CN114716194A - 一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料及其制备方法与应用。以重量份数计包括粉煤灰80‑120份，高炉矿渣微粉100‑150份，细砂250‑400份，水80‑100份，水玻璃溶液40‑60份，氢氧化钠固体5‑10份，减水剂1‑2份，缓凝剂1‑2份，石墨粉40‑60份。将称取好的粉煤灰、高炉矿渣微粉、细砂、减水剂、缓凝剂和显影剂混合得到A混合物；将称取好的水玻璃溶液与氢氧化钠固体搅拌至完全溶解得到B溶液；在B溶液中加入水，并将A混合物放入中搅拌得地聚物灌浆材料。本发明在保持地聚物类灌浆材料强度高、流动性好、成本低等优势的同时，通过加入石墨粉作为雷达显影剂，从而实现对灌浆质量的准确评。
Description
技术领域
本发明属于道路工程养护维修领域，涉及到一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料及其制备方法与应用。
背景技术
道路在使用过程中需要承受行车荷载和水热等复杂的环境荷载，会出现基层松散脱空、局部强度不足和路基沉陷等病害。灌浆加固技术因其工艺简单，加固周期短和对环境影响较小的优势，在道路非开挖养护维修领域中的应用日益广泛。灌浆技术是指通过将灌浆材料按照选定的孔位以一定的压力注入到路面以下，填充压缩周围的路面结构，从而提高结构密实度和结构承载力的技术。
传统的水泥基灌浆材料价格低，但其流动性难以控制、干缩较大，并且产生较高的碳排放；高聚物类灌浆材料具有瞬间凝结固化、无需养护的特点，但其较高的成本和相对较低的强度限制了其应用。地聚物材料是一种新型胶凝材料，通过利用碱激发剂激发如粉煤灰、高炉矿渣等工业废料或具有潜在活性的硅铝化合物得到的具有三维骨架结构的无机高分子聚合材料。
地聚物类胶凝材料具有强度高、流动性好、防水抗渗性能好等优势，能够较好的适应道路养护的需求。其不足之处在于地聚物类灌浆材料的施工效果受气候影响较大，其流动范围、凝结时间和强度等在环境湿度影响下会有变化。
目前对灌浆效果的评价通常采用弯沉测试等间接手段，通过对比选定区域在注浆前后的弯沉值的变化以评价注浆的效果和影响范围，这种间接的评价手段无法准确判断注浆材料是否充分填充密实了道路结构内部的缺陷。
发明内容
针对目前难以检测地聚物类灌浆材料的灌注施工效果的问题，结合现有的探地雷达无损检测技术，本发明提供了一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料及其制备方法与应用。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料，包括以下按重量份数计的组分：粉煤灰80-120份，高炉矿渣微粉100-150份，细砂250-400份，水80-100份，水玻璃溶液40-60份，氢氧化钠固体5-10份，减水剂1-2份，缓凝剂1-2份，石墨粉40-60份。
作为改进的是，所述的粉煤灰为市售普通一级、二级粉煤灰或二者混合物，其细度要求为45微米方孔的筛余不超过20％，三氧化硫含量不高于3％，SiO2、 Al2O3、Fe2O3三种物质质量分数之和不低于80％。
作为改进的是，所述的高炉矿渣微粉为高钙型硅铝源物质，选用S95级及以上等级的高炉矿渣粉，比表面积不低于400m3/kg，CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3三种物质质量分数之和不低于80％。
作为改进的是，所述的水玻璃溶液的水玻璃模数为3.3，波美度为40，水玻璃浓度为39％，水玻璃溶液中SiO2质量分数大于26％，水玻璃溶液中Na2O质量分数大于8.2％。
作为改进的是，所述的细砂为河砂，粒径在4mm以下。
作为改进的是，所述的细砂为粒径在4mm以下的河砂，所述的氢氧化钠固体的纯度大于99％，所述减水剂为聚羧酸类减水剂，所述缓凝剂为酒石酸。
上述具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)，按重量份数计，称取粉煤灰80-120份，高炉矿渣微粉100-150份，细砂250-400份，水80-100份，水玻璃溶液40-60份，氢氧化钠固体5-10份，减水剂1-2份，缓凝剂1-2份，石墨粉(作为显影剂)40-60份；
步骤2)，将称取好的粉煤灰、高炉矿渣微粉、细砂、减水剂、缓凝剂和石墨粉均匀混合得到A混合物；
步骤3)，将称取好的水玻璃溶液与氢氧化钠固体混合搅拌至NaOH完全溶解，得到B溶液；
步骤4)，在B溶液中加入水中，并将A混合物逐步放入拌合机中以 100-200rpm的速度搅拌不少于10分钟，得地聚物灌浆材料。
上述地聚物灌浆材料在道路工程的非开挖养护上的应用，实现对路面结构层间隙的填充，使已发生松散的层间材料发生粘结作用。该材料具有良好的力学性能和流动性，并能够通过雷达显影确定灌注的范围，评估灌浆效果。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料及其制备方法与应用，具有如下优势：
