工业废渣使土地和水体受到不同程度的污染[7]。这些工业废渣具有潜在的胶凝性能，不仅可以制成新型掺合料钢铁渣粉，还可以改善传统注浆材料的性能[8]。

本文通过不同体系双液注浆材料的优选试验和最优配比试验，对复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃双液注浆材料的性能进行研究。

1 试验

1.1 试验材料

1.1.1 A液

1)水泥。采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为350 m2/kg。

2)钢渣微粉。以转炉钢尾渣为原料，对钢渣进行磨细处理，比表面积为450 m2/kg。

3)矿渣微粉。采用S95级高炉矿渣微粉，比表面积为 446 m2/kg。

4)粉煤灰。采用Ⅰ级灰，比表面积为410 m2/kg。

1.1.2 B液

采用工业水玻璃，模数为2.7，将水玻璃加水稀释至波美度为35 °Bé。

原材料的化学组分见表1。

表1 原材料的化学组分

1.2 试验方法

1)流动度测试。根据GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》,将浆液注入圆锥截模内(上口36 mm，下口60 mm，高60 mm)，用刮刀刮平，垂直提起，同时开启秒表计时，浆液在玻璃板上流动至少30 s，用游标卡尺量取流淌部分互相垂直的2个方向的最大直径，取平均值作为流动度[9]。

2)凝胶时间测试。采用常用的倒杯法，将A液倒入B液烧杯中，立即将混合液再倒入A液烧杯中，循环交替，从开始混合计时到浆液倾斜45°不再流动时停止计时，所获得的时间即为凝胶时间[10]。

3)抗压强度测试。将浆液倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试模中，24 h后拆模，在标准条件下进行养护，养护至3 d和28 d之后用WDW-100型数字式压力试验机测试抗压强度。测试结果取3个试块的平均值作为最终的抗压强度值，如果试块的强度测定值中有超过或低于平均值10%的，则将此测定值剔除。若剔除后的试块不足2个，需重新进行试验[10]。

1.3 试验思路

1)不同体系双液注浆材料的优选试验。在A液水灰质量比为0.8，B液水玻璃体积掺量占A液体积的20%的情况下，通过比较水泥-水玻璃体系、水泥单掺钢渣-水玻璃体系、水泥单掺粉煤灰-水玻璃体系、水泥复掺钢渣和矿渣-水玻璃体系、水泥复掺矿渣和粉煤灰-水玻璃体系及钢渣-矿渣-粉煤灰-水玻璃体系，优选出一种早期强度和后期强度均较高、流动性能好、施工方便、价格低廉及绿色环保的双液注浆材料体系。

2)最优配比试验。在选择合适的双液注浆材料体系后，在A2和A5 2种水泥掺量的情况下，分析B液水玻璃体积掺量为10%、20%、30%、40%、50%和A液水灰质量比为0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.5时对浆液流动度、凝胶时间及抗压强度的影响规律，得出最佳的水玻璃体积掺量范围和水灰质量比范围。

2 试验结果分析

2.1 不同体系双液注浆材料的性能分析

见表2。

表2 不同体系的双液注浆材料的性能

由表2可以得出如下规律：

1)水泥复掺20%钢渣和20%矿渣的A2浆液比单掺40%钢渣的A1浆液抗压强度高，凝胶时间更长，表明矿渣的加入可延长凝胶时间并提高抗压强度。

2)水泥单掺60%钢渣的A3浆液比单掺60%粉煤灰的A4浆液抗压强度高，表明钢渣的早期活性比粉煤灰高。

3)水泥复掺30%钢渣和30%矿渣的A5浆液比复掺30%矿渣和30%粉煤灰的A6浆液抗压强度高，表明钢渣可加强对矿渣的激活作用，两者可实现优势互补，钢渣-矿渣复合的效果要优于目前工程上常用的矿渣-粉煤灰双掺粉。

4)水泥复掺30%钢渣和30%矿渣的A5浆液与纯水泥A0浆液的强度接近。A0浆液由于迅速发生水化反应导致凝胶时间过快[11]，而A5浆液流动性较好，表明在保证强度的前提下，矿渣和钢渣的掺入对凝胶时间的延长和流动度的提高有利。

5)不加水泥的A7浆液的早期强度过低，表明在大水灰质量比的情况下，无水泥碱激发-工业废渣双液注浆材料体系不适用于对早期强度要求高的注浆抢险加固工程。

综上分析，选用钢渣和矿渣代替部分水泥作为双液注浆材料的原材料，既可以充分利用钢渣的微膨胀特性和潜在的胶凝特性[12]，同时也为钢渣和矿渣2种掺合料在注浆材料中的应用提供保障，实现工业废渣的资源再利用。

2.2 水玻璃体积掺量对浆液的性能影响分析

试验中A液水灰质量比为0.8，A液中钢渣和矿渣的质量比为1∶1，水泥掺量为40%和60%时，水玻璃的体积掺量对注浆材料流动度的影响规律如图1所示。可以看出： 1)浆液的流动度随着水玻璃掺量的增加而增大； 2)A2、A5浆液在水玻璃体积掺量为50%时的流动度相对于10%时的流动度分别增长了19.32%和19.57%； 3)当水玻璃掺量达到50%时，浆液的流动度高达330 mm，流动性能好。主要原因是水玻璃体积增大，对A液产生了稀释作用，使浆液自身的流动阻力减小。

