一種新型地聚合物膠料制備與路基溶洞充填應用技術

柴濤 劉鵬

摘 要：針對傳統路基溶洞充填材料抗壓強度低，凝膠時間長，對溶洞結石加固作用差問題，提出一種新型地質聚合物充填材料的制備。材料配比進行優化，然后對地質聚合物加固路基溶洞的作用進行研究。結果表明，偶聯劑KH550用量為粉煤灰總質量的2%，堿激發劑叔丁醇鈉、硅酸鈉用量分別為5%和10%，7、28 d抗壓強度分別為28.5、30.6 MPa。初凝時間和終凝時間分別為176、268 min。流動度為298 mm，滿足相關標準，可以作為路基溶洞充填材料使用。在實際工程中應用，注漿后溶洞結構顆粒間的結構致密，顆粒結合更加緊密，這也使土體更加結實牢固。對地質聚合物充填的溶洞路基沉降情況進行預測分析，指數曲線的擬合與實際數據相關系數為0.996 1，依照現場施工進度，鋪軌時沉降量S503為216.32，回填路基最終沉降量為226.01 mm，沉降差值在允許的沉降要求內，即車輛在此回填體上可正常的安全行駛。

關鍵詞：地質聚合物；地基充填材料；堿激發劑；力學性能

中圖分類號：TQ 177

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0100-05

Preparation of a novel type of geopolymer compound and its application technology on filling subgrade cave

CHAI Tao1，LIU Peng2

（1.Chongqing Jinlu Traffic Engineering Co.，LTD.，Chongqing 402660，China；

2.Chongqing Underground Application Technology Research Institute Co.，LTD.，Chongqing 401120，China

）

Abstract：Aiming at the problems of low compressive strength，long cementation time and poor reinforcement effect of traditional filling materials for karst caves in subgrade，a new type of geopolymer filling material was proposed.We first optimized the material ratio，and then studied the effect of geopolymer on the reinforcement of subgrade karst caves.The test results showed that the compressive strength of the prepared geopolymer is 28.5 MPa and 30.6 MPa at 7 d and 28 drespectively，when the amount of coupling agent KH550 was 2% of the total mass of fly ash，the amount of alkali activator sodium tert-butanol was 5%，and sodium silicatewas 10%.The initialand finalcementation timewere 176 min and 268 min respectively.The fluidity was 298 mm，which qulified relevant standards and could be used as filling material for subgrade karst caves.In practical engineering applications，after grouting，the structure between the particles in the karst cave structure was dense，and the particles were more closely combined，which also made the soil more solid and firm.The settlement of the karst cave subgrade filled with geopolymer was predicted and analyzed.The correlation coefficient between the fitting of the exponential curve and the actual data was 0.9961.According to the site construction progress，the settlement during track laying was S503=216.32，and the final settlement of the backfill subgrade was 226.01 mm.In conclusion，the settlement difference is within the allowable settlement requirements，vehicles can normally and safely drive on the backfill.

Key words：geopolymer;foundation filling materials;alkali activator;mechanical property

我國經濟不斷迅速發展，高鐵建設不斷輻射到全國各個地區，西南地區相應隧道在線路中的占比也越來越高。高速公路穿越溶洞是時下較為正常的現象。目前，鐵路穿越巖溶洞隧道工程一直都面臨著很大的施工難題。充填型溶洞受其充填特性的影響，溶洞力學狀態以及工程地質都不穩定。尋找一種適合的溶洞充填材料是提升穿越溶洞高速公路安全性的重要方式。對此，部分學者也進行了很多研究，如吳麗萍通過堿化長徑稻草對鐵尾礦水泥充填材料進行改性，增強其抗壓強度。試驗結果表明，稻草在充填體中發揮紐帶作用，增加了充填體黏結和機械咬合力［1］。宋俊杰則通過正交試驗對廢石-磷尾砂充填材料配比進行優化，使優化后的充填材料可以滿足礦山充填要求［2］。羅鵬翔則研究了氯化鈣作為堿激發劑激發粉煤灰充填材料，以達到增強充填物強度的目的［3］。孫文杰則通過堿渣對矸石膠結充填材料力學性能進行改良。試驗結果表明，經過堿渣改良后，材料早期強度和后期強度增幅高達449%和187%，表現出良好的力學性能［4］。以上學者的研究為路基溶洞充填用聚合材料的發展提供了一些參考，但還達不到路基溶洞充填用聚合材料的使用要求，基于此，本試驗以盧春陽［5］論文中的方法作為參考，制備了一種新型地質聚合物路基溶洞充填材料，并對其充填效果進行研究。

1 試驗材料與方法

1.1 材料與設備

主要材料：偶聯劑KH550（AR 沅錦新材料 ）；叔丁醇鈉（AR，裕德順化工）；硅酸鈉（AR，雙牛化工）；粉煤灰（Ⅰ級，宏乾環保工程）。

主要設備：NJ-160型凈漿攪拌機（航凱儀器）；ZY-9000S型拉力試驗機（卓亞儀器）；DH108型紅外光譜儀（恒美電子）；ZEM15型掃描電鏡（澤鏡科技）；SC-145型維卡儀（天棋星子檢測設備）。

