新型注浆材料强度特性与微观结构研究

摘要

随着城市化的不断深入，城市地下空间的开发利用已成为国家建设的重点。对于一些处于复杂地层的地下工程，尤其是位于高含水量的软粘土地层、高液化程度的砂层的地下工程，普通的水泥基注浆材料由于其抗水溶蚀性能差、早期强度低、易受地下水稀释、易分层离析等缺陷，已经不能很好的满足人们对大型隧道工程的要求。新型注浆材料具有速凝、早强、结石率高、高固水、经济环保等特点，可作为一种优良的注浆材料。研究新型注浆材料原材料对新型注浆材料强度及微观结构的影响，将有助于了解新型注浆材料的作用机制，以便改善其强度特性，使其得以推广使用。主要的研究内容和结论如下： 通过试验分析了石灰、SiO2、水灰比、养护龄期对新型注浆材料抗折强度和抗压强度的影响。不同的石灰对不同水灰比的新型注浆材料的强度影响不同。水灰比1.0时，新型注浆材料的强度随着石灰中CaO含量的增加而增加，水灰比2.0时则呈相反趋势。不同SiO2对新型注浆材料强度影响不同。配比合理时，微米SiO2的加入使新型注浆材料的强度提高5%左右；而纳米SiO2的加入反而使材料强度值降低20%左右。新型注浆材料的强度随着水灰比的增加而降低，水灰比增加0.5时，强度降低约40%。随着养护龄期的增加，新型注浆材料的抗压强度持续增加，抗折强度则是先增加后降低。 通过BET和MIP试验分析了石灰、SiO2、水灰比和养护龄期对新型注浆材料孔结构的影响。孔结构试验结果表明新型注浆材料是一种多孔、较大孔材料。对于水灰比1.5和2.0的新型注浆材料，孔径为0~200nm的孔的孔体积占14.61%~19.98%，孔径为200~1000nm的孔的孔体积占61.55%~77.06%，孔径为1000~10000nm的孔的孔体积占3.56%~20.09%，孔径大于10000nm的孔的孔体积占2.57%~3.40%。孔结构试验与强度试验相吻合，各影响因素对新型注浆材料的孔结构的影响主要表现为强度低的新型注浆材料孔体积大，大孔径孔多。 通过TGA-DSC和SEM试验，分析了石灰、SiO2、水灰比、养护龄期对新型注浆材料水化产物（物相组成和微观相貌）的影响。TGA-DSC获得的曲线在90℃附近、230℃附近和660℃附近存在较明显的3个吸热峰，表明新型注浆材料的主要水化产物为钙矾石、铝胶和C-S-H/C-A-S-H凝胶，SEM-EDS分析获得了相同的结论。当以上各类产物的数量较多时，新型注浆材料的微观结构更为致密，宏观强度特性更好。 采用3D-XRM系统和三维可视化软件对新型注浆材料进行三维重构，获得新型注浆材料的三维重构模型，对各组成相进行定量分析，为新型注浆材料微观结构的研究提供了可供参考的方法。对比了本文所用的三种不同的测孔方法获得的结果，三种测孔方法各有优势，BET更适合测试孔径小于50nm的孔，3D-XRM在测试微米级别的孔上体现出优越性，MIP则是能较为全面地展现新型注浆材料不同孔径的孔分布。

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