破碎岩体快速注浆加固地聚合物注浆材料试验研究

冯涵 张学民 欧雪峰 张聪 姜健 郭腾飞 周贤舜

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410000；2.中南大学 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙 410000；3.长沙理工大学 公路养护技术国家工程实验室，湖南 长沙 410114；4.中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410000；5.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454150)

地聚合物是一类以富含硅铝酸盐的材料为原料并通过碱激发剂作用而合成的一种无机胶凝材料[1]，其固化反应与硅酸盐水泥的水化反应不同，具有固化速率快、早期强度高、耐腐蚀、耐高温等特性。当前已有利用地聚合物快硬及早强的优点应用于快速建设或快速修复方面的成功应用，如机场道面快速修建、修补以及快速修建军用机场等，美军军方曾称其为迄今为止发现的最好的快凝材料[2]。

力学性能是快速注浆加固材料性能要求中的一个重要方面。影响地聚合物力学性能的因素是复杂且多样的，原材料是其一个主要因素，本质在于不同种类原料潜在火山灰活性不同。目前常用原材料包括偏高岭土[3]、粉煤灰[4]和高炉矿渣[5]等，其中偏高岭土和高炉矿渣相比粉煤灰活性更高，偏高岭土中Si、Al含量较高，有利于聚合反应的进行[5]，同时高炉矿渣中含有的部分钙离子，有利于提高结石体早期强度[6]。de Silva等[7]探讨了原材料中SiO2/Al2O3之比对地聚合物材料力学强度的影响。另一个影响地聚合物力学性能的主要因素为碱激发剂的成分及组成。许多碱性溶液均可实现碱激发反应[8]，但考虑到经济效益、工艺条件以及实际效果，常用碱激发剂为NaOH溶液与水玻璃复合形成的溶液。许多学者针对碱激发剂组成对地聚合物性能的影响进行过研究。Morsy等[9]发现随着碱激发剂模数的增加，地聚合物抗压强度和抗折强度均出现先增大后减小的过程。彭晖等[10]系统考察了碱激发剂中氢氧化钠、硅酸钠和水等组分含量变化对地聚合物力学性能影响，发现地聚合物的力学性能随氢氧化钠的用量增加先提高后降低，水对地聚物强度影响不大。Chafoori等[11]同样发现地聚合物力学性能随着碱当量增加出现先提高后降低的现象。彭晖、Alonso等[12-14]通过试验发现激发剂浓度是影响地聚合物的最主要因素，但是浓度过高容易出现闪凝现象；此外，激发剂模数是次要因素。Heah、林坤圣等[15-16]通过正交试验发现在不同的碱激发剂掺量范围内随着激发剂的掺量增加地聚合物性能可出现不同的变化趋势。

同时，浆液的工作性能也是注浆材料性能要求的另外一个方面，已有学者针对以地聚合物作为注浆材料的工作性能表现进行了研究。浆液的工作性能包括流动度、凝结时间和稳定性等方面。余其俊等[17]针对碱激发矿渣胶凝材料流动性差和凝结时间短的问题提出以氯化钡作为缓凝剂；王红喜等[18]研究了水玻璃模数和掺量对浆液凝结时间的影响；王健等[19]对比了不同水玻璃体积掺量和粉料比例对浆液初凝/终凝时间、抗侵蚀和干缩性的影响；殷素红等[20]探讨了硅酸钠溶液模数和固体含量、矿渣掺量对地聚合物灌浆材料流变性和流动性的影响。

综上所述，当前关于地聚合物力学性能影响因素已经进行了一定程度的研究，将其作为注浆材料的应用也有相应的探索。但遗憾的是，当前地聚合物基浆液研究中考虑的性能影响因素相对较少，存在材料本身性能发挥不彻底的可能。同时针对快速注浆加固作业中材料在若干小时内即需要很高力学性能的要求，目前也未见对应的地聚合物早期(≤24 h)力学性能表现的研究，为提高地聚合物性能和应用研究的全面性，同时进一步探究地聚合物在早期(≤24 h)内的性能潜力，以及是否可作为工作性能优异的破碎岩体快速注浆材料的可能性，笔者将偏高岭土内掺矿渣作为原料，氢氧化钠与水玻璃复合溶液作为激发剂，考虑矿渣替代率、水玻璃模数、激发剂浓度和液固比4个因素，通过正交试验对浆液流动度、稳定性、初凝/终凝时间和析水率等工作性能以及早期(4、8、12、16、20和24 h)力学性能进行研究，相关结果可为地聚合物材料的进一步应用和推广提供参考。