1)雷达显影：石墨粉的相对介电常数通常在10-15，而水泥混凝土和沥青混凝土的相对介电常数通常在5-7之间，两者相对介电常数的差异能够保证在探地雷达的扫描图像上出现明显的差异。此外相比其他常见的显影剂如铁氧体类显影剂，石墨粉的性质比较稳定，不会与本发明中的其余组分进行反应，从而可以保留较好的显影性能。基于以上两点，从而可以快速便捷的判断本灌浆材料在灌浆施工中的实际覆盖范围和填充密实度，帮助施工人员确定灌注孔位的增补，为工程实际提供指导。
2)经济环保：与目前的水泥基和沥青基灌浆材料相比，本发明使用的地聚物类灌浆材料的原材料粉煤灰和高炉矿渣微粉主要来自于工业生产中的副产物，这不仅减少水泥和沥青用量，降低了生产成本和原材料制备过程中的碳排放量，同时充分利用了工业废料，提高了产品利用率，具有经济与环保的优势。
附图说明
图1为本发明各实施例在灌注后的雷达显影效果对比图。
具体实施方式
下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料，包括以下按重量份数计的组分：粉煤灰80-120份，高炉矿渣微粉100-150份，细砂250-400份，水80-100份，水玻璃溶液40-60份，氢氧化钠固体5-10份，减水剂1-2份，缓凝剂1-2份，石墨粉40-60份。
作为改进的是，所述的粉煤灰为市售普通一级、二级粉煤灰或二者混合物，其细度要求为：45微米方孔的筛余不超过20％，三氧化硫含量不高于3％，SiO2、 Al2O3、Fe2O3三种物质的质量分数之和不低于80％。
作为改进的是，所述的高炉矿渣微粉为高钙型硅铝源物质，选用S95级及以上等级的高炉矿渣粉，比表面积不低于400m3/kg，CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3三种物质的质量分数之和不低于80％。
作为改进的是，所述的水玻璃溶液的水玻璃模数为3.3，波美度为40，对应的浓度为39％，水玻璃溶液中SiO2含量≥26％，水玻璃溶液中Na2O含量大于8.2％。
作为改进的是，所述的细砂为河砂，粒径在4mm以下。
作为改进的是，所述的细砂为粒径在4mm以下的河砂，所述的氢氧化钠固体的纯度大于99％，所述减水剂为聚羧酸类减水剂，所述缓凝剂为酒石酸。
上述具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)，按重量份数计，称取粉煤灰80-120份，高炉矿渣微粉100-150份，细砂250-400份，水80-100份，水玻璃溶液40-60份，氢氧化钠固体5-10份，减水剂1-2份，缓凝剂1-2份，石墨粉40-60份；
步骤2)，将称取好的粉煤灰、高炉矿渣微粉、细砂、减水剂、缓凝剂和石墨粉均匀混合得到A混合物；
步骤3)，将称取好的水玻璃溶液与氢氧化钠固体混合搅拌至NaOH完全溶解，得到B溶液；
步骤4)，在B溶液中加入水中，并将A混合物逐步放入拌合机中以100-200rpm的速度搅拌不少于10分钟，得地聚物灌浆材料。
本发明地聚物灌浆材料适用于道路基层的松散开裂以及承载力不足等病害，具有强度高、流动性好和成本低等优势。利用灌浆设备可以将得到的灌浆材料注入至道路基层中的指定位置，起到填充密实的作用，同时可以使用探地雷达对灌浆效果进行扫描，以准确判定灌浆效果。
实施例1-5
步骤1)按重量份数称取各原材料，各实施例的物质组成如下表1所示。其中实施例1作为对照组，实施例2、3、4、5与实施例1的区别在于分别调整了水、细砂、高炉矿渣微粉和粉煤灰的用量，以比较各原材料对本发明性能的影响，实施例6与实施例1的区别在于取消了显影剂以对比雷达显影效果。
表1实施例1-6所用的配合比(按照重量份数计)
步骤2)将称取好的粉煤灰、高炉矿渣微粉、细砂、减水剂、缓凝剂和显影剂均匀混合得到A混合物；
步骤3)将称取好的水玻璃溶液与氢氧化钠固体混合搅拌至NaOH完全溶解，得到B溶液；
步骤4)在B溶液中加入称取好的水，并将步骤2中得到的A混合物逐步放入拌合机中以100-200r/min的速度搅拌不少于10分钟，最终得到本发明中的灌浆材料。
利用灌浆设备将本材料灌注填充至指定区域，并对灌浆材料的1d和3d抗压强度、流动性、凝结时间和雷达显影效果进行测试：
抗压强度测试的试验方法参考GB/T 0517-94《公路工程水泥混凝土试验规程》：成型边长为100mm的正立方体试件，静置一昼夜后拆摸，放入养护室中在标准条件下养护至规定龄期，同龄期的3个试件为一组，检测试件1d和3d的抗压强度，抗压强度按照下式计算，以每组3个试件测值的算术平均值为测定值。
R＝0.95P/A
其中：
0.95—采用非标准试件时的尺寸换算系数；
R—抗压强度(MPa)；
P—极限荷载(N)；
A—受压面积(100×100mm2)。
流动性测试参考GB/T 2419《水泥胶砂流动度测试方法》，使用截锥法测试本发明的流动度，其具体方法如下：
步骤1)将玻璃板和截锥置于试验台，并用水润湿各表面，并确保没有明水；
