CN103819113A - 一种用于制备矿渣早强注浆材料的复合激发剂、注浆材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备矿渣早强注浆材料的复合激发剂、注浆材料及其制备方法。复合激发剂配方的各组分重量比为NaOH:KOH:Ca(OH)₂:Na₂SiO₃·9H₂O:Na₂CO₃=2-3:1.0-1.5:0.5-1.5:1.0:2。本发明克服了普通硅酸盐水泥注浆浆液析水率大、稳定性差、凝结时间较长，且不易灌入微小裂隙、生产污染环境、消耗大量能源和资源、成本高等的缺陷；提供一种能克服以上缺陷的绿色环保、性能优良、成本低廉的新型矿渣微粉复合激发剂及其配套制备的注浆材料，及具体的制备方法。

Description

一种用于制备矿渣早强注浆材料的复合激发剂、注浆材料及其制备方法

技术领域

本发明属于早强注浆材料技术领域，涉及一种用于制备矿渣早强注浆材料的复合激发剂、注浆材料及其制备方法。

背景技术

我国使用的大多数注浆材料都是普通硅酸盐水泥，也有小部分工程利用矿渣水泥作为注浆材料。水泥注浆浆液具有结石强度高、价格便宜、无毒性、应用广泛等优点，但它也存在很多的缺陷，如水泥注浆浆液析水率大、稳定性差、凝结时间较长，且由于水泥颗粒较粗，不易灌入微小裂隙中，这些都限制了普通硅酸盐水泥的利用。而且水泥存在的最大的一个问题就是生产水泥会污染环境、消耗大量能源和资源。

矿渣微粉是一种绿色材料，它的矿物组成、化学成分和比表面积都与水泥类似。矿渣微粉目前的主要用途是在水泥中掺和以及在商品混凝土中添加，主要作用是可以提高水泥、混凝土的早强和改善混凝土的某些特性（如易和性、提高早强、减少水化热等）。目前来说没有以矿渣微粉为主要原料的注浆材料报道公开。矿渣微粉作为注浆材料的优点：

（1）降低结石体收缩率；

（2）使浆液的析水率降低，且有助于提高浆液的稳定性；

（3）使试块的抗压强度得到提高和试块的抗侵蚀能力增强；

（4）拌和性好、便于施工、减少机械设备的磨损和提高抗渗性。

且我国在2005年全国排放的废渣废料产出量为14亿吨，随着经济的发展，现在废渣的产出量更大。如果能利用矿渣微粉作注浆材料，不仅可以对工业废料进行再利用，解决因工业废物堆积而造成的土地资源浪费和环境污染问题，还能在水泥中充当混合料或者主料，减少水泥用量甚至完全取代水泥，这样就能节约能耗，减少对环境的污染。

基于上述情况，本发明以矿渣微粉为主料，通过试验研究，加入复合激发剂、外加剂，发明出一种绿色环保、性能优良、成本低廉的新型注浆材料。通过对矿粉微粉注浆材料的试验研究可判断其作为注浆材料的可行性，这将拓展矿渣微粉的工程应用，对于讲究绿色环保和经济效益的今天，该项发明将非常有现实意义。

发明内容

本发明的目的是克服普通硅酸盐水泥注浆浆液析水率大、稳定性差、凝结时间较长，且不易灌入微小裂隙、生产污染环境、消耗大量能源和资源、成本高等的缺陷；提供一种能克服以上缺陷的绿色环保、性能优良、成本低廉的新型矿渣微粉复合激发剂及其配套制备的注浆材料，及具体的制备方法。

一种用于制备矿渣早强注浆材料的复合激发剂，其配方的各组分重量比为NaOH:KOH:Ca(OH)₂:Na₂SiO₃·9H₂O:Na₂CO₃=2-3:1.0-1.5:0.5-1.5:1.0:2。

所制备的注浆材料为1天龄期的激发剂配方的各组分重量比为NaOH:KOH:Ca(OH)₂:Na₂SiO₃·9H₂O:Na₂CO₃=3:1.5:0.5:1.0:2；

所制备的注浆材料为7天龄期的激发剂配方的各组分重量比为NaOH:KOH:Ca(OH)₂:Na₂SiO₃·9H₂O:Na₂CO₃=2:1.5:1.5:1.0:2；

所制备的注浆材料为28天龄期的激发剂配方的各组分重量比为NaOH:KOH:Ca(OH)₂:Na₂SiO₃·9H₂O:Na₂CO₃=2:1.0:1.5:1.0:2。

一种矿渣早强注浆材料，是在比表面积为300-500m²/Kg的矿渣微粉中添加了激发剂和减水剂，其水灰比0.4-0.6；所述的激发剂各组分占矿渣早强注浆材料的重量百分比分别是：NaOH 2-3wt%、KOH 1.0-1.5wt%、Ca(OH)₂ 0.5-1.5wt%、Na₂SiO₃·9H₂O 1.0wt%、Na₂CO₃ 2%；减水剂的添加量为0.05-0.1wt%。

所述的注浆材料为1天龄期的激发剂各组分占矿渣早强注浆材料的重量百分比分别是：3%NaOH、1.5%KOH、0.5%Ca(OH)₂、1%Na₂SiO₃·9H₂O、2%Na₂CO₃；

所述的注浆材料为7天龄期的激发剂各组分占矿渣早强注浆材料的重量百分比分别是：2%NaOH、1.5%KOH、1.5%Ca(OH)₂、1%Na₂SiO₃·9H₂O、2%Na₂CO₃；

所述的注浆材料为28天龄期的激发剂各组分占矿渣早强注浆材料的重量百分比分别是：2%NaOH、1%KOH、1.5%Ca(OH)₂、1%Na₂SiO₃·9H₂O、2%Na₂CO₃。

减水剂为木质素磺酸钙。（简称木钙）是一种多组分高分子聚合物阴离子表面活性剂，外观为浅黄色至深棕色粉末，略有芳香气味，分子量一般在800～10000之间，木质素含量≥50～65%，具有很强的分散性；常用作混凝土减水剂。

所述的矿渣早强注浆材料制备方法，其特征在于，

(1)根据所设计的配方，称好矿渣微粉、激发剂、减水剂和所需水的量；

(2)将称好的矿渣微粉和激发剂先倒入净浆搅拌机中，开始搅拌半分钟，再把称好的水倒入搅拌机，继续搅拌5分钟；

(3)再加入减水剂，搅拌5分钟即可。

本发明克服了当前大部分注浆材料都为普通硅酸盐水泥或矿渣水泥，该类注浆材料存在析水率大、结石率低、早期强度低、难以注入微小裂缝中和抗侵蚀能力差、水泥原料生产污染环境、消耗大量能源和资源、成本高等的缺陷。

本发明通过不同水灰比的水泥净浆与矿渣微粉基注浆材料进行对比分析，矿渣微粉基注浆材料在析水率、结石率和流动度方面都要比水泥净浆更好。且在抗压强度和初终凝时间上都满足作为注浆材料的性能要求。

本发明的矿渣微粉基注浆材料成本比普通硅酸盐水泥的制造成本降低约7%，而且本发明特别适合于矿山区域，因为矿山的主要废弃物就是矿渣，如果能够废物利用，就不需要另外运输水泥进入矿山进行生产，这样也可以节省大量的成本。因此，生产该种注浆材料也具有一定的社会效益和经济价值。

