工業(yè)廢渣-盾構(gòu)泥砂注漿材料的研制與應(yīng)用

何良玉，肖銘釗，鄧?yán)?，梁遠(yuǎn)博，丁慶軍

(1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070；2.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，武漢 430023)

工業(yè)廢渣-盾構(gòu)泥砂注漿材料的研制與應(yīng)用

何良玉1，肖銘釗2，鄧?yán)?，梁遠(yuǎn)博1，丁慶軍1

(1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070；
2.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，武漢 430023)

以水玻璃作激發(fā)劑，磷石膏、粉煤灰、鋼渣與礦粉作膠凝材料，盾構(gòu)泥砂為細(xì)集料，并用聚羧酸系抗泥型高效減水劑和抗水分散劑改善漿料性能；通過對(duì)粉料比例、激發(fā)劑摻量等的研究，制得工作性能好(初始流動(dòng)度27 cm、6 h后23.5 cm，3 h泌水率<1%)，凝結(jié)時(shí)間長(>60 h)，抗水分散(水陸強(qiáng)度比>85%)，可防止管片上浮(稠度值11.3 cm)的高性能工業(yè)廢渣-盾構(gòu)泥砂同步注漿材料，并在武漢軌道交通3號(hào)線八B標(biāo)段雙王區(qū)間站取得了成功應(yīng)用。

工業(yè)廢渣； 盾構(gòu)泥砂； 堿激發(fā)； 同步注漿

為促進(jìn)城市地下空間的充分利用和地下交通的大力發(fā)展，改善城市交通的擁擠狀況和居民的生活環(huán)境，城市地鐵憑借其運(yùn)輸量大、快速、便捷，并且能夠緩解常規(guī)地面交通擁堵的優(yōu)點(diǎn)，在世界各地得到了迅猛的發(fā)展[1,2]。在地鐵隧道盾構(gòu)施工掘進(jìn)過程中，會(huì)開挖出大量泥砂。這些盾構(gòu)掘削砂土不僅占用施工場地、處理困難，而且影響施工進(jìn)度，已成為隧道施工和環(huán)境保護(hù)的一大負(fù)擔(dān)[3]。如何對(duì)盾構(gòu)掘削砂土進(jìn)行合理化資源化利用將成為未來隧道施工的重點(diǎn)。與此同時(shí)，我國的磷肥產(chǎn)量與煉鋼產(chǎn)量一直處于世界第一，每年會(huì)排放大量的磷石膏、鋼渣、粉煤灰、礦渣等廢渣，這些工業(yè)廢渣的處理問題一直是廣大學(xué)者致力解決的重點(diǎn)問題[4,5]。

武漢地鐵3號(hào)線是首條過漢江地鐵線路，起于蔡甸區(qū)的文嶺，經(jīng)全力三路轉(zhuǎn)向武漢經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)；其一期工程由沌陽大道站至市民中心站，線路長27.9公里，設(shè)車站23座[6]。該文以磷石膏與水玻璃作激發(fā)劑，激發(fā)鋼渣、粉煤灰與礦渣等工業(yè)廢渣的潛在活性，用取自武漢地鐵3號(hào)線雙墩站～王家墩中心站區(qū)間線路的盾構(gòu)泥砂作細(xì)集料，制備出環(huán)保型的工業(yè)廢渣-盾構(gòu)泥砂高性能單液同步注漿材料，并在武漢軌道交通3號(hào)線一期工程八B標(biāo)段雙王區(qū)間站取得了成功應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

粉煤灰(FA)：陽邏電廠Ⅱ級(jí)灰，其化學(xué)組成見表1。

?；郀t礦渣(BFS)：武鋼綠色冶金渣公司生產(chǎn)的S95級(jí)粒化高爐礦渣粉，比表面積為450 m2/kg，其化學(xué)組成見表1。

磨細(xì)鋼渣粉(SS)：武漢冶金渣環(huán)保工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)，存放期為三個(gè)月，其堿度為1.9，比表面積600 m2/kg，其化學(xué)組成見表1。

磷石膏：來源于宜昌磷化工場，淺灰色，其化學(xué)組成見表1，XRD見圖1。

砂：武漢地鐵3號(hào)線八B標(biāo)段雙王站盾構(gòu)泥砂，細(xì)度模數(shù)1.88。

表1 工業(yè)廢渣的化學(xué)組成 /%

水玻璃：模數(shù)為3.2，波美度為20，主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見表2。

表2 水玻璃主要技術(shù)參數(shù)

氫氧化鈉：市售分析純白色粉末；氫氧化鈣：市售工業(yè)純白色粉末。

外加劑：上海三瑞化學(xué)有限公司生產(chǎn)的抗泥VIVID-500(C)型聚羧酸減水劑，液體，減水率20%～30%；抗水分散劑：羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)，白色粉末，分子量為20×104。

