地聚合物注浆材料制备及性能试验研究

地聚合物注浆材料制备及性能试验研究

薛彤

淮安市市政设施养护中心

[摘要]早强型地聚合物注浆材料的早期强度较好，在道路工程、市政工程中已有广泛运用，但注浆材料的制备及性能试验的系统化研究较少。本文根据路基补强的需要，通过研究地聚合物注浆加固技术材料指标、制备工艺、施工方法、施工工艺参数以及注浆流程，结合材料性能试验与分析，对注浆材料性能指标进行系统性研究，以期得到一系列注浆材料的重要性能参数。在分析地聚合物注浆混凝土管混凝土温度、流动性、泌水率、抗压性能等特性时，得出地聚合物注浆混凝土管的稳定性良好时的实验参数为数字信号1.6、碱浓度百分之八、水灰比0.32、拌和时间3min。

[关键词]地聚合物；注浆材料；制备及性能试验

0引言

改性地聚合物注浆加固技术是利用一体化注浆平台，以合适的压力将改性地聚合物浆液经过钻孔通过挤密、渗透、扩散及劈裂作用压入基层和路基中，排出其中的水和空气，填充并粘结基层的脱空、松散部位，挤密路基土，同时与土体发生化学反应生成网络状结石体，形成具有强度高、密实高、水稳定性好的道路新结构。本技术在道路尤其是市政道路改造中运用已越来越广泛，本文即研究注浆材料各项性能指标对材料性能及工程质量的具体影响。

1原材料及初拟配合比

1.1原材料注浆材料技术指标

粉煤灰一般由活性氧化硅、氧化铝等物质组成，对地聚合物的热力学强度、密度等都产生了十分重要的影响[1]，本实验中粉煤灰的粒度直径均在10μm以内。在本实验中偏高岭土的细度约为一千二百五十目。为了实现设计地聚合物注浆材料的所有特性，特别是工作特性和抗压强度，在设计地聚合物注浆材料原料组成时会充分考虑各原料所组成的特性。依据本文研究结论和前期试探性实验结果，本实验的炉渣、粉煤灰综合利用与偏高岭土的总含量比值约为3：5：2。碱激活剂是一类用于土壤和路基中的矿物质进行新一轮聚合反应的材料。本实验借鉴了化学工业的通常方法，所选用的碱激发剂都是水玻璃，其中Na2O和SiO2溶液的质量摩尔比(模数)为3.3，固相与溶剂的质量比(固含量)为百分之三十四，实验时还采用了氢氧化钠溶液和去离子水对碱激发剂的具体系数进行了调整，混合后的碱激发物应在常温下密闭储存[2]。

1.2地聚合物注浆料初拟配合比

当地聚合物注砼管浸入疏松的道路结构层时，如果其抗拉强度低下且与结构层的黏结性能不良，地聚合物注砼管就不能发挥增强道路承重的功能[3]。对于地聚合物注浆材料来说，其碱激发物模数及水灰比对材料效果有关键影响[4]。本实验将探究模数、碱掺杂率和水灰比对地聚合物注浆材料的耐压强度等特性的影响。

2地聚合物注浆料制备工艺

研究地聚合物注浆材料时需要考察如下几个因素：一是地聚合物注浆材料的抗压强度、耐久性能及其对路面的承载力能否满足条件；二是地聚合物的稳定性能否满足条件[5]；三是地聚合物注浆材料和建筑表面复合材料的黏附性能是否满足条件；四是地聚合物注浆材料的热渗透性和膨胀性能否满足条件。

地聚合注浆材生产的基本流程包括：将炉渣、粉煤灰综合利用、偏高岭土等投入混料机中混合均匀后，将配制好的强碱激发剂添加到已混合平衡的内粉中并高速度混合，最后再投入去离子水并高速度混合，将注浆材料混合均匀后倒出进行注浆材料施工[6]。搅拌时间对地聚合注浆材料性能影响很大，一般净浆拌和机的手动拌和模型为先慢速拌和2min，而后再高速度拌和2min。本文选取前慢速混合2分钟，后分别高速搅拌3、5、10min，以研究搅拌时间对地聚合物各项特性的影响。

