早強劑對盾構同步注漿結石體強度影響的試驗研究

2023-09-06 01:45:44孫士博

水利科學與寒區工程 2023年8期

孫士博

(沈陽合悅土木工程有限公司，遼寧沈陽 110000)

盾構施工就是在地下隧洞工程施工過程中利用盾構機進行隧洞的開挖，其鋼殼可以有效防止巖土向隧洞內部崩塌，保證開挖面的安全穩定，同時還可以大幅提高施工效率[1]。鑒于該工法相對于傳統鉆爆法施工存在顯著優勢，目前已經成為長距離輸水隧洞建設的發展方向。在盾構施工過程中，由于管片需要在盾構鋼殼內拼裝，因此兩者之間會形成一定厚度的環形空隙。為了約束周邊巖土體和管片位置變形，需要在施工過程中對上述縫隙進行同步注漿[2]。顯然，盾構施工同步注漿的結石體是管片和土體之間的過渡性接觸體，其強度對功能發揮具有十分重要的作用[3]。因此，為了達到理想的注漿效果，就必須要選擇凝固更快，漿液結石體具有較高早期強度的漿液，以有效防止各種工程事故。

早強劑可以有效提升水泥基材料的早期強度，以達到快速脫模和提高流速的目的，可以充分發揮在盾構同步注漿漿液性能優化方面的作用和價值，因此也一直是水泥基材料研究的重要領域[4]。經過多年研究和發展，目前已經研發出多種具有突出工程效果和價值的早強劑。這些早強劑按照其成分不同可以分為有機類、無機類和復合型等三大類別，不同種類的早強劑其原理和作用機制也有所不同。基于此，此次研究利用試驗的方式，探討常用早強劑單摻和復摻對同步注漿結石體強度的影響，以便為工程應用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盾構同步注漿漿液的一般材料包括膠凝材料、骨料、水和各種添加劑。研究中根據同步注漿的實際要求和相應的施工規范選擇試驗材料。

同步注漿材料一般使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，此次研究使用的是本溪市平山區興隆水泥制品廠生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰在同步注漿中可以替代部分水泥，使膠凝材料級配更合理，同時改善注漿結石體的性能。此次研究中使用的是鞍山成達粉煤灰制品經營有限公司提供的電廠1級粉煤灰。

試驗用骨料為天然砂，其細度模數為2.56，為中砂，含水量為1.5%，含泥量為2.1%，表觀密度為2.60 kg/m3。

試驗選擇目前早強混凝土配制中經常使用的5種不同類別的早強劑，分別是無水硫酸鈉、甲酸鈣、三乙醇胺、溴化鈣和三異丙醇胺，上述早強劑均由上海麥克林生化有限公司出品。級別為分析純。

試驗用水為普通自來水。

1.2 試驗方法

在試驗過程中，首先按照不同試驗方案的配合比要求，稱量好水泥、粉煤灰、骨料、添加劑和水的用量[5]。在漿液的制備過程中，首先將稱量好的水倒入攪拌鍋，然后加入粉料和外加劑，再將攪拌鍋放在攪拌機上。每次攪拌的用量應該以攪拌鍋體積的30%～70%為宜，如果材料量過少，會影響攪拌效果，如果攪拌量過多，就會造成攪拌過程中漿液飛濺[6]。在固定好攪拌鍋之后，在快速擋攪拌180 s，然后加入骨料再攪拌120 s。

此次試驗的抗壓強度測試采用的是100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。在試件制作過程中，首先在模具內壁均勻涂刷一層脫模劑，然后將配制好的漿液倒入試模，并用搗棒在中心部位均勻插搗20～30次。在插搗過程中如果漿液面低于試模邊緣高度，要及時補漿。在漿液初凝之后用刮刀將上表面刮平抹光。試件制作完成后養護至試驗規定齡期[7]。

