地聚合物注漿材料的制備工藝及病害公路加固中的應用研究

摘 要：為提高病害路面修復效率和修復效果，利用礦渣、粉煤灰、偏高嶺土、堿激發劑等材料制備一種早期強度高、收縮性小、工作性能優異的地聚合物，并將其應用到實際工程中。結果表明，當采用礦渣∶粉煤灰∶偏高嶺土=3∶5∶2制備地聚合物粉料時，堿最佳摻量為8%，堿激發劑最佳模數為1.4，最佳水灰比為0.32；最佳注漿參數為：注漿壓力0.6 MPa，注漿孔距為150 cm，注漿量為70～120 kg/m2；利用制備的地聚合物對某病害路段進行注漿加固處理，加固完成7 d后，可以將加固路段的平均彎沉值從39.1 mm降至21.8 mm，路面結構得到有效加強，加固效果良好，具有十分明顯的社會和工程經濟效益。

關鍵詞：地聚合物；病害路段；模數；水灰比；注漿參數；加固處理

中圖分類號：

U418；TQ316.342

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0086-04

Preparation process of" geopolymer grouting material and its application in reinforcement of diseased highways

LIU Baolong

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China）

Abstract：In order to improve the efficiency and effectiveness of repairing damaged road surfaces，a geopolymer with high early strength，low shrinkage，and excellent working performance was prepared by using materials such as slag，fly ash，metakaolin and alkali activator，and applied to practical engineering.The results showed that when slag： fly ash： metakaolin=3∶5∶2 was used to prepare geopolymer powder，the optimal alkali content was 8%，the optimal modulus of alkali activator was 1.4，and the optimal Water-cement ratio was 0.32.The optimal grouting parameters were as follows： grouting pressure of 0.6 MPa，grouting hole spacing of 150 cm，and grouting volume of 70～120 kg/m2.The prepared geopolymer was used for grouting and reinforcement of a diseased road section，after 7 days of reinforcement，the average deflection of the reinforced road section reduced from 39.1 mm to 21.8 mm，the pavement structure was effectively strengthened，and the reinforcement effect was good.It has obvious social and engineering economics benefits.

Key words：geopolymer;damagedroad sections;modulus;water-cement ratio;grouting parameters;reinforcement treatment

交通負荷過重導致路面經常出現脫空等破壞病害現象，傳統注漿加固后新老路面間易出現不均勻沉降和開裂，注漿材料的整體性和穩定性得不到有效保障。地聚合物作為一種堿激發膠凝材料，能夠與周圍材料粘接形成強度較高的結石體，相比傳統注漿材料，具有早期強度高、收縮性小、耐久性好、成本低等優點，同時還能減少對環境的破壞和污染，是一種綠色注漿材料［5-7］。地聚合物目前已經在一些工程中得到應用，但是在病害公路加固治理中的應用還不太成熟，有必要針對具體工程展開專項研究［8-12］。基于此，開展了地聚合物配合比和注漿參數的試驗研究，以期能為病害公路注漿加固治理提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 原材料

注漿材料主要原材料包括礦渣、粉煤灰和偏高嶺土，堿激發劑為水玻璃。礦渣的主要化學成分為SiO2、Al2O3和CaO，粒徑范圍為8～32 μm；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，主要化學成分為SiO2、Al2O3，粒徑小于10 μm，偏高嶺土主要化學成分也為SiO2、Al2O3，細度為1 250目。根據前期試驗成果，按照礦渣粉∶粉煤灰∶偏高嶺土=3∶5∶2的質量比例將3者混合均勻待用。水玻璃中的Na2O與SiO2的摩爾比（模數）為3.3，固含量為34%，在配制地聚合物過程中，需要利用NaOH和去離子水對水玻璃模數進行調配。

1.2 配合比方案

試驗探討了堿摻量、堿激發劑模數以及水灰比對地聚合物性能的影響，堿摻量分為6%和8 %2種，堿激發劑模數分為1.4、1.6和1.8 3種，水灰比分為0.28、0.3和0.32。地聚合物注漿材料配合比方案見表1。