1 试验设计

1.1 试验原料

偏高岭土，湖南超牌科技有限公司生产，具体成分及含量见表1；矿渣为S95级，具体成分及含量见表2；片状NaOH为分析纯；水玻璃溶液模数M=3.3；自来水来自长沙市自来水厂。

表1 偏高岭土成分及含量Table 1 Composition and content of metakaolin

表2 矿渣成分及含量Table 2 Composition and content of slag

1.2 试验方案

试验采用L9(34)正交试验表进行试验设计，4个影响因素分别为：矿渣替代率、水玻璃模数、激发剂浓度(即改性水玻璃溶液质量/激发剂溶液质量×100%)、液固比(即激发剂溶液质量/固体质量×100%)。具体正交试验变量因素及水平见表3。

表3 正交试验变量因素及水平Table 3 Factors and levels of orthogonal test

水玻璃模数通过添加NaOH溶液进行调节。激发剂浓度通过添加水来调节，激发剂调配完成后陈化12 h。试件在室温条件下养护，一定时间脱模后继续在室温条件下养护。

对浆液及结石体性能测试方法如下：

(1)浆液流动度依据《混凝土外加剂均质性试验方法》(GT/B 8077—2000)利用截锥圆模进行测试。

(2)浆液凝结时间依据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GT/T 1346—2011)利用维卡仪进行测试。

(3)浆液析水率依据《预应力孔道灌浆剂》(GB/T 25182—2010)利用1 000 mL量筒对2 h前后浆液离析水面高度差进行测试。

(4)结石体强度依据《水泥砂浆强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)利用抗压试验机和抗折试验机进行测试。

2 结果与分析

2.1 破碎岩体快速注浆加固浆液的性能要求

破碎岩体在土木工程中，尤其在地下工程中较为常见，在快速注浆加固工况中对浆液的时效性要求往往不尽相同，普通纯水泥浆液一般无法满足要求。同时，浆液的性能也应与注浆设备和工艺相匹配。考虑注浆加固面临的工况多种多样，本研究仅以某运营公路隧道隧底快速注浆加固维修需求为例进行说明。参考以往工程经验和相关规范，以现有常见的注浆机具和注浆工艺为前提，提出该隧道快速注浆加固维修的材料须满足以下性能要求：在可泵性方面，要求流动度≥220 mm；在时效性方面，要求初凝时间≥40 min，终凝时间≤60 min，4 h后抗压强度不小于10 MPa，抗折强度不小于0.5 MPa，24 h后抗压强度不小于20 MPa，抗折强度不小于1 MPa；在工后效果方面，要求浆液析水率≤5%。

2.2 正交试验结果

由表4中可以看出，部分试验组所得到结果已满足上述浆液性能要求，但仍有进一步优化的空间。地聚合物浆液凝固后结石体在4 h后的最高抗压强度和最高抗折强度分别为12.2 MPa 和0.8 MPa，24 h后的最高抗压强度和最高抗折强度分别为21.2 MPa和2.1 MPa。其次，较好的浆液流动度是进行注浆作业的必要条件。由表5可看出，新鲜浆液流动度最大为231 mm。合适的凝结时间代表浆液的可泵性和时效性，同时初凝时间和终凝时间之间的合适时间间隔有利于后续施工工序。由表5还可看出，本研究中浆液初凝时间范围在35～62 min之间，终凝时间范围在46～72 min之间，初凝和终凝时间之间间隔范围在6～15 min之内。

表4 结石体强度的正交试验结果统计Table 4 Statistics of orthogonal test results of stone strength

表5 浆液工作性能的正交试验结果统计Table 5 Statistics of orthogonal test results of slurry performance

2.3 影响因素作用分析

(1)影响因素对流动度的影响

流动度作为浆液工作性能中主要指标之一，影响着浆液的扩散能力也关系到注浆作业的难易程度。各影响因素对浆液流动度的影响如图1所示，试验结果极差分析见表6，表中R表示极差。