附图说明

图1为不同激发剂对试块1天抗压强度的影响；

图2为不同激发剂对试块3天抗压强度的影响；

图3为不同激发剂对试块7天抗压强度影响；

图4为不同激发剂对试块28天抗压强度的影响；

图5为截锥圆模示意图（单位：mm）；

图6为水泥稠度凝结测定仪；

图7为不同因素对浆液析水率的影响；

图8为不同因素对浆液流动度的影响；

图9为不同因素对结石体抗压强度的影响；

图10为不同因素对浆液结石率的影响；

图11为不同因素对初终凝时间的影响。

具体实施方式

以下结合具体实施方式进一步说明本发明，而非限制本发明。

注浆材料中的主料决定了其物理力学性能及其工作性能。因此，当矿渣微粉作为注浆材料主料时，需要使其活性得到充分发挥，就必须对矿渣微粉的组成、结构进行分析，这样才能使注浆浆液的各方面性能达到最好。以下是本发明的试验探索过程。

1矿渣活性复合激发力学性能试验研究

通过前述分析，本章选择了多种激发剂对矿渣微粉进行活性激发研究，最终找出一种有效激发矿渣微粉活性的复合激发剂。为了使矿渣微粉活性得到较好的激发，本章进行了大量的矿渣微粉激发剂的外掺试验，从浆液的抗压强度来考察复合激发剂的效果。

11试验材料

1、矿渣微粉:采用湘潭钢铁厂矿渣微粉，比表面积为300m²/Kg，其化学成分见表1-1：

表1-1矿渣化学成分百分含量/%

SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	TiO2
								31.26	14.16	0.29	42.05	9.52	0.48	0.04	1.13

2、激发剂：NaOH、KOH、LiOH、Na₂S、Ca(OH)₂、Ba(OH)₂、Na₂SiO₃·9H₂O等均为市售化学纯试剂。

3、外加剂：Na₂CO₃、Na₂SO₄和CaCl₂等均为市售化学纯试剂。

4、液体水玻璃激发剂：由模数为3.2的液态水玻璃与NaOH溶液配制成不同模数的液态水玻璃激发剂。

1.2试验方案设计

根据理论分析，我们初步选取了多种激发剂进行前期试探性试验，将激发效果较好的激发剂进行单掺试验，然后再将多种激发剂进行彼此之间的复合，对它们进行正交试验，最后掺入几种外加剂，以使矿渣微粉活性激发效果达到最好。

1.3试验过程

由于抗压强度是浆液测试中最重要的一个性能，因此在本章中先只测结石体的抗压强度。试验过程中，先制备好浆液，将制备好的浆液倒入4cm×4cm×16cm长方体且已经清洗干净的模具中，其中模具彼此之间的不垂直度不超过±5°^[52-53]。试验采用0.40的水灰比，每3块试样为一组。具体试验过程如下：

(1)根据所设计的配方，称好矿渣微粉、激发剂和所需水的量；

(2)将称好的矿渣微粉和激发剂先倒入净浆搅拌机中，开始搅拌半分钟，再把称好的水倒入搅拌机，继续搅拌5分钟；

(3)向模具内注满料浆，并用抹刀将多余浆液刮除，然后用保鲜膜密封好。

(4)试样制作后，静置，一天后脱模，在室内恒温箱里养护，然后分别测其1d、3d、7d和28d的抗压强度。

1.4试验测试

试验测抗压强度使用的仪器为NYL-60型压力机，并采用30吨的载荷量进行测试。测试前，先把试块放入压力机的夹具中，然后开始开动压力机，压力机的下加荷速度应控制在1.0KN/s，当试块开始破裂时，停止加油门，等待试块完全破坏。当试块完全破坏后，关闭油门，对着压力机刻度盘进行读数（抗压强度计算精确到0.1t），然后根据夹具的面积把抗压强度值吨转化为兆帕。每一组抗压强度的值都应取三个样做测试，当它们的之间的差大于它们三个的平均值的15%时，该试样的测试就无效，应重新测试。

1.5不同激发剂激发矿渣微粉的抗压强度

在注浆材料所有性能中，抗压强度是其性能评价中最重要的一种性能，作为注浆材料的最基本性能也是研究最多的，因此本节只分析研究了矿渣微粉基注浆材料的抗压强度性能及不同激发剂对浆材不同龄期抗压强度的影响。

1.5.1强碱和中强碱激发剂

1.试探性试验:用强碱NaOH、KOH作激发剂，改变它们的掺量，激发剂按矿渣微粉总质量的2%、4%、6%、8%、10%分别做试探性试验。研究结果发现：NaOH和KOH激发剂掺量为2%时试样1天的抗压强度较低，这表明2%的碱离解出的OH^-离子不足以使矿渣微粉玻璃体解离；当掺量为4%～8%时，试样各龄期的抗压强度较高；当激发剂掺量为10%时试样抗压强度有下降趋势。

因此，用NaOH、KOH、LiOH、Na₂S、Ca(OH)₂、Ba(OH)₂作激发剂，用矿渣微粉做一组平行实验，各种激发剂的掺量为6%，试样各龄期的抗压强度见下表1-2：

表1-2碱激发矿渣微粉胶凝材料的抗压强度

由表1-2分析可得如下结论：

（1）用NaOH和KOH作激发剂时，A1和A2的1d抗压强度分别达到12.8MPa和9.0MPa，3d分别达到18.4MPa和22.0MPa，7d分别达到29.0MPa和29.2MPa，28d分别达到32.8MPa和35.3MPa；激发效果都较好，但NaOH和KOH原材料价格较贵，作为激发剂掺入量不能太多。

（2）用LiOH、Ca(OH)₂和Na₂S作激发剂时，试样A3、A4和A6的1d抗压强度偏低，试样各龄期抗压强度不高，这表明LiOH、Ca(OH)₂和Na₂S对矿渣微粉的激发效果一般，不能单独用作激发剂。

（3）用Ba(OH)₂作激发剂时，激发效果1d和28d抗压强度都较低，而且Ba(OH)₂材料价格较贵，这表明Ba(OH)₂不适合用作矿渣微粉激发剂。

综上所述：KOH、NaOH、LiOH、Ca(OH)₂和Na₂S较适合用作矿渣微粉的激发剂，但它们都存在一定的缺陷，通过将它们复合，配制出复合激发剂，在性能和价格方面的一些不足才可能得到解决。

2.单掺试验：由于NaOH和KOH对矿渣微粉的激发效果较好，因此采用NaOH和KOH作激发剂，用矿渣微粉做一组单因素试验，激发剂的掺量分别为2%、4%、6%、8%、10%，

试样各龄期的抗压强度见表1-3：

表1-3NaOH和KOH激发矿渣微粉胶凝材料的抗压强度

由表1-3分析可得如下结论：

（1）当NaOH激发剂外掺量从2%～10%变化时，各试块各龄期的抗压强度有所不同；当激发剂掺量为2%时，试块1d抗压强度较低，只有3.0MPa，28d抗压强度只有26.3MPa；当掺量为4%时，1d抗压强度增长较快达到最高抗压强度14.8MPa，而且28d抗压强度也迅速增长达到33.2MPa；当激发剂掺量从6%～10%变化时，试块各龄期抗压强度逐渐降低。这表明当外掺量为4%时NaOH激发矿渣微粉的效果最好。