1.3 制備工藝

地聚合物制備工藝流程：（1）將礦渣粉、粉煤灰以及偏高嶺土混合均勻，然后將其研磨成地聚合物粉體；（2）將NaOH、水玻璃和去離子水按照設計比例高速攪拌均勻，靜置后得到堿激發劑；（3）將地聚合物粉體和堿激發劑進行混合攪拌（先慢速攪拌2 min，再快速攪拌3 min），制得地聚合物；（4）對漿液的凝結時間、流動度、泌水率、膨脹率和凝固后的抗壓強度進行測試。

2 試驗結果及分析

2.1 凝結時間

不同地聚合物配合比下的凝結時間變化關系見圖1。

由圖1可知，當堿摻量和堿激發劑模數一定時，地聚合物的凝結時間隨著水灰比增大而逐漸增大；相同水灰比下，堿摻量越高，凝結時間越短；當水灰比和堿摻量一定時，堿激發劑的模數越大，凝結時間越長；即地聚合物從開始凝結到完全凝結的時間應控制在60～120 min。綜上分析可知，當堿激發劑模數為1.4、水灰比為0.28時，無論摻入6%還是8%的堿，凝結時間均不滿足設計要求。

2.2 流動度

不同地聚合物配合比下的流動度變化關系見圖2。

從圖2可知，相同堿激發劑模數和堿摻量下，地聚合物的初始流動度和30 min后流動度隨水灰比增大而逐漸增大；同等堿激發劑模數和水灰比下，堿摻量越多，流動度越小，但是在低模數時，這種不規律不是很明顯，尤其是水灰比小于等于0.3時，6%堿摻量的流動度反而低于了8%堿摻量的流動度；相同堿摻量和水灰比情況下，模數越高，流動度越小。根據相關規范要求，地聚合物的初始流動度要求在14～22 s，從試驗結果來講，所有試驗組均滿足規范要求，為了追求更高的工作性能，宜選擇水灰比為0.32的試驗組進行配制。

2.3 泌水率和膨脹率

根據地聚合物凝結時間和流動度測試結果，認為當水灰比為0.32時，各試驗組的性能最佳，故僅對水灰比為0.32的試驗組進行泌水率和膨脹率測試，結果見表2。

從表2可知，當水灰比和堿摻量一定時，只有模數為1.8 的試驗組出現了泌水現象，6%和8%堿摻量下泌水率分別為0.02%和0.01%，從膨脹率來講，膨脹率均小于1%，滿足規范設計要求，因此堿激發劑模數不宜超過1.6。

2.4 抗壓強度

水灰比為0.32時，不同地聚合物配合比下的抗壓強度測試結果見圖3。

由圖3可知，相同堿摻量下，隨著堿激發劑模數的增大，地聚合物的強度逐漸降低，當模數由1.4增至1.6后，6%和8%堿摻量下的強度分別降低了4.3%和6.3%；當模數由1.6增至1.8后，6%和8%堿摻量下的強度分別降低了20%和19.5%。由此可見，從強度上來講，堿激發劑模數不宜超過1.6；相同模數下，堿摻量為8% 的地聚合物強度略高于6%堿摻量，這是因為水灰比一定的情況下，模數越高，堿含量越低，那么參與反應的堿物質將越少，很難對地聚合物的強度起到促進作用。

2.5 配合比優選

通過對凝結時間、流動度、泌水率、膨脹率以及抗壓強度的綜合對比，認為當礦渣∶粉煤灰∶偏高嶺土=3∶5∶2時，堿激發劑的最佳模數為1.4，堿的最佳摻量為8%，最佳水灰比為0.32，采用慢速攪拌2 min，再快速攪拌3 min的方式，此時地聚合物的綜合性能最優。

3 工程應用

3.1 工程概況

陜西省西安市某城市次干路建成于2002年，設計時速為40 km/h，雙向4車道，路面總寬度29.5 m。對路面進行了承載力調查和層間脫層調查，路面平均彎沉值達到39.1 mm，表明該次干路路面已經發生了較大程度的強度損失。通過鉆芯取樣，發現面層瀝青平均厚度為10 cm，部分地區瀝青層間發生了脫離；同時通過現場調查還發現了縱向裂縫、沉陷、坑槽等其他病害。通過調查得出該路段機動車道總體情況較差，需要對其進行改造處置，由于該路段處于城市核心區，交通任務繁重，不能長時間封閉施工，因而經與項目部溝通協商，決定采用早強型地聚合物對病害路段進行注漿加固處理，以便在完成施工后盡快恢復交通。

