礦物摻合料對水泥-水玻璃雙液注漿材料的影響

李 三

(重慶建設工程質量監督檢測中心有限公司，重慶 401336)

隨著社會的高速發展，地下工程已成為建設工程中的重要一環，地下工程的水害嚴重制約工程的安全和穩定[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材料注漿、水泥單液材料注漿、水泥復合材料注漿等[3]，前者因穩定性差、凝膠時間不可控、容易分層離析或污染環境等因素導致其應用受到一定條件的限制。

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

每年大量排放的粉煤灰、礦渣粉、鋼渣粉等工業廢渣對環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性能[7]，工業廢渣的綜合利用率還有待進一步提高。文章擬研究工業廢渣對C-S注漿材料性能的影響，達到改善注漿性能、降低成本、實現綠色建材的目的，對工程應用具有一定的指導意義。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥(C)為重慶西南水泥生產，PO42.5R，安定性合格，比表面積350 m2/kg，28 d抗壓強度45.2 MPa。水玻璃(S)采用重慶井口化工廠生產鈉水玻璃，模數2.64。粉煤灰(F)采用重慶珞璜電廠II級粉煤灰，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，S95級，比表面積405 m2/kg，堿性系數為0.95，活性系數為0.50。鋼渣粉(G)由重慶鋼鐵廠轉爐鋼渣經磨細處理，比表面積415 m2/kg，安定性合格。各粉料的主要化學組分見表1。

表1 粉料的主要化學組分 w/%

1.2 方法

1.2.1 力學性能和耐水性能測試

固結體強度和凝膠時間參照《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抗壓強度，采用倒杯法將配制的注漿液在兩個燒杯中反復倒回致漿體不再流動的時間即為凝膠時間。孔隙率采用真空飽水法測試，標養28 d試件烘干致恒重m0后，飽水24 h稱量質量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后其強度相對值反映耐水性能。

1.2.2 注漿材料配合比

根據《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，在選取的最優配合比基礎上內摻5%～20%礦物摻合料。

2 結果與分析

2.1 C-S注漿材料凝結硬化性能

C-S注漿材料的凝膠時間和固結體強度如圖1所示，W/B和C/S共同影響C-S注漿材料的凝膠時間和固結體強度。W/B增加和C/S減少均能使凝膠時間延長，在試驗比例范圍內，凝膠時間在10～130 s之間可調，固結體強度隨著W/B和C/S增加均呈現先增加后降低的趨勢。

分析認為，C-S注漿材料在混合過程中，水泥水化反應產生膠凝物質和氫氧化鈣，后者可與水玻璃結合產生新的水化產物[8]，水玻璃促進了水泥-水玻璃體系的凝結硬化過程。凝膠時間過快和水玻璃用量偏低均不利于固結體硬化，而水玻璃用量過高時，未參與水化反應的水玻璃會離解成為低強度的硅凝膠和氫氧化鈉[9]，并產生一部分游離水，均不利于強度的發展。為進一步研究礦物摻合料對C-S注漿材料的影響，選擇W/B為0.8和C/S為1.0∶0.8進行試驗。

2.2 摻入礦物摻合料的C-S注漿材料凝結硬化性能

摻入礦物摻合料后的C-S注漿材料凝膠時間和固結體強度如圖2所示，三種摻合料均能延長凝膠時間，并且隨著摻量的增加，凝膠時間越來越長。在相同摻量情況下，粉煤灰的延長效果明顯優于鋼渣粉和礦渣粉，這是因為粉煤灰的活性相對更低，相同取代水泥的情況下，粉煤灰參與水化反應較少，延緩了水化反應過程。

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

分析認為，礦渣粉和鋼渣粉具有潛在活性，在水泥水化產物和水玻璃共存的堿型環境中，能有效被激發并產生C-S-H凝膠、C-A-S-H凝膠及其他沸石類礦物[10]，同時該過程消耗了一定數量的自由水，減少了有害孔隙的數量，形成的固結體更加密實，固結體強度得到有效的提高。但是摻合料摻量較高時，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劑不足以完全激發其活性，其水化反應程度未達到充分，因此固結體強度在摻入較多摻合料時呈現降低趨勢。

鋼渣粉作為一種劣質熟料，其潛在活性相比礦渣粉更低，因此在大摻量時后者的固結體強度相對更高。因此，根據JC/T 2536—2019標準對于注漿材料固結體強度的要求，在C-S注漿材料中，應嚴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體耐水性能

為了進一步探究礦物摻合料對C-S注漿材料固結體性能的影響，分別選取了每種摻合料摻量10%的注漿材料進行了孔隙率和耐水性能測試，結果如圖3所示。

由圖3可知，C-S注漿材料固結體的孔隙率較高，是因為其水灰比較高，大量未參與水化反應的自由水蒸發后會形成較多的孔隙。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，在水環境的作用下，會因為水的溶解而存在固結體的水腐蝕過程，導致固結體長期強度降低。

礦物摻合料的引入在一定程度上降低了C-S固結體的孔隙率，主要是由于C-S注漿材料中，摻合料在堿型激發劑的作用下部分參與了水化反應，生成的凝膠類和沸石類物質有效的填充了一部分孔隙，同時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活性較低，參與水化的粉煤灰較少，對孔隙率的改善作用沒有鋼渣粉和礦渣粉明顯。分析認為，大量未參與二次水化反應的粉煤灰顆粒，鑲嵌、填充于固結體結構中，仍然能在一定程度上有效的降低固結體的孔隙率，使得固結體的結構密實性能得到提高。

對于浸水處理后的固結體強度相對值，引入礦物摻合料的注漿材料，其相對值得到提高，耐水性能得到改善，是因為礦物摻合料降低了注漿材料固結體的孔隙率，從而減少了其內部結構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過程，消耗了一部分水泥水化產物氫氧化鈣，導致固結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，強度相對值大幅度增加的原因。

3 結 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間，粉煤灰降低了固結體強度，鋼渣粉和礦渣粉在適宜摻量范圍內能夠有效提高固結體強度，因此應嚴格控制粉煤灰摻量，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，由于二次水化反應生成凝膠類等物質和未參與水化反應的顆粒填充在固結體結構中，有效降低了固結體的孔隙率，增加了固結體強度和耐水性能。

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，對實現綠色建材有參考意義。