（2）当KOH激发剂外掺量从2%～10%变化时，各试块各龄期的抗压强度也有所不同；当激发剂掺量从2%～6%变化时，试块各龄期抗压强度不断增大，但早期强度都有所偏低；当掺量为8%时，试块1d抗压强度增长较快，达到最高抗压强度16.8MPa，而且28d抗压强度也增长最快为43.2MPa；当激发剂掺量为10%时，试块各龄期抗压强度都有所降低。这表明当外掺量为8%时KOH激发矿渣微粉的效果最好。

综上所述：当NaOH作激发剂时，外掺量为4%时激发矿渣微粉的效果最好，当KOH作激发剂时，外掺量为8%时激发矿渣微粉的效果最好，但由于制成胶凝材料其成本较高，若降低NaOH和KOH掺入量并且将它们进行复合，再掺入其它的激发剂，其价格上的缺陷可能得到弥补。

1.5.2水玻璃激发剂

本试验采用的水玻璃为模数为3.2的工业水玻璃，由市场购买。根据试验设计，需将其用市售分析纯NaOH调节模数，配制出不同模数的液体水玻璃激发剂。

单掺试验：用配制好的水玻璃作激发剂，用矿渣微粉做一组单因素试验，水玻璃模数分别为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0，试样各龄期的抗压强度见表3-4：

表1-4液态水玻璃激发剂模数对矿渣微粉抗压强度的影响

由表1-4分析可得如下结论：

（1）当水玻璃的模数为0.4时，试样的抗压强度发展最好，28d抗压强度达到44.6MPa，但1d的抗压强度偏低，只有9.3MPa；当水玻璃的模数为0.8～2.0时，各试样各龄期抗压强度都偏低，尤其是早期强度，其强度几乎为零。

（2）在观测试验中发现，使用水玻璃作激发剂时，还存在后期干缩现象，而且水玻璃为液体，只能在施工现场调制，不能制成成品存放。

综上所述：水玻璃存在对矿渣微粉激发效果差、后期干缩和现场应用不方便等缺陷，说明水玻璃不适合用作矿渣微粉激发剂。

1.5.3复合碱性激发剂

通过试探性试验和单掺试验研究发现：NaOH、KOH、LiOH、Na₂S、Ca(OH)₂、都能够对矿渣微粉活性激发有一定的效果，但都存在一些性能或价格上的缺陷，因此为了使矿渣微粉的活性得到更好的激发且弥补这些缺陷，拟把上述激发剂及一些其它的激发剂进行复合，其试验结果见表1-5。

表1-5最优配方和掺量对矿渣微粉抗压强度的影响

由表1-5分析可得如下结论：

（1）通过A7与B0的对比可知，在矿渣微粉中仅掺入2%的NaOH试样A7的1d抗压强度只有3.0MPa，而B0的1d抗压强度达到13.0MPa，并且B0的28d抗压强度也比A7的28d抗压强度要高很多，其1d抗压强度为13.0MPa，7d为35.2MPa，28d为40.2MPa。因此，NaOH与KOH复合有助于提高矿渣微粉活性的激发。

（2）通过B1、B2、B3与B0的对比可知，当LiOH掺入量在1%～2%变化时，试样各试块各龄期的抗压强度都比B0试块各龄期的抗压强度要低，仅当LiOH掺入量为3%时，试块各龄期的抗压强度要比B0试块各龄期的抗压强度要高，其1d抗压强度为19.6MPa，7d为39.2MPa，28为41.6MPa。因此，当LiOH掺入量为3%时，NaOH、KOH与LiOH复合有助于提高矿渣微粉活性的激发，但由于LiOH掺入量为3%时激发剂的价格较贵，没有实际应用价值。

（3）通过B4、B5、B6与B0的对比可知，当Na₂S掺入量在2%～3%变化时，试样各试块各龄期的抗压强度都比B0试块各龄期的抗压强度要低，仅当Na₂S掺入量为4%时，试块各龄期的抗压强度要比B0试块各龄期的抗压强度要稍高，其1d抗压强度为14.6MPa，7d为38.4MPa，28d为40.8MPa。因此，当Na₂S掺入量为4%时，NaOH、KOH与Na₂S复合对提高矿渣微粉活性激发稍有帮助，复合后抗压强度提高较小，不能体现出复合效果。

（4）通过B7、B8、B9与B0的对比可知，当Ca(OH)₂掺入量在0.5%～1.5%变化时，试样各试块各龄期的抗压强度都要比B0试块各龄期的抗压强度要高；当Ca(OH)₂掺入量为1.0%时，试块各龄期的抗压强度最高，其1d抗压强度为14.5MPa，7d为38.4MPa，28为45.4MPa。因此，当Ca(OH)₂掺入量为1.0%时，NaOH、KOH与Ca(OH)₂复合对矿渣微粉活性激发效果最好。

（5）通过B13、B14、B15与B0的对比可知，当Na₂SiO₃·9H₂O掺入量在0.5%～1.0%变化时，试样各试块各龄期的抗压强度都比B0试块各龄期的抗压强度要低，仅当Na₂SiO₃·9H₂O掺入量为1.5%时，试块各龄期的抗压强度要比B0试块各龄期的抗压强度要高，其1d抗压强度为16.6MPa，7d为39.2MPa，28为45.3MPa。因此，当Na₂SiO₃·9H₂O掺入量为1.5%时，NaOH、KOH与Na₂SiO₃·9H₂O复合对提高矿渣微粉活性激发效果最好。

综上所述：NaOH与KOH复合有助于提高矿渣微粉活性的激发；NaOH、KOH与LiOH复合有助于提高矿渣微粉活性的激发，但由于LiOH原材料价格较贵，没有实际应用价值；NaOH、KOH与Na₂S复合对提高矿渣微粉活性激发效果较小；NaOH、KOH与Ca(OH)₂或NaOH、KOH与Na₂SiO₃·9H₂O复合对提高矿渣微粉活性激发效果最好。

1.5.4复合激发剂作用下矿渣微粉胶凝材料的配比优化

通过复合激发剂的试验研究得知：复合激发矿渣微粉比单独用一种或两种化学物质激发矿渣微粉更能显著提高矿渣微粉体系的活性。从前面的研究发现激发剂Ca(OH)₂、Na₂SiO₃·9H₂O分别与NaOH和KOH复合能提高矿渣微粉的抗压强度。为使矿渣微粉活性得到更好的激发，拟把Ca(OH)₂、Na₂SiO₃·9H₂O、NaOH和KOH四种激发剂进行复合进行正交试验，根据复合激发剂研究时得到的最佳掺量范围设计了如下的正交试验，其试验结果见表1-6。

表1-6掺加剂因素与水平值（%）

序号	NaOH（A）	KOH（B）	Ca(OH)2（C）	Na2SiO3·9H2O（D）
					1	1.0	0.5	0.5	0.5
2	2.0	1.0	1	1.0
					3	3.0	1.5	1.5	1.5

表1-7抗压强度指标的结果和因素分析

根据极差分析得知，1天抗压强度最佳组合是A₃B₃C₁D₂，3天抗压强度最佳组合是A₃B₃C₃D₂，7天抗压强度最佳组合是A₂B₃C₃D₂，28天抗压强度最佳组合是A₂B₂C₃D₂。下面对各种激发剂掺量大小对矿渣微粉各个龄期的抗压强度的影响进行着重分析。

