工業廢渣-盾構泥砂注漿材料的研制與應用

何良玉，肖銘釗，鄧利明，梁遠博，丁慶軍

(1.武漢理工大學材料科學與工程學院，武漢 430070；2.武漢市市政建設集團有限公司，武漢 430023)

工業廢渣-盾構泥砂注漿材料的研制與應用

何良玉1，肖銘釗2，鄧利明2，梁遠博1，丁慶軍1

(1.武漢理工大學材料科學與工程學院，武漢 430070；
2.武漢市市政建設集團有限公司，武漢 430023)

以水玻璃作激發劑，磷石膏、粉煤灰、鋼渣與礦粉作膠凝材料，盾構泥砂為細集料，并用聚羧酸系抗泥型高效減水劑和抗水分散劑改善漿料性能；通過對粉料比例、激發劑摻量等的研究，制得工作性能好(初始流動度27 cm、6 h后23.5 cm，3 h泌水率<1%)，凝結時間長(>60 h)，抗水分散(水陸強度比>85%)，可防止管片上浮(稠度值11.3 cm)的高性能工業廢渣-盾構泥砂同步注漿材料，并在武漢軌道交通3號線八B標段雙王區間站取得了成功應用。

工業廢渣； 盾構泥砂； 堿激發； 同步注漿

為促進城市地下空間的充分利用和地下交通的大力發展，改善城市交通的擁擠狀況和居民的生活環境，城市地鐵憑借其運輸量大、快速、便捷，并且能夠緩解常規地面交通擁堵的優點，在世界各地得到了迅猛的發展[1,2]。在地鐵隧道盾構施工掘進過程中，會開挖出大量泥砂。這些盾構掘削砂土不僅占用施工場地、處理困難，而且影響施工進度，已成為隧道施工和環境保護的一大負擔[3]。如何對盾構掘削砂土進行合理化資源化利用將成為未來隧道施工的重點。與此同時，我國的磷肥產量與煉鋼產量一直處于世界第一，每年會排放大量的磷石膏、鋼渣、粉煤灰、礦渣等廢渣，這些工業廢渣的處理問題一直是廣大學者致力解決的重點問題[4,5]。

武漢地鐵3號線是首條過漢江地鐵線路，起于蔡甸區的文嶺，經全力三路轉向武漢經濟開發區；其一期工程由沌陽大道站至市民中心站，線路長27.9公里，設車站23座[6]。該文以磷石膏與水玻璃作激發劑，激發鋼渣、粉煤灰與礦渣等工業廢渣的潛在活性，用取自武漢地鐵3號線雙墩站～王家墩中心站區間線路的盾構泥砂作細集料，制備出環保型的工業廢渣-盾構泥砂高性能單液同步注漿材料，并在武漢軌道交通3號線一期工程八B標段雙王區間站取得了成功應用。

1 試 驗

1.1 原材料

粉煤灰(FA)：陽邏電廠Ⅱ級灰，其化學組成見表1。

粒化高爐礦渣(BFS)：武鋼綠色冶金渣公司生產的S95級粒化高爐礦渣粉，比表面積為450 m2/kg，其化學組成見表1。

磨細鋼渣粉(SS)：武漢冶金渣環保工程有限責任公司生產，存放期為三個月，其堿度為1.9，比表面積600 m2/kg，其化學組成見表1。

磷石膏：來源于宜昌磷化工場，淺灰色，其化學組成見表1，XRD見圖1。

砂：武漢地鐵3號線八B標段雙王站盾構泥砂，細度模數1.88。

表1 工業廢渣的化學組成 /%

水玻璃：模數為3.2，波美度為20，主要技術指標參數見表2。

表2 水玻璃主要技術參數

氫氧化鈉：市售分析純白色粉末；氫氧化鈣：市售工業純白色粉末。

外加劑：上海三瑞化學有限公司生產的抗泥VIVID-500(C)型聚羧酸減水劑，液體，減水率20%～30%；抗水分散劑：羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)，白色粉末，分子量為20×104。

