盾構(gòu)法粉細(xì)砂渣料配制同步注漿材料及改性研究

王周淵，沈爾卜，田松，閻寶寶，李濤涌，楊武

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北 黃岡 438300；3.中交二航局成都城市建設(shè)工程有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

目前，地鐵盾構(gòu)施工中產(chǎn)生的廢棄泥漿采用壓濾脫水實現(xiàn)泥水分離，得到粉細(xì)砂等固體廢棄物[1]。為響應(yīng)國家綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，一些學(xué)者針對不同地區(qū)地鐵盾構(gòu)施工產(chǎn)生的廢渣開展了相關(guān)研究。申興柱等[2]針對深圳地鐵7號線盾構(gòu)施工中產(chǎn)生的渣土，通過添加渣土體積30%鈉基膨潤土，顯著改善渣土的抗?jié)B性及工作性能。邱龑等[3]針對在地鐵盾構(gòu)過程中遇到的富水砂層，采用外摻法添加質(zhì)量比為1∶7的膨潤土對廢棄渣土進(jìn)行改性，當(dāng)摻入砂土體積10%的膨潤土?xí)r可滿足施工需求。李海斌等[4]以地鐵渣土為主要原材料，加入質(zhì)量摻量為20%的氧化鎂后在700℃進(jìn)行燒結(jié)，成功制備出一種除磷陶粒。目前，針對盾構(gòu)法渣料的應(yīng)用集中于制備燒結(jié)磚或陶粒產(chǎn)品的制備，不僅生產(chǎn)過程能耗較大，且運輸成本較高。而用于配制盾構(gòu)施工所需的同步注漿液的研究鮮見報道。

本文依托福州地鐵項目，通過測試盾構(gòu)法粉細(xì)砂渣料的物理性能指標(biāo)，采用粉細(xì)砂代替河砂制備同步注漿材料；并進(jìn)行多因素正交試驗，探究不同配合比同步注漿料的工作性能及力學(xué)性能，制備出性能優(yōu)異的同步注漿液，實現(xiàn)廢棄渣土的綠色高效再利用。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：冀東P·O42.5水泥，主要性能見表1；粉煤灰：Ⅱ級，武漢三源特種建材有限公司，45μm方孔篩篩余20.4%；有機膨潤土：武漢恒冠新材料科技有限公司，表觀黏度為29 mPa·s，細(xì)度為300目；砂：福州厚庭至桔園洲區(qū)間隧道盾構(gòu)廢棄粉細(xì)砂及河砂，篩分結(jié)果、物理性能分別見表2和表3。

表1 水泥的主要性能

表2 廢棄粉細(xì)砂與河砂的分計篩余

表3 廢棄粉細(xì)砂與河砂的物理性能

1.2 試驗配合比

（1）采用廢棄粉細(xì)砂分別按0、30%、50%、70%、100%等質(zhì)量取代河砂制備同步注漿液材料（GM），研究粉細(xì)砂取代率對GM性能的影響，具體配合比見表4。

表4 粉細(xì)砂取代河砂制備同步注漿材料配合比 g

（2）膠凝材料由水泥、粉煤灰和膨潤土組成，采用粉細(xì)砂完全替代河砂，以水膠比、膠砂比、膨水比（膨潤土與水的質(zhì)量比）、粉灰比（粉煤灰與水泥的質(zhì)量比）為4因素，進(jìn)行4因素4水平正交試驗，因素水平見表5，具體試驗設(shè)計見表6。

表5 正交試驗因素水平

表6 正交試驗同步注漿材料配合比

1.3 試驗方法

同步注漿材料的稠度、稠度經(jīng)時損失、凝結(jié)時間參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能測試方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；流動度和流動度經(jīng)時損失參照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測試；無測限抗壓強度參照J(rèn)GJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》進(jìn)行測試。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 粉細(xì)砂取代率對同步注漿材料性能的影響

2.1.1 粉細(xì)砂取代率對GM稠度的影響（見圖1）

圖1 粉細(xì)砂取代率對GM稠度的影響

由圖1可知，隨粉細(xì)砂取代率增加，GM的初始及1 h稠度均先增大后減小。當(dāng)粉細(xì)砂取代率為30%時，GM初始稠度達(dá)到最大值126 mm，1 h稠度為120 mm，符合T/CECS563—2018《盾構(gòu)法隧道同步注漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求；繼續(xù)增大粉細(xì)砂取代率，GM稠度逐漸減小，粉細(xì)砂取代率為100%時，GM的初始及1 h稠度分別為103、97 mm，較摻入30%粉細(xì)砂時分別降低了18.3%、10.8%。粉細(xì)砂細(xì)度模數(shù)僅為1.1，河砂細(xì)度模數(shù)為2.7，隨粉細(xì)砂取代率增大，復(fù)合細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)逐漸減小、總比表面積增大、需水量增大，導(dǎo)致同步注漿液中自由水含量降低，稠度逐漸減小[5]；粉細(xì)砂取代率為30%時，復(fù)合細(xì)骨料體系的級配可得到一定程度改善，從而在水膠比不變的情況下，注漿材料稠度有所增大。