图1 4个影响因素对浆液流动度的影响Fig.1 Effect of four factors on fluidity of slurry

表6 正交试验所得浆液流动度结果Table 6 Orthogonal test results of slurry fluidity

由图1可以看出，因素A(矿渣替代率)和因素D(液固比)对浆液流动度影响显著，且与流动度呈正相关关系，因素B和因素C影响程度相对较低，且与流动度相关性不明显。由表6可知，各因素对浆液流动度影响的主次顺序为B

偏高岭土本身存在较强的吸附性，随着因素A(矿渣替代率)增加，复合粉料的吸附性能相对下降，在液固比一定的情况下，浆液中自由水增加，流动性因此随之增强。因素D(液固比)作为另外一个影响流动度显著因素的原因在于增加浆液体系中自由水的含量，使得浆液变稀，增加浆液的流动度。

(2)影响因素对凝结时间的影响

浆液的凝结时间是快速修建或快速修复过程中注浆作业的一个关键性指标。过短的凝结时间无法保证浆液扩散范围，同时容易造成机具堵塞，不利于现场作业。通过对浆液的初凝/终凝时间进行正交分析，得到各影响因素对浆液凝结时间影响趋势，见图2所示。试验结果极差分析见表7和表8所示，表中R表示极差。

图2 4个影响因素对浆液凝结时间的影响Fig.2 Effect of four factors on setting time of slurry

由表7和表8可以看出，其中因素A和因素C与凝结时间呈负相关关系，因素D对浆液凝结时间呈正相关关系。各影响因素分别对浆液初凝和终凝的影响趋势一致。由表7和表8极差分析结果可知，各因素对浆液初凝时间影响程度排序为：B

表7 正交试验所得浆液初凝时间结果分析Table 7 Orthogonal test results of initial setting time

表8 正交试验所得浆液终凝时间结果分析Table 8 Orthogonal test results of final setting time

矿渣中含有钙离子，与钠离子相比具有更强的电荷引力作用，因此随着因素A(矿渣替代率)的增加，浆液的初凝和终凝时间减小；地聚合物的理论反应模型包括溶解、重组和缩聚3个过程[12]，凝结时间在一定程度上是反应速率的表现，当因素C(激发剂浓度)较低时，溶解、重组和缩聚过程相互重叠，凝胶会包裹在尚未溶解的硅铝酸盐周围，抑制反应的进行，导致凝结时间增加;反之，当因素C(激发剂浓度)较高时，反应具有较明显的次序，溶解和缩聚反应过程区别明显，反应速率也较快，凝结时间减少[12]；因素D(液固比)的增加离间了固体颗粒之间的距离，空间絮凝结构不能及时形成，从而使凝结时间增加。

(3)影响因素对析水率影响分析

析水率作为标定浆液稳定性一项指标，一般认为在2 h内析水率小于5%的浆液称为稳定浆液。稳定性好的浆液所留下的结石体性能可保证好的均一性，也是保证注浆效果的关键性因素之一。

与传统水泥浆液不同，本研究所述浆液凝结时间远小于2 h，具有凝结时间短的优势。同时，浆液组成体系中偏高岭土有类似高岭土保水性强的特点。因此本研究所述浆液本身具有很好的稳定性。

在实际试验过程中，9组试验中浆液直至终凝状态肉眼均未发现析水现象，印证了以上论述。

(4)影响因素对抗压强度影响分析

结石体力学性能尤其早期的力学性能作为浆液能否在快速修建或快速修复作业中胜任的一个控制性指标。为进一步明确地聚合物注浆材料早期性能，对浆液充分拌和后4、8、12、16、20和24 h的结石体力学性能进行测试。通过对浆液结石体抗压强度进行正交分析，得到如图3所示的各影响因素对结石体早期抗压强度影响的趋势图，以及表9所示试验结果的极差分析结果。

