迟凤霞， 韩博*， 孙艺涵， 程沁灵， 周文静

(1.浙江省道桥检测与养护技术研究重点实验室， 杭州 310000； 2.浙江省交通运输科学研究院， 杭州 310000)

水损坏是半刚性基层沥青路面常见的破坏形式，尤其在中国南方高温多雨地区表现的更为严重[1-2]，在行车载荷的反复作用下道路极易出现路面结构沉陷或基层松散甚至脱空等病害[3]。相对于传统的开挖修复，注浆加固技术显得更有优势[4]。目前常用的注浆材料主要有化学注浆材料和水泥基材料，其中化学注浆材料具有可注性好、凝结时间可调、以及在水中抗分散性好等优点，近年来越来越多地应用于富水环境的工程处治中[5]，但其也存在反应产物的不稳定性和价格昂贵等缺陷，而且化学注浆材料对环境具有一定的危害，因此限制了其大规模的工程应用[6]。而水泥基注浆材料虽然其结石体对环境友好、成本低、抗渗性好以及耐久性能优异，但凝结时间较长，且富水环境留存率低，在工程应用的过程中时常发生跑浆现象，故无法满足当前工程需求[7]。

水泥-水玻璃双液注浆材料由于凝结时间短且早期强度高，对于富水的松散基体加固及裂隙封堵具有巨大优势[8-9]。万志等[10]研究了在5%膨润土掺量下水泥-水玻璃体积比和粉煤灰掺量对水泥-水玻璃浆液性能的影响，得出水泥-水玻璃体积比为2和25%粉煤灰掺量的注浆材料性能最优；连会青等[11]通过正交试验研究了不同配比水泥-粉煤灰-水玻璃注浆材料结石体抗压强度的变化规律，得出在水胶比为0.8、粉煤灰掺量为20%以及水玻璃添加比为1%的注浆材料抗压强度最高。目前，在掺有膨润土(bentonite，B)的水泥基-水玻璃双液注浆材料体系中，科研工作者多以粉煤灰作为掺合料进行研究，但以矿渣微粉(ground granulated blast-furnace slag，GGBFS)作为矿物掺合料，并研究其掺量对水泥基-水玻璃双液注浆材料性能的影响还不明确，另外，粉煤灰和矿渣微粉在相同掺量时，分别掺有上述两种掺合料的水泥基-水玻璃双液注浆材料的性能对比更是鲜有报道[9-10]。

为此，现选取粉煤灰和矿渣微粉作为矿物掺和料，以内掺的方式取代水泥-水玻璃双液注浆材料中水泥组分，通过考察新拌浆体流动性、硬化后试样抗折/压强度，并结合结石体微观形貌和孔结构分析，以期探究矿物掺和料种类及含量对水泥基-水玻璃双液注浆材料的影响规律。

1 实验

1.1 原材料

注浆材料由水泥基浆液和水玻璃两部分构成。水泥基浆液包含的矿料主要有水泥(OPC)、粉煤灰(FA)、矿渣微粉(GGBFS)以及膨润土(B)，其中水泥为海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰等级为F级，由深圳道特科技有限公司提供；矿渣微粉(GGBFS)为S95级，由马钢嘉华新型建材有限公司提供；膨润土(B)为纳基膨润土，由安吉县益国膨润土厂提供。上述矿料的化学组成如表1所示，每种原材料的微观形貌如图1所示，从图1中可以看到，矿渣微粉与水泥颗粒形状相似，都为形状不规则的固体颗粒，而粉煤灰颗粒形状为圆球状，膨润土为层片状。粒径分布如图2所示，OPC、FA、GGBFS以及B的平均颗粒尺寸(D50)分别为18.7、4.58、12.7、24.1 μm。所使用的水玻璃模数为3.0，波美数为40，由杭州新速化工有限公司提供。减水剂为聚羧酸高效减水剂由上海三瑞高分子材料股份有限公司提供，减水率为30%。