1、不同激发剂对试块各个龄期抗压强度影响分析

（1）不同激发剂对试块1天抗压强度影响分析

从图1(a)可以看出，试块抗压强度随着NaOH掺量增加而不断增大，但总体增加速度较缓；从图1(b)可以看出，KOH掺量从0.5%增加到1.5%的过程中，试块强度不断增加，且呈直线增长；从图1(c)可以看出，随着Ca(OH)₂掺量的增加，试块抗压强度先减小后增加，但试块抗压强度总体趋势是在减小；从图1(d)可以看出，Na₂SiO₃·9H₂O掺量从0.5%到1.5%的过程中，试块抗压强度先增加后减小，当Na₂SiO₃·9H₂O掺量为1.0%时，试块抗压强度达到最大。

（2）不同激发剂对试块3天抗压强度影响分析

从图2(a)可以看出，试块抗压强度是随着NaOH掺量不断增加而不断增大，NaOH掺量在1%到2%过程中，试块抗压强度增长更快；NaOH掺量在2%到3%过程中，试块抗压强度大小增长变缓；从图2(b)可以看出，随着KOH掺量的增加1天试块抗压强度也相应增加，掺量在1.0%以前强度增长较快，1.0%以后强度随着NaOH掺量增加强度增长变缓；从图2(c)可以看出，随着Ca(OH)₂掺量的增加，试块抗压强度先减小后增大，当掺量为1.0%时，试块的抗压强度最小，但从曲线可以分得出，随着Ca(OH)₂掺量的增加，试块抗压强度总体还是增加的；从图2(d)可以看出，随着Na₂SiO₃·9H₂O掺量的不断增加，试块抗压强度先增加后降低，当Na₂SiO₃·9H₂O掺量为1.0%时，它的抗压强度达到最大值，根据曲线可以分析得出试块的抗压强度总体来说是随着Na₂SiO₃·9H₂O掺量增加而增大。

（3）不同激发剂对试块7天抗压强度影响分析

从图3(a)可分析出，随着NaOH掺量的不断增加，试块抗压强度先迅速增大，然后再逐渐减小，试块在NaOH掺量为2%时抗压强度达到峰值；从图3(b)可以看出，试块抗压强度随着KOH掺量的增加不断增大，掺量在1%以前强度增长较快，1%以后强度随着KOH掺量增加变缓；从图3(c)可以看出，随着Ca(OH)₂掺量的增加，试块抗压强度先减速小后增大，在Ca(OH)₂掺量为1.0%时试块抗压强度最小，但从曲线可分析出，试块7天抗压强度随着Ca(OH)₂掺量增加总体趋于增加；从图3(d)可以看出，随着Na₂SiO₃·9H₂O掺量不断增大，试块抗压强度先增大后减小，当Na₂SiO₃·9H₂O掺量为1.0%时，试块抗压强度达到最大值。

（4）不同激发剂对试块28天抗压强度影响分析

从图4(a)可得出，随着NaOH掺量的不断增大，试块抗压强度先迅速增大，然后再缓慢降低，当NaOH掺量为2%时试块抗压强度达到最大值；从图4(b)可以看出，随着KOH掺量的不断的增大，试块抗压强度先增大后减小，在1.0%时抗压强度达到峰值；从图4(c)可以看出，随着Ca(OH)₂掺量的增加，试块抗压强度在1.0%以前强度增长较慢，1.0%以后强度随着Ca(OH)₂掺量增长有所加快；从图4(d)可以看出，随着Na₂SiO₃·9H₂O掺量不断增大，试块抗压强度先增大后减小，当Na₂SiO₃·9H₂O掺量为1.0%时，试块抗压强度达到最大值。

2、激发剂对试块抗压强度机理分析

（1）NaOH对浆液试块抗压强度机理分析

矿渣微粉只有在强碱存在条件下才能发挥出较高的活性性能，而NaOH属于强碱，它能为矿渣激发提供破解矿渣微粉玻璃体的OH^-，这对浆液早期强度的提高非常有益。其发生的反应有：

-O-Si-OH+NaOH→-O-Si-ONa+H₂O   (1-1)

-O-Si-O-Si+2NaOH→2(-O-Si-ONa)+H₂O   (1-2)

通过上述反应，矿渣微粉表面不断受到侵蚀，从而矿渣微粉颗粒不断露出新鲜表面，不断发生上述两个反应，使得-O-Si-OH逐渐都生成-O-Si-ONa，而-O-Si-ONa是溶于水的，其中Na⁺容易被Ca²⁺替换，生成C-S-H胶凝体，最终使得浆液具有强度。

从表1-7中可以分析出：NaOH在整个矿渣微粉的水化过程对试块抗压强度的影响都是最大的，通过极差分析，1天和3天抗压强度随着NaOH掺入量增加而增加，NaOH掺入量为3%时，试块抗压强度最高；但7天和28天时随着NaOH掺入量增加试块的抗压强度有所下降，NaOH掺入量为2%时，试块的抗压强度达到最高。这是因为当溶液中的OH-过多时，如果继续增加碱性激发剂，则会阻碍试块抗压强度的发展，从而使试块抗压强度有所降低。

（2）KOH对浆液试块抗压强度机理分析

KOH也属于强碱，但在相同质量分数的情况下，KOH的碱性要低于NaOH，因此当掺入相同质量的KOH和NaOH时，KOH对矿渣的激发程度较NaOH对矿渣的激发程度低，但它们的激发机理都相同，都是通过OH^-离子对矿渣微粉表面不断侵蚀，使矿渣微粉解体。只是因为K⁺参加矿渣微粉的水化反应，使最终形成的胶凝产物更复杂。

从表1-7中可以看出，KOH掺量对试块的抗压强度也是有较大影响的，仅仅排在NaOH之后。通过极差分析可以得出，1天、3天、7天KOH的最优掺量都是1.5%，但28天KOH的最优掺量是1.0%。这是因为不是激发剂掺入量越大越好，当超过一定限度，则会对水化产物的形成造成负面影响，这与前面所分析的一致。

通过KOH和NaOH对抗压强度的影响分析得出：它们掺量大，对前期试块的抗压强度有帮助，但在后期会使试块的抗压强度降低，因此，需根据工程需要，确定其最佳掺量。

（3）Ca(OH)₂对浆液试块抗压强度机理分析

Ca(OH)₂也是一种强碱，但由于溶解度较低，它的水溶液碱性较低。当Ca(OH)₂与矿渣微粉接触后，Ca(OH)₂胶粒中的Ca²⁺和OH^-在矿渣微粉表面形成一层水膜溶液，而OH^-会对矿渣微粉表面进行腐蚀，其发生的反应有：

活性SiO₂+mCa(OH）₂+nH₂O→mCaO·SiO₂·H₂O   (1-3)

活性Al₂O₃+nCa(OH)₂+nH₂O→mCaO·AI₂O₃·H₂O   (1-4)

随着矿渣微粉表面不断受到侵蚀，水膜溶液中的Ca²⁺和OH^-不断消耗，从而使Ca(OH)₂继续水解出Ca²⁺和OH^-，以生成更多的水化硅酸钙，试块的抗压强度不断增大。

从表1-7中可以看出，Ca(OH)₂掺量对试块的抗压强度影响较小。通过极差分析可以得出，1天使试块抗压强度最大的掺量是0.5%，3天、7天、28天使试块抗压强度最大的掺量都是1.0%，随着时间的增长，Ca(OH)₂对试块的抗压强度影响越来越大。

（4）Na₂SiO₃·9H₂O对浆液试块抗压强度机理分析

Na₂SiO₃·9H₂O是强碱弱酸盐，在浆液中它发生水解，水解为[SiO₄]^4-和OH^-，其中[SiO₄]^4-与被强碱从矿渣微粉侵蚀出来的Ca(OH)₂发生反应生成水化硅酸钙，而OH-有助于提高溶液的PH值，为维持浆液碱性处于较高的状态。其反应式如下：

