道路基层地聚物砂浆结石体的强度

狄升贯，余功新，王朝辉，张 磊

(1.天津市市政工程设计研究院，天津 300051； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

近年来，地聚物材料作为一种新型胶凝材料被用于道路工程等领域，它具有早强快硬、耐高温、耐腐蚀、耐久性好等诸多优点[1-3]。在进行地聚物材料制备时，主要原材料包括偏高岭土、烧黏土及多种富含硅铝源的工业废弃物。相比于水泥生产，地聚物材料生产原材料来源广泛，成本低廉，碳排放量低，符合当前交通行业所倡导的绿色可持续发展理念[4-6]。目前已有研究人员对地聚物注浆材料的制备及性能进行了相关研究：刘江等[7]对硅钙渣基地聚物材料不同龄期反应产物及微观形貌特征进行了研究；张磊等[8]系统梳理了目前常用道路注浆材料的类型及配比，进一步推荐了水泥基及地聚物注浆材料配比；张鹏等[9]分析了养护温度对赤泥-矿渣基地聚物材料力学性能的影响；孟宪建[10]制备了碳纤维增强高钙粉煤灰基地质聚合物复合材料，探讨了碳纤维掺量对地聚物复合材料和易性、抗压强度、导电性能及微观形貌的影响；Fiala L等[11]分析了高温作用下富钙的硅铝源物质在碱性溶液作用下的生成产物变化规律。综上可知，目前关于地聚物注浆材料的研究多集中在材料自身性能及其影响因素，而关于地聚物材料注浆后所形成的结石体性能以及影响因素方面的研究相对较少，关于地聚物材料结石体强度预测方面的研究更是鲜有报道[12]。

基于此，本文制备高炉矿渣基地聚物砂浆，并以松散水泥稳定碎石基层作为浆液受注体进行道路基层注浆模拟，分析不同注浆扩散半径下地聚物砂浆结石体强度变化规律，同时研究不同配比下地聚物砂浆及其注浆结石体的力学性能发展规律，进一步建立注浆结石体与砂浆强度的拟合关系，以期为地聚物砂浆在道路基层加固补强工程中的应用提供有益借鉴。

1 试验材料

1.1 地聚物砂浆

地聚物砂浆制备主要原材料包括高炉矿渣(SL)、水玻璃(SS)、氢氧化钠(SH)、水(W)、砂(S)，同时采用减水剂(SM)对砂浆流动性进行适当调整。高炉矿渣为高钙型硅铝源物质，主要成分包括氧化钙CaO(41.14%)、氧化硅SiO2(35.07%)、氧化铝Al2O3(14.37%)，其活性成分高达98%；水玻璃溶液模数为3.3，浓度为39%，为无色透明液体；氢氧化钠为白色片状固体，纯度为99%；砂采用洗净后晒干的河砂，级配如表1所示；减水剂为磺化三聚氰胺；试验用水为饮用水。

表1 砂的级配组成

1.2 受注体材料

采用松散的水泥稳定碎石基层作为受注体，并确定集料级配，在不同脱空面积的注浆加固模拟装置中，按照计算量分别装入不同质量的松散水泥稳定碎石。为模拟严重脱空，去除2.36 mm以下细集料，只保留粒径较大的集料。具体级配如表2所示。

表2 受注体水泥稳定碎石级配各档通过率

2 不同扩散半径下注浆结石体的强度

为研究不同扩散半径下地聚物砂浆结石体强度的变化规律，在前期试验基础上确定注浆用地聚物砂浆配比，具体配比及性能如表3所示。试验中所用的主要装置为模型箱，模型箱由6块钢板通过螺栓联接而成，钢板可拆卸分离。模型箱尺寸为60 cm×60 cm×15 cm，在模型箱内设置隔板(忽略隔板厚度)将内部空间分隔为一个40 cm×40 cm×15 cm空间和5个20 cm×20 cm×15 cm空间，如图1所示。在模型箱上选择不同的注浆孔位以模拟不同扩散半径，如图2所示。

表3 地聚物砂浆配比及性能

试验前按照设定配比制备地聚物砂浆材料，选择模型箱顶板上不同注浆孔进行注浆，以确保浆液能达到不同的扩散范围。注浆结束后将装有注浆结石体的模型箱用湿土工布进行覆盖，在室温20 ℃±1 ℃、湿度大于90%的环境中养生7 d，之后在模型箱内距离注浆孔不同距离处钻取芯样，进一步测试芯样的抗压强度，结果如图3所示。

由图3可知，随着注入脱空部位的地聚物浆液的扩散半径不断增大，浆液在脱空部位流动时所需要的注浆压力也在逐渐增加，当注浆浆液的扩散范围由10 cm增大到60 cm时，地聚物砂浆的注浆压力由0.1 MPa增大到0.3 MPa。当浆液扩散半径为50 cm时，砂浆注浆压力已达到0.3 MPa，表明基层受注材料相同时，采用地聚物砂浆时需要适当增加注浆压力。随着浆液扩散半径的扩大，地聚物砂浆注浆结石体芯样的抗压强度整体呈现出下降趋势，且下降趋势逐渐增大。当浆液扩散半径由10 cm增大到60 cm时，地聚物砂浆注浆芯样的7 d抗压强度由13.42 MPa降低至8.16 MPa。

