本发明属于工程材料领域，具体为一种工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料及其制备方法。
背景技术：
：随着我国现代工业化进程的突飞猛进，工业废渣的排放量逐年增多。其中，粉煤灰、高炉矿渣以及钢渣排放量较高且利用率偏低。若不能及时有效的处置利用这些工业废渣使它们变废为宝，必将带来严重的资源浪费和环境污染问题。碱激发工业废渣复合材料技术是采用碱性激发剂激发废渣体系中的活性组分使其体现出较强的胶凝性，不但可充分利用工业废渣的剩余价值以减少对自然资源的消耗，而且成本较传统碱激发偏高岭土材料低，因此具有广阔的应用前景。工业废渣中普遍含有丰富的sio2、al2o3和cao胶凝组分，且不同废渣中的胶凝成分又因原材料、冶炼方式和冷却方式的不同而表现出不同的活性。粉煤灰中含有大量的无定形硅铝物质，作为碱激发复合胶凝材料的优质原材料得到了广泛的研究。按照来源的不同以及cao含量的高低，粉煤灰可分为低钙灰和高钙灰。与低钙灰相比，高钙灰作为胶凝粉料制备的碱激发材料强度发展更快且最终强度更高，这是由于在cao含量高的情况下生成的水化硅酸钙凝胶与硅铝物质生成的无定形硅铝酸盐凝胶共同存在于材料基体内，使得材料更加密实均匀表现出较高的强度，但也因此产生了快凝的问题。碱激发高炉矿渣复合胶凝材料具有很好的力学强度，但由于凝结时间快和流动经时损失性高导致其工作性能差，添加缓凝剂后虽可有效解决材料的快凝问题，但对其强度的影响较大。此外，碱激发高炉矿渣复合胶凝材料收缩性大的缺陷也影响了其单独作为胶凝粉料的应用。钢渣作为钢铁工业的一种主要废渣，由于其化学成分波动大和活性差的缺陷，在利用率上远低于粉煤灰和高炉矿渣，常作为混凝土的惰性填料使用，可改善混凝土的流动性能及和易性。工业废渣在单独使用时总有不尽如人意的问题存在，例如单独采用粉煤灰作为胶凝粉料在常温条件制备的碱激发材料存在凝结时间长和强度低的不足，一般需在蒸养和蒸压条件下凝结硬化；高炉矿渣单独作为胶凝粉料使用时凝结时间快和流动经时损失性高导致其工作性能差；惰性钢渣微粉单独作为胶凝粉料使用时无法在有效凝结时间内凝结硬化。技术实现要素：发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种具有早期强度高、后期强度持续增长、凝结时间长与流动度大且可调、耐久性好的工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料；本发明的另一目的是提供一种工艺简单、成本低廉、环保高效、资源循环利用的工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料的制备方法。技术方案：本发明所述的一种工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料，包含以下重量份数的原料：粉煤灰50-70份、高炉矿渣微粉10-30份、惰性钢渣微粉10-30份、碱性激发剂35-55份、细砂150-200份、减水剂1-2份、缓凝剂0-0.5份、水80-120份。粉煤灰为i级或ii级c类粉煤灰。高炉矿渣微粉为s95级。惰性钢渣微粉为氧化钙含量低于15％的亮黑色低碱度钢渣微粉。粉煤灰、高炉矿渣微粉和钢渣微粉的比表面积均≥400m2/kg。碱性激发剂由硅酸钠溶液和水按重量比0.35-0.5的比例组成。硅酸钠溶液的模数为1.4-1.8。细砂为细度模数为1.5-2.0，含泥量＜1％的河沙。减水剂为fdn-c奈系减水剂。缓凝剂为葡萄糖酸钠。硅酸钠溶液由钠水玻璃和氢氧化钠复合制备，硅酸钠溶液的模数为1.4-1.8，硅酸钠溶液的模数可通过氢氧化钠调节。优选的细度模数使得浆液具有较好的流动性能，具有更好的激发的效果。上述工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在钠水玻璃中加入氢氧化钠，配置成目标模数为1.4-1.8的改性硅酸钠溶液；(2)向改性硅酸钠溶液中加入水，配置成的碱性激发剂溶液，用聚乙烯薄膜密封，冷却后待用；(3)称取粉煤灰、高炉矿渣微粉、惰性钢渣微粉、细砂、减水剂、缓凝剂，然后将其放入搅拌机中搅拌均匀，在140r/min下搅拌3min；(4)将搅拌均匀后的粉料与预先配置好的碱性激发剂溶液按比例混合、搅拌均匀。