图1 水玻璃体积掺量对流动度的影响

Fig. 1 Influence of volume of water glass on fluidity of grouting material

水泥掺量为40%和60%时，水玻璃的体积掺量对注浆材料凝胶时间的影响规律如图2所示。可以看出： 1)浆液的凝胶时间随着水玻璃掺量的增加而延长； 2)A2、A5浆液在水玻璃体积掺量为50%时的凝胶时间相对于水玻璃体积掺量为10%时的凝胶时间分别增长了225.48%和229.73%。主要原因是水玻璃体积增大，使颗粒与颗粒之间的间距拉大，水化产生的空间网状絮凝结构连接成整体的时间延长[13]。

图2 水玻璃体积掺量对凝胶时间的影响

Fig. 2 Influence of volume of water glass on gelling time of grouting material

对于浆液的固结性能，主要针对浆液的硬化固结强度进行分析。在水泥掺量分别为40%和60%的情况下，水玻璃的体积掺量对注浆材料抗压强度的影响规律如图3所示。可以看出： 1)浆液的抗压强度在水玻璃体积掺量为30%时最大； 2)A5浆液在水玻璃体积掺量为30%时，3 d和28 d的抗压强度为13.35 MPa和18.27 MPa； 3)在水玻璃掺量为10%时，与掺量为30%相比，A5浆液的3 d抗压强度降低了49.88%，28 d抗压强度降低了22.71%； 4)在水玻璃掺量为50%时，与掺量为30%相比，A5浆液的3 d抗压强度降低了29.14%，28 d抗压强度降低了21.56%。主要原因是水玻璃掺量较少，对钢渣和矿渣的水化活性激发作用较弱；当水玻璃掺量过多时，水玻璃水解产生大量的HnSiO4x-，生成一种强度较低的硅凝胶，与此同时，水玻璃中的水稀释了浆液，致使浆液的结石体强度降低[14]。

图3 水玻璃体积掺量对抗压强度的影响

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

综上分析，当水玻璃掺量为20%～30%时，结石体内部结构较为致密，且不产生硅凝胶，浆液结石体的抗压强度较高，浆液的流动性能较好，满足注浆工程的要求。

2.3 水灰质量比对浆液的性能影响分析

试验中B液水玻璃体积掺量为30%，A液中钢渣和矿渣的质量比为1∶1。水泥掺量为40%和60%时，A液的水灰质量比对注浆材料流动度的影响规律如图4所示。可以看出： 浆液的流动度随着水灰质量比的增加而增大。主要原因是加水量增多时，水的流动会带动颗粒的流动，浆液的流动阻力减小，故浆液的流动度增大。

图4 水灰质量比对流动度的影响

Fig. 4 Influence of water-cement ratio on fluidity of grouting material

A液的水灰质量比对注浆材料凝胶时间的影响规律如图5所示。可以看出： 浆液的凝胶时间随着水灰质量比的增大而延长，其原因和水玻璃掺量对凝胶时间的影响机制类似。

图5 水灰质量比对凝胶时间的影响

Fig. 5 Influence of water-cement ratio on gelling time of grouting material

水泥掺量为40%和60%时，A液的水灰质量比对注浆材料抗压强度的影响规律如图6所示。可以看出： 1)结石体的抗压强度随着水灰质量比的增大而降低。主要原因是水灰质量比越大，结构中粉料水化剩余的自由水越多，自由水留下的孔隙就越多，导致结石体的密实度降低，结石体的抗压强度降低[15]。2)当水灰质量比为1.5时，A2、A5浆液结石体3 d的抗压强度相对于水灰质量比为0.8时分别降低了53.44%和62.39%，结石体28 d的抗压强度相对于水灰质量比为0.8时分别降低了34.86%和42.75%，这表明，水灰质量比是影响注浆材料固结性能的重要因素。

图6 水灰质量比对抗压强度的影响

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

综上分析，当水灰质量比为0.6时，流动度过低，水灰质量比为1.5时，抗压强度过低，故最佳水灰质量比为 0.7～1.0，此范围内浆液的结石体抗压强度较高，流动性较好。

3 结论与讨论

1)复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃双液注浆材料体系与其他双液注浆材料体系相比，具有凝胶时间可控、流动性好、抗压强度高和绿色环保的特点。

2)增大B液水玻璃体积掺量和增大A液水灰质量比会延长浆液的凝胶时间和流动度。采用钢渣和矿渣代替部分水泥会延长浆液的凝胶时间，并且当钢渣和矿渣的掺量越大，凝胶时间越长。且在相同水泥用量的情况下，复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃双液注浆材料的工作性能和力学性能影响要优于单掺一种矿物掺合料和复掺矿渣和粉煤灰。

3)复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃双液注浆材料达到最高的固结体强度时，存在最佳的水玻璃体积掺量为20%～30%，最佳的水灰质量比为0.7～1.0，故水玻璃体积掺量和水灰质量比是影响注浆材料工作性能的重要因素。

复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃双液注浆材料经济环保，可以满足注浆工程的需要，拥有广阔的应用前景。当然，对于此注浆材料，仍可对水泥、钢渣、矿渣3种组分之间具体组成关系进行研究，形成浆液的最优配比参数，为今后该种材料在注浆工程中的应用提供可靠的依据。

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