图1 隔板分隔箱体尺寸

图2 注浆孔与模型箱分隔

图3 地聚物砂浆在不同扩散半径下注浆芯样的抗压强度

3 砂浆及其结石体强度的相关性

3.1 注浆结石体抗压强度测试

为进一步明确地聚物砂浆注浆后结石体与砂浆无侧限抗压强度的相关关系，制备多个配比的地聚物砂浆浆液，并基于流动性能筛选出工作性能良好的地聚物砂浆，如表4所示。试验前在尺寸为20 cm×20 cm×15 cm的柱状试模中填铺好设定级配的碎石，随后采用注浆机将筛选出的砂浆注入，成型不同配比的地聚物砂浆试件和砂浆结石体试件，并将制备好的试件养生至测试龄期后采用压力机进行7 d无侧限抗压强度测试，测试结果如表5所示。

表4 筛选出的地聚物砂浆配比

表5 地聚物砂浆及注浆结石体7 d无侧限抗压强度

由表5可知以下几点。

(1)采用地聚物砂浆对松散水泥稳定碎石进行注浆加固补强，所形成的混合料结石体的7 d无侧限抗压强度相对砂浆有明显下降，注浆后结石体强度约是地聚物砂浆注浆材料的27.1%～36.4%。主要原因是：干燥的松散碎石在注浆过程中吸收部分注浆浆液中的水分，同时由于注浆采取自密实方式，注浆结石体中存在一定空隙，故注浆结石体的强度有所下降。

(2)当地聚物砂浆抗压强度增加时，地聚物砂浆注浆后形成的混合料结石体的强度也随之增大。地聚物砂浆7 d无侧限抗压强度由21.4 MPa增长至33.6 MPa时，地聚物砂浆注浆后结石体的强度由5.8 MPa提高至11.6 MPa。

3.2 相关性分析

基于试验结果进一步对地聚物砂浆及注浆混合料结石体的7 d无侧限抗压强度进行相关性回归分析，研究两者之间的相关关系。相关性分析前采用箱线图观测地聚物砂浆及其注浆结石体的7 d无侧限抗压强度的整体分布情况，并对存在的异常数据进行识别剔除，如图4所示。

图4 7 d无侧限抗压强度箱线图

由图4可知，地聚物砂浆及其结石体的7 d无侧限抗压强度均未出现异常值，故保留所有数据进行下一步分析。进一步借助SPSS软件中线性及对数等多种回归模型对地聚物砂浆及其注浆结石体的7 d无侧限抗压强度进行回归分析，拟合曲线如图5所示，各拟合模型主要参数如表6所示。

图5 地聚物砂浆强度与注浆后结石体强度拟合曲线

由表6可知以下几点。

(1)6种回归模型中二次曲线与三次曲线的R2值均为最大值，但三次曲线无法拟合成功，故选择二次项多项式进行地聚物砂浆及其混合料结石体的7 d无侧限抗压强度的关系拟合。

(2)根据拟合结果，地聚物砂浆材料与注浆后形成混合料结石体7 d无侧限抗压强度的拟合关系可用多项式y=-17.517+1.479x-0.018x2表示，R2=0.928表明地聚物砂浆加固结石体的7 d无侧限抗压强度与地聚物砂浆7 d无侧限抗压强度相关性较强。基于该关系式可对不同配比的地聚物砂浆注浆形成结石体的强度进行近似估算，能够实现注浆加固道路基层前对注浆效果的预估。

表6 地聚物砂浆与注浆后结石体强度回归分析模型

4 结 语

本文制备了高炉矿渣基地聚物砂浆，并以严重脱空水泥稳定碎石作为受注体进行注浆模拟，研究了地聚物砂浆在不同注浆扩散半径下形成结石体的强度变化规律，进一步分析砂浆与注浆结石体7 d无侧限抗压强度的相关关系，主要结论如下。

(1)地聚物砂浆注浆结石体芯样的抗压强度随砂浆扩散半径的增大而下降，当浆液扩散半径由10 cm增大到60 cm时，注浆芯样的7 d抗压强度由13.42 MPa降低至8.16 MPa。

(2)地聚物砂浆注浆后形成的混合料结石体7 d无侧限抗压强度相对于砂浆有所下降，结石体7 d无侧限抗压强度约是砂浆注浆材料的27.1%～36.4%，但当地聚物砂浆抗压强度增加时，砂浆注浆后形成的混合料结石体的强度也随之增大，注浆结石体强度完全满足高速公路基层强度要求。

(3)地聚物砂浆加固结石体与地聚物砂浆的7 d无侧限抗压强度相关性较强，能够进行二次曲线拟合，可基于此在注浆加固道路基层前对注浆效果进行预估。