盾構預拌砂漿運輸中離析程度分析及優化

周紅梅 張毅翔 彭昱翔

摘 要：由于盾構預拌砂漿在使用移動筒倉運輸的過程中容易產生離析，因此，對已在實際生產中使用的盾構預拌砂漿在不同條件下的離析程度進行研究。在豎直振動模擬條件下，結合顆粒物質理論，以4種不同粒徑的顆粒為材料，研究振動時長、砂粒徑和分隔空間百分比等3種不同因素對離析程度的影響，用粗料含量變化來表征離析發生的規律，結果表明：振動時間超過60 s時，離析程度顯示為無明顯變化的平緩曲線；粗顆粒粒徑越大，分隔空間越大，離析程度越大。使用Design-expert 11對試驗結果進行綜合分析，結果表明：各因素對盾構預拌砂漿離析指數的影響由大到小依次為振動時長、分隔空間百分比、砂粒徑；當振動時長為180 s，砂粒徑為0.3 mm，分隔空間為25%時，離析程度最小，即為最佳方案。

關鍵詞：盾構預拌砂漿；移動筒倉；離析

中圖分類號：TU64 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.03.006

0 引言

盾構法施工是隧道施工的一種重要工法，這種工法在施工過程中會產生盾尾建筑空隙，需要進行壁后注漿以維持穩定并提高管片襯砌結構的防水抗滲透性能，作為壁后注漿的材料，盾構預拌砂漿的性能十分重要。盾構預拌砂漿屬于預拌干混砂漿的一種，干混砂漿是經干燥系統分級篩選處理的骨料，膠凝材料和根據需求添加的外加劑等所有的配料在專業生產車間精確計量，混合攪拌成干態混合物[1]。按照GB 55015—2021[2]規范要求，在保證建筑安全性和實用性的基礎上，降低建筑能耗，而盾構預拌砂漿具有質量穩定、品種豐富、功能優異、綠色環保、降耗節能的優勢，能夠降低工程建設綜合成本，符合可持續發展戰略和新時代對材料的需求。盾構預拌砂漿相較于濕拌砂漿和現場攪拌砂漿，具有明顯優勢，但容易發生離析，影響其性能。盾構預拌砂漿在使用移動筒倉運輸的過程中極易產生離析現象[3-4]，而離析的出現則會影響其強度和抗裂等性能[5]，降低施工質量。

目前國內有相關學者對干混砂漿在運輸中的離析展開研究。肖群芳等[6]研究了干混砂漿運輸車的材料均勻性，證實了干混砂漿從攪拌機到運輸車的過程中會發生離析；江飛飛等[7]研究了干混砂漿集料成堆過程中的離析，總體離析指數隨著集料質量的增大而增大，傾角和各層離析程度具有較強的相關性，當傾角趨于穩定時，各層的離析指數也隨之穩定?，F有研究多是以進料和出料為主的防離析設計，而干混砂漿在運輸過程中也會產生較大程度的離析。孫廣燁[8]選用2種粒徑的顆粒進行振動試驗，研究干料離析程度，其研究顆粒種類數量較少，且對于干料離析的研究多基于表面，并未深入研究其機理。本試驗選用4種粒徑的顆粒來分析移動筒倉在運輸過程中的離析，得到更豐富的數據，還新增了分隔空間的試驗，將糧倉效應運用到防離析設計中，并且參考巴西果效應等顆粒物質理論更加深入地分析干混砂漿的離析機理，對盾構預拌砂漿運輸過程產生的離析規律進行分析，并設計最優方案。

1 試驗材料

水泥：選用陽春海螺水泥有限公司生產的海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，能夠提高漿體抗壓強度，主要化學成分見表1；粉煤灰：選用二級粉煤灰，主要化學成分見表2；砂：作為盾構預拌砂漿骨料，級配見表3；膨潤土：選用納基膨潤土，主要化學成分見表4。水泥、粉煤灰、砂和膨潤土等4種材料的質量配合比為95∶270∶570∶65。

2 試驗

2.1 試驗方案

孫廣燁[8]經過試驗得出豎直振動與水平振動對離析程度的影響幾乎相同，因此，使用振動臺進行豎直振動模擬試驗，分別進行振動時長、粗料粒徑和分隔空間等3種不同因素的試驗。在振動臺上放置直徑300 mm料筒來模擬豎直振動，將振動后的物料分為5層，每層取500 g，并通過0.075 mm篩子篩選，測出每層粗料的含量，計算出粗料偏離量，再通過偏離量來表征預拌砂漿振動后的離析程度。

