水泥基同步注漿材料配合比設(shè)計(jì)及性能研究

萬(wàn)雪峰 鄭 強(qiáng)

（海南太和科技有限公司）

盾構(gòu)隧道施工中，盾構(gòu)機(jī)外殼存在不可忽略的厚度，在盾構(gòu)機(jī)尾部形成空隙，即盾尾間隙[1]。混凝土襯砌管片起著支撐和保護(hù)作用，盾尾間隙會(huì)使盾構(gòu)機(jī)尾部的土體不能夠得到襯砌的支撐和保護(hù)，處于一種極其不穩(wěn)定的環(huán)境之中，可能導(dǎo)致地表明顯沉降[2，3]。在拼裝襯砌管片的過(guò)程中，需要在拼接好的管片與土層的縫隙內(nèi)注入注漿材料進(jìn)行填充，替代被挖空的原狀土[4]。同步注漿技術(shù)是解決隧道施工中盾尾間隙問(wèn)題的有效方法[5-8]。

注漿技術(shù)采用液壓、氣壓或電化學(xué)方法，將漿體注入到巖土體的孔隙、空隙中，使巖土體成為強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的新結(jié)構(gòu)體。注漿壓力略大于該地層的靜止水土壓力0.1MPa～0.2MPa，地層水土壓力通常在0.2MPa～0.3MPa，也有到0.4 MPa 的情況。注漿壓力的選擇要恰當(dāng)，如在盾構(gòu)法隧道施工時(shí)，同步注漿若采用過(guò)大的注漿壓力會(huì)導(dǎo)致地面隆起，管片位置偏移，容易漏漿；采用過(guò)小的注漿壓力，漿體無(wú)法填滿空隙，或者空隙填充速度小于空隙產(chǎn)生速度，則容易引起地基沉降。

本文根據(jù)工程需求，設(shè)計(jì)了注漿材料配合比，研究了其和易性和強(qiáng)度，并進(jìn)一步探討了在注漿壓力作用下，漿體和土組成的系統(tǒng)的壓縮性能。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

所用原材料是普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土、砂、保塑劑、水。

硅酸鹽水泥與粉煤灰一起，起著膠結(jié)、填充作用。在選擇原材料的過(guò)程中，水泥作為注漿材料強(qiáng)度的主要來(lái)源，通常情況下，同步注漿材料體系中宜選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥。本實(shí)驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見(jiàn)表1，化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2；所用粉煤灰為Ⅱ級(jí)灰，性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表1 水泥物理力學(xué)性能

表2 水泥化學(xué)指標(biāo) （%）

表3 粉煤灰性能指標(biāo) （%）

膨潤(rùn)土即蒙脫石，理論化學(xué)式為Al2[Si4O10](OH)2·nH2O），屬于單斜晶系，具有復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，由兩層硅氧四面體層和夾子中間的水鋁石層組成。理論上，膨潤(rùn)土的復(fù)網(wǎng)層內(nèi)呈電中性，層間靠分子間作用力結(jié)合；實(shí)際上，由于Al3+可被Mg2+取代，使復(fù)網(wǎng)層并不呈電中性，而是帶有少量負(fù)電荷，因而造成復(fù)網(wǎng)層之間存在斥力，水分子很容易滲透進(jìn)入層間，晶胞c 軸膨脹，隨含水量變化，由0.960nm 變化至2.140nm，晶格結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞[9]。實(shí)驗(yàn)采用鈉基膨潤(rùn)土，利用其極強(qiáng)的吸附能力，賦予砂漿良好的保水性能，其性能指標(biāo)見(jiàn)表4。所用砂為細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)2.1。

表4 膨潤(rùn)土性能指標(biāo) （%）

1.2 砂漿配合比

為了滿足工程注漿要求，設(shè)計(jì)的砂漿28d 抗壓強(qiáng)度不低于2.5MPa；稠度100mm～120mm；保水性良好，不泌水、不分層。砂漿配合比具體參數(shù)見(jiàn)表5。其中配合比1～5 未摻加膨潤(rùn)土，膠凝材料用量逐漸升高，從1 至5水 泥 和 粉 煤 灰 用 量 分 別 是 280kg/m3、350kg/m3、370kg/m3、400kg/m3、400kg/m3；配合比6～10，分別在配合比1～5 的基礎(chǔ)上增加了膨潤(rùn)土；配合比11、12 是在配合比10 的基礎(chǔ)上，增加了膨潤(rùn)土摻量；配合比13 是在配合比12 的基礎(chǔ)上，調(diào)整了膠凝材料中水泥和粉煤灰的比例，增加了水泥用量，減少了粉煤灰用量。

