沥青－水泥复合灌浆材料的制备及性能研究

邵晓妹1，2，3，李 珍1，2，3，甘国权1，2，3，韩 炜1，2，3

(1.长江科学院，湖北武汉，430010;2.长江科创科技发展有限公司长江工程技术分公司，湖北武汉，430010;3.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010)

作者简介: 邵晓妹(1981—)，女，江苏沛县人，工程师，主要从事水工建筑物修补和灌浆材料的研究与应用。

【摘 要】 在特殊环境深井巷道开挖和修复过程中，由于巷道围岩极其破碎，直接影响井下安全和高效生产，需要灌浆加固。本文将快硬硫铝酸盐水泥进行改性，通过一定的复合工艺将它与改性的沥青进行复合，系统研究了沥青乳液的掺入对其力学性能的影响，制备出沥青－水泥复合灌浆材料。此材料具有低水灰比、高流动性、柔韧性好、适当变形、界面粘结力强度高、早强、高强、凝结时间短以及环保、生产成本低等优良性能，应用于某些对流动性和凝结时间有较高要求的工程上，扩大了工程选材的范围，并实现了裂缝修补灌浆材料绿色环保高性能化。

【关键词】 特殊环境; 快硬硫铝酸盐水泥; 沥青; 沥青－水泥复合灌浆材料

1 前言

在特殊环境深井巷道开挖和修复过程中，由于巷道围岩极其破碎，围岩松动破碎范围大，直接影响井下安全和高效生产。灌浆加固是目前防治井下事故的有效措施，但是在灌浆过程中还存在很多问题，如目前常用普通硅酸盐水泥、高强速凝水泥浆液凝固结石体强度高但脆，当围岩裂隙面出现剪切变形或裂隙发生张开变形时，浆液结石体因不能适应围岩的变形而发生破坏失效等。化学灌浆材料具有真溶液性、凝结时间可控性等优点，但因其大部分具有毒性，与基体的相容性差且对环境条件的要求比较苛刻等缺点，应用受到很大限制。无机灌浆材料因其经济环保等特点，一直受到人们的青睐，但其存在可灌性差、凝结时间过长、柔韧性差、体积收缩大等缺点，同样限制了无机灌浆材料的应用和发展。制备出有机－无机复合灌浆材料成了目前极为重要的研究课题。

2 试验用原材料

(1)沥青

沥青是由高分子碳、氢化合物及其非金属衍生物组成的混合物。在常温下沥青呈褐色或黑褐色固体、半固体或液体形态，能溶于有机溶剂，改性后成沥青乳液。

(2)水泥

水泥采用孝感安达特种水泥有限公司生产的42.5级快硬硫铝酸盐水泥(R·SAC)。

(3)消泡剂

采用通洋化工生产的B－943消泡剂。

(4)早强剂、减水剂、速凝剂

早强剂、减水剂等外加剂均由江苏博特新材料有限公司生产，用来调整早期强度和凝结时间，优化配方，满足不同灌浆要求。

3 试验内容

3．1 沥青改性

(1)沥青乳化

在60g沥青中加入40g蒸馏水、2g乳化剂和0.5g稳定剂，将沥青加热融化，用超声波乳化法混合均匀。

(2)沥青改性

将乳化后的沥青按照2 1的比例加入氯丁胶乳液，加入少量的硫化剂、软化剂、环氧树脂和硬化剂等混合均匀。

改性后的沥青在低温条件下有弹性和塑性，在高温时有足够的强度和热稳定性，在使用过程中具有抗老化能力及与各种矿物和结构表面很强的粘结力。

3．2 沥青－水泥复合灌浆材料的制备

根据灌浆材料配方的经验，初步设计沥青－水泥复合灌浆材料的配方，外加剂的掺加是相对于胶凝材料用量的比率。初步配方见表1所示，通过进一步的试验研究，以确定最佳的配方组成。