Na₂SiO₃·9H₂O+Ca(OH)₂+nH₂O→CaO·SiO₂·(n+9)H₂O+2NaOH   (1-5)

从表1-7中可以看出，Na₂SiO₃·9H₂O掺量对试块的抗压强度影响是最小的。通过极差分析可以得出，1天、3天、7天和28天Na₂SiO₃·9H₂O的最优掺量都是1.0%，说明Na₂SiO₃·9H₂O的掺量不是越大越好。当Na₂SiO₃·9H₂O的掺量由0.5%到1.0%时，试块的抗压强度快速增长是Na₂SiO₃·9H₂O水解生成[SiO₄]^4-和OH^-，这使得它对矿渣微粉具有双重作用；当Na₂SiO₃·9H₂O的掺量1.0%到1.5%时，由于生成的水化硅酸钙凝胶有晶化的趋势，所以导致试块抗压强度降低。

1.6扩大试验

在正交试验中，只考虑了碱性激发剂对矿渣微粉活性的激发情况。因此本节分别进行Na₂CO₃、CaCl₂二种外加剂对浆液结石体最终工作性能的影响。试验中采用上一节正交试验7天最优配方，即用2%NaOH、1.5%KOH、1.5Ca(OH)₂和1.0%Na₂SiO₃·9H₂O作矿渣微粉的复合激发剂，试验结果见表1-8。

表1-8扩大试验方案与结果

(1)Na₂CO₃对矿渣基浆液性能影响分析

在加入碱性激发剂的矿渣微粉基浆液中加入Na₂CO₃其主要作用有：它能使浆液中的碱组分更复杂，形成更加复杂的胶凝产物，使浆液里面的PH值得到提高，并且可以提高结石体的强度，尤其是早期强度。

在表1-8中，Na₂CO₃的掺入量分别为1%、2%、3%，它们相对应的试块各龄期抗压强度都随着Na₂CO₃掺量增加而有所增大，Na₂CO₃掺量为2%时，试块各龄期抗压强度达到最高。总体来说，Na₂CO₃的掺入对矿渣微粉活性的激发起到一定的作用。

(2)CaCl₂对浆液性能影响分析

一般情况下，CaCl₂掺入浆液中的作用是提高Ca(OH)₂或CaO在水中的溶解度，使浆液中的OH^-浓度提高，因此它不具有直接提高试块抗压强度的作用，只具有间接的作用。但在本试验中Ca(OH)₂对浆液影响较小，而Cl^-会使浆液酸化，使浆液的碱度降低，从而影响矿渣微粉的激发。因此，CaCl₂对本配方会起负作用。

1.7本章小结

通过本章的研究得出以下结论:

(1)在单掺试验中，用NaOH作激发剂外掺量为4%时激发矿渣微粉的效果最好，当KOH作激发剂外掺量为8%时激发矿渣微粉的效果最好，且激发剂NaOH与KOH复合可以使激发矿渣微粉的效果得到加强。

(2)多种碱性激发剂复合比单掺一种激发剂能使矿渣微粉活性得到更大程度地激发。通过试验可得出，激发剂NaOH、KOH与LiOH、Na₂S、Ca(OH)₂、Na₂SiO₃·9H₂O分别复合能使试块抗压强度得到提高。但从性能和价格方面考虑，LiOH与Na₂S不符合要求，因此选择NaOH、KOH与Ca(OH)₂、Na₂SiO₃·9H₂O四种激发剂复合。

(3)通过正交试验，多种激发剂对矿渣微粉活性激发的最优配方，并对激发剂中不同因素对结石体抗压强度的影响进行了详细分析。得出了1天、3天、7天和28天四个最优激发剂配比，即1天最优激发剂配比为A₃B₃C₁D₂，3天最优激发剂配比是A₃B₃C₃D₂，7天最优激发剂配比是A₂B₃C₃D₂，28天最优激发剂配比是A₂B₂C₃D₂。

(4)采用7天最优激发剂配比A₂B₃C₃D₂进行了扩大试验，试验用CaCl₂和Na₂CO₃两种激发剂为外加剂，最后得出当Na₂CO₃掺入量为2%时矿渣微粉的激发效果最好，而CaCl₂的掺入对试块结石体的强度有负作用。

2矿渣基注浆材料浆液配比试验研究

前一部分通过大量试验研究得出了4组复合激发剂最优配方，使矿渣微粉的活性得到最大程度地激发。本章在其基础上通过对水灰比、不同比表面积的矿渣微粉、复合激发剂最优配方以及减水剂掺入量这四个因素进行正交试验，通过试验结果，对矿渣微粉基浆液的各种性能及机理进行分析，并与425普通硅酸盐水泥净浆试验结果进行对比。

1.1试验材料

本试验的所用材料：

（1）复合激发剂最优配方：

1天最优配方：3%NaOH+1.5%KOH+0.5Ca(OH)₂+1.0Na₂SiO₃·9H₂O；2％Na₂CO₃；

7天最优配方：2%NaOH+1.5%KOH+1.5Ca(OH)₂+1.0Na₂SiO₃·9H₂O；2％Na₂CO₃；

28天最优配方：2%NaOH+1.0%KOH+1.5Ca(OH)₂+1.0Na₂SiO₃·9H₂O；2％Na₂CO₃；

（2）不同比表面积矿渣微粉：将比表面积为300m²/Kg矿渣微粉球磨至比表面积分别为400m²/Kg和500m²/Kg，采用比表面积分别为300m²/Kg、400m²/Kg、500m²/Kg的矿渣微粉进行试验研究；

（3）425普通硅酸盐水泥：湖南省望城区水泥厂；

（4）减水剂：昆明嘉生混凝土外加剂销售有限责任公司生产的木质素磺酸钙。

1.2试验方案设计

根据前期试验分析，本正交试验所采用因素为(因素A：水灰比；因素B：不同比表面积矿渣微粉；因素C：最优配方；因素D：减水剂掺量；每个因素取三水平(即：因素A：0.4，0.5，0.6；因素B：300m²/Kg，400m²/Kg，500m²/Kg；因素C：1d，7d，28d；因素D：0，0.05%，0.1%)，根据因素数和水平数并结合正交试验表特点，我们采用L₉(3⁴)正交表进行正交试验，具体试验方案见表2-1、2-2。

表2-1浆液配比试验正交表头设计

表2-2浆液配比试验正交试验设计方案

通过对浆液的析水率、流动度、不同龄期抗压强度、结石率和初终凝时间进行比较分析，得出不同因素对浆液工作性能影响程度。

2.3试验测试

2.3.1流动性能

在注浆工程中，流动性是可以判别浆液的两个重要技术指标，即可泵性与灌注质量。如果流动性能过差，浆液将不可泵送；流动性能过好，灌浆时浆液会流失，从而浪费了材料。由以上分析可知，必须要测量浆液的流动性能。

在实验室中，流动度是测定流动性能的唯一指标。测得的流动度大，则流动性能好，反之则差。本试验用到的主要器具有三个：（1）金属耐腐蚀截锥圆模，尺寸如图1-1所示；（2）玻璃板（长×宽×厚为40×40×0.5cm）；（3）刮刀。