2.2 試驗過程

振動時長對離析程度影響的試驗選用與實際工程最接近的粒徑為0.3 mm的砂，試驗過程中振動時間的取值范圍為60～180 s，每間隔30 s取1次。考慮到盾構預拌砂漿中含有其他粒徑的粗顆粒，因此，對粗顆粒粒徑與振動離析程度的關系展開研究，盾構預拌砂漿中的粗顆粒粒徑一般為0.15～2.36 mm，從中選取5種不同粒徑的顆粒進行試驗。在綜合考慮不同振動時長和砂粒徑對離析程度的影響后，認為移動筒倉容量對盾構預拌砂漿離析也有影響，并進行分隔空間的試驗，同樣選用粒徑為0.3 mm的砂，用鐵板將料筒分隔后進行豎直振動模擬試驗，分隔后的料筒如圖1所示。

3 試驗結果

3.1 振動時長的影響

不同振動時長下各層物料中粗料偏離量如圖2所示，為了在振動試驗后方便觀察每層物料中粗料偏離值出現的規律，同時減少后續計算物料整體離析指數帶來的誤差，將料筒從下到上均勻劃分為5層，每層對應1/5的物料，分別用數字1—5表示。在振動時長為60 s時，上層粗料含量顯著增多，此時料筒上方的顆粒較疏松，容易穿過[9]，因此，粗顆粒可以向上運動擠占空間，而細顆粒則通過粗顆粒間的間隙向下運動，產生滲透離析。巴西果效應主要是由于大顆粒在顆粒床中受到細顆粒對其碰撞產生的浮力導致的[10]，在發生滲透離析后，細顆粒向上運動時容易被粗顆粒阻擋，致使細顆粒向上運動的趨勢相對較小，粗顆粒在細顆粒提供的浮力下不斷上升，符合巴西果效應中的拱架理論，細顆粒不斷墊高粗顆粒，因此，粗顆粒有向上運動的趨勢，而細顆粒則反之。在振動時長為60 s后，離析程度下降至無明顯變化的平緩曲線，考慮是粗顆粒在向上運動過程中，因其所處位置越來越高，其下方的細顆粒自由度越來越大，此時粗顆粒更易于擠占其下方的細顆粒的空間，以此達到某一平衡，此時預拌砂漿開始處于某種相對穩定的耗散結構形態，基于內部耗散的能量等于外部輸入的能量守恒[11]，隨著振動時間的增加，離析變化趨于平緩。

3.2 砂粒徑的影響

不同粒徑的砂經過60 s豎直振動，粗料偏離量如圖3所示。整體上依然遵循巴西果效應，盾構預拌砂漿中粗料粒徑越大，上層粗料含量越高，表征的離析程度更大。考慮是在豎直振動粗顆粒向上運動的基礎上，粗顆粒粒徑變大，粗顆粒之間的空隙也就越大，各種細顆粒更容易從粗顆?？障吨g向下通過，產生滲透離析，同時顆粒間距較大時，做隨機運動，其行為類似于液體或氣體中的粒子[12]，整體更加活躍；同時大顆粒粒徑越大，具有上升速度越大的趨勢[13]，因此，在振動60 s的時間內，粒徑較大的顆粒上升速度大于粒徑較小的顆粒，由此表征出的離析程度越大。

3.3 儲運空間的影響

圖4為不同分隔空間下各層物料振動60 s后粗料偏離量圖，物料整體離析程度隨著分隔空間的縮小而下降，空間變小后粗顆粒水平間空隙更容易被限制，細顆粒穿過空隙的機會變小，且空間較小時，物料內部的對流輸送現象減少，對顆粒約束加緊，使整體變得更加穩定。當堆積高度達到方倉底邊邊長約2倍以上后，料倉的底部壓力達到飽和[14]，經計算可知在料筒未分隔前，尚未能使底部壓力趨于飽和；分隔1/2后，料倉底部壓力剛剛趨于飽和；分隔1/4后，底部至中部的壓力處于飽和狀態，顆粒大量堆積在一起，自由程度較小，同時產生整體的上下運動[15]，更加穩定。上部顆粒因為糧倉效應將力分散到筒壁上，顆粒與容器壁之間產生摩擦，其運動方式也會受影響，豎直運動的趨勢變小，更加穩定，則離析程度較小。

