碱激发粉煤灰-矿渣用于道路灌浆材料的研究

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我国每年工业炼铁量及煤炭使用量巨大,这使得工业副产品矿渣、粉煤灰产量非常高。以建设资源节约型与环境友好型社会为目的,利用碱激发粉煤灰-矿渣材料高力学性能和高抗渗性能的特点,开发一种适用于道路灌浆的高附加值的碱激发粉煤灰-矿渣灌浆材料,可以在满足道路灌浆材料需求量较大的同时对粉煤灰、矿渣进行高效利用。本论文针对碱激发粉煤灰-矿渣这种新型灌浆材料,首先系统研究了浆液的流变性能、流动性能及其经时变化规律,探明其影响机理,并寻求得到了一种简单快捷的测试方法评价其流动性能;然后,为满足道路灌浆材料要求,对浆液凝结时间、结石体强度进行了研究,在探讨各因素对胶凝性能影响的同时进行了配合比筛选;最后通过实验室可灌性试验研究,参考相关理论公式,建立浆液的扩散距离公式,并对所灌固结体强度、抗渗透性能及微观结构进行了研究,评价灌浆效果。对碱激发粉煤灰-矿渣灌浆材料流变性能及流动性能进行研究的结果表明,下端出口内径为10 mm的Marsh筒适用于碱激发-粉煤灰矿渣灌浆材料的流动性测试;碱激发粉煤灰-矿渣灌浆材料为流变特性指数大于1的剪切增稠浆液;未研磨的粉煤灰、矿渣制备的浆液的屈服应力和Marsh流动度存在经时突变性;当粉煤灰、矿渣被研磨至D50小于10μm后,屈服应力和Marsh流动度不存在突变现象。浆液Marsh流动度与浆液屈服应力和塑性粘度之间的关联度均大于0.8,关联性良好,其中在20 S-1剪切速率时的流变性能与Marsh流动性的关联性最好,可采用Marsh筒法来检测评价浆液的流变性。对碱激发粉煤灰-矿渣灌浆材料凝结时间、结石体强度进行研究的结果表明,本试验所有配比浆液均满足初凝时间大于30 min,终凝时间小于400 min的道路注浆加固施工的要求。综合考虑灌浆材料工作性能和强度性能,同时考虑经济性及配方调节操作简便,采用水胶比为0.45,矿渣掺量为10 wt%,硅酸钠溶液模数为2.0的碱激发粉煤灰-矿渣灌浆材料,通过调节硅酸钠溶液固含量为12-24 wt%,可以调控结石体强度在8.8MPa-12.7 MPa,满足不同路基加固灌浆的需要(≥4.2 MPa);在硅酸钠溶液固含量为24wt%基础上增加矿渣掺量至20 wt%,结石体强度可达38.2 MPa,满足用于水泥混凝土板底脱空处治及半刚性基层层底脱空处治灌浆的需要(≥30 MPa)。结石体抗压强度不仅与反应产物数量和结构密实度有关,产物的聚合度也是影响强度的主要因素。实验室灌浆试验研究表明,灌浆压力为扩散距离和注浆量的最主要影响因素;浆液自身的屈服应力是影响注浆量的第二因素;而注浆量成为影响扩散距离的第二因素;扩散距离主要受灌浆压力、注浆量、砂渗透系数的外因影响。浆液注浆量(Q)与灌浆压力(P)、砂土层渗透系数(k)、浆液塑性粘度(η)、浆液屈服应力(τ0)的相关公式为:Q(28)2095.946P0.546k0.314η-0.053τ0-0.368扩散距离(L)与各因素的相关公式为:L(28)0.0792P0.0682k0.510η-1.684τ0-0.177Q0.429碱激发粉煤灰-矿渣浆液灌注所得到的固结体28d抗压强度为5.6 MPa~28.6 MPa,渗透系数在10-9-10-1111 m/s的数量级,多个配合比的抗渗性能达到最高抗渗等级P15,固结体灌浆饱满,孔隙率最低可达20.81%,灌浆效果良好。
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