试验步骤如下：（1）先用抹布将玻璃板擦干净，并且保证其湿度适中；（2）把截锥圆模（示意图见图5）放置于玻璃板的中央位置，迅速把制备好的浆液倒入圆模内并使其充满，用刮刀将圆模顶口多余的浆液刮掉即把顶口抹平；（3）迅速垂直向上提起圆模；（4）用直尺量取浆液自由流淌30s后两个方向的最大直径（这两个方向要相互垂直），其平均值则为测得的流动度值

2.3.2凝结时间

凝结时间包括初凝时间与终凝时间。初凝时间为浆液拌合到浆液开始失去可塑性所需的时间，终凝时间为浆液完全失去塑性并开始产生强度所需的时间。

在注浆施工过程中，要求浆液的凝结时间要适中。浆液凝结时间过短或过长都会对造成不利影响。凝结时间过短，浆液流动路程过短，达不到预期注浆效果；还会堵塞注浆管，减慢施工进度。凝结时间过长，地下水可能会冲走尚未凝结的浆液，降低工程质量^[58][59]。在注浆施工中，要求浆液的初凝时间和终凝时间要相对短些，从而达到注浆的可控性效果。本试验中，测定浆液的初凝和终凝时间的仪器为水泥稠度凝结测定仪，仪器实图如图6所示。

2.3.3结石体强度

浆液的结石体抗压强度是判别浆液性能优劣的重要指标之一，强度过低就达不到注浆加固的效果。因此本试验要测定浆液的抗压强度。方法如下：

把制得的浆液倒入4×4×16cm的三联砂浆模具中，振动捣实均匀后用刮刀刮平。用保鲜膜贴在试验模具的表面并且抹上润滑脂封闭试模缝隙处来防止水分过快蒸发与水分析出。一天后拆模，将试件放入水中养护，水温为20±3℃。

2.3.4结石率

浆液结石率是浆液结石体与浆液的体积之比，表达式为：

$\mathrm{\β}=\frac{V_2}{V_1}---(2-1)$

式中：β-结石率，V₁-浆液体积，V₂-结石体体积。若β>1，表明体积膨胀，β<1，表示体积收缩。工程实践表明，在注浆时，具有较高结石率的浆液能使加固效果提高。

测试结石率的方法：取200ml浆液倒入量筒中，读数V₁。浆液完全固结之后，结石体体积的读数为V₂。浆液的结石率可以用式2-1计算。

2.3.5析水率

将制备好的浆液放置一段时间以后都会有不同量的析水。浆液沉淀后析出多余水的量用析水率来表示。析水率的大小会影响浆液的使用效果，在一段固定的时间内，可以用浆液的析水率来评价浆液的稳定性好坏。测定析水率的方法为：把制备好的浆液倒入100ml量筒中，静置两个小时后，读取浆液上部析水体积V_析，V_析与浆液总体积比即为浆液两小时析水率，如式2-2。

α=V_析/V   （2-2）

式中：α表示析水率，V_析表示量筒中析出水的体积，V表示浆液的总体积。

析水率是用来评价浆液性能好坏的。析水率大，表明浆液的稳定性和悬浮性差，胶体率低，结石体结构不均匀、松散，收缩率大。析水率小，浆液性能与之完全相反。

2.4试验结果与分析

2.4.1浆液析水率试验结果及分析

1、浆液析水率试验结果

正交试验中浆液的析水性试验结果见表2-3。

表2-32h析水率试验结果

从表2-3可以得出矿渣基注浆材料浆液的析水率在0.30～5.00%之间，而水泥净浆的析水率在2.00%～8.00%之间，因此可以得出矿渣基注浆材料浆液的析水率要比水泥净浆的析水率小。对于注浆工程来说，浆液的析水率越小，其稳定性越好，则充填或施工过程中，工程的质量和性能都能更好的控制。

2浆液析水率试验结果分析

本小结主要通过正交试验的试验结果，从水灰比、矿渣微粉比表面积、最优配方和减水剂掺量四个因素来对浆液析水率的影响进行分析。

表2-4浆液析水率正交试验分析结果

从表2-4可以得出，试验中四种因素对浆液析水率影响从大到小依次为：水灰比>矿渣微粉比表面积>最优配方>减水剂掺量。从极差大小来看，水灰比和矿渣微粉粒径对浆液的影响程度要大于最优配方和减水剂掺量对浆液析水率的影响。通过正交试验分析后可以得出的浆液析水率最优配比为A₁B₃C₁D₁。

从图7(a)可以看出随着水灰比从0.4～0.6变化，浆液析水率不断增大，在水灰比从0.4到0.5变化过程中，浆液的析水率增大较为缓慢，水灰比从0.5到0.6变化过程中浆液的析水率迅速增大。

析水率随着水灰比变化产生变化的原因是：水灰比从0.4到0.6这个不断增大的过程，浆液中的含水量也不断增大，从而浆液中的浓度也变小，矿渣微粉颗粒在浆液中接触机会降低，颗粒很快发生沉淀，所以水灰比的增大使析水率也急速增大。

从图7(b)可以看出矿渣微粉比表面积对浆液的析水率影响也很明显，随着矿渣微粉比表面积变大，浆液的析水率呈直线下降。

矿渣微粉比表面积减小导致析水率降低的原因可能是：矿渣微粉的比表面积越大，其水化活性越高，颗粒粒径越小，则浆液水化反应所需水量增大，使自由水减少，最终导致析水率降低。

从图7(c)可以看出，三种最优配方对浆液析水率影响程度很小，析水率在1.5%～2.1%之间变化，其中7天和28天最优配方的浆液析水率基本相同，掺入1天最优配方复合激发剂浆液的析水率最小。

从图7(d)可以看出，减水剂掺量对浆液析水率具有一定的影响，随着减水剂掺量的不断增大，浆液析水率先不断增大，在0.05%达到峰值，然后再不断减小。

由于减速水剂的结构由憎水基和亲水基构成，当矿渣微粉基注浆材料浆液中掺入减水剂时，憎水基会吸附浆液中的颗粒，这而亲水基吸附浆液中的水，最终使颗粒表面形成一层稳定的水化膜，从而使颗粒间在接触时的摩擦阻力降低，提高浆液的流动度，但也会使浆液的析水率有所提高。因此，对于不同注浆工程，掺入减水剂的量需要控制，不是掺入越多越好。

2.4.2浆液流动性试验结果及分析

1、浆液流动性试验结果

从表2-5的浆液流动度试验结果可以分析出，D1～D9的流动度在145～282mm之间变化，其变化范围较大，这说明四个因素对浆液的流动性影响是比较大的，同时也说明根据不同的注浆工程，浆液的流动度是可以人为控制的。而D10～D12（水灰比为0.4～0.6）是425普通硅酸盐水泥净浆的流动度（125-260mm），其与D1～D9对比可以得出，矿渣微粉基注浆浆液的流动性要比水泥浆液的流动性好。

表2-5浆液流动度试验结果

2浆液流动性试验结果分析

本小结主要通过对正交试验的四个因素来分析水灰比、矿渣微粉比表面积、最优配方和减水剂掺量分别对浆液流动性的影响。

表2-6浆液流动度正交试验结果

从表2-6可以看出水灰比、矿渣微粉比表面积、最优配方和减水剂掺量对浆液流动影响程度由大到小可以分为：水灰比>矿渣微粉比表面积>减水剂掺量>最优配方。从极差大小来看，水灰比对浆液流动性的影响远大于其它三个因素的影响程度，其次对浆液流动度影响较大是矿渣微粉比表面积，减水剂掺量和最优配方对浆液流动度的影响较小，且两者影响程度接近。因此得出浆液流动度最优配比为A₃B₁C₂D₃。