表5 砂漿配合比(kg/m3)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用行星式砂漿攪拌機(jī)攪拌砂漿，砂漿稠度及稠度經(jīng)時(shí)變化均采用砂漿稠度計(jì)測(cè)試。將攪拌好的砂漿靜置，表面用塑料薄膜覆蓋，以降低水分的蒸發(fā)；每間隔一定時(shí)間后，測(cè)試砂漿稠度，以此評(píng)價(jià)砂漿稠度的經(jīng)時(shí)變化。砂漿保水性采用蒸發(fā)損失進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先將攪拌好的砂漿稱量150g 左右，放入容器中，輕微振動(dòng)后將其放上天平（精度萬(wàn)分之一），此后每隔一定時(shí)間，讀取容器和砂漿質(zhì)量，計(jì)算砂漿質(zhì)量的經(jīng)時(shí)損失即為蒸發(fā)損失，見(jiàn)式⑴。整個(gè)測(cè)試期間，實(shí)驗(yàn)室溫度為(20±1)℃。

砂漿強(qiáng)度測(cè)試采用70.7mm×70.7mm×70.7mm 的立方體試模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。

圖1 是壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖。首先稱量一定的土，均勻填入圓筒中，施加設(shè)計(jì)荷載；卸載，記錄壓縮后土的高度；將攪拌好的砂漿注入圓筒中，記錄漿體高度；密封土與漿體組成的系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)高度，該值為系統(tǒng)初始高度；施加設(shè)計(jì)荷載；卸載，記錄漿體高度和系統(tǒng)高度，即為系統(tǒng)承壓后高度，按式⑵計(jì)算系統(tǒng)的壓縮量。

圖1 壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 膨潤(rùn)土對(duì)砂漿稠度的影響

圖2 膨潤(rùn)土對(duì)砂漿稠度的影響

圖3 是配合比5、10、11、12 砂漿稠度。這4 組配合比膨潤(rùn)土摻量分別為0、80kg/m3、90kg/m3、100kg/m3，配合比其它參數(shù)均相同。隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，砂漿稠度顯著降低。其中，配合比11、12 砂漿的稠度均低于100mm，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 膨潤(rùn)土摻量對(duì)砂漿稠度的影響

配合比13 與配合比12 相比，在水泥與粉煤灰總用量不變的基礎(chǔ)上，配合比13 增加了水泥用量，減少了粉煤灰用量。配合比13 砂漿稠度為96mm，高于配合比12，但仍然不滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰需水量比為101%；粉煤灰密度低于水泥，在細(xì)度相當(dāng)?shù)臈l件下，單位質(zhì)量粉煤灰所含顆粒更多，總比表面積更大，表面吸附的拌和水更多，所以，減少粉煤灰用量，砂漿稠度增加。

三對(duì)配合比1、4、5、6、9、10，稠度滿足設(shè)計(jì)要求，作稠度經(jīng)時(shí)損失實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，6 組砂漿稠度均有明顯降低。靜置1.5h 后，和配合比1、4、5 相比，配合比6、9、10 在各個(gè)時(shí)間段的稠度均明顯高于對(duì)照配合比。拌和水進(jìn)入到膨潤(rùn)土晶格結(jié)構(gòu)中，延緩了水泥水化產(chǎn)物三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的搭建過(guò)程，有助于稠度的保持。

圖4 膨潤(rùn)土對(duì)砂漿稠度經(jīng)時(shí)變化的影響

2.2 砂漿蒸發(fā)損失

圖5 是配合比1～5 砂漿3h 內(nèi)的蒸發(fā)損失。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，5 組配合比砂漿的蒸發(fā)損失以近似線性方式增長(zhǎng)。在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)，配合比1 砂漿的蒸發(fā)損失最大，配合比5 蒸發(fā)損失最小。其中，配合比1～3 砂漿蒸發(fā)損失較為接近，配合比4、5 蒸發(fā)損失在1h 后，明顯低于配合比1～3 砂漿。配合比4、5 砂漿蒸發(fā)損失較為接近，兩組配合比中，膠凝材料用量均為400kg/m3，配合比4 中水泥用量較配合比5 多，而粉煤灰用量低于配合比5。配合比1 砂漿靜置3h 后，質(zhì)量損失率為59.1×10-4，配合比5 砂漿靜置3h 后，質(zhì)量損失率為33.0×10-4。