工作原理：高炉矿渣微粉富含cao成分，水化反应后生成csh或cash凝胶，可为材料提供早期强度。粉煤灰中富含有sio2和al2o3活性组分，在碱性条件下生成无定形三维网络状硅铝酸盐凝胶，可有效促进材料强度的发展。惰性钢渣微粉玻璃体含量低且活性差，可调节复合胶凝材料的凝结时间及流动度，且在适宜掺量范围内对材料强度影响小。有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：1、以粉煤灰、高炉矿渣微粉和惰性钢渣微粉三种工业废渣为主要原材料制备复合胶凝材料，可有效处理工业固体废弃物，节约了大量的能源和资源，减少了污染，为工业废渣的综合利用开辟了一条有效途径；2、粉煤灰、高炉矿渣、惰性钢渣在复合使用时可产生矿渣供早强-粉煤灰促进后期强度发展-惰性钢渣调凝结的超叠加效应，即不同特性的废渣复合，能在水化和结构形成过程的早期、晚期以及凝结时间调节方面发挥各自的作用，从而达到物尽其材，优势互补的效果；3、该盾构隧道壁后注浆材料具有早期强度高，后期强度持续增长，凝结时间长与流动度大且可调以及耐久性好的特点，且制备工艺简单，成本低廉，具有环保高效和资源循环利用的优点，应用前景广阔。具体实施方式下列实例中，惰性钢渣微粉为氧化钙含量低于15％的亮黑色低碱度钢渣微粉。粉煤灰、高炉矿渣微粉和钢渣微粉的比表面积均≥400m2/kg。选用的粉煤灰、高炉矿渣微粉和惰性钢渣微粉均购自河北省灵寿县某矿产品加工厂，比表面积在400m2/kg-500m2/kg之间，并对其进行化学成分测试，见表1。表1工业废渣化学成分与含量(％)原料sio2al2o3fe2o3mnocaomgok2ona2op2o5粉煤灰39.5725.495.000.03515.452.431.660.590.64高炉矿渣26.2215.010.400.5439.2311.690.470.430.035惰性钢渣30.749.4234.760.4112.715.120.721.730.36实施例1一种工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在钠水玻璃中加入氢氧化钠调节成模数为1.4的改性硅酸钠溶液，硅酸钠溶液和水按的质量比为0.35；(2)向改性硅酸钠溶液中加入80份水，配置成的碱性激发剂溶液，用聚乙烯薄膜密封，冷却后待用；(3)称取50份i级c类粉煤灰、10份s95级高炉矿渣微粉、10份惰性钢渣微粉、150份模数为1.5的细砂(含泥量＜1％的河沙)、1份fdn-c奈系减水剂、0.01份缓凝剂葡萄糖酸钠，然后将其放入搅拌机中搅拌均匀，在140r/min下搅拌3min；(4)将搅拌均匀后的粉料与预先配置好的35份碱性激发剂溶液按比例混合、搅拌均匀。实施例2一种工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在钠水玻璃中加入氢氧化钠调节成模数为1.8的改性硅酸钠溶液，硅酸钠溶液和水按的质量比为0.5；(2)向改性硅酸钠溶液中加入120份水，配置成的碱性激发剂溶液，用聚乙烯薄膜密封，冷却后待用；(3)称取70份ii级c类粉煤灰、30份s95级高炉矿渣微粉、30份惰性钢渣微粉、200份模数为2.0的细砂(含泥量＜1％的河沙)、2份fdn-c奈系减水剂、0.5份缓凝剂葡萄糖酸钠，然后将其放入搅拌机中搅拌均匀，在140r/min下搅拌3min；(4)将搅拌均匀后的粉料与预先配置好的55份碱性激发剂溶液按比例混合、搅拌均匀。实施例3一种工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在钠水玻璃中加入氢氧化钠调节成模数为1.6的改性硅酸钠溶液，硅酸钠溶液和水按的质量比为0.43；(2)向改性硅酸钠溶液中加入100份水，配置成的碱性激发剂溶液，用聚乙烯薄膜密封，冷却后待用；(3)称取60份i级c类粉煤灰、20份s95级高炉矿渣微粉、20份惰性钢渣微粉、175份模数为1.7的细砂(含泥量＜1％的河沙)、1.5份fdn-c奈系减水剂、0.3份缓凝剂葡萄糖酸钠，然后将其放入搅拌机中搅拌均匀，在140r/min下搅拌3min；(4)将搅拌均匀后的粉料与预先配置好的45份碱性激发剂溶液按比例混合、搅拌均匀。