表1 原材料化学组成Table 1 Raw material chemical composition

图1 原材料扫描电镜图Fig.1 The scanning electron microscope images of raw materials

图2 矿料的粒度分布Fig.2 Particle size distribution

1.2 配合比设计

选取粉煤灰和矿渣微粉两种矿物掺合料，分别研究了不同掺量的粉煤灰及矿渣微粉对水泥-水玻璃双液注浆材料性能的影响。两种矿物掺和料都设置了4个不同掺量(10%、20%、30%、40%)共计8个实验组，各实验组的矿物掺和料分别与掺量为5%的膨润土一起以内掺形式等质量取代水泥基浆料中水泥组分，对照组为水泥基浆料中除膨润土以外其他矿物掺和料含量为0%的组别。利用减水剂提高水泥基浆体的流动度，其添加量为矿料总质量的0.5%，水泥基浆体的水胶比为1，该水胶比广泛应用于注浆材料中[12]，水泥基浆液的配合比信息详如表2所示。对于制得的每个实验组水泥基浆液分别与水玻璃按体积比3∶1(VC∶VS=3∶1)混合，组成水泥-水玻璃双组分注浆材料。以粉煤灰掺加量是10%的实验组为例，与水玻璃混合后记为VC∶VS=3∶1-FA10，其中VC∶VS=3∶1代表水泥基浆液与水玻璃按3∶1比例混合，水泥基材料中粉煤灰掺量为10%。

表2 不同类型水泥基浆液配合比Table 2 Mix ratio of different types of cement-based grout

1.3 样品制备及方法

水泥-水玻璃双液注浆材料的制备过程为：第一步制备水泥基浆液，首先按配合比要求将称量好的各种矿料依次放入搅拌机中，并用刮刀将矿料拌和均匀，然后将减水剂和总水量3/4的水混合后加入搅拌机中，边加边用刮刀搅拌以防止浆料局部成坨，待搅拌均匀后加入余下的水，接下来启动搅拌机并以1 500 r/min高速搅拌5 min，得到水泥基浆液。第二步配置水泥-水玻璃双液注浆材料，将水玻璃溶液按体积比1∶3比例快速倒入第一步制备好的水泥基浆液中，并以1 500 r/min高速搅拌10 s防止快速凝固，得到水泥-水玻璃双液注浆材料。

对于制得的水泥基浆液首先进行工作性和有效水胶比W/S有效测试，通过微坍落度和流动时间两项指标对第一步制备的水泥基浆液工作性进行评价，其中微坍落度采用截锥圆模进行测试，截锥圆模尺寸为高度60 mm，底部直径36 mm和顶部直径60 mm；测试浆体流动时间的实验仪器为流动锥，流动锥的流出管孔径为13 mm，长度为38 mm，清洁水注入流动锥流出1 725 mL所需的时间为8.0 s。水泥基浆液有效水胶比测试原理如图3所示。水泥基浆液结石体W/S有效[13]计算公式为

W/S有效=(1-CB)×W/S最初

(1)

式(1)中：CB=Δh/40为水泥基浆体的泌水率；1-CB为水泥基浆体的结石率；W/S最初为水泥基浆体的最初水胶比，其值为1。

图3 有效水胶比测试原理及试件Fig.3 Effective water-binder ratio test principle and specimen

对于水泥基浆体和水泥-水玻璃双液注浆材料的力学性能，将剩余的水泥基浆液和第二部制得的水泥-水玻璃双液注浆材料倒入40 mm×40 mm×160 mm三联模中，并用保鲜膜覆盖表面尽量减少水分散失，室温养护1 d后脱模，然后将试件移入20 ℃标准养护室中直至测试龄期。每个实验组成型12个试件，其中水泥基试件9个，每个龄期测试3个，分别用于3、7、28 d抗折强度和抗压强度测试，水泥-水玻璃双液注浆材料试件3个，用于28 d龄期抗折强度和抗压强度测试。每组各龄期试件进行抗压强度试验后，分别进行取样，然后用酒精浸泡终止反应，用于后续扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)和压汞法(mercury intrusion porosimetry, MIP)分析。

2 结果与讨论

2.1 新拌浆体性能

2.1.1 水泥基单浆微坍落度和流动时间

微坍落度和流动时间都是衡量水泥基浆体和易性的重要参数，微坍落度指标可以表征注浆材料在裂隙中的扩散或扩展能力，而新拌浆体的黏度可以通过流动时间来反映。图4为矿物掺合料种类及含量对水泥基单浆的和易性影响。从图4中可以看出，对于微坍落度参数，掺加矿物掺合料的实验组微坍落度值都小于对照组，且内掺粉煤灰组的微坍落度值表现为，随着粉煤灰掺量的增加浆液微坍落度值逐渐减小，但内掺矿渣微粉组随着掺量的增加浆体微坍落度值变化不大。对于流动时间参数，从图4可以看出，内掺粉煤灰实验组的流动时间先减小后增加，浆体的流动性呈现先增大后减小的趋势，在掺量为10%时，对浆体流动性改善最明显。而内掺矿渣微粉的实验组，随着矿渣微粉含量的增加浆体流动时间呈减小趋势，但变化不明显。