圖5 未摻膨潤(rùn)土砂漿的蒸發(fā)損失

圖6 是配合比6～10 砂漿3h 內(nèi)的蒸發(fā)損失。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，5 組配合比砂漿的蒸發(fā)損失都逐漸增大。比較配合比6～9，在配合比其它參數(shù)不變的條件下，隨著膠凝材料用量（水泥與粉煤灰的用量）從300 kg/m3增加到400kg/m3，同一時(shí)間點(diǎn)的蒸發(fā)損失減小。配合比6 砂漿靜置3h 后，質(zhì)量損失率為16.8×10-4，配合比10砂漿靜置3h 后，質(zhì)量損失率為5.5×10-4。配合比10 在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的蒸發(fā)損失均較其它4 組的低，與配合比9，膠凝材料用量均為400kg/m3，其它參數(shù)也相同，只是配合比10 中膨潤(rùn)土用量更大。適當(dāng)增大膠凝材料用量或者增大膨潤(rùn)土摻量，有助于減小砂漿蒸發(fā)損失，有利于砂漿保持流動(dòng)性和較好的保水性。

圖6 摻膨潤(rùn)土砂漿的蒸發(fā)損失

對(duì)比圖5 與圖6 數(shù)據(jù)，在配合比其它參數(shù)不變的條件下，摻加膨潤(rùn)土后，砂漿蒸發(fā)損失明顯降低。砂漿中摻入50kg/m3～80kg/m3膨潤(rùn)土，能夠滿足注漿工藝對(duì)砂漿和易性的要求。

2.3 砂漿抗壓強(qiáng)度

圖7 是砂漿28d 抗壓強(qiáng)度。從配合比1 到配合比4，隨著膠凝材料用量的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度逐漸升高。配合比其它參數(shù)不變的條件下，摻加膨潤(rùn)土的砂漿強(qiáng)度均較相同參數(shù)下未摻加膨潤(rùn)土的砂漿強(qiáng)度高。總膠凝材料相同，配合比5 中，水泥用量較配合比4 高，粉煤灰用量較配合比4 低，28d 強(qiáng)度高于配合比4；配合比9、10是在配合比4、5 基礎(chǔ)上，摻加了膨潤(rùn)土，且配合比10 中膨潤(rùn)土的摻量高于配合比9，配合比10 強(qiáng)度高于配合比9，同時(shí)也是10 組砂漿里強(qiáng)度最高的。配合比5、9、10強(qiáng)度滿足不低于2.5MPa 的要求。

圖7 砂漿28d 抗壓強(qiáng)度

2.4 壓縮性能

圖8 是砂漿和土系統(tǒng)的壓縮量。5 組砂漿和土組成的系統(tǒng)壓縮量在8.1%～9.6%之間，均滿足砂漿設(shè)計(jì)要求：在注漿壓力作用下，系統(tǒng)的壓縮量不超過(guò)10%。系統(tǒng)壓縮量小，表明系統(tǒng)抗變形能力強(qiáng)。膠凝材料用量400kg/m3、膨潤(rùn)土用量80kg/m3配合比10，系統(tǒng)的壓縮量最小。適當(dāng)提高膠凝材料用量，提高膨潤(rùn)土用量，有助于提高系統(tǒng)的壓縮變形性能。

圖8 砂漿與土組合的系統(tǒng)壓縮量

3 結(jié)論

⑴摻加膨潤(rùn)土后，砂漿稠度明顯降低；在配合比其它參數(shù)不變的條件下，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，砂漿稠度顯著降低。

⑵摻加膨潤(rùn)土后，砂漿稠度降低，蒸發(fā)損失明顯降低，和易性保持能力提高。砂漿中摻入50kg/m3～80kg/m3膨潤(rùn)土，能夠滿足注漿工藝對(duì)砂漿和易性的要求（稠度100mm～120mm、保水性良好）。

⑶膠凝材料用量400kg/m3、膨潤(rùn)土用量50kg/m3～80kg/m3的砂漿，能夠滿足28d 抗壓強(qiáng)度不低于2.5MPa、稠度100mm～120mm、保水性良好、系統(tǒng)壓縮量不高于10%的設(shè)計(jì)要求。