試件的抗壓強度和抗折強度測試采用的是SHT4350型電液伺服萬能試驗機，在試件快速變形破壞時記下荷載值，然后計算獲取試件的抗壓強度和抗折強度值[8]。

2 單摻方案試驗與結果分析

2.1 試驗方案

為了研究不同種類早強劑對漿液結石體早強作用的影響，試驗中根據不同早強劑的性能、生產廠家推薦摻量以及相關工程經驗，以質量分數為標準綜合確定5種不同的摻量水平進行試驗，具體的方案設計如表1所示。試驗中以沒有摻加早強劑的漿液作為對照方案。

表1 單摻方案設計 %

2.2 試驗結果與分析

對不同單摻試驗方案試塊在18 h齡期的抗壓強度和抗折強度進行測試，結果如表2所示。根據試驗結果繪制出抗壓強度和抗折強度變化曲線，結果如圖1和圖2所示。從實驗結果可以看出，研究所選取的5種早強劑在提高漿液結石體早期強度方面均可以獲得良好的效果，各試驗方案的18 h抗壓強度和抗折強度值均顯著大于對比方案。另一方面，從不同的摻量水平來看，結石體的抗壓強度均隨著早強劑摻入量的增加呈現出先增加后減小的變化規律。其中，無水硫酸鈉摻量水平3即摻量為2.0%時的強度最大，抗壓強度和抗折強度分別為16.17 MPa和2.91 MPa；甲酸鈣摻量水平4即摻量為2.5%時的強度最大，抗壓強度和抗折強度分別為11.27 MPa和2.03 MPa；溴化鈣摻量水平4即摻量為2.5%時的強度最大，抗壓強度和抗折強度分別為10.68 MPa和1.92 MPa；三乙醇胺摻量水平4即摻量為0.08%時的強度最大，抗壓強度和抗折強度分別為15.09 MPa和2.75 MPa；三異丙醇胺摻量水平2即摻量為0.06%時的強度最大，抗壓強度和抗折強度分別為13.23 MPa和2.42 MPa。從不同種類早強劑試驗結果來看，無水硫酸鈉和三乙醇胺的效果最佳。

圖1 單摻方案抗壓強度變化曲線

圖2 單摻方案抗折強度變化曲線

表2 單摻方案強度測試結果

3 復摻方案試驗與結果分析

3.1 試驗方案

由單摻的試驗結果可以看出，所選的5種早強劑材料中，無水硫酸鈉和三乙醇胺的效果最佳。另一方面，具體的試驗數據也顯示，無水硫酸鈉早強材料的摻量水平在2%～3%時的抗壓強度和抗折強度值較大，摻量<2%時的抗壓強度和抗折強度值降幅較大。同時，三乙醇胺也表現出類似特征，摻量水平在0.07%～0.09%時的抗壓強度和抗折強度值較大，摻量<0.07%時的抗壓強度和抗折強度值降幅較大。因此，本節試驗中選擇上述兩種早強劑和強度較高的摻量水平區間進行復摻試驗，具體的試驗方案設計如表3所示。

表3 復摻方案設計 %

3.2 試驗結果與分析

對不同復摻試驗方案條件下試件的抗壓強度和抗折強度進行試驗，結果如表4所示。由試驗結果可以看出，在無水硫酸鈉摻量不變的情況下，試件的抗壓強度和抗折強度隨著三乙醇胺摻量的增加呈現出先增大后減小的變化特點。同樣，在三乙醇胺摻量不變的情況下，試件的抗壓強度和抗折強度隨著無水硫酸鈉摻量的增加也呈現出先增大后減小的變化特點。各個試驗方案相比，其中的最優方案為方案2，也就是摻入2.0%的無水硫酸鈉和0.08%的三乙醇胺，其對應的抗壓強度17.58 MPa，抗折強度為3.25 MPa。從表2可知，單摻方案中的最佳方案為摻入2.0%的無水硫酸鈉，其抗壓強度和抗折強度分別為16.17 MPa和2.91 MPa。與單摻方案相比，復摻方案2的抗壓強度提升了約8.72%；抗折強度提升了約11.68%。由此可見，復摻方案和單摻方案相比具有較為明顯的優勢，具有良好的工程價值。