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技术领域
莱芜海易胶固材料有限公司研发的早强抗水分散和抗溶蚀盾构背衬注浆材料属于无机非金属建筑材料类，新型盾构背衬注浆胶固粉。
背景技术
随着国家经济建设的发展，地下工程日益增多，各种工况条件下的盾构施工技术将面临着严峻的挑战，其中背衬注浆材料的性能也需要优化来满足其对地层围岩变形以及对隧道的保护作用。背衬注浆材料的使用性质决定了其低强度的特性，传统的背衬注浆材料主要采用水泥砂浆作为胶凝材料来填充隧道与围岩之间的间隙，而在富含水的工程条件下，背衬注浆长时间处于饱和地下水状态下，水泥砂浆中的化学组成极易被地下水侵蚀或溶蚀，在使用不到一年的时间就会出现强度倒缩现象，饱和水条件下5年抗压强度/28d抗压强度（软化系数）：≤50％，使用寿命大大降低。因此针对高水压饱水条件下的盾构隧道背衬注浆材料，急需开发出一种在饱和地下水长期侵蚀下强度仍然不倒缩的早强抗水分散和抗溶蚀盾构隧道背衬注浆材料。
背衬注浆胶固粉在于提供一种在饱和水条件下具有早强、抗水分散、抗溶蚀性能和耐久性的盾构隧道背衬注浆材料，由于传统盾构隧道背衬注浆材料主要采用水泥、粉煤灰与C-H的水化产物C-S-H凝胶作为强度来源，而隧道一般都处于地下水的直接作用下，若地下水质属于淡水性质，则会对背衬注浆造成淡水侵蚀，背衬注浆材料中的Ca2+向淡水中扩散，C-S-H凝胶分散，背衬注浆材料从而失去强度，起不到隧道保护层的作用；若地下水质属于酸性水质，则会因水溶液中的H+与背衬注浆中水泥石C-H作用，使得水泥石中C-H的液相浓度降低，从而引起C-S-H凝胶的分解，使材料失去强度；若地下水属于硫酸盐和镁盐侵蚀，则会因水中盐类与水泥石中成分反应生成的产物逐渐在水泥石毛细管中积累和长大，开始会使背衬注浆材料暂时紧密，但是其量积累到一定程度之后会产生显著的内应力从而使材料破坏。
本产品全部采用工业废渣在激化剂的作用下产生的物质作为凝结材料，这种凝结物质不是由钙硅比C-S-H、C-H等抗水溶蚀能力差的物质组成，而是由碱土—铝硅酸盐水化物、碱—碱土铝硅酸盐水化物、多种种类沸石半晶质物质（霞石、长石、方钠石、钠沸石、杆沸石）低碱性C-S-H凝胶、CaO•Al2O3•xSiO2•yH2O等组成。经研究表明，这些物质的组成很复杂，但在高水压（﹥0.4Mpa）饱水条件下，具有很好的耐久性能。
本产品含有钢渣，钢渣中含有f-CaO、f-MgO,而CaO、MgO和水进行化学反应时，其固相的绝对体积反应后分别比反应前增加了77％、97.92％。由于钢渣经过1650℃的高温锻烧，其中的f-CaO、f-MgO处于死烧状态，所以水化活性较低，随着时间的推移，它仍然会水化。因此当背衬注浆材料中的钢渣组分发生水化时，会使得背衬注浆材料产生微膨胀效应，使背衬注浆材料自身更加密实，且对管片和围岩填充也更密实。
本产品采用激化剂作为增稠剂和保水剂，利用其细度和吸附性加速粒子间的吸引和需水量来增加浆体的粘度和凝聚性能，从而达到在高水压（﹥0.4Mpa）饱水条件下，抗水分散性能。
早强抗水分散和抗溶蚀盾隧道背衬注浆胶固粉的硬化历程如下：
在高水压饱水条件下进行双液注浆时，对材料有一个很重要的指标，就是其早期强度要发展很快。