4 響應面設計

4.1 試驗設計與結果

振動時長、顆粒粒徑、儲運分隔空間均會對顆粒運動產生影響，甚至聯合起作用，導致很難通過控制單一因素來對體系的動力學行為進行研究，因此，使用響應面法進行綜合分析。響應面法綜合考慮和利用了數學和統計學，不僅能夠分析自變量，還能構建數學模型，對多因素和多變量進行綜合分析。本次試驗為三因素三水平的響應面試驗設計，參考正交試驗方法[16-17]，三因素分別為振動時長（A）、砂粒徑（B）、分隔空間百分比（C），因素和水平設計如表5所示。利用軟件Design-expert 11得出設計方案，得出各層物料的粗料含量偏差值的平方和作為物料整體離析指數（Y），方案與結果如表6所示。

4.2 回歸方程分析

根據表6的數據，使用Design-expert 11軟件進行數據分析，得到離析指數的二次多項式回歸模型，并得出響應值和各因素的回歸擬合方程為

[1Sqrt（Y）=2.44+0.95A-0.15B-0.33C-0.1AB-0.21AC+0.11BC+0.5A2+0.13B2+0.25C2.]

回歸擬合方程可靠性分析如表7所示。

注：空白處表示無數據；P表示顯著水平。

整體回歸模型F值為[95.57>0.5]0，說明該回歸模型顯著，振動時長和分隔空間百分比的P [<0.000 1]，表示回歸模型高度顯著；而砂的粒徑P值[（0.008 4）<0.010 0]，表示回歸模型比較顯著[18]，因此，試驗因素對離析程度的影響從大到小依次為：振動時長、分隔空間百分比、砂子粒徑。確定系數[R2=0.991 9>0.800 0]，且接近于1；預測確定系數[R2pre=0.832 4]，調整確定系數[R2pre=0.981 5]，差異小于0.200 0，說明該回歸模型擬合度高，可靠性好[19]。

4.3 響應面分析

在分隔空間占比為62.5%下，振動時長與砂粒徑的交互作用對盾構預拌砂漿離析的影響如圖5所示。由圖5可知，響應面表現為左高右低的態勢，從整體上看，砂子粒徑不變，離析指數隨振動時間的增加呈現下降趨勢。在振動時間較短時，離析指數隨著砂子粒徑的增加而先增后減，當振動時間較長時，離析指數隨著砂子粒徑的增加而增加?？紤]到較大粒徑的粗顆粒上升速度更快，在振動時間為60 s時，砂漿離析指數已經開始下降，且物體質量越大，其下落產生的沖擊力越大，更容易擠占下方顆粒的空間，此外也易于發生滲透離析，因此，振動時長較短時，含有較大粒徑的粗顆粒的物料的離析指數隨粒徑增大而呈現下降趨勢。

當砂粒徑為0.375 mm時，振動時長與分隔空間交互作用對盾構預拌砂漿離析的影響如圖6所示。由圖6可知，響應面表現為左高右低且左中大幅隆起的態勢。從整體上看，分隔空間不變，物料整體離析指數隨著振動時間的增加呈上升趨勢，不管分隔空間和粒徑怎么變化，物料整體離析指數都會隨著振動時間的增加而下降。振動時長較長時，物料離析指數隨著分隔空間的增加而降低，并趨于平緩，與前面的試驗結果一致，在實際運輸過程中，振動時長通常會大于180 s，在運輸過程中，可將移動筒倉分隔為1/4，在保證施工性能的前提下，選用粒徑為0.3 mm粒徑的砂作為粗骨料可以降低運輸過程中的離析；在振動時長較短時，物料離析指數隨著分隔空間的增加而先增后減，容器較粗時，對顆粒約束放寬[13]，空間大到一定程度時，顆粒輸送現象的發生更快，離析發生的效率更高，加快物料離析指數變化進入平穩的過程，因此，有較大空間的物料離析指數反而較低。