2.1.2 粉細(xì)砂取代率對GM流動度的影響（見圖2）

圖2 粉細(xì)砂取代率對GM流動度的影響

由圖2可知，隨粉細(xì)砂取代率的增加，GM的初始及1 h流動度都逐漸減小，且漿體流動度經(jīng)時損失先增大后減小。當(dāng)粉細(xì)砂取代率為50%時，GM的初始及1 h流動度分別為280、260 mm，較不摻粉細(xì)砂時漿體的流動度分別減小了15、20 mm；當(dāng)粉細(xì)砂取代率達(dá)到100%時，GM的流動度顯著降低，初始流動度僅為250 mm，但1 h流動度經(jīng)時損失也隨之減小，僅為5 mm。這是因為粉細(xì)砂的含泥量為12.49%，試驗用河砂的含泥量僅為2.80%，隨粉細(xì)砂取代率的增加，復(fù)合細(xì)骨料體系的含泥量顯著增大，在水膠比不變的情況下，大量水分被泥土顆粒吸收，導(dǎo)致GM中自由水進(jìn)一步減少，漿體的流動性減小。

2.1.3 粉細(xì)砂取代率對GM凝結(jié)時間及泌水率的影響（見圖3）

圖3 粉細(xì)砂取代率對GM泌水率及凝結(jié)時間的影響

由圖3可知：（1）隨粉細(xì)砂取代率的增加，GM的泌水率顯著增大，當(dāng)粉細(xì)砂完全取代河砂時，GM的泌水率增大到2.0%，較未摻入粉細(xì)砂時增大11.1%，這是因為粉細(xì)砂的顆粒級配較為單一，粒徑主要分布在0.3～0.075 mm，隨粉細(xì)砂取代率的增大，骨料間的空隙率及比表面積顯著增大，需要更多的膠凝材料填充，膠砂比不變GM中空隙難以被填滿，自由水通過表面張力沿著拌合物內(nèi)部的細(xì)小通道涌至拌合物表面，泌水率增大[6]。（2）隨粉細(xì)砂取代率的增大，GM的凝結(jié)時間逐漸延長，當(dāng)粉細(xì)砂取代率從0增大至100%時，GM的凝結(jié)時間由10.4 h延長至15.8 h，增大了51.9%；且粉細(xì)砂取代率越大對GM凝結(jié)時間的影響越大。這與GM的保水性相關(guān)，由于GM的泌水率增大，參與膠凝材料水化反應(yīng)的水分減少，導(dǎo)致水化進(jìn)程減慢，GM凝結(jié)時間延長。

2.1.4 粉細(xì)砂取代率對GM抗壓強度的影響（見圖4）

圖4 粉細(xì)砂取代率對GM抗壓強度的影響

由圖4可知，隨粉細(xì)砂取代率由0增大至30%，GM的3 d抗壓強度基本不變，而其28 d抗壓強度由3.1 MPa降低至2.9 MPa；繼續(xù)增大粉細(xì)砂取代率，GM的3、28 d抗壓強度均逐漸降低，當(dāng)粉細(xì)砂完全取代河砂制備GM時，GM的3、28 d抗壓強度分別為0.9、2.3 MPa，較粉細(xì)砂取代率為30%時分別降低了25.0%、20.7%。由于粉細(xì)砂的壓碎值遠(yuǎn)低于河砂[7]，并且粉細(xì)砂的含泥量高，導(dǎo)致制備的GM力學(xué)性能較使用河砂時更低。

綜上所述，采用粉細(xì)砂替代河砂制備GM時，隨著粉細(xì)砂取代率的增加，GM的性能發(fā)生一定程度的劣化，當(dāng)粉細(xì)砂完全取代河砂時，GM的3、28 d抗壓強度分別為0.9、2.3 MPa，稠度僅為103 mm。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化其配合比，提高廢棄粉細(xì)砂同步注漿材料的性能。