步骤2)拌合制备对应的灌浆材料，并将拌合完成的浆体迅速倒入截锥模具内，至浆液表面与截锥上口相平，用刮刀刮去多余部分；
步骤3)提起截锥模具，待浆液在玻璃表面自由流动60s或至其停止流动；
步骤4)测量浆体覆盖的最大直径和垂直方向的直径长度，取平均值作为流动度；
本材料的凝结时间采用贯入阻力法进行测定，其具体方法如下：
将砂浆拌匀后装入上口内径为160mm，下口内径为150mm，高150mm的刚性不渗水的金属圆筒，试样表面应略低于筒口约10mm，用振动台振实，约3s—5s，置于(20±2)℃的环境中，容器加盖。使用截面积为100mm2的试针测定凝结时间，将砂浆试样筒置于贯入阻力仪上，测针端部与砂浆表面接触，然后在10s 内均匀地使测针贯入砂浆25mm深度。记录贯入阻力，精确至10N，记录测量时间，精确至1min，贯入阻力按下式计算，精确至0.1MPa：
R＝P/A
其中：
R—贯入阻力(MPa)；
P—深度达25mm时所需的净压力(N)；
A—阻力仪试针的截面积(mm2)；
当贯入阻力值达3.5MPa时，将对应的时间作为凝结时间。
雷达显影效果按照以下方法进行测试：按照实施例1-5和对比例制备对应的灌浆材料，在试验段上进行灌注，完成灌注2小时候进行雷达扫描。选用意大利生产的IDS-RIS雷达，天线的中央频率选择为1600MHz，将雷达天线置于路表20cm 处进行测量，在雷达扫描得到的单波道图像上对比不同实施例的显影效果。
根据上述方法得到的实验结果列于下表2中：
表2各实施例的材料性能
图1展示了各组实施例在灌注后的雷达显影效果，可以明显观察到含有石墨粉的实施例1-5，而未加入显影剂的对比例1的结果并不明显。
实施例1-5采用了本发明中的不同配合比，其结果均能够满足路用灌浆材料的性能要求，在实际工程中，还可以根据路基病害的具体位置、类型进行综合分析，通过合理调整各原料的配比，满足使用需求。实施例1和对比例1的对比结果表明地聚物类灌浆材料在加入石墨粉作为显影剂后其性能损失较少，能够在保留原有材料强度高、流动性好、施工快速且不需要开挖、成本低等优势的同时，提供明显的雷达显影效果，有助于快速评价灌浆施工质量。
Claims (7)
1.一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料，其特征在于，包括以下按重量份数计的组分：粉煤灰80-120份，高炉矿渣微粉100-150份，细砂250-400份，水80-100份，水玻璃溶液40-60份，氢氧化钠固体5-10份，减水剂1-2份，缓凝剂1-2份，石墨粉40-60份。
2.根据权利要求1所述的一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料，其特征在于，所述粉煤灰的细度要求为45微米方孔的筛余不超过20%，三氧化硫含量不高于3%，SiO2、Al2O3、和Fe2O3的质量分数之和不低于80%。
3.根据权利要求1所述的一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料，其特征在于，所述的高炉矿渣微粉选用S95级及以上等级的高炉矿渣粉，比表面积不低于400m3/kg，CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的质量分数之和不低于80%。
4.根据权利要求1所述的一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料，其特征在于，所述的水玻璃溶液的水玻璃模数为3.3，波美度为40，水玻璃浓度为39%，水玻璃溶液中SiO2质量分数大于26％，水玻璃溶液中Na2O质量分数大于8.2％。
5.根据权利要求1所述的一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料，其特征在于，所述的细砂为粒径在4mm以下的河砂，所述的氢氧化钠固体的纯度大于99%，所述减水剂为聚羧酸类减水剂，所述缓凝剂为酒石酸。
6.基于权利要求1所述的一种具有雷达显影效果的地聚物灌浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1），按重量份数计，称取粉煤灰80-120份，高炉矿渣微粉100-150，细砂250-400份，水80-100份，水玻璃溶液40-60份，氢氧化钠固体5-10份，减水剂1-2份，缓凝剂1-2份，石墨粉40-60份；
步骤2），将称取好的粉煤灰、高炉矿渣微粉、细砂、减水剂、缓凝剂和石墨粉均匀混合得到A混合物；
步骤3），将称取好的水玻璃溶液与氢氧化钠固体混合搅拌至NaOH完全溶解，得到B溶液；
步骤4），在B溶液中加入水中，并将A混合物逐步放入拌合机中以100-200rpm的速度搅拌不少于10分钟，得地聚物灌浆材料。
7.根据权利要求1或权利要求6所述的地聚物灌浆材料在道路工程的非开挖养护上的应用。
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