技术领域
[0001] 本
发明涉及公路灌浆材料领域，具体涉及一种无
水泥地聚物灌浆材料及其制备方法。
背景技术
[0002] 我国各地在
冶炼钢铁产生大量的
高炉矿渣粉，火
力发电厂会生产大量
粉煤灰，高炉矿渣粉和粉煤灰属工业固体废弃物，目前针对工业固体废弃物主要是采用堆积掩埋方式处理，大量堆放不仅需要侵占土地同时对周边地区产生粉尘污染。
[0003] 随着高速公路交通量不断增加，在一些地质较差的地方路基局部强度不足、路基沉陷或
基层动水冲刷，从而造成路面不同程度沉陷或板底脱空，对道路上车辆行驶安全构成严重危害。其中，静压渗透注浆是处治公路路基沉陷的主要处治技术手段。目前的注浆材料主要采用水泥基注浆材料，但是每生产1吨水泥就要释放1吨的CO2，而且伴随着排放大量的NOx、SOx和粉尘，生产水泥耗能大，对生态环境造成巨大破坏。另外，在静压渗透注浆中，水泥颗粒偏大，粒径为100-200μm左右，不利于渗透至砂砾石的细小孔隙；且在水灰比0.8-1.5之间才能具有足够的流动性能进行注浆工作，水灰比越高，流动性越好越利于注浆，但
浆液的析水率越高，结石率越低，容易造成析出水分进入路基局部水损害。以水灰比1.2的水泥注浆材料为例，2h析水率高达20％，结石率仅为76％。采用水泥作为注浆材料生产能耗大、价格较高、且工作性能欠佳。因此，急需采用一种新的材料作为注浆材料。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种无水泥地聚物灌浆材料及其制备方法，以克服
现有技术的不足。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种无水泥地聚物灌浆材料，按
质量分数计，包括高炉矿渣粉100-140份，粉煤灰60-100份，
硅灰20-40份，水60-90份，砂砾200-400份，水玻璃溶液54-80份，NaOH固体4-8份，消泡剂0-1份，膨胀剂3-5份，
缓凝剂0-1份，可再分散性乳胶粉0-1份。
[0007] 进一步的，所述高炉矿渣粉采用S95级以上的高炉矿渣粉。
[0008] 进一步的，高炉矿渣粉
比表面积≥400㎡/kg，高炉矿渣粉中玻璃体质量分数≥85％。
[0009] 进一步的，所述粉煤灰采用F类粉煤灰。
[0010] 进一步的，粉煤灰细度45微米方孔筛余≤30％，粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3总质量分数≥70％。
[0011] 进一步的，硅灰粒度为11-20μm，硅灰中SiO2含量大于98％。
[0012] 进一步的，所述水玻璃溶液水玻璃模数为3.3，水玻璃溶液中SiO2含量≥26％，水玻璃溶液中Na2O含量大于8.2％。
[0013] 进一步的，所述NaOH固体纯度大于99％；所述砂砾采用河砂；所述
减水剂采用聚
羧酸高效减水剂；所述膨胀剂采用
石膏粉；所述缓凝剂采用
酒石酸；所述可再分散性乳胶粉采用
丙烯酸均聚物。
[0014] 一种无水泥地聚物灌浆材料的制备方法，包括下述具体步骤：
[0015] 步骤1)，按质量分数计，称取高炉矿渣粉100-140份，粉煤灰60-100份，硅灰20-40份，水60-90份，砂砾200-400份，水玻璃溶液54-80份，NaOH固体4-8份，消泡剂0-1份，膨胀剂3-5份，缓凝剂0-1份，可再分散性乳胶粉0-1份；
[0016] 步骤2)，将称取好的水玻璃溶液和NaOH固体混合搅拌至NaOH固体完全溶解，得到B溶液；
[0017] 步骤3)，将称好的高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰、砂砾、消泡剂、可再分散性乳胶粉、膨胀剂和缓凝剂混合均匀得到A混合物，具体的：
[0018] 步骤4)、将B溶液和A混合物混合均匀即可得到灌浆材料。
[0019] 进一步的，步骤3)中，将称好的高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰、砂砾、消泡剂、可再分散性乳胶粉、膨胀剂和缓凝剂依次放入
搅拌机进行干拌3-5min，然后放入水以50-100r/min搅拌至少5min，然后以200-300r/min搅拌至少5min，得到A混合物。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0021] 一种无水泥地聚物灌浆材料及其制备方法，采用高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰和砂砾作为混合
主体材料，以砂砾作为
支撑材料提高材料整体强度，然后加入高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰，渗透至砂石的细小孔隙能够渗透至砂石的细小孔隙，以SiO2为主的硅灰能够优化孔结构，降低体系孔隙率；通过水玻璃溶液和NaOH固体制备得到的溶液，利用水玻璃溶液和NaOH将粉煤灰和矿渣粉中的活性硅、