表1 沥青－水泥复合灌浆材料的初步配方

4 试验结果与讨论

4．1 沥青的选择

沥青是一种有机胶凝材料，具有良好的憎水性、粘结性和塑性，能抵挡酸碱侵蚀。按照产源可分为石油沥青和煤沥青等，两种沥青的性能见表2。

表2 石油沥青和煤沥青的一般性能比较

由以上对比试验结果，本试验选取的是石油沥青，它也是目前使用最为广泛的沥青材料。沥青虽然塑性良好，施工方便，但因需使用很多的有机溶剂，使用后又完全挥发，在经济上是不合理的，因此研究使用乳化沥青。将沥青加热熔化后，经过机械剪切的作用，使细小的沥青微粒分散在有乳化剂的水溶液中，形成水包油的沥青乳液，即为沥青的乳化。而在灌浆材料的要求中需要固结体有很好的粘结能力和变形能力，故选择加入氯丁橡胶乳液，它与沥青有较好的混溶性。聚合物弹性体的加入，使沥青具有橡胶的很多优点，如高温变形小、低温柔性好等。

4．2 水泥的选择

工程上一般采用三种水泥作为水泥灌浆的原材料，一种是普通水泥掺加速凝剂等; 一种是高强速凝材料，选用铝矾土、石灰和石膏为主要原料，配以多种无机原料和附加剂，经磨细、均化等工艺，配制成包括甲、乙两种粉末的水硬性胶结材料。其最大优点是用甲、乙两种固体粉末与水搅拌制成的甲、乙两种浆液，单独放置24h不凝固，流动性好，但两种浆液混合十几分钟后即可凝结成固体; 快硬硫铝酸盐水泥具有早期强度高、收缩小、抗渗性能好、耐腐蚀强等优点。三种常见水泥类灌浆材料性能见表3。

表3 三种常见水泥类灌浆材料性能

由以上分析可知，采用孝感安达特种水泥有限公司生产的42.5级快硬硫铝酸盐水泥(R·SAC)，为了保证复合灌浆材料成品的可灌性，我们要求厂家生产的42.5级快硬硫铝酸盐水泥比表面积在600～800m2/kg，改性后的快硬硫铝酸盐水泥比表面积接近于新型超细水泥。此种改性后的新型水泥结合了快硬硫铝酸盐水泥及超细水泥的特点，本身是一种理想的高性能超微粒水泥基灌浆材料，它具有与有机化学灌浆液相似的良好渗透性和可灌性，具有更高的强度和耐久性，且具有环保性，对周围环境无污染，同时具备了快硬硫铝酸盐水泥早强、高强、高抗渗、高抗冻、耐蚀、低碱和生产能耗低、韧性好、抗裂性和抗渗性能、吸水率低及耐磨等特点。改性快硬硫铝酸盐水泥化学成分及矿物组成见表4，物理力学性能见表5。

表4 改性快硬硫铝酸盐水泥的主要化学成分及矿物组成(%)

表5 改性快硬硫铝酸盐水泥物理力学性能检验结果

4．3 水灰比对沥青－水泥复合灌浆材料的影响

为了获得性能最佳的沥青－水泥复合灌浆材料，保证固结体的强度，经过前期丙乳－水泥复合灌浆材料中大量的配方试验，确定聚灰比为0.1，进行了不同水灰比对复合材料漏斗粘度、抗压、抗折强度影响的试验。由图1～图3可以确定水灰比为0.55～0.60的复合材料性能最佳。

图1 水灰比对漏斗粘度的影响

4．4 配方的确定

综合上述试验结果，得到沥青－水泥复合灌浆材料较好性能的最终配方如表6所示，其性能检测结果如表7所示。

图2 水灰比对抗压强度的影响

图3 水灰比对抗折强度的影响

表6 沥青－水泥复合灌浆材料配方

表7 沥青－水泥复合灌浆材料力学性能试验结果

从表7可知，所开发的沥青－水泥复合灌浆材料具有可灌性，凝结时间现场可调且灌浆材料固结体具有水泥的强度特性，且高于丙乳－水泥复合灌浆材料所具备的变形能力。沥青－水泥复合灌浆材料粘结强度较水泥高，生产成本较低，浆材结石体具有适当的变形，能满足固结补强的需要。