1.2 試驗方法

1.2.1 改性粉煤灰的制備

在30 mL去離子水中溶入不同體積的KH550，然后放入300 g粉煤灰，在NJ-160型凈漿攪拌機的作用下進行攪拌，攪拌時間為30 min，通過靜置過濾烘干，得到改性粉煤灰。

1.2.2 地質聚合物的制備

（1）將一定質量的堿激發劑溶于水后靜置，靜置時間為2 h。將模量為2.0的硅酸鈉粉末放入堿激發劑溶液中，得到堿激發混合溶液；

（2）將改性粉煤灰放入堿激發混合溶液內，并通過凈漿攪拌器攪拌混合均勻，攪拌轉速和時間分別為1 200 r/min和15 min；

（3）將分散均勻的漿液倒入提前準備好的模具中，然后在保溫箱內養護1 d后進行脫模，繼續在保溫箱內25? ℃和相對濕度為95%的條件下養護至指定齡期，得到聚合物注漿材料。

1.2.3 配比設計

偶聯劑KH550用量設計，具體如表1所示。

對地質聚合物堿激發劑用量配比進行設計，具體如表2所示。

1.3 性能測試

參照SZ-G-B04—2007測試地質聚合物的性能［6-7］。抗壓強度測試，通過拉力試驗機測試地質聚合物抗壓強度。

紅外光譜測試：通過紅外光譜儀測試地質聚合材料官能團。

微觀形貌測試：通過掃描電鏡觀察材料的微觀形貌。

凝結時間測試：通過維卡儀測試地質聚合物的凝結時間。

2 結果與討論

2.1 偶聯劑 KH550用量優化

圖1為KH550用量優化結果。

從圖1可以看出，當偶聯劑KH550用量為6 mL（質量分數2%）時，地質聚合物表現出較好的抗壓強度。這是因為偶聯劑KH550在粉煤灰表面與

SiOH結合生成

SiOSi鍵，為地質聚合反應提供更多的反應活性位點。但偶聯劑KH550自身也為小分子結構，在對粉煤灰改性過程中，會形成氫鍵，當偶聯劑用量過多時， SiOH通過分子間氫鍵結合，形成低聚物，這降低了參與反應的地質聚合物，使得抗壓強度有一定降低［8-9］。因此，適宜的偶聯劑KH550用量為6 mL（粉煤灰總質量的2%）。

2.2 地質聚合物結構與形貌表征

2.2.1 官能團表征

圖2為紅外光譜測試結果。

由圖2可以看出，經過偶聯劑KH550改性后在2 930 cm-1處存在CH鍵的特征峰，這就說明偶聯劑成功對粉煤灰進行了改性。同時，在1 000 cm-1處屬于

SiOSi鍵明顯右移，這說明粉煤灰經過改性后，表面的活性位點明顯增加，對反應物的聚合反應有促進作用，制備的地質聚合物抗壓強度增加［10］。

2.2.2 微觀形貌表征

圖3為微觀形貌測試結果。

從圖3可以觀察到，沒有經過偶聯劑改性的粉煤灰，具備較低的反應活性，地質聚合物結合受到影響，降低了界面能，進而降低了聚合物的力學性能。而經過偶聯劑KH550改性后，在粉煤灰玻璃微珠表面有較多孔洞形成，這就增加了粉煤灰的比表面積，使其釋放的玻璃體相增多，提升了粉煤灰溶解度。同時，改性后的粉煤灰會釋放更多活性硅鋁溶膠，生成更多的水化產物與地質聚合物，這些水化產物和地質聚合物也會進入地質聚合物內部，增強了地質聚合物內部結構的致密性［11］。同時，還能增強玻璃微珠與地質聚合物界面結合力，基體穩定性增加，其抗壓強度也隨之增加［12］。

2.3 堿激發種類及用量優化

2.3.1 堿激發劑種類優化

固定堿激發劑摩爾濃度為5 mol/L，通過抗壓強度對堿激發劑種類進行優化，結果圖4如所示。

由圖4可知，在相同條件下養護28 d后，STB/SS復合堿激發劑激發的粉煤灰聚合物抗壓強度最高，達到了30.1 KPa，堿激發效果良好。這是因為堿激發劑會為聚合反應創造過度的堿性環境，使得大量硅酸鹽離子與鋁酸鹽離子迅速溶解累積。選擇單一堿激發劑對地質聚合物作用時，激發劑中缺少足夠可溶性硅，因此對抗壓強度的增強效果有限。而混合堿激發劑中的硅酸鈉經過水解后，除了為地質聚合反應提供堿性環境外，還提供了大量的活性二氧化硅，這能促進地質聚合物生成三維立體結構，增強了地質聚合物的抗壓強度［13］。而TBS水解產物為叔丁醇，與SiOH反應后，形成SiOSi鍵參與地質聚合物三維網絡結構的形成，對抗壓強度產生積極的影響。因此，適合的堿激發劑種類為STB/SS復合堿激發劑。