3材料性能试验方法

3.1凝结时间

①调节凝结日期测量仪，使之归正为"零"，即原始日期。

②垂直变形的制备：调制浆液入模，保湿养护养护箱等。

③正确测定初凝时间：严格按照国家技术规范和使用标准，正确使用凝聚温度测定仪检测并分析出聚合物的初凝时间。

④测定终凝时间：严格按照要求，正确通过凝聚温度测定仪计算出聚合物的终凝时间。

⑤近初凝时，按照次/5min的频率进行测量记录；最近终凝时，则是按照次/15min的频率。在测量结束后将设备归箱。

3.2流动度

①室内温度控制在20℃±2℃；

②在测试1min时，用清洁的纯净水充分浸入倾倒锥，并以瓶盖或材料封堵其出口；

③将地聚合物泥浆缓缓地注入倾倒锥内，并尽可能的减慢速率，直至达1725mL±5mL；

④当扒开已堵塞出口的瓶塞或装置后，先按下定时器，以记录时间；当泥浆沿线路口断续流出后再按下计时器，此时所记的时间间隔即为泥浆流出时间；然后就必须观测出口是否透亮，不阻塞，并判断所使用的倒锥法是否可以进行泥浆流出度分析。

⑤对于同种浆液材料，要进行二次或以上的平行实验，而且一次实验时应采用新的同种浆液。

⑥在搅拌完毕后的1min内测试完毕；

⑦清洗倒锥，直至其表面全部清楚透亮。

3.3泌水率和膨胀率

在容器内加入约100mm的浆液，以记录其高度，并使之密闭储存；同时记录了其放置三小时前和24小时后的浆液膨胀面

与离析液水面之间的高差，并根据公式分别求解出了浆液的泌水率和扩张速率：

式中：—初始水泥浆高度、单位为毫米，；
—泌水面高度、单位为毫米，；
—膨胀面、单位为毫米，。

3.4抗压强度

本课题所使用的抗压试验机是在半截棱柱体的一侧进行试验的。其中，上半截棱墙柱中部与压力机压板受压中心盖的高度必须控制在±0.5mm以内，且半截棱形体暴露在高压板上的部分高度必须限制在10mm。在这个过程中，必须始终维持以2400N/s±200N/s的匀速加载，直至彻底摧毁路面基层。抗压强度RC的表达式见公式：

式中：Fc—破坏时的最大荷载，N；

A—受压部分面积，mm2。

4试验结果与分析

4.1凝结时间

当碱浓度和水灰比相等时，凝固时间随碱引发剂中数字信号的增加而增大；当碱引发剂模数和水灰比相等时，凝固时间则随碱浓度的增加而减小；当碱激发剂数字信号与碱浓度相等时，初凝固时间随水灰比的增加而增大。但按照国家有关技术指标，数字信号为1.4，水灰比为0.28，碱浓度为百分之六和百分之八的实验组的初凝时间略低于国家标准，而其他组别则符合标准规定。

4.2流动度

地聚合物注浆材料的流动性能由碱激发物模数、酸碱浓度和水灰比的增加而增大。研究结果显示，在总水灰比小于0.32下，地聚合物注砼管的稳定性较为良好，所以在今后实验中将对0.32水灰比的各组配方做进一步性能检验。

4.3泌水率和膨胀率

按照凝固时间和流动率的测试数据，对检测原料的实验组开展泌水率和膨化率实验，得知，当强碱激发剂数字信号为1.4和1.6时，地聚合物注浆混凝土管并没有泌水现象，而当数字信号为1.8时，混凝土管出现了轻度泌水现象。综上所述，进行测定的各种地聚合物注浆材料的泌水量均满足有关标准。所有实验生产的地聚合物注浆材料都具有一定的膨胀效果，当地聚合物注浆材料的模数为1.6，在碱浓度约为8%时膨胀效果良好。