图4 水泥基浆液微坍落度和流动时间Fig.4 Mini-slumps and flow times of cement-based grout

对于内掺粉煤灰情况，粉煤灰为球形玻璃微珠，与水泥相比平均颗粒尺寸更小、比表面积更大，其具有“微填充”和“滚珠轴承”作用[14-15]。少量粉煤灰取代水泥颗粒后，粉煤灰颗粒会部分填充水泥颗粒间隙，使得浆体中颗粒与颗粒间束缚的水分被部分释放，从而产生滚珠润滑作用，因此浆体黏度随粉煤灰的掺量增加而增加；但当浆体中粉煤灰内掺含量大于10%之后，浆体中固体颗粒整体比表面积增大作用会进一步凸显，导致固体颗粒对浆体中水分和减水剂产生较强的吸附作用，超过了粉煤灰的“滚珠轴承”润滑作用，从而增加了浆体的黏度，延长了浆体的流动时间。由于水泥基单浆的流动性较大，对照组浆体存在明显泌水现象，此时微坍落度法受浆体泌水现象干扰严重，使得内掺少量粉煤灰对浆体流动度增加作用无法通过微坍落度值准确显现，而流动锥法则可以清楚地反映出粉煤灰内掺含量变化对浆体流动性的影响规律。而对于内掺矿渣微粉情况，矿渣微粉颗粒表面多棱角且尺寸略小于水泥，部分取代水泥后，矿渣微粉颗粒也存在微填充作用，从而使大颗粒间的内摩擦力减小，缩短了浆体的流动时间，增加了浆体的流动性。内掺矿渣微粉组的浆体存在明显的泌水现象，所以该组浆体微坍落度值表现上下波动，这再次说明，流动锥法比微坍落度法更适用于反映高水胶比浆体的流动性[16]。

2.1.2 水泥基单浆有效水胶比

有效水胶比可评价浆体的稳定性，采用浆体硬化后试件计算有效水胶比，不是浆体2 h后的泌水率，所以浆体有效水胶比为1，代表浆体完全结石。图5为矿物掺合料种类及含量对水泥基单浆有效水胶比的影响。从图5中可以看出，内掺矿物掺合料实验组的有效水胶比都高于对照组，其中内掺粉煤灰对浆体的有效水胶比提升作用更显著，表现为随着粉煤灰掺量的增加浆体有效水胶比逐渐增大，且有效水胶比都在0.9以上；而内掺矿渣微粉组虽然对浆体的有效水胶比有提升作用，但提升作用较小，矿渣微粉组最高有效水胶比为内掺20%时，但其有效水胶比也仅为0.9。上述现象主要是由于，粉煤灰，矿粉颗粒较粉煤灰颗粒密实，需水量低，保水性差，掺量过多易导致浆体泌水。

图5 水泥基浆液有效水胶比Fig.5 Effective W/S有效

2.2 力学性能

2.2.1 抗压强度

图6为矿物掺合料种类及掺量对水泥基单浆试件抗压强度的影响，从图6中看出，在早龄期3 d和7 d时，内掺粉煤灰或矿渣微粉组的抗压强度均低于对照组，且都表现为随着掺量的增加试件抗压强度值逐渐减小，在7 d龄期时，内掺粉煤灰或矿渣微粉组的抗压强度与对照组抗压强度差值进一步增大，但同龄期且同掺量的矿渣微粉组比粉煤灰组抗压强度更高。在后期28 d时，内掺粉煤灰组对浆体抗压强度影响同早龄期一样，也表现为随着掺量增加试件的抗压强度逐渐减小，但与对照组抗压强度的差值会进一步缩小，而内掺矿渣微粉组对浆体抗压强度的影响却截然相反，表现为随着掺量的增加试件抗压强度逐渐增大，且抗压强度值都高于对照组。上述现象主要是由于，与粉煤灰相比矿渣微粉的化学组成中含有更高的CaO组分，因此矿渣微粉早期水化活性远高于粉煤灰但弱于水泥，从而表现为在早龄期矿渣微粉组试件的抗压强度值高于粉煤灰组和低于对照组。随着粉煤灰或矿渣微粉内掺含量的增加，导致水泥基材料中CaO含量降低，所以两组试件抗压强度表现为下降的趋势。随着反应的进行矿料中SiO2和Al2O3组分会被逐渐溶解并参与水化反应，生成水化硅酸钙和钙矾石等水化产物，而矿渣微粉则可以提供更多的SiO2和Al2O3组分消耗水泥基材料中剩余的氢氧化钙，从而在反应后期28 d，内掺矿渣微粉组试件的抗压强度迅速增长，且随着掺量增加试件的抗压强度逐渐增大。而内掺粉煤灰组试件在28 d反应后期与对照组抗压强度的差值会进一步缩小，主要是由于粉煤灰颗粒的微填充效应使得水泥基材料结构更加致密所致。