下面从理论上分析四个正交因素对浆液流动性影响程度：

图8(a)为不同水灰比对浆液流动度的影响。从图中可分析出，随着水灰比从0.4到0.6的变化过程中，浆液流动度也不断增大，且基本是呈直线增长。其与析水率随着水灰比变化的趋势是一样的，都是随着浆液水灰比增大，析水率和流动度都急剧增长。

水灰比的变化对浆液流动度的影响原理与水灰比的变化对析水率的影响原理是类似的。水灰比的增加实质是使浆液中的自由水量增大，浆液的浓度自然也下降，因此浆液中的固体颗粒接触的机会大大降低，从而浆液中的内部摩擦阻力降低，所以水灰比增大会使浆液的流动度也增大。

图8(b)为矿渣微粉比表面积对浆液流动度的影响。从图中可以看出随着矿渣微粉比表面积的增大，浆液的流动性在减小。

其原因是矿渣微粉经过球磨后，不仅使其比表面积增大，颗粒粒径变小，而且使矿渣微粉颗粒的缺陷增多，这两方面都有助于提高矿渣微粉的活性，从而最终对早期矿渣微粉基浆液形成更多的水化产物有利，这些水化产物之间相互链结，使浆液中的粘度得到增大，从而使浆液的流动度降低。所以随着矿渣微粉比表面积的减小，矿渣基浆体流动性变小。

图8(c)为最优配方对浆液流动度的影响。从图中可以得出，浆液在掺入7天最优配方时浆液流动度最大为221mm，在掺入28天最优配方时浆液流动最小为214mm。最优配方对浆液流动度的影响主要为：复合激发剂配方掺入浆液中使浆液的浓度增大并且其会与矿渣微粉中的玻璃相发生水化反应，这两方面的因素，使浆液稠度增大，从而使矿渣微粉基注浆浆液的流动度降低，从表和图中可以看出掺入28天最优配方的浆液的激发效果最好，同时其流动度也最小，从这方面也印证了上面的分析。

图8(d)为减水剂掺量对浆液流动度的影响，从图中可以看出当减水剂掺量从无增加到0.1%时，流动度在不断增加。减水剂对流动度作用机理与其对析水率的作用激理是类似的。不是掺入量越大越好，而是存在一个最佳掺量。

2.4.3试块抗压强度试验结果及分析

1试块抗压强度试验结果

从表2-7可以看出，浆液结石体1天、7天、28天龄期抗压强度试验结果差别较大，且试块早期强度增长较快，而后期强度增长缓慢。

表2-7试块抗压强度试验结果

2浆液结石体抗压强度的分析

本小结主要从水灰比、矿渣微粉比表面积、最优配方、减水剂掺量的正交试验结果来分析各因素对结石体抗压强度的影响。

表2-8试块抗压强度正交试验结果

表2-8为试块不同龄期抗压强度试验分析结果。从表中可以看出，四个因素对试块的抗压强度影响很大。从极差分析可以看出四种因素对浆液各龄期试块抗压强度影响程度，它们从大到小依次为：水灰比>矿渣微粉比表面积>减水剂掺量>最优配方，1天龄期时试块抗压强度在8.7～32.1MPa之间，7天龄期时结石体抗压强度在18.0～53.2MPa之间，28天龄期时结石体抗压强度在28.0～62.3MPa之间，优化出的最优配比都为A₁B₃C₃D₂或A₁B₃C₂D₂。

水灰比对浆液结石体强度的影响最大。如图9(a)所示，试块1天、7天和28天抗压强度随着水灰比增加而降低。这是因为矿渣微粉基注浆浆液的结石体抗压强度由其所用配方和浆液的水灰比所决定。1918年D·A·艾布拉姆斯(Abrams)得到下列结石体强度计算公式^[66]：

$R=\frac{K_1}{K_2^{w/c}}---(2-3)$

式中：W/C为水灰比，K_l为经验常数，K₂也为经验常数，1896年R·费莱(Feret)提出公式4-4：

$R=K{\left(\frac{c}{c+e+a}\right)}^2---(2-4)$

式中：R为结石体强度、c为矿渣等胶凝材料、e为水、a为空气的绝对体积、K为常数。从公式2-3和2-4可以看出，水灰比的增大会使试块的抗压强度减小。

矿渣微粉比表面积对浆液试块抗压强度的影响较大。如图9(b)所示，随着矿渣微粉比表面积增大，试块1天、7天和28天抗压强度也增大。

最优配方对浆液结石体强度的影响很小。如图9(c)所示，1天、7天和28天抗压强度随着最优配方变化而增大。最优配方对浆液结石体强度影响也应该从对矿渣活性激发程度方面来考虑，其原因是复合激发剂能够有效的激发矿渣微粉的活性，使矿渣微粉能够尽可能都水化，生成较多水化产物，产生较高强度。

减水剂对浆液结石体强度的影响较小。如图9(d)所示，抗压强度随着减水剂掺量增加先增大后降低。当减水剂掺量从0增加到0.05%时，1天、7天和28天抗压强度都有所提高，但当掺量从0.05%增加到0.1%时，1天、7天和28天抗压强度都降低，这说明掺入少量的减水剂后对结石体的抗压强度提高是有利的,但掺量超过一定量时，强度反而降低。这主要是因为减水剂掺入超过一定量时，相当于在某种程度增加了浆液的水灰比，所以浆液结石体强度有所降低。

2.4.4浆液结石率试验结果及分析

1浆液结石率试验结果

根据试验要求，通过测试浆液1天结石率，其试验结果见表2-9，浆液结石体的结石率在94.45%～100%之间，D₁～D₆的结石率都在98%以上，只有D₇、D₈、D₉的结石率偏低。其中D₅的结石率最高为100%，D₉的结石率最低为94.45%。而不同水灰比的水泥净浆浆液的结石率在90.50%～97.30%之间。总体来说，矿渣基注浆材料配方要比水泥浆液的结石率要好。

表2-9浆液1天结石率试验结果

试验编号	结石率(%)	试验编号	结石率(%)
				D1	97.60	D7	96.85
D2	99.31	D8	94.50
				D3	98.00	D9	94.45
D4	99.50	D10（0.4）	97.30%
				D5	100.00	D11（0.5）	96.20%
D6	99.50	D12（0.6）	90.50%

2浆液结石率试验结果分析

根据表2-10的试验结果可以看出，浆液结石体的结石率在94.45%～100%之间，浆液的结石率都比较好，通过正交试验极差分析可以得出四种影响因素对浆液结石率影响从大到小依次为：水灰比>减水剂掺量>最优配方>矿渣微粉比表面积，最后得出的最优配比为A₂B₁C₃D₂。

表2-10浆液1天结石率正交试验分析结果

从图10(a)中可以看出，0.4～0.5的水灰比是结石率增加区间，其原因是当水灰比为0.4时，浆液中自由水没有达到饱和状态，结石体还需要水参与水化反应；但是当水灰比大于0.5以后，结石率明显有所下降，其原因是浆液中的自由水参与反应以后达到饱和，剩余的自由水从浆液中析出，使得结石体上部出现了“空区”，使得结石率下降。

矿渣微粉比表面积对浆液的结石率影响最小，从图10(b)中可以看出，矿渣微粉比表面积从300m²/Kg增大到500m²/Kg时，结石率不断减小，但变化很小。这是因为矿渣微粉比表面积越大，矿渣微粉基浆液的水化速率不同。