1.2 方法

參考GB/T_2419—2005進行流動性能、坍落度的測試；泌水率測試參考GB/T 3183—1997；稠度、粘度和凝結時間等參考JGJ 70—90；抗壓強度參照GB 177—85進行，抗滲性參考JGJ/T 70—2009；漿液自由膨脹率試驗參考SL 237—024—1999。

2 工業廢渣-盾構泥砂高性能同步注漿材料的制備

所用盾構泥砂含泥量高達13.4%。泥砂中的泥質與水混合后會形成卡屋結構，使大量的自由水轉變為卡屋結構中的束縛水，既增加顆粒間的滑動效應又增大其穩定性，進而防止離析分層造成的堵泵、堵管現象。合適組成泥砂的加入，完全可以取代傳統同步注漿材料中的膨潤土和河砂[3]。但是，這也會大大降低漿料的工作性能，不易泵送，給施工帶來很大不便。此外，武漢地區地下水豐富，普通漿料易受水分散，膠砂分離，造成強度、抗滲性能和耐久性達不到設計要求，故摻入膠凝材料質量0.7%和0.03%的聚羧酸抗泥VIVID-500(C)型高效減水劑和抗水分散劑(HPMC)。

2.1 粉料比例對同步注漿材料性能的影響

不同工業廢渣體系中，以FA、SS、SL 3種單一粉料系列的固結性能最差，FA+SS+SL 3種粉料等比例復摻固結強度最強[7]，故選3種粉料復摻體系。控制水膠比為0.8，膠砂比為0.42，聚羧酸減水劑摻量為膠凝材料的0.7%，抗水分散劑摻量為0.3‰，外摻磷石膏和5%的鈉水玻璃(NS)，在膠材總量不變的條件下，調節粉料比例，測試其工作性能和抗壓強度，見表3。

表3 粉料比例對注漿材料性能的影響

由表3可得，隨著礦粉和鋼渣摻量的增大，漿體的粘度和強度增大，而流動度和稠度減小。漿體的凝結時間長，遠不同于傳統的堿激發雙液注漿材料的快凝，可能是兩者的堿激發體系不同造成的。未密封保存的試塊表面會明顯泛堿，主要是因為毛細孔中堿濃度較高，在形成水化物之前，堿容易隨水分蒸發而在表面析出，并與空氣中的CO2反應，在試塊表面形成一層R2CO3、R2SO4等的白霜[8]。

雖然礦粉和鋼渣的摻量越大，強度越高，但兩者的成本高于粉煤灰和磷石膏，而磷石膏成分復雜且不穩定，不宜多摻，故綜合考慮各方面的因素，選用(FA 30%+SS 20%+BFS 20%+PG 30%)的粉料比例。

2.2 鈉水玻璃摻量對同步注漿材料性能的影響

為改善注漿材料的工作性能，控制粉料比例FA 30%+SS 20%+BFS 20%+PG 30%，膠砂比0.42，水膠比0.8，聚羧酸減水劑摻量為0.7%，抗水分散劑摻量為0.03%，降低NS摻量，進行試驗，結果如表4所示。

表4 鈉水玻璃摻量對注漿材料工作性能的影響

如表4和圖2所示，隨著水玻璃摻量的減小，漿液的流動性能、泌水率和凝結時間逐漸增大，粘度、強度和水陸強度比逐漸減小，而稠度值略有增大。當水玻璃摻量小于2%時，漿液的泌水率和凝結時間大幅增大，強度大幅減小；水玻璃摻量為4%時，初始流動度僅為15 cm且經時損失大。故綜合考慮漿材的工作性能、力學性能、抗水分散性能及成本，水玻璃摻量宜控制在2%～3%。

2.3 配合比的優化

綜合上述試驗研究，確定了工業廢渣-盾構泥砂高性能同步注漿材料的較優配合比為：粉料比例FA 30%、PG 30%、SS 20%、BFS 20%，鈉水玻璃2.5%，水膠比0.8，膠砂比0.42，聚羧酸減水劑摻量為0.7%，抗水分散劑摻量為0.03%。因漿液的振前流動度在16～17 cm之間，仍未達到設計要求(18～20 cm),故調整外加劑摻量進行優化，實驗配合比見表5，性能結果見表6和表7。