當振動時長為120 s時，砂粒徑與分隔空間交互作用對盾構預拌砂漿離析指數的影響如圖7所示。由圖7可知，分隔空間較小時，離析指數隨著砂子粒徑的增大而增大；分隔空間較大時，離析指數隨著砂子粒徑的增大而先增后減，說明含有較大粒徑的粗顆粒的物料的離析指數呈現下降趨勢。

以最小離析程度為條件輸入軟件Design-expert 11中，對模型進行分析，得出運輸罐離析程度最小的情況為：振動時長為180 s、砂粒徑為0.3 mm、分隔空間為25%，以這3個變量取值，重復振動試驗，計算粗料偏離量，進而得出離析值為0.042 524。

5 方案優化

在滿足施工性能的前提下，通過Design-expert 11軟件分析優化出一種離析程度最小的方案。先對離析影響因素進行條件約束：振動時長為60 ～180 s，由于盾構砂漿不能使用過細的砂，故設置砂粒徑為0.3～0.6 mm，分隔空間為25%～100%。經過軟件分析計算，得出離析程度最小的優化方案為：振動時長180 s、砂粒徑0.3 mm、分隔空間25%。在此條件下進行試驗，得出離析指數為0.042 524，符合優化設計要求。

6 結論

本試驗按照水泥、粉煤灰、砂和膨潤土的質量比為95∶270∶570∶65的比例配置，均勻混合成盾構預拌砂漿，以其作為研究對象，通過試驗對盾構預拌砂漿裝載于移動筒倉運輸時所產生的離析進行模擬，結合顆粒物質理論進行分析，并給出改進方案。通過試驗得到的結論如下：

1）振動時長超過60 s后，基于內部耗散的能量等于外部輸入的能量，離析變化趨于平緩。

2）振動過程中，顆粒的離析遵循巴西果效應，即振動后上層粗顆粒含量增加，同時基于巴西果拱橋效應，細顆粒向下運動后會不斷墊高粗顆粒，進一步增加干料上層粗顆粒的含量。

3）小顆粒在大顆粒之間的空隙間產生滲透離析，細顆粒通過大顆粒之間的空隙向下運動，且粗顆粒粒徑越大，大顆粒之間的空隙越大，滲透離析的效果越明顯，因此，在振動時間為60 s內，粒徑較大的顆粒上升速度大于粒徑較小的顆粒，由此表征出的離析程度越大。

4）基于糧倉效應，分隔空間后料倉對物料顆粒的約束減小，料倉底部受力趨于飽和，提高物料整體穩定性，減少離析的發生。

5）根據回歸模型分析，各因素對離析程度的影響從大到小依次為：振動時長、分隔空間百分比和砂粒徑；優化后的方案即離析程度最小的方案為：振動時長為180 s、砂粒徑為0.3 mm、分隔空間為25%，經試驗得出離析指數為0.042 524，符合優化設計要求。

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Analysis and optimization of segregation degree of shield

ready-mixed mortar in transportation

ZHOU Hongmei， ZHANG Yixiang， PENG Yuxiang

（School of Civil and Architecture Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： As the segregation of shield ready-mixed mortar often occurs in the process of using moving silos for transportation， the segregation degree of shield ready-mixed mortar in actual use is studied under different conditions. Under the condition of vertical vibration simulation， combined with the particle matter theory， four kinds of particles with different particle sizes were used as materials to study the effect of three different factors， namely vibration duration， coarse particle size and separation space， on the segregation degree. The change of coarse material content was used to represent the law of segregation. When the vibration time was over 60 s， the segregation degree showed a gentle curve with no obvious change. The larger the size of coarse particles and the smaller the separation space， the greater the segregation degree. Design-expert 11 was used for comprehensive analysis. The results showed that the effect of the factors on segregation index of shield ready-mixed mortar in descending order was vibration duration， separation space and sand particle size; When the vibration duration was 180 s， sand particle size was 0.3 mm and the separation space was 25%， the segregation degree was the smallest， which was the best solution.

Keywords： shield ready-mixed mortar; moving silo; segregation

（責任編輯：羅小芬）

收稿日期：2023-05-06；修回日期：2023-10-17

基金項目：廣西自然科學基金項目（2019GXNSFBA245071）資助

第一作者：周紅梅，教授級高工，研究方向：建筑新型環保材料的研發，E-mail：289953835@qq.com