最优配方也在一定的程度上影响结石率的增长。从图10(c)可以看出，1天最优配方激发矿渣得到的结石率最小，7天最优配方激发矿渣微粉的结石率略高于1天的，而28天最优配方激发矿渣微粉的结石率最大。其原因是不同配方的激发剂激发矿渣的水化反应过程中对于自由水参与反应的量要求不同。

减水剂掺量与最优配方对结石率影响程度大致相同。从图10(d)可以看出，减水剂掺量0～0.05%是结石率增加区间，但当减水剂掺量大于0.05%以后，继续增加减水剂掺量导致结石率有所下降。其原因是减水剂为表面活性剂，可以达到均匀分散浆液中颗粒的效果，从而增大了水灰比。其原因是较小的减水剂掺量不影响浆液中颗粒的稳定性，不会产生颗粒迅速团聚的现象，从而结石率有所增长；但是一旦减水剂掺量超过临界值，颗粒迅速团聚，从而降低结石率。

2.4.5浆液初终凝时间试验结果及分析

1浆液初终凝时间试验结果

浆液初终凝时间试验结果见表2-11，浆液初凝时间在90～215分钟之间，终凝时间在170～385分钟之间；其中D₇的初终凝结时间最长，初凝为215分钟，终凝为385分钟。

表2-11浆液初终凝时间试验结果

2浆液初终凝时间试验结果分析

从表2-12的分析可以看出，浆液的初终凝时间变化都比较大。通过正交试验极差分析可以得出：四种影响因素对浆液初终凝时间影响从大到小依次为：矿渣微粉比表面积>水灰比>减水剂掺量>最优配方。

表2-12浆液初终凝时间试验结果

从图11(a)中可以看出，水灰比对浆液初终凝结时间影响较大。浆液的初终凝时间随着水灰比增大而明显增加，其原因是水灰比越大，浆液越稀，矿渣微粉颗粒之间的距离变大，从而导致初终凝时间变大。

矿渣微粉比表面积对浆液的初终凝时间影响较大，从图11(b)中可以看出，矿渣微粉比表面积从300m²/Kg增大到500m²/Kg时，初终凝时间逐渐减小。这是因为矿渣微粉比表面积越大，颗粒粒径越细，矿渣微粉基浆液水化速率不同。

最优配方对也在一定程度上影响初终凝时间。从图11(c)可以看出，1天最优配方初终凝时间最小，28天最优配方初终凝时间大于1天的，而7天最优配方的初终凝时间最长，产生这样的差异的原因是不同复合激发剂对浆液的水化速率影响不同。

减水剂掺量对浆液初终凝时间有一定的影响。从图11（d)可以看出，减水剂掺量0～0.05%是初终凝时间明显增加区间，但当减水剂掺量大于0.05%以后，浆液的初终凝时间有下降趋势。减水剂是亲水表面活性剂，可以吸附矿渣颗粒从而在浆液表面形成稳定层，但是吸附了之后会使矿渣颗粒带负电荷，使得颗粒之间产生了斥力，从而矿渣颗粒分散开来，进而使得凝结时间增大。

2.5矿渣微粉基注浆材料的效益分析

本发明的矿渣微粉基注浆材料成本在373元/吨左右，每吨425普通硅酸盐水泥的制造成本约为400元/吨，比生产同样等级的普通硅酸盐水泥成本降低约7%。因此，生产该种注浆材料具有一定的社会效益和经济价值。同时，水泥的生产和使用对环境的污染较大，而矿渣微粉是一种废料利用，对环境无污染，符合可持续发展要求，是一种绿色科技。

2.6小结

通过研究得出以下结论：

（1）通过不同水灰比的水泥净浆与矿渣微粉基注浆材料进行对比分析，矿渣微粉基注浆材料在析水率、结石率和流动度方面都要比水泥净浆要更好。

（2）本部分在前一部分矿渣微粉活性激发剂试验的基础上，以水灰比、矿渣微粉比表面积、最优配方和减水剂掺量这四个因素进行了试验，从浆液的析水率、流动度、结石率、试块各龄期抗压强度和初终凝时间这五方面来考察矿渣微粉比表面积、水灰比、减水剂掺量和最优配方对浆液结石体性能的影响，并在理论上分析了其对浆液的影响。

（3）对矿渣微粉基注浆材料进行效益分析，其较425普通硅酸盐水泥价格要更低，证明该配方具有应用价值。

Claims (6)

1.一种用于制备矿渣早强注浆材料的复合激发剂，其特征在于，其配方的各组分重量比为NaOH:KOH:Ca(OH)₂:Na₂SiO₃·9H₂O:Na₂CO₃=2-3:1.0-1.5:0.5-1.5:1.0:2。

2.根据权利要求1所述的复合激发剂，其特征在于，

所制备的注浆材料为1天龄期的激发剂配方的各组分重量比为NaOH:KOH:Ca(OH)₂:Na₂SiO₃·9H₂O:Na₂CO₃=3:1.5:0.5:1.0:2；

所制备的注浆材料为7天龄期的激发剂配方的各组分重量比为NaOH:KOH:Ca(OH)₂:Na₂SiO₃·9H₂O:Na₂CO₃=2:1.5:1.5:1.0:2；

所制备的注浆材料为28天龄期的激发剂配方的各组分重量比为NaOH:KOH:Ca(OH)₂:Na₂SiO₃·9H₂O:Na₂CO₃=2:1.0:1.5:1.0:2。

3.一种矿渣早强注浆材料，其特征在于，是在比表面积为300-500m²/Kg的矿渣微粉中添加了激发剂和减水剂，其水灰比0.4-0.6；所述的激发剂各组分占矿渣早强注浆材料的重量百分比分别是：NaOH 2-3wt%、KOH 1.0-1.5wt%、Ca(OH)₂ 0.5-1.5wt%、Na₂SiO₃·9H₂O 1.0wt%、Na₂CO₃ 2%；减水剂的添加量为0.05-0.1wt%。

4.根据权利要求3所述的矿渣早强注浆材料，其特征在于，

所述的注浆材料为1天龄期的激发剂各组分占矿渣早强注浆材料的重量百分比分别是：3%NaOH、1.5%KOH、0.5%Ca(OH)₂、1%Na₂SiO₃·9H₂O、2%Na₂CO₃；

所述的注浆材料为7天龄期的激发剂各组分占矿渣早强注浆材料的重量百分比分别是：2%NaOH、1.5%KOH、1.5%Ca(OH)₂、1%Na₂SiO₃·9H₂O、2%Na₂CO₃；

所述的注浆材料为28天龄期的激发剂各组分占矿渣早强注浆材料的重量百分比分别是：2%NaOH、1%KOH、1.5%Ca(OH)₂、1%Na₂SiO₃·9H₂O、2%Na₂CO₃。

5.根据权利要求3所述的矿渣早强注浆材料，其特征在于，

减水剂为木质素磺酸钙。

6.权利要求3-5任一项所述的矿渣早强注浆材料制备方法，其特征在于，

(1)根据所设计的配方，称好矿渣微粉、激发剂、减水剂和所需水的量；

(2)将称好的矿渣微粉和激发剂先倒入净浆搅拌机中，开始搅拌半分钟，再把称好的水倒入搅拌机，继续搅拌5分钟；

(3)再加入减水剂，搅拌5分钟即可。

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