2.3.2 堿激發劑配比優化

圖5為堿激發劑配比優化結果。從圖5可觀察到，當STB用量為15 g，SS用量30 g時，地質聚合物的抗壓強度最高，7、28 d抗壓強度分別為28.5 、30.6 MPa。這是因為叔丁醇用量存在適宜值，在該含量條件下，丁醇鈉水解產生的 OH-可最小程度的抑制硅酸鈉的是水解，對形成地質聚合物三維結構產生積極的影響，進而增強材料的抗壓強度。從抗壓強度方面考慮，選擇適合的堿激發劑用量為15 g和30 g，占粉煤灰總質量的15%（5%STB和10%SS）。

2.4 凝膠時間及流動度測試

表3為地質聚合物凝膠時間與流動度試驗結果。

3 工程技術與應用

3.1 試驗方案

3.1.1 工程概況

選擇西南地區典型巖溶地質區域穿越隧道為試驗對象。進口里程DIK51+348，出口里程DIK51+288，全長4025.3 m，這條鐵路隧道是高速公路隧道，設計的時速是200 km/h，縱向坡度是-17.6%、-13%的單面下坡［16-17］。地層主要是由灰巖夾白云巖、奧陶系下統組灰巖夾泥灰巖，洞身周圍有斷層，斷層通過處地表形成裂谷，地質條件比較復雜，屬于I級風險隧道［18］。溶洞洞內表面溶蝕發育，到處都是鐘乳石、石筍、石柱，表面有水流很急，安靜時能聽見微弱的水流聲，溶洞外露20～25 m，最寬處和深度分別約為56 m和46 m；溶洞頂部呈倒鍋底形，基本巖體是巨厚狀堅硬整體的硅質石灰巖，穩定性良好，但側壁局部為強風化呈黃灰色的懸崖，層間結合比較差，夾全風化黏土，風化裂隙發育，有發生掉塊和小型坍塌的可能性［19-20］。

3.1.2 施工方案

采用垂直導管法將本試驗制備的地質聚合物進行灌注，灌注進度，振搗效果以及灌注量的選擇都在現場由專業的工程師進行操作。

3.1.3 檢測方案

如圖6所示，檢測系統的建立包含了感知、采集、傳輸以及處理系統。遠程監測系統經過光纖數據采集傳輸到洞外，檢測人員可以在千里之外獲得測試數據。報警功能可及時提示沉降超限的問題，檢測人員及時得到反饋，這對于施工指導、施工安全，施工速率，及時采取處置措施都有十分顯著的效果。

3.2 工程技術應用結果

3.2.1 微觀形貌

圖7為注漿前后結石微觀形貌。由圖7（a）可知，在注漿之前，土體顆粒之間的縫隙相對大一些，也可以看出電鏡下架空的組織結構，呈現一種鑲嵌半膠結狀態。由圖7（b）可觀察到，注漿后溶洞結構顆粒間的結構致密，顆粒結合更加緊密，這也使土體更加結實牢固。

3.2.2 沉降預測分析

通過指數曲線擬合圖對回填后溶洞沉降情況進行預測，選取隧道中線的一測點，實測數據為樣本值，檢驗擬合精度，指數曲線彌合參數α=-224.675，β=0.00 791，擬合公式：S=224.789 97-374.997e-0.007 82t。指數曲線擬合圖如圖8、圖9所示。結合圖8、圖9可知，指數曲線的擬合與實際數據相關系數為0.996 1，擬合精確度較高，依照現場施工進度，鋪軌時沉降量S503=216.32，回填路基最終沉降量為226.01 mm，如果選擇明洞隧道的預留在500 mm的范圍內，這個沉降差值在所允許的沉降要求之內，也就是說明車輛在這樣的回填體之上可以正常的安全行駛。

4 結語

（1）偶聯劑KH550用量為2%；

（2）經過KH550改性后，粉煤灰的比表面積增加，幫助粉煤灰釋放更多的玻璃體相，生成更多的水化產物與地質聚合物，提升地質聚合物的基體密實度和抗壓強度；

（3）選擇適合的堿激發劑種類為STB/SS復合堿激發劑，適合的堿激發劑用量，粉煤灰總質量的15%（5%STB 和 10%SS）。此時地質聚合物7、28 d抗壓強度分別為28.5、30.6 MPa，初凝時間和終凝時間分別為176、268 min，流動度為298 mm，滿足相關標準，可以作為路基溶洞充填材料使用；

（4）在實際工程中應用，注漿后溶洞結構顆粒間的結構致密，顆粒結合更加緊密，這也使土體更加結實牢固；

（5）沉降預測結果，指數曲線的擬合與實際數據相關系數為0.996 1，依照現場施工進度，鋪軌時沉降量S503=216.32，回填路基最終沉降量為226.01 mm，沉降差值在所允許的沉降要求之內，即車輛在此回填體之上可以正常地安全行駛。

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