3.2 注漿加固處置方案

處置方案大體上分為2種情況：（1）機動車道一般路段。一般路段是指表面未發生明顯的病害現象，但經彎沉檢測不合格的路段，對于一般路段主要是針對原12%石灰土底基層（厚度22 cm）以及原二灰碎石基層（厚度20 cm）進行地聚合物注漿加固，注漿加固完成后再依次鋪設瀝青透層、瀝青封層、8 cm厚度的AC-20C瀝青砼以及4 cm厚度的AC-13C瀝青改性料。（2）機動車道病害路段即出現明顯病害現象的路段。對于這些路段，需對原12%石灰土底基層（厚度22 cm）以及原二灰碎石基層（厚度20 cm）進行地聚合物注漿加固，再在其上騎縫鋪設聚酯布，再依次鋪設瀝青透層、瀝青封層、8 cm厚度的AC-20C瀝青砼以及4 cm厚度的AC-13C瀝青改性料。

注漿加固處置方案示意見圖5。

3.3 注漿加固參數

在工程現場選取了9個路段進行前期注漿參數試驗，結果見表3。

由表3可知，當注漿壓力為0.4 MPa時，注漿量只有達到170 kg/m2才能達到較好的注漿加固效果，注漿壓力太小無法使漿液充分擴散到脫空位置和深處裂縫位置；當注漿壓力為0.6 MPa時，注漿量在70 kg/m2，就能達到較好注漿效果，注漿量達到120 kg/m2后，注漿效果評級為優；當注漿壓力為0.8 MPa時，注漿量在70～120 kg/m2的效果還不如0.6 MPa，只有注漿量達到170 kg/m2后，注漿效果才能評級為優。綜上分析，認為最佳注漿壓力為0.6 MPa，注漿孔距為150 cm，注漿量為70～120 kg/m2，注漿深度設計為0.8～1.2 m。

3.4 加固效果

對已經完成加固注漿（7 d后）路段每隔20 m進行一次彎沉值檢測，結果見圖4。

由圖4可知，在注漿加固前，該路段的平均彎沉值為39.1 mm，最大彎沉值達到68 mm，最小的也有30 mm，大于等于35 mm的占比達到73.7%。在采用地聚合物進行注漿加固后，平均彎沉值下降至21.8 mm，且全部彎沉值均小于35 mm，而且通過探坑觀測法對加固路段進行檢測，發現在脫空區域、碎石基層和底基層之間均發現有明顯的注漿材料，不存在松散現象。這說明地聚合物增強了層間粘接性，起到了結構補強作用，有效提高了路面的承載力。

3.5 社會、經濟效益分析

（1）社會效益：地聚合物注漿加固技術具有快速修復能力強，對交通干擾小，工期短等諸多優點，同時還充分利用了礦渣、粉煤灰等工業廢料，節約水泥等注漿材料，具有綠色環保的特性，而且注漿加固技術避免對路面造成進一步的破壞，減少了路面揚塵，保護了環境；

（2）經濟效益：傳統銑刨加鋪方案的處理費用為385元/m2，而且需要在基層施工7 d后才能進入后續工序。地聚合物注漿加固方案處理費用為373元/m2，僅需注漿1 d后就可進入下一道工序，具有更加明顯的工程經濟效益。

4 結語

（1）當堿激發劑模數（1.4）和水灰比（0.28）過低時，注漿料的初凝時間太短，當堿激發劑模數達到1.8后，注漿料會出現泌水現象，且當模數大于1.6后，注漿料的強度會明顯降低;

（2）當采用礦渣∶粉煤灰∶偏高嶺土為3∶5∶2進行時，堿激發劑的最佳模數為1.4，堿的最佳摻量為8%，最佳水灰比為0.32;

（3）通過現場試驗，確定出最佳注漿參數：注漿壓力為0.6 MPa，注漿孔距為150 cm，注漿量為70～120 kg/m2;

（4）將地聚合物應用到某病害路段加固中，病害路段的平均彎沉值從39.1 mm降至21.8 mm，且層間脫空現象明顯減少，路面結構得到有效增強，加固效果良好，相比傳統銑刨加鋪技術，具有更好的社會經濟效益。

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