铝、
钙物质溶解之后重聚，形成C-S-H
水化硅酸钙、C-S-A-H水化硅铝酸钙水化产物，利用水玻璃溶液和NaOH组成的溶液使粉煤灰和矿渣粉中的
氧化铝先反应，能够防止粉煤灰过多导致
凝结过快，确保后去
氧化钙反映
增强材料的增长，从而有效提高高炉矿渣粉和粉煤灰的使用率，同时提高了注浆材料的工作性能.通过加入膨胀剂，使高炉矿渣粉和粉煤灰反应产生钙矾石，减少微裂缝和体积干缩；本发明使用矿渣粉和粉煤灰
工业废弃物代替水泥制备注浆材料，既克服在注浆过程中大量使用水泥造成注浆成本高、的
缺陷，同时有效利用了矿渣粉、粉煤灰的工业废弃物，实现工业废渣变废为宝的目的。本发明制备得到的灌浆材料流动性好、析水率低、结石率高。通过加入缓凝剂，延长凝结时间，增加注浆工作可注时间。
[0022] 进一步的，所述高炉矿渣粉采用S95级以上的高炉矿渣粉，粉煤灰采用F类粉煤灰，能够使高炉矿渣粉和粉煤灰充分渗透至砂石的细小孔隙内，确保反应充分，提高材料性能。
具体实施方式
[0023] 一种无水泥地聚物灌浆材料，按质量分数计，包括高炉矿渣粉100-140份，粉煤灰60-100份，硅灰20-40份，水60-90份，砂砾200-400份，水玻璃溶液54-80份，NaOH固体4-8份，消泡剂0-1份，膨胀剂3-5份，缓凝剂0-1份，可再分散性乳胶粉0-1份。
[0024] 所述高炉矿渣粉采用S95级以上的高炉矿渣粉，高炉矿渣粉比表面积≥400㎡/kg，高炉矿渣粉中玻璃体质量分数≥85％；高炉矿渣粉粒径为30-50μm；
[0025] 所述粉煤灰采用F类粉煤灰，粉煤灰粒径为30-50μm；粉煤灰细度45微米方孔筛余≤30％，粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3总质量分数≥70％；
[0026] 所述硅灰，硅灰粒度为11-20μm，硅灰中SiO2含量大于98％；
[0027] 所述水玻璃溶液水玻璃模数为3.3，水玻璃溶液中SiO2含量≥26％，水玻璃溶液中Na2O含量大于8.2％；SiO2含量指SiO2在水玻璃溶液中的质量百分比，Na2O含量指Na2O在水玻璃溶液中的质量百分比。
[0028] 所述NaOH固体采用片状氢氧化钠固体，NaOH固体纯度大于99％；
[0029] 所述砂砾采用河砂。
[0031] 所述膨胀剂采用石膏粉；
[0032] 所述缓凝剂采用酒石酸；
[0033] 所述可再分散性乳胶粉采用二乙烯基二醇交联的丙烯酸均聚物。可再分散性乳胶粉使砂和高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰分散均匀，提高流动性能，提高施工性能，增加保水性。
[0034] 本发明所述一种无水泥地聚物灌浆材料的制备方法，包括下述具体步骤：
[0035] 步骤1)，按质量分数计，称取高炉矿渣粉100-140份，粉煤灰60-100份，硅灰20-40份，水60-90份，砂砾200-400份，水玻璃溶液54-80份，NaOH固体4-8份，消泡剂0-1份，膨胀剂3-5份，缓凝剂0-1份，可再分散性乳胶粉0-1份；
[0036] 制备B溶液：将称取好的水玻璃溶液和NaOH固体混合搅拌至NaOH固体完全溶解，得到B溶液，具体的，将NaOH固体倒入水玻璃溶液缓慢搅拌直至完全溶解，由于NaOH固体溶于水玻璃溶液会释放热量，搅拌时需缓慢搅拌；
[0037] 步骤2)，制备A混合物：将称好的高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰、砂砾、消泡剂、可再分散性乳胶粉、膨胀剂和缓凝剂混合均匀得到A混合物，具体的：将称好的高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰、砂砾、消泡剂、可再分散性乳胶粉、膨胀剂和缓凝剂依次放入搅拌机进行干拌3-5min，然后放入水以50-100r/min搅拌至少5min，然后以200-300r/min搅拌至少5min，得到A混合物；
[0038] 步骤3)，将B溶液和A混合物混合均匀即可得到灌浆材料。具体的，将制备的B溶液倒入A混合物中以200-300r/min快拌2-3min，得到灌浆材料。
[0039] 利用灌浆压力
泵和灌浆管将得到的灌浆材料注入
指定脱空区域用于灌浆填充作用；本发明制备的灌浆材料适用于公路水泥路面板底脱空。
[0040] 本发明所用高炉矿渣粉和粉煤灰的粒径在30-50μm之间，硅灰粒径大约15μm，远小于水泥粒径100-150μm，在相同水灰比情况下本发明所述灌浆材料颗粒更小，流动性更好，不
离析，不
泌水，无干缩，结石体更加密实；
[0041] 本发明制备的灌浆材料相比于水泥灌浆材料，泌水率更低，具有速凝效果，能减少浆液未凝结阶段水分对水泥路面基层的侵扰，有效降低灌浆后出现板底冲刷、唧浆的病害。本发明制备的灌浆材料以高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰作为主要原料，实现了对工业废渣的有效利用，相比水泥材料造价更低，且材料来源广泛，具有良好的经济、环保和社会效益。