实施例4一种工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在钠水玻璃中加入氢氧化钠调节成模数为1.5的改性硅酸钠溶液，硅酸钠溶液和水按的质量比为0.38；(2)向改性硅酸钠溶液中加入90份水，配置成的碱性激发剂溶液，用聚乙烯薄膜密封，冷却后待用；(3)称取55份ii级c类粉煤灰、15份s95级高炉矿渣微粉、14份惰性钢渣微粉、162份模数为1.6的细砂(含泥量＜1％的河沙)、1份fdn-c奈系减水剂、0.1份缓凝剂葡萄糖酸钠，然后将其放入搅拌机中搅拌均匀，在140r/min下搅拌3min；(4)将搅拌均匀后的粉料与预先配置好的40份碱性激发剂溶液按比例混合、搅拌均匀。实施例5一种工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在钠水玻璃中加入氢氧化钠调节成模数为1.7的改性硅酸钠溶液，硅酸钠溶液和水按的质量比为0.45；(2)向改性硅酸钠溶液中加入110份水，配置成的碱性激发剂溶液，用聚乙烯薄膜密封，冷却后待用；(3)称取65份ii级c类粉煤灰、25份s95级高炉矿渣微粉、28份惰性钢渣微粉、190份模数为1.9的细砂(含泥量＜1％的河沙)、2份fdn-c奈系减水剂、0.4份缓凝剂葡萄糖酸钠，然后将其放入搅拌机中搅拌均匀，在140r/min下搅拌3min；(4)将搅拌均匀后的粉料与预先配置好的50份碱性激发剂溶液按比例混合、搅拌均匀。性能测试：按照实施例3的制备方法，设计以下几个对比例：对比例1一种功能互补型工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料，由以下重量份数的原料制成：粉煤灰60份、高炉矿渣微粉20份、钢渣微粉20份、碱性激发剂50份、细砂160份、减水剂1份、缓凝剂0.5份、水110份。对比例2一种功能互补型工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料，由以下重量份数的原料制成：粉煤灰50份、高炉矿渣微粉40份、钢渣微粉10份、碱性激发剂50份、细砂160份、减水剂1份、缓凝剂0.5份、水110份。对比例3一种功能互补型工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料，由以下重量份数的原料制成：粉煤灰50份、高炉矿渣微粉10份、钢渣微粉40份、碱性激发剂50份、细砂160份、减水剂1份、缓凝剂0.5份、水110份。对比例4一种功能互补型工业废渣多元复合盾构隧道壁后注浆材料，由以下重量份数的原料制成：粉煤灰60份、高炉矿渣微粉20份、钢渣微粉20份、碱性激发剂40份、细砂160份、减水剂1份、缓凝剂0份、水110份。将实施例1-4混合均匀的盾构隧道壁后注浆材料浆液分别倒入尺寸为40mm×40mm×160mm三联试模中浇筑试样，浇筑完成的试样在标准养护条件下(温度20±2℃、相对湿度≥95％)养护24h后脱模，脱模后继续在标准养护条件下养护至试验龄期。依据gb/t1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测试凝结时间。依据jgj/t70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》测试稠度。依据gb/t50448-2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》测试流动度。依据gb/t17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》测试抗压强度。试验结果见下表2，可以看出，浆液的凝结时间和流动度均随矿渣含量和激发剂含量的增加而减小，而随钢渣含量的增加而增大；抗压强度则随矿渣含量和激发剂含量的增加而增大，随钢渣含量的增加而减小。表2性能测试结果当前第1页12