2.2 正交試驗結(jié)果分析

在上述試驗的基礎(chǔ)上，采用廢棄粉細(xì)砂完全替代河砂，進(jìn)行水膠比、膠砂比、膨水比、粉灰比4因素4水平正交試驗，探究各因素對同步注漿材料工作性能及力學(xué)性能的影響規(guī)律，試驗結(jié)果如表7所示，極差分析如表8所示。

表7 正交試驗結(jié)果

表8 正交試驗極差分析

由表8可見：

（1）各因素對GM稠度的影響順序為：水膠比＞膠砂比＞粉灰比＞膨水比；對抗壓強度的影響順序為：水膠比＞膠砂比＞膨水比＞粉灰比。

（2）隨水膠比的增大，GM的稠度顯著增大，當(dāng)水膠比由0.45增大至0.75時，GM的稠度增大了86 mm。這是因為隨水膠比的增大，GM中自由水含量提高，從而增大了GM的稠度。而隨水膠比的增大，GM的28 d抗壓強度逐漸降低，當(dāng)水膠比增大至0.75時，GM的28d抗壓強度僅有2.2 MPa。

（3）隨膠砂比的增大，GM的稠度顯著提高，當(dāng)膠砂比由0.4增大至0.7時，GM的稠度由34 mm增大至90 mm。這是因為當(dāng)膠砂比增大時，GM中的砂粒減少，對漿體流動的阻礙作用隨之降低，從而增大GM稠度。隨膠砂比的增大，GM的28d抗壓強度逐漸降低，當(dāng)膠砂比由0.4增大至0.7時，GM的抗壓強度由9.0MPa降低至4.6MPa，降低了48.9%。這可能是因為隨膠砂比的提高，砂的用量減小，無法起到骨架的支撐作用，導(dǎo)致漿體硬化后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法獲得更加密實的填充[8]。

（4）當(dāng)膨水比由0.12增大至0.15時，GM的稠度基本保持不變；繼續(xù)增大膨水比，GM的稠度先增大后保持穩(wěn)定，當(dāng)膨水比為0.21時，稠度達(dá)到了68 mm。隨膨水比的增大，GM的28 d抗壓強度逐漸提高，膨水比為0.21時，GM的28 d抗壓強度達(dá)到了最大值7.8 MPa。這是因為膨潤土中含有大量片狀蒙脫石微粒，遇水后其面、邊相互締結(jié)，形成空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將自由水束縛于該結(jié)構(gòu)中，起到保水增稠的作用，改善GM的工作性能。此外，膨潤土對砂漿的觸變性具有良好的增強作用[9]，在合適范圍內(nèi)增大膨潤土摻量，有利于抗壓強度的提高。

（5）隨粉灰比減小，GM的稠度逐漸降低，當(dāng)粉灰比由6減小至3時，漿體的稠度由71 mm降低至56 mm，降低了21.1%。這是因為粉煤灰顆粒較水泥更細(xì)，材料中含較多玻璃珠體，在漿體中能起到很好的潤滑滾珠效果，改善漿體的稠度，隨粉煤灰在膠凝體系中摻量的降低，GM的稠度隨之減小。但隨水泥摻量的增大，有利于GM抗壓強度的提高。當(dāng)粉灰比由6減小至3時，GM的28 d抗壓強度由6.2 MPa提高至8.0 MPa。

（6）最優(yōu)配比為：水膠比0.75、膠砂比0.6、膨水比0.18、粉灰比3，此時GM的初始及1 h稠度分別為124、115 mm，初始及1 h流動度分別為235、225 mm，泌水率為2.0%，3、28 d抗壓強度分別為0.9、2.9 MPa，滿足現(xiàn)場施工需求。

3 結(jié)論

（1）廢棄粉細(xì)砂與河砂相比具有堆積密度較低、細(xì)度模數(shù)較小、含泥量高等缺陷；采用粉細(xì)砂取代河砂制備同步注漿材料，當(dāng)粉細(xì)砂取代率由30%增大至100%時，注漿材料的稠度減小了18.3%，3、28 d抗壓強度分別降低25.0%、20.7%。

（2）各因素對GM稠度的影響順序為：水膠比＞膠砂比＞粉灰比＞膨水比；對抗壓強度的影響順序為：水膠比＞膠砂比＞膨水比＞粉灰比。

（3）廢棄粉細(xì)砂同步注漿材料的最佳配合比為：水膠比0.75、膠砂比0.6、膨水比0.18、粉灰比3，此時初始及1h稠度分別為124、115 mm，初始及1 h流動度分別為235、225 mm，泌水率為2.0%，3、28d抗壓強度分別為0.9、2.9 MPa，滿足現(xiàn)場施工需求。