表5 實驗配合比 /(kg·m-3)

表6 注漿材料性能(一)

表7 注漿材料性能(二)

由上述實驗結果可得，增大減水劑或減少抗水分散劑的量可以改善漿液的流動性能，而對其他性能影響不大，但抗水分散劑的減少會對注漿材料的水陸強度比產生較大影響。組4同時增大減水劑和抗水分散劑摻量，其流動性能和抗水分散性能均較好。對它進行進一步的測試，結果表明該組漿料具有微膨脹性，能夠補償漿體的收縮，使結構更加密實，且抗滲和抗水溶蝕性好，能夠很好地起到防水抗滲的效果。這是因為鋼渣中含有一定量的f-CaO與f-MgO，在膠材水化過程中會產生一定量的Ca(OH)2、Mg(OH)2以及鈣礬石，導致相對體積的增加，不僅能補償注漿材料漿體的收縮，還會進一步引發體積膨脹。

故實驗確定的較優配比為：FA 30%、PG 30%、SS 20%、BFS 20%，鈉水玻璃2.5%，水膠比0.8，膠砂比0.42，聚羧酸系抗泥型高效減水劑1%，抗水分散劑摻量0.3‰。其狀態如圖3所示。

3 工程應用

實驗研制的工業廢渣-盾構泥沙高性能同步注漿材料，在武漢軌道交通3號線一期工程第八B標段的雙墩-王家墩區間站進行了應用，效果良好。表8和圖4分別為同步注漿材料的配比和施工圖。

表8 工業廢渣-盾構泥沙高性能同步注漿配比 /(kg·m-3)

4 結 論

a.隨著礦粉和鋼渣摻量的增大，漿體的粘度和強度增大，而流動度和稠度減小；鈉水玻璃摻量為2.5%時，漿料的各項性能均能達到設計要求，效果較好。

b.確定的最優配比為：FA 30%、PG 30%、SS 20%、BFS 20%，鈉水玻璃2.5%，水膠比0.8，膠砂比0.42，聚羧酸抗泥型高效減水劑摻量為1%，抗水分散劑摻量為0.3‰。

c.制得的工業廢渣-盾構泥沙同步注漿材料：流動性好(初始流動度27 cm、6 h后23.5 cm)，泌水率小(3 h泌水率<1%)，凝結時間長(>60 h)，抗水分散性能優(水陸強度比>85%)，可防止管片上浮(稠度值11.3 cm)，很好地滿足了隧道盾構施工對注漿材料的性能要求，并在武漢軌道交通3號線雙王區間站取得了成功的應用。

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Development and Application of Grouting Material with Shielded Sediment and Industrial Residue

HE Liang-yu1,XIAO Ming-zhao2,DENG Li-ming2,LIANG Yuan-bo1,DING Qing-jun1

(1.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；
2.Wuhan Municipal Construction Group Co, Ltd，Wuhan 430023，China)

Using water-glass as the activator, phosphorus gypsum, fly ash, steel slag and blast furnace slag as cementitious materials,shielded sediment as fine aggregate, anti-mud polycarboxylate superplasticizer and water-resistant dispersant were used to improve pulp properties.Through the study of powder material ratio and species and content of activator, a high performance industrial residue and shield-sand synchronous grouting material was made with good workability (initial fluidity of 27 cm,6 h after 23.5 cm, 3 h bleeding rate<1%), long setting time (> 60 h), excellent water-resistant dispersion performance (amphibious strength ratio > 85%), can prevent the segment floating (consistency value 11.3 cm) and has successfully applied in Wuhan rail transit line 3 eight section B double king intervalstation.

industrial residue; shielded sediment; alkali activation; synchronized grouting

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.001

2014-12-26.

何良玉(1991-)，碩士生.E-mail:1182963126@qq.com