4.4抗压强度

对满足有关标准的地聚合物注浆材料的抗压强度进行了检测，得知，地聚合物注浆材料的抗压强度伴随养护年限的增长或碱浓度的增大而提高，但随着模数的提高却是减少的。这是因为在水灰比稳定时期，碱激发物模数越高、酸碱浓度越低，加入反应的碱式产物也减少，所以并没有推动材料抗压强度的发展。

4.5搅拌时间对注浆料性能的影响

为研究搅拌时间对地聚合物注砼管特性的影响，采用模数为1.6、碱浓度为8%、水灰比为0.32的配方进行了实验。实验结果显示，由于拌和时间的增长，地聚合物注砼管的凝固速度提高，稳定性能降低，而工作特性却没有什么大改变，这主要由于长期拌和加速了地聚合物的反应，因此对地聚合物注砼管的工作特性产生了很大的改变。

对比了DGJ32T3225-2017所规定的早强型地聚合物注浆的主要工艺性能指标要求，在混合停留时间小于3min后，其所有特性都符合了规范要求。所以，我们可以选择的配置比为：矿渣：粉煤灰：偏高岭土=3：5：2；水灰比0.32；强碱激发剂数字信号1.6；掺水比例为百分之八；混合时间约为三分钟。

5结论

(1)本文初拟了各种聚合物与注浆混凝土管的配合比，并对不同模数、碱浓度和水灰比的注浆混凝土管的稳定性进行了试验研究。

(2)在明确地聚合物注浆材料配制比的前提下，探讨了拌和时长对地聚合物注浆材料稳定性的影响，试验结果显示，拌和时限的长短对注浆料凝固时间和流动性的负面影响很大，为适应现场施工的需要，将拌和时间确定为3min。

(3)通过分析地聚合物注浆混凝土管的特性，如混凝土温度、流动性、泌水率、抗压性能等，可以判断在数字信号为1.6、碱浓度为百分之八、水灰比为0.32、拌和时间为3min以后生产的地聚合物注浆混凝土管的稳定性良好，符合现场浇注的基本条件。

参考文献

[1]张全文.高等级公路沥青路面养护管理研究[D].西南交通大学， 2010.

[2]郑宁来.我国开展聚合物材料轻量化研究[J].合成材料老化与应用， 2017，46(03)：131-132.

[3]Olivia M，Nikraz H. Properties of fly ash geopolymer concrete designed by Taguchi method[J].Materials & Design， 2012： 191-198.

[4]王国体，方诗圣，潘恒芳．复合地基理论与其工程应用[J].合肥工业大学学报， 2000，(6)：1009-1012.

[5]吴超凡，方德铭，林晓威.地聚合物注浆技术在两港路沥青路面病害处置工程中的应用研究[J].福建交通科技，2017(04)：1-4.

[6]张书政，龚克成.地聚合物[J].材料科学与工程学报， 2003， (03)：430-436.

作者介绍

薛彤，男，1971年出生，1994年7月毕业于淮海工学院建筑工程专业，中共党员，2007年取得建设工程类高级工程师技术职称，长期从事工程管理工作，遵纪守法、坚持原则、作风正派、廉洁自律、秉公办事；本人熟悉国家工程建设相关法律法规，具有丰富的施工管理经验，参与编制了《淮安市市政公用工程建设指南与范例》，组织编制了《古黄河绿道设计导则》。近十年来作为单位负责人组织过多项工程施工，完成枚乘路大修、柯山路大修、北京南路设施完善，以及城西路维修、大治路等工程的建设任务，完成低洼易涝片区综合整治、里运河二期道路驳岸、大同路杭州路建设、慈

云路文庙路改造等工程的施工任务。