图7为水泥基悬浮液与水玻璃体积比为3∶1时不同矿物掺合料种类及含量的水泥-水玻璃双浆材料28 d抗压强度，粉煤灰和矿渣微粉内掺含量各设置了10%、20%、30%和40% 4个掺量。从图7看出，不同粉煤灰掺量的水泥-水玻璃双浆材料之间，28 d抗压强度值相差不大。但以矿渣微粉为矿物掺合料的水泥-水玻璃双浆材料，各组28 d抗压强度值差异较大，随着矿渣微粉掺量的增加，水泥-水玻璃双浆材料的28 d抗压强度表现为先增大后减小的趋势。水泥基悬浮液与水玻璃溶液混合后，水玻璃中游离态的SiO2会与水泥基材料中释放的CaO以及硅氧四面体和铝氧四面体迅速发生缩聚反应，最终形成C-S-H等水化产物[17-18]。采用的矿物掺合料粉煤灰为低钙型，其中含有更高的SiO2和Al2O3组分，但由于其水化活性较低，不能快速解聚出更多的硅氧四面体和铝氧四面体参与反应。而出现粉煤灰掺量对水泥-水玻璃双浆材料28 d抗压强度影响不大的现象，可说明水泥悬浮液与水玻璃以体积比3∶1混合时，在粉煤灰内掺含量为40%的情况下水泥基悬浮液中依然有足够的有效组分使水玻璃反应完全。而矿渣微粉掺量不同的水泥-水玻璃双浆材料，28 d抗压强度先增大后减小主要是由于，矿渣微粉可以解聚出更多的硅氧四面体和铝氧四面体单体参与反应，进而提升试件的抗压强度，但当内掺含量超过20%时，由于大量的矿渣微粉被激发加快了反应速率，从而导致试件自收缩增大在内部产生微裂纹，进而使试件的抗压强度降低。对于水泥-水玻璃双浆材料，同龄期且同掺量的矿渣微粉组比粉煤灰组抗压强度更高，主要是由于矿渣微粉组悬浮液稳定性较差所致。

图6 水泥基浆液结石体抗压强度Fig.6 Compressive strength of cement-based grout stone body

VC∶VS为水泥基悬浮液与水玻璃体积比图7 水泥基-水玻璃双浆材料28 d抗压强度Fig.7 28 d compressive strength of cement-based-water glass double slurry material

2.2.2 抗折强度

图8为矿物掺合料种类及掺量对水泥基单浆试件抗折强度的影响，从图8中看出，内掺粉煤灰或矿渣微粉对水泥基材料抗折强度的影响与对抗压强度影响规律相同。但内掺矿渣微粉组试件在后期28 d时，GGBFS30和GGBFS40组试件抗折强度出现了倒缩现象，这主要是由于矿渣微粉提升抗压强度的同时也使水泥基材料的自收缩增大，当矿渣微粉掺量过大时，试件会由于自收缩过大在表面及内部产生微裂纹，进而导致试件的抗折强度出现倒缩现象。

图9为水泥基悬浮液与水玻璃体积比为3∶1时不同矿物掺合料种类及含量的水泥-水玻璃双浆材料28 d抗折强度，从图9中可以看出，不同粉煤灰或矿渣微粉对水泥-水玻璃双浆材料28 d抗折强度的影响与对抗压强度的影响规律相同，且水泥-水玻璃双浆材料试件的28 d抗折强度明显小于同龄期的水泥基单浆试件，其中矿渣微粉组的水泥-水玻璃双浆材料试件抗折强度降低程度更为明显。出现上述现象主要是由于水泥-水玻璃双浆材料水化反应过快所致，反应进行过快会在试件表面产生微裂纹并随反应的进行向内部延伸，最终导致试件抗折强度降低。

