混合細骨料對同步注漿砂漿性能的影響研究

穆文慶， 白 瑋， 廖劍平， 王德乾

(1.中鐵建華南建設(廣州)高科技產業有限公司，廣東 廣州 511458；2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

隨著國家城鎮化及基礎設施建設的迅猛發展，所需天然砂等消耗性建筑材料急劇增大，建設施工用天然砂過度開采，不僅使天然砂的價格不斷提高，同時也讓自然環境遭受了嚴重的破壞。近年來，隨著國家生態文明建設的推進，如何找到天然砂的替代品，避免天然砂的違規開采，是當前亟需解決的問題。據調研，尾礦因其量大價低的特點，可代替部分天然砂[1-4]。

目前已針對尾礦砂或者機制砂與天然砂一起混合形成建筑用的砂漿進行諸多研究，對同步注漿砂漿研究頗少；同時將尾礦、機制砂與天然砂兩兩復配使用，或者是將三者一起復配使用，都容易導致砂漿品質不可控，出漿率低，固結率低，以及容易出現裂紋、離析等問題[5-10]。本文依托廣州地鐵18和22號線盾構區間施工，主要研究利用尾礦、機制砂代替部分天然砂，組成混合細骨料，通過改善細骨料級配，調整配比，從而提高同步注漿砂漿出漿率等性能。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料

陽春海螺水泥有限責任公司生產的海螺牌P.O42.5級水泥，其水泥各項技術指標符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)的要求；粉煤灰為廣東火電廠II級，45 μm篩篩余為20.8%，粉煤灰各項技術指標：細度21%、需水量比101%、含水量0.6%、燒失量6.2%、安定性4.3 mm；盾構砂漿用天然砂、尾礦砂、機制砂的累計篩余見表1，其細度模數分別為：天然砂為2.2、機制砂為2.0、尾礦砂為0.4；膨潤土采用博羅縣熊茂建材有限公司生產的鈣基或鈉基膨潤土；纖維素醚為陶氏公司生產的羥乙基甲基纖維素醚MT400PFV；聚羧酸鹽高效減水劑；水為飲用自來水。

表1 水洗砂、機制砂及尾礦累計篩余 %

1.2 試驗方法

砂漿強度、固結率、出漿率、流動度、凝結時間、試件制作與養護等試驗測試按照《水泥基灌漿材料》(JC/T986)、《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T1346)、《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70)以及《膠凝型盾構注漿配套干混砂漿》(Q/ZTJHN1-2019)中提到的(GB50119-2003)附錄A的方法進行。

2 混合細骨料對同步注漿砂漿性能的影響

試驗方案：本次試驗依據表2混合細骨料的級配，通過調整混合細骨料細度模數依次為1.0、1.5、1.8、2.0、2.1，調節需水量，控制流動度在260～280 mm，分析混合細骨料對同步注漿砂漿出漿率、固結率、強度的影響；天然砂同步注漿砂漿(序號6，細度模數2.2)作為對比對象，分析其與混合細骨料制備同步注漿砂漿性能的區別。砂漿配合比設計見表3，試驗結果見表4。

表2 混合細骨料的級配 %

表3 混合細骨料制備同步注漿砂漿的配合比 kg/m3

表4 混合細骨料制備同步注漿砂漿的性能指標

2.1 對砂漿固結率的影響

混合細骨料對同步注漿砂漿固結率的影響如圖1所示。

由圖1可知，通過配制級配合理的混合細骨料，固結率隨著細度模數的增加先增大后趨于平穩，細度模數為1.8時最大，此時固結率為98.8%，比天然砂所制同步注漿砂漿固結率提高了1.2%。這是因為尾礦砂、機制砂中含有一定量的石粉，可以改善同步注漿砂漿的泌水性，從而提高固結率，當尾礦、機制砂所占比例過高，會使同步注漿砂漿比表面積增大，需水量大幅增加，保水性能隨之下降，固結率降低。

圖1 對同步注漿砂漿固結率的影響

2.2 對砂漿出漿率的影響

混合細骨料對同步注漿砂漿密度和出漿率的影響曲線如圖2所示。

圖2 對同步注漿砂漿密度和出漿率的影響

由圖2可見，通過配制級配合理的混合細骨料，混合細骨料細度模數從1.0增加到2.1時出漿率由94%降低到83%，這是因為隨著尾礦、機制砂粉料含量減少，需水量隨之減少，密度呈上升趨勢，導致出漿率減小。根據施工性能要求，混合細骨料細度模數1.8時性能最佳，此時出漿率比天然所制同步注漿砂漿提高了9%。

2.3 對砂漿抗壓強度的影響

混合細骨料對同步注漿砂漿抗壓強度的影響曲線如圖3所示。

圖3 對同步注漿砂漿抗壓強度的影響

從圖3可知，通過配制級配合理的混合細骨料，干拌砂漿的抗壓強度隨著細度模數的增大先增加后趨于平穩，細度模數為1.8時最大，此時，7 d抗壓強度為3.0 MPa、28 d抗壓強度為3.9 MPa，比天然砂所制同步注漿砂漿7 d抗壓強度提高了3.3%、28 d抗壓強度提高了2.5%。這是因為機制砂、尾礦砂表面粗糙，石粉含量多，能誘導水泥水化物析出晶體，阻止鈣礬石向單硫型的水化硫鋁酸鈣轉化, 并與水泥反應生成水化碳鋁酸鈣, 具有提高砂漿強度的作用。隨著尾礦砂、機制砂增加，配方中顆粒級配變差，粗顆粒的減少削弱了砂漿骨架作用，使得砂漿強度降低。

3 結論

(1)尾礦砂、機制砂與天然砂制備同步注漿砂漿后具有良好的性能，在級配合理的基礎上，混合細骨料細度模數為1.8時同步注漿砂漿的性能最佳，此時出漿率89%、固結率98.8%、28 d抗壓強度3.9 MPa，較天然砂所制同步注漿砂漿出漿率、固結率分別提高了9%、1.2%，7 d、28 d抗壓強度分別提高了3.3%和2.5%。

(2)采用機制砂、天然砂和尾礦砂混合后的同步注漿砂漿應用在廣州地鐵18號線、22號線，不僅可以緩解目前日益突出的天然砂緊缺問題，而且能實現資源合理利用，在降低生產成本的同時又保護了生態環境。