4．5 沥青－水泥复合灌浆材料性能表征

为了对灌浆材料的结构作进一步的了解和分析，进行了扫描电镜(SEM)分析，扫描电镜型号为日本日立公司生产的S－570。用于观察和分析水泥在复合材料中的微观形态。样品为经液氮处理后折断形成的断面，表面喷金后测定。

图4 沥青－水泥复合灌浆材料的SEM图

图4为沥青－水泥复合灌浆材料固结体的断口照片，从图中可以看出，沥青和水泥分散均匀，无团聚现象，复合材料断面裂纹方向在不断地发生变化，且没有一定的方向性，增强了复合材料的抗冲击能力和变形能力。

此外，不同掺量组合的水泥乳化沥青净浆试件水化产物7d、28d、90d的SEM图片见图5～图7所示。

图5 水泥乳化沥青7d水化产物SEM照片

(a)未掺乳化沥青; (b)掺乳化沥青

从图5(a)中可以看出，7d时水泥处于水化早期，未掺乳化沥青的水泥净浆水化产物主要是C－S－H凝胶、Ca(OH)2、AFt、AFm等，还有一些未水化的水泥熟料颗粒，孔隙率大，晶体形态尚未完全发育; C－S－H凝胶主要以Ⅱ型为主，等大粒子的Ⅲ型C－S－H很难发现。孔洞中存在一些针状钙矾石(AFt)，造成这一原因可能是由于石膏、石灰能够激发试样形成钙矾石(AFt)。但随着龄期的增长，未水化的颗粒逐渐减少，水化产物增多，结构逐渐密实。水化产物仍以等大粒子聚集而成的团状C－S－H凝胶为主。掺入乳化沥青后，图5(b)中乳化沥青未参与水泥水化反应，硬化后的水泥乳化沥青浆体内部存在许多孔隙，是成型过程中引入空气形成的气泡破裂和水分蒸发留下的“空位”所致。浆体表面并不光滑，凹凸不平且存在许多凸起。沥青颗粒圆润，部分包裹水泥颗粒，水泥水化速度减缓。

图6 水泥乳化沥青28d水化产物SEM照片

(a)未掺乳化沥青; (b)掺乳化沥青

图7 水泥乳化沥青净浆90d水化产物SEM照片

(a)未掺乳化沥青;( b)掺乳化沥青

28d龄期时，图6(a)中水化产物为纤维状(Ⅰ型)、网状(Ⅱ型)和颗粒状(Ⅲ型) C－S－H凝胶，有些I型C－S－H凝胶组成花朵形状，有一些Ca(OH)2晶体和六角小片状单硫型水化硫铝酸钙。图6(b)中乳化沥青中水分参与水化反应，水化产物逐渐增多，沥青颗粒由规则的球形变成不规则的球饼状，并附着在水泥水化产物上。

随着水化的进行，90d龄期时，图7(a)中，水泥石结构致密化程度继续提高，水化产物发育完善，相互交织在一起，结构更加致密，还可以看到很多条状Ca(OH)2晶体。图7(b)中尽管水化产物很多，仍可以观察到部分沥青与水化产物相互镶嵌。

5 结语

(1)采用乳化沥青对快硬硫铝酸盐水泥进行改性，制备了沥青－水泥复合灌浆防水材料，通过扫描电镜(SEM)观察，水泥均匀地分散在沥青乳液中。

(2)沥青－水泥复合灌浆材料是由乳化沥青和水泥组合而成的一种复合灌浆材料，这是高分子聚合物和无机材料的互穿网络结构，它具有水泥结石体的强度，又因沥青乳液的介入增加了浆液的扩散能力，提高了可灌性。它们的组合因优势互补，使该复合灌浆材料具有较高的强度和较好的形变能力。

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