新型水下聚凝充填材料配合比及力學性能試驗研究*

阮艷妹，羅 旭，盧曉智，梅 源

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055；3.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

0 引言

我國灰巖分布面積較廣，這些巖溶地層被其后來次生的風化或殘積物所填充、覆蓋，深埋于地下，給各種巖土地下工程帶來了不可預見的風險，直接影響工程質量和施工安全[1-3]。傳統的溶洞處理方法主要有壓注雙液漿法、灌砂壓漿法、灌注混凝土法等，需消耗大量建筑材料，存在施工成本巨大，強度不易控制等問題。同時，傳統回填施工難度較大、回填工期較長、回填質量難以保證，亟需一種成本低、取材方便且綠色環保材料以適應溶洞回填處理的需求。城市地鐵盾構施工中產生的廢棄盾構泥為解決這一問題提供了新思路。在隧道盾構施工中，隧道開挖產生大量土體，與泥水混合形成泥漿，通過排漿泵或管道輸送至地面進一步處理，泥水盾構出漿量一般為隧道挖土體積的2～3倍。隧道盾構施工產生大量廢棄盾構泥，由于城市儲存場地有限、人員密度大，若處置不當，會造成環境污染、土地侵占等問題，甚至對整個城市的正常運行產生巨大影響。因此，將廢棄盾構泥經過合理配比，制備新型水下聚凝充填材料用于城市地鐵隧道施工中溶洞回填處理，可極大地節約資源，減少城市污染，大幅降低工程建造成本，實現綠色建造。

配制新型水下聚凝充填材料，首先要解決水下材料的抗分散性等問題。對于水下不分散混凝土的研究，國內學者也做了大量試驗，并得出了很多重要結論[4-10]。中國石油天然氣總公司工程技術研究院采用高分子接枝聚合技術成功研制出UWB-II型水下不分散混凝土絮凝劑，使水下不分散混凝土在抗分散性能、流動性能、坍落度損失控制、施工性能及力學性能等方面都取得突破性提高。粉煤灰是當代最常用的摻合料，為高性能混凝土的重要組成成分[11-13]。于本田等[14-15]根據ASTMC1202法，對不同水膠比時復摻粉煤灰和礦渣粉的情況進行試驗，并提出水膠比為0.38時，混凝土的抗滲性能最好。

上述研究主要在水下不分散劑的研制與開發領域取得一定成果，但對充水溶洞回填材料鮮有研究。本文以廣州地鐵施工溶洞處理為背景，將現場廢棄盾構泥作為新型水下聚凝充填材料的主要組成部分，摻入一定比例的固化劑后，與水充分拌合均勻，形成具有可泵送性、流動性強的水下填充加固材料，研究其微觀形狀、物理力學性能，優化配合比設計，為城市地鐵施工中的廢物利用和溶洞處理提供參考。

1 原狀盾構泥性狀研究

1.1 原狀盾構泥級配

取原狀盾構泥2kg，自然晾干后，得到1.975kg干土，占原狀盾構泥的98.75%。通過標準篩進行篩分，得到不同粒徑的顆粒級配，如表1所示。

表1 單位質量不同粒徑土粒占比

由表1可知，原狀盾構泥中粒徑為2mm的顆粒占比最大，5mm的次之，粒徑大于5mm的顆粒占比約16%，小于0.5mm的約占33%，該盾構泥的顆粒級配良好，既有較大的粒徑充當材料骨架，又有超細顆粒填充大顆粒間的空隙，從而使水下充填材料密實、穩定。

1.2 原狀盾構泥含水率

取3組原狀盾構泥進行含水率試驗，并對試驗結果進行二次平行測定，取2次平行試驗的平均值作為含水率，測得原狀盾構泥平均含水率為15.84%，含水率試驗結果如表2所示。

表2 盾構泥含水率試驗結果

1.3 原狀盾構泥成分及微觀結構

1.3.1原狀盾構泥成分

為了解原狀盾構泥物相特征，采用D8AdvanceA25X—射線衍射儀(XRD)對原狀盾構泥進行X射線衍射(XRD)試驗，確定其主要成分，試驗結果如圖1所示。

圖1 XRD衍射試驗結果

由圖1 XRD衍射試驗結果可以看出，原狀盾構泥主要成分為SiO2和多水高嶺土，同時含有少量含鐵化合物。

1.3.2微觀結構試驗

本試驗采用光學顯微鏡和掃描電鏡相結合研究原狀盾構泥的微觀結構形態。觀測結果如圖2,3所示。

圖2 光鏡觀測結果

圖3 掃描電鏡觀測結果

由圖2可以看出，50倍和100倍光鏡下，盾構泥的顆粒級配較均勻，較大粒徑的顆粒均勻分布在盾構泥內部，可較好地起到骨架作用，較細的顆粒填充在骨架顆粒間；200倍和500倍光鏡下，較大顆粒間仍存在較大空隙，且大小顆粒黏結在一起，呈小基團狀態分布，宏觀表現為原狀盾構泥具有一定的黏性。由圖3可以看出2 000倍掃描電鏡下較大顆粒表面不均勻，且非常粗糙，但完整性較好，沒有明顯裂隙等缺陷；5 000倍掃描電鏡下細小顆粒表面呈層狀分布，整體性較差，受力后存在進一步分解的可能，宏觀表現為顆粒松散不密實。

