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高性能水玻璃悬浊型双液灌浆材料研究与应用

王红喜  
【摘要】: 由悬浊型浆液(A液)与水玻璃(B液)混合而成的水玻璃悬浊型双液灌浆材料具有凝胶时间短、浆液不易流失等特点,可以起到及时填充、加固、防水堵漏等目的,被广泛应用于隧道壁后注浆、帷幕灌浆、软地基加固等工程。针对普通水泥-水玻璃悬浊型双液灌浆材料存在凝胶时间不稳定、产物稳定性和抗地下水侵蚀性能差等主要问题,本文对其组成与性能进行了系统研究,提出高性能水玻璃悬浊型双液灌浆材料的设计思路和方法,探明其结构形成机理,为高性能水玻璃悬浊型双液灌浆材料的设计、制备提供了重要的理论依据。 结合普通水泥-水玻璃快速胶凝和碱激发硅铝质胶凝材料的特点,本文建立了高性能水玻璃悬浊型双液灌浆材料的理想结构模型,并通过水泥复合偏高岭土-水玻璃灌浆材料的Na~+固化性能和抗水溶蚀性能进行了试验验证,提出其组成结构应是以(Na,Ca)-Si-Al-H类沸石凝胶物质(后期生成)为主、C-S-H(早期生成)为辅的复合共存密实结构,其组成要素为水玻璃、能自发稳定地或在水玻璃作用下迅速释放出Ca~(2+)的物质、活性硅铝质材料。根据钢渣含C_3S、C_2S、f-CaO和Ca(OH)_2等组成的特点,提出以钢渣复合粉煤灰、矿渣或偏高岭土等硅铝质材料取代水泥形成低水灰比A液,开发出一种新型的高性能水玻璃悬浊型双液灌浆材料,该材料具有良好的工作性能、高固结性能、高耐久性能、节能和环保、高性价比等特点。 系统研究了聚合物PAM和减水剂掺量、水玻璃模数和掺量、粉料种类、A液水灰比对灌浆材料的工作性能和胶凝性能的影响规律,确定了配制高性能水玻璃悬浊型双液灌浆材料的主要技术参数,提出其配合比设计方法。采用Na~+固化率、SiO_2溶出量、TDS、EC、结石体强度变化和质量损失率、体积稳定性、抗渗性等方法系统评价灌浆材料的耐久性能,对比研究了纯水泥(CO)、钢渣(C1)、钢渣+粉煤灰+矿渣(C2)、钢渣+粉煤灰+偏高岭土(C3)四个系列双液灌浆材料的耐久性能,研究表明,其性能优劣顺序依次为:C3>C2>C1>CO。通过XRD、SEM、IR、MIP和综合热分析技术分析了高性能水玻璃悬浊型双液灌浆材料的水化硬化机理及结构形成过程,从本质上阐明了其高耐久机理。 论文在系统研究了高性能水玻璃悬浊型双液灌浆材料的组成、结构与性能之间关系的基础上,结合武汉长江隧道工程快速加固工程,进行了高性能水玻璃悬浊型双液灌浆材料的制备、灌注工艺及参数等工程应用技术研究,并成功进行了工程应用。灌浆效果表明,该材料可以完全取代水泥-水玻璃双液灌浆材料进行工程灌注,具有显著的社会、经济效益。运用生命周期评价体系(LCA)评价了其对环境的影响,结果表明该材料材料是一种利废、节能、低污染的高绿色度材料。


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