[0043] 步骤1)、按质量分数计称取原材料：
[0044] 高炉矿渣粉100份，粉煤灰60份，硅灰20份，水70份，砂砾200份，水玻璃溶液48份，NaOH固体5份，消泡剂1份，膨胀剂3份，缓凝剂1份，可再分散性乳胶粉1份；
[0045] 步骤2)、将称取好的NaOH固体混合在水玻璃溶液，搅拌至NaOH固体完全溶解，得到B溶液；
[0046] 步骤3)、将称好的高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰放入搅拌机进行干拌混合均匀，使高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰充分混合，增加高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰之间的表
接触面积，然后依次放入消泡剂、膨胀剂、缓凝剂、可再分散性乳胶粉和水，先以100r/min搅拌5min，然后以300r/min搅拌5min，得到A混合物；
[0047] 步骤4)、将制备的A混合物倒入B溶液中以300r/min搅拌2min，即可得到灌浆材料。
[0048] 利用灌浆压力泵和灌浆管将灌浆材料注入指定脱空区域用于灌浆填充作用。然后对灌浆材料的各项性能进行测试，测试得到注浆材料性能：泌水率为0％，凝结时间为15min，流动度为310mm，3d抗压强度为37.20Mpa。
[0049] 实施例2
[0050] 步骤1)、按质量分数计称取原材料：
[0051] 140份高炉矿渣粉，90份粉煤灰，硅灰30份，90份水，350份砂砾，80份水玻璃溶液，6份NaOH固体，消泡剂1份，膨胀剂5份，缓凝剂1份，可再分散性乳胶粉1份；
[0052] 步骤2)、将称取好的NaOH固体混合在水玻璃溶液，搅拌至NaOH固体完全溶解，得到B溶液；
[0053] 步骤3)、将称好的高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰放入搅拌机进行干拌混合均匀，使高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰充分混合，增加高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰之间的表接触面积，然后依次放入消泡剂、膨胀剂、缓凝剂、可再分散性乳胶粉和水，先以50r/min搅拌8min，然后以200r/min搅拌7min，得到A混合物；
[0054] 步骤4)、将制备的A混合物倒入B溶液中以200r/min搅拌3min，即可得到灌浆材料。
[0055] 利用灌浆压力泵和灌浆管将灌浆材料注入指定脱空区域用于灌浆填充作用。然后对灌浆材料的各项性能进行测试，测试得到注浆材料性能：泌水率为0％，凝结时间为24min，流动度为335mm，3d抗压强度为34.89Mpa。
[0056] 实施例3
[0057] 步骤1)、按质量分数计称取原材料：
[0058] 120份高炉矿渣粉，90份粉煤灰，硅灰30份，80份水，300份砂砾，66份水玻璃溶液，5份NaOH固体，消泡剂1份，膨胀剂4份，缓凝剂1份，可再分散性乳胶粉1份；
[0059] 步骤2)、将称取好的NaOH固体混合在水玻璃溶液，搅拌至NaOH固体完全溶解，得到B溶液；
[0060] 步骤3)、将称好的高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰放入搅拌机进行干拌混合均匀，使高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰充分混合，增加高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰之间的表接触面积，然后依次放入消泡剂、膨胀剂、缓凝剂、可再分散性乳胶粉和水，先以80r/min搅拌6min，然后以260r/min搅拌6min，得到A混合物；
[0061] 步骤4)、将制备的A混合物倒入B溶液中以260r/min搅拌2min，即可得到灌浆材料。
[0062] 利用灌浆压力泵和灌浆管将灌浆材料注入指定脱空区域用于灌浆填充作用，然后对灌浆材料的各项性能进行测试，测试得到注浆材料性能：泌水率为0％，凝结时间为21min，流动度为325mm，3d抗压强度为35.25Mpa。
[0063] 按照上述方法，以表1中原料配比关系，制备多组不同配比下的注浆填充材料，具体配比如表1所示；
[0064] 表1不同配比得到的注浆填充材料性能
[0065]
[0066] 本发明制备的灌浆加固材料，相比于水泥灌浆材料，具有速凝、泌水率小、造价低、保水能力好等优势，力学强度优异，工艺简单，流动性好。在实际使用时，可根据路基病害的具体
位置、具体状况和灌浆条件进行综合分析，通过合理调整各原料的配比，满足实际的使用需求。