首先，本材料以激化剂固化产生的网络结构形成材料的初始强度，激化剂固化发生如下反应方程式：
2〔Na2nSiO2〕+Na2nSiF2+mH2O→NaF+﹝2n+1）SiO2•mH2O （1）
﹝2n+1﹞SiO2•mH2O→﹝2n+1）SiO2+ mH2O （2）
其次工业废渣（粉煤灰、矿渣、钢渣）中的SiO4、AlO4四面体开始在激化剂相体系中发生溶解-缩聚-聚合产生高耐久的胶凝物质，胶凝物质结构上具有空间三维网状键接结构。其胶凝体系反应历程可分为以下三个阶段：
第一阶段：玻璃体中Si-O-Si受OHˉ作用而解体，生产-Si-OH和-Si-O-，但它是过渡化合物。
H-O-H OH-
-Si-O-Si →Si﹝OH﹞4+HO﹣Si﹣
H-O-H OH-
-Si-O-Al-O键也有同样的过程。但是HO-Si-阴离子还可能聚合，使得断键反应减缓。然而当处于碱介质的环境中，聚合反应不会发生，因为有：
-Si-O-+ Na+→-Si-O-Na
-Si-O-Na继续反应：
-Si-O-Na+OH-→-Si-O-Na•••••OH
-Si-O-Na﹝-﹞-OH+Ca2+→-Si-O-Ca-OH+Na+
因此，可以认为在这个阶段Na＋和OH-主要是对生成水化硅酸钙起催化作用，当然也不排除直接生成水化硅酸钙的反应:
Si-O-+Ca2++OH-→Si-O-Ca-OH
第二阶段：已解体的-Si-O-Si-将再度聚合形成不稳定的五配位Si中心离子，根据液相中碱与SiO2的比例大小而形成不同的C/S比和结构不同的水化物。在NaOH作用下，当原料中C/S=1，NaOH/SiO2＜1，=1～5或＞5时，分别生成1.13nm的Tobermerite的结构介于长链和层状、链状水化硅酸钙和Na取代的（Na，Ca）HSiO4，后者以属于孤立的〔SiO4〕四面体结构。这时还会生成低碱度的C-S-H凝胶和类沸石类矿物，如钠沸石、变针硅钙石以及混合碱-铝硅酸盐和碱-碱土铝硅酸盐水化物。因此第二阶段是碱金属离子参与反应的阶段。
第三阶段：上述最初形成的固相和胶体微粒形成晶体，同时导致水泥石的结构形成。当碱度高时，水化产物主要是低碱度的C-S-H和混合的碱-碱土化合物，也存在一些由不稳定相转化生成的沸石和云母类矿物，这些矿物相对稳定，而且在水中的溶解度很小，可以提高浆材的抗溶蚀性能。
本产品的激化剂使得背衬注浆材料体系在很短的时间内生成硅凝胶，形成一种空间网络结构，使背衬注浆材料在高水压（>0.4MPa）饱水条件下具有较高的早期强度（1h>0.6MPa），使本产品可以产生很好的早期强度；同时利用粉煤灰、矿渣、钢渣的潜在水硬性特点，使用激发剂激发上述材料，生成高耐久性的胶凝物质，使本产品在高水压（>0.4MPa）饱水条件下具有高的耐久性能；采用激化剂作为增稠剂和饱水剂，使本产品在高水压（>0.4MPa）饱水条件下具有高抗水分散性能。本产品在高水压（>0.4MPa）饱水条件下抗水溶蚀性能强，饱和水条件下5年抗压强度/28d抗压强度 （软化系数）：≥90％；利用钢渣f-CaO、f-MgO水化后具有微膨胀性能，其砂浆90d自由膨胀率为：0.01-0.03％，使材料能更好填充管片与围岩间隙且施工管理方便、防止环纵缝渗漏，地面沉降控制在允许的范围之内。