图8 水泥基浆液结石体抗折强度Fig.8 Flexural strength of cement-based grout stone body

图9 水泥基-水玻璃双浆材料28 d抗折强度Fig.9 28d flexural strength of cement-based-water glass double slurry material

2.3 微观结构分析

选用矿物掺合料掺量为20%时的水泥基单浆试件和水泥-水玻璃双浆试件进行微观结构分析，图10为FA20和GGBFS20试件在28 d龄期时的微观形貌。从FA20试件的微观形貌中可看出，结构中存在较多的絮状C-S-H凝胶和少量针状钙矾石(AFt)晶体，结构中还可发现未水化的粉煤灰颗粒和微孔结构。而在GGBFS20试件微观形貌中，也可发现絮状C-S-H凝胶和钙矾石晶体，以及微孔孔结构，但没发现未水化的矿渣微粉颗粒，除此之外GGBFS20结构中还存在氢氧化钙(CH)晶体，CH的薄弱连接可能是微裂纹的来源，而且与 FA20试件相比GGBFS20试件的微观结构更为致密。上述现象很好地解释了内掺矿渣微粉组的试件28 d强度更高的原因。

图10 水泥基浆液结石体28 d龄期微观形貌Fig.10 Micromorphology of cement-based grout stone at 28 d age

图11为FA20(VC∶VS=3∶1)和GGBFS20(VC∶VS=3∶1)试件在28 d龄期时的微观形貌。从图11可看出，两组试件都具有致密的微观结构，FA20(VC∶VS=3∶1)试件中粉煤灰颗粒与C-S-H界面粘结效果较好，而对于GGBFS20(VC∶VS=3∶1)试件，可看出结构中矿渣微粉颗粒被部分溶解并参与反应生成水化产物，但GGBFS20(VC∶VS=3∶1)试件存在更多的微裂纹，这也是其抗折强度过低的主要原因。

图11 水泥基-水玻璃双浆材料28 d龄期微观形貌Fig.11 Microstructure of cement-based-water glass double paste at 28 d age

2.4 孔结构分析

图12是水泥基单浆试件和水泥基-水玻璃双浆试件中矿物掺合料掺量为20%时的累计孔体积。从图12可知，GGBFS20和FA20试件的孔径主要分布在10～100 nm，而FA20(VC∶VS=3∶1)和GGBFS20(VC∶VS=3∶1)试件的孔径分布主要集中在10 nm左右。上述现象表明水泥基-水玻璃双浆材料比水泥基材料孔结构更小，但小孔的孔隙率相对较高。从图12中还可发现，无论是水泥基材料还是水泥基悬浮液-水玻璃双浆材料，都表现为矿渣微粉组试件的累计孔体积比粉煤灰组低，这说明矿渣微粉相对于粉煤灰对孔结构的改善作用更为显著。

图12 水泥基-水玻璃双浆材料28 d龄期试件孔径分布Fig.12 The pore size distribution of cement-based-water glass double slurry specimens at 28 d age

3 结论

(1)粉煤灰对水泥基浆液的流动性具有明显影响，表现为随粉煤灰掺量的增加水泥基浆液流动性先增大后减小，最佳掺量为10%，而且粉煤灰可有效增加水泥基浆液的有效水胶比；矿渣微粉对水泥基浆液的流动性和有效水胶比影响不大。

(2)矿渣微粉可有效提升水泥基浆液结石体后期抗压强度，但其掺量不应超过20%，否则会对水泥基-水玻璃双浆材料力学性能产生不利影响，而且以矿渣微粉为矿物掺合料的水泥基-水玻璃双浆材料，需保证其水泥基悬浮液具有良好的稳定性；粉煤灰掺量低于10%时，不会导致水泥基浆液结石体力学性能降低，而可以获得力学性能更高水泥基-水玻璃双浆材料。

(3)水泥基-水玻璃双浆材料具有比水泥基单浆结石体更为致密的微观结构，而且矿渣微粉相对于粉煤灰对水泥基-水玻璃双浆材料孔结构的改善效果更好。