2 新型水下聚凝充填材料配合比研究

2.1 試驗工況及配合比設計

本試驗試塊尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，每種類型配合比分別在水下和普通環境下養護，5種類型的配合比各制作3組，每組9塊，5種配合比分別編號為NWC-1、NWC-2、NWC-3、NWC-4和NWC-5。

根據水下施工作業對水下聚凝充填材料的性能要求，以廢棄盾構泥為主配制新型水下聚凝充填材料，配合比如表3所示。

表3 NWC-FM配合比 kg

2.2 新型水下聚凝充填材料力學性能試驗

采用量程200kN的儀器為微機控制電子萬能試驗機進行力學性能試驗；試塊為在水中養護完成的立方體試塊。

鑒于目前沒有規范針對新型水下聚凝充填材料力學性能研究做出規定，在進行立方體抗壓試驗研究時，參考DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土試驗規程》、GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，試驗方法參考GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》和JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》。

2.2.1試驗現象

為得到試塊的強度、應力應變等力學性能，對試塊進行立方體抗壓試驗，其中NWC-1，NWC-2，NWC-3，NWC-4，NWC-5分別對應試驗組G，H，I，J，K，部分試塊試驗過程如圖4所示。

圖4 部分試塊抗壓強度試驗

由圖4可知，不同配合比的新型水下聚凝充填材料破壞現象和破壞模式基本相同。由于各試塊表面受到了面均布荷載的作用，試件表面出現許多豎向裂縫，當荷載較小時，試塊表面的裂縫很細，數量較少，呈豎向分布；隨著荷載的逐漸增大，裂縫寬度逐漸變大，裂縫之間逐漸有細小的裂縫相互連通，尤其在試塊的角部，呈網狀分布；隨著荷載繼續增大，出現多條豎向主裂縫，且裂縫由表層向內部擴展；荷載繼續增大，主裂縫在兩個平行的平面貫通，試塊破壞。

2.2.2試驗結果分析

通過立方體抗壓強度試驗得到新型水下聚凝充填材料試驗強度值，如表4所示，各組應力應變關系曲線如圖5，6所示。

圖5 不同齡期試塊應力-應變曲線

表4 NWC-FM立方體抗壓強度

圖6 相同齡期應力-應變曲線

由圖5可以看出，各組試塊的應力應變關系基本一致，上升段應力應變近似于線性變化，養護28d和養護14d的試塊曲線斜率基本大于養護7d的試塊，養護時間為28，14d的試塊彈性模量有所提高，隨著應變增加，應力增大，達到峰值應力；養護時間為28d的試塊峰值應力最大，養護14d的試塊峰值應力次之，養護7d的試塊峰值應力最小，說明試塊強度隨著試塊養護時間增加而提高。NWC-1組養護28，14d相較于養護7d的試塊峰值應力增加值分別為6.04，4.011MPa；NWC-2組養護28，14d相較于養護7d的試塊峰值應力增加值分別為4.02，2.762MPa；NWC-3組養護28，14d相較于養護7d的試塊峰值應力增加值分別為1.805，1.028MPa；NWC-4組養護28，14d相較于養護7d的試塊峰值應力增加值分別為3.079，0.934MPa；NWC-5組養護28，14d相較于養護7d的試塊峰值應力增加值分別為0.728，0.281MPa。隨著應變增加，各組試塊到達峰值應力后很快進入下降段，各組形狀稍有差異，養護7d的試塊下降曲線較為平緩，應力隨著應變的增加緩慢減小，塑性變形相較其他試塊大。

由圖6可以看出，各組試塊的應力應變關系基本一致，上升段應力應變近似于線性變化，NWC-2組試塊曲線斜率大于其他組試塊，說明NWC-2組試塊彈性模量最大，抵抗變形的能力最大。隨著應變增加，應力增大，隨后達到峰值應力。NWC-2組試塊峰值應力最大，NWC-4組試塊峰值應力次之，NWC-5組試塊峰值應力最小，說明NWC-2組所使用配合比制成的試塊強度最大，NWC-4組配合比次之，NWC-5組配合比制成的試塊強度最小，但NWC-5組試塊的下降段最平緩，變形能力較其他配合比好，說明強度提高，相應的變形能力降低。

由于新型水下聚凝充填材料的技術要求是在保證水下充填不分散的前提下，確保盾構機的順利推進，因此，對其充填后的強度要求不小于原狀土的強度，即充填后強度為0.5MPa左右，而NCW-5組配合比7d平均強度為1.734MPa，滿足0.5MPa的要求。因此在綜合考慮新型水下聚凝充填材料強度要求和配制成本基礎上，選取NCW-5組作為最優配合比。

3 結語

1)原狀盾構泥的顆粒級配較合理，光學顯微鏡下可看出盾構泥的顆粒級配較均勻，較大粒徑的顆粒均勻分布在盾構泥內部，可較好地起到骨架作用；XRD衍射試驗結果顯示原狀盾構泥的主要成分為SiO2和多水高嶺土，同時含有少量含鐵化合物。

2)NWC-FM材料的強度在盾構泥質量相同條件下受水泥用量的影響較大，隨著水泥用量的增加，強度逐漸提高；絮凝劑的摻量越多水下不分散性能越好，相應成本也會提高；NWC-2組試塊彈性模量最大，抵抗變形的能力最大；NWC-2組試塊峰值應力最大，為10.25MPa，NWC-4組試塊峰值應力次之，為7.76MPa，NWC-5組試塊峰值應力最小，為2.462MPa。