表9 正交试验结石体24 h内抗压强度结果分析

由图3可以看出，在24 h内的各个时间段内各因素对结石体抗压强度影响规律基本一致，其中因素C(激发剂浓度)作为影响抗压强度最为明显的因素，与抗压强度为正相关关系；其次因素A(矿渣替代率)为另一个对抗压强度影响较为明显的因素，同样与抗压强度呈正相关关系；因素B(激发剂模数)对抗压强度影响相对较小，但在不同的时间范围以及影响程度之内与抗压强度呈现出不同相关关系，12 h内基本呈负相关关系，在12～24 h之内，随激发剂模数增大与抗压强度先呈正相关关系，后呈负相关关系；因素D(液固比)对抗压强度影响也相对较小，在12 h之内随着液固比的增加，液固比与抗压强度先呈正相关关系，随后呈负相关关系，在12～24 h之内，随着液固比的增加，液固比与抗压强度呈一致负相关关系。根据表6可知，各因素对结石体抗压强度的影响程度排序为B

图3 4个影响因素对结石体24 h内抗压强度的影响Fig.3 Effect of four factors on slurry compressive strength in 24 h

因素C(激发剂浓度)影响抗压强度的机理与影响凝结时间的机理类似，高浓度的激发剂既可以加快粉料的溶解也可以促进反应完全程度，但激发剂浓度不可无限制增大，否则容易造成闪凝现象；钙离子增加,生成的富钙连续相粘性较强，粘结各类水化产物使得整体更为致密；激发剂模数越低，激发剂碱性越强，在反应初期碱性越强，反应越剧烈；激发剂所占比例越多，在反应初期可充分包裹粉料，有助于反应的进行，但激发剂中的水玻璃成分可发生自收缩反应，因此随着反应的进行，过剩的激发剂则会影响结石体的强度。

(5)影响因素对抗折强度的影响

结石体的抗折强度同抗压强度类似，决定其表现的本质在于最终的反应产物和反应程度。作为同一产物力学性能的两个方面，在24 h内各个因素对抗折强度的影响规律同对抗压强度的影响规律一致(见图4和表10)，同时各因素的影响机理也同样类似。

表10 正交试验结石体24 h内抗折强度结果分析Table 10 Orthogonal test result analysis of the flexural strength in 24 h

图4 4个影响因素对结石体24 h内抗折强度的影响Fig.4 Effect of four factors on slurry flexural strength in 24 h

(6)最优配合比

综合考虑各指标要求和意义，以及各因素对材料性能的影响规律，可确定材料的最优配合比：矿渣替代率为45%，改性水玻璃激发剂模数和浓度分别为1.5和75%，液固比为1.5。

3 讨论

据前文所述，已有学者在利用地聚合物快凝早强优势作为注浆材料应用方面上从不同角度进行相关研究，期望获得工作性能合适、结石体力学强度高的注浆材料。在所有性能指标中，尤其是快速注浆加固作业要求中，结石体早期力学强度是最重要指标之一。在既有的研究中，王健等[19]得到的碱激发地聚合物浆液结石体1 d抗压强度最大为5.53 MPa，Zhang等[21]得到地聚合物浆液结石体 3 d 抗压强度最大为5 MPa 左右。从结石体早期力学强度角度来讲，本试验配比得到浆液4 h结石体抗压强度可达12 MPa，具有一定程度上的优势。同时，本研究所述浆液终凝时间在60 min左右，其在快速注浆加固中的应用存在一定的适用范围和局限性。

本研究所述浆液性能指标要求或配比无法满足所有可能的快速修建注浆加固工况，可根据具体工程特点同时参考各因素对浆液性能的影响规律确定优选的配合比。

4 结论

通过正交试验对地聚合物注浆材料在快速修建或快速修复中的适用性、超早期工作性能和力学性能进行了研究，采用正交试验，利用极差分析对矿渣替代率、改性水玻璃激发剂模数及浓度和液固比对浆液工作性能及结石体力学强度的影响进行了分析，得到的主要结论如下：

(1)综合考虑浆液工作性能和结石体力学强度，建议最优配合比为：矿渣替代率为45%，改性水玻璃激发剂模数和浓度为分别为1.5和75%，液固比为1.5。

(2)改性水玻璃激发剂浓度是影响结石体力学强度的最主要因素；液固比是影响流动度最主要因素；矿渣替代率对浆液的流动度、凝结时间以及结石体早期强度均存在较为显著的影响；偏高岭土基浆液体系本身具有很好的稳定性。

(3)与传统纯水泥浆液相比，地聚合物注浆材料在快速修建或快速修复中具有很明显的优势，主要表现在结石体具有相对较强的早期力学强度，同时该材料本身具有绿色环保的优点。