1.2 方法

參考GB/T_2419—2005進(jìn)行流動(dòng)性能、坍落度的測試；泌水率測試參考GB/T 3183—1997；稠度、粘度和凝結(jié)時(shí)間等參考JGJ 70—90；抗壓強(qiáng)度參照GB 177—85進(jìn)行，抗?jié)B性參考JGJ/T 70—2009；漿液自由膨脹率試驗(yàn)參考SL 237—024—1999。

2 工業(yè)廢渣-盾構(gòu)泥砂高性能同步注漿材料的制備

所用盾構(gòu)泥砂含泥量高達(dá)13.4%。泥砂中的泥質(zhì)與水混合后會(huì)形成卡屋結(jié)構(gòu)，使大量的自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榭ㄎ萁Y(jié)構(gòu)中的束縛水，既增加顆粒間的滑動(dòng)效應(yīng)又增大其穩(wěn)定性，進(jìn)而防止離析分層造成的堵泵、堵管現(xiàn)象。合適組成泥砂的加入，完全可以取代傳統(tǒng)同步注漿材料中的膨潤土和河砂[3]。但是，這也會(huì)大大降低漿料的工作性能，不易泵送，給施工帶來很大不便。此外，武漢地區(qū)地下水豐富，普通漿料易受水分散，膠砂分離，造成強(qiáng)度、抗?jié)B性能和耐久性達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，故摻入膠凝材料質(zhì)量0.7%和0.03%的聚羧酸抗泥VIVID-500(C)型高效減水劑和抗水分散劑(HPMC)。

2.1 粉料比例對(duì)同步注漿材料性能的影響

不同工業(yè)廢渣體系中，以FA、SS、SL 3種單一粉料系列的固結(jié)性能最差，F(xiàn)A+SS+SL 3種粉料等比例復(fù)摻固結(jié)強(qiáng)度最強(qiáng)[7]，故選3種粉料復(fù)摻體系?？刂扑z比為0.8，膠砂比為0.42，聚羧酸減水劑摻量為膠凝材料的0.7%，抗水分散劑摻量為0.3‰，外摻磷石膏和5%的鈉水玻璃(NS)，在膠材總量不變的條件下，調(diào)節(jié)粉料比例，測試其工作性能和抗壓強(qiáng)度，見表3。

表3 粉料比例對(duì)注漿材料性能的影響

由表3可得，隨著礦粉和鋼渣摻量的增大，漿體的粘度和強(qiáng)度增大，而流動(dòng)度和稠度減小。漿體的凝結(jié)時(shí)間長，遠(yuǎn)不同于傳統(tǒng)的堿激發(fā)雙液注漿材料的快凝，可能是兩者的堿激發(fā)體系不同造成的。未密封保存的試塊表面會(huì)明顯泛堿，主要是因?yàn)槊?xì)孔中堿濃度較高，在形成水化物之前，堿容易隨水分蒸發(fā)而在表面析出，并與空氣中的CO2反應(yīng)，在試塊表面形成一層R2CO3、R2SO4等的白霜[8]。

雖然礦粉和鋼渣的摻量越大，強(qiáng)度越高，但兩者的成本高于粉煤灰和磷石膏，而磷石膏成分復(fù)雜且不穩(wěn)定，不宜多摻，故綜合考慮各方面的因素，選用(FA 30%+SS 20%+BFS 20%+PG 30%)的粉料比例。

2.2 鈉水玻璃摻量對(duì)同步注漿材料性能的影響

為改善注漿材料的工作性能，控制粉料比例FA 30%+SS 20%+BFS 20%+PG 30%，膠砂比0.42，水膠比0.8，聚羧酸減水劑摻量為0.7%，抗水分散劑摻量為0.03%，降低NS摻量，進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 鈉水玻璃摻量對(duì)注漿材料工作性能的影響

如表4和圖2所示，隨著水玻璃摻量的減小，漿液的流動(dòng)性能、泌水率和凝結(jié)時(shí)間逐漸增大，粘度、強(qiáng)度和水陸強(qiáng)度比逐漸減小，而稠度值略有增大。當(dāng)水玻璃摻量小于2%時(shí)，漿液的泌水率和凝結(jié)時(shí)間大幅增大，強(qiáng)度大幅減??；水玻璃摻量為4%時(shí)，初始流動(dòng)度僅為15 cm且經(jīng)時(shí)損失大。故綜合考慮漿材的工作性能、力學(xué)性能、抗水分散性能及成本，水玻璃摻量宜控制在2%～3%。

2.3 配合比的優(yōu)化

綜合上述試驗(yàn)研究，確定了工業(yè)廢渣-盾構(gòu)泥砂高性能同步注漿材料的較優(yōu)配合比為：粉料比例FA 30%、PG 30%、SS 20%、BFS 20%，鈉水玻璃2.5%，水膠比0.8，膠砂比0.42，聚羧酸減水劑摻量為0.7%，抗水分散劑摻量為0.03%。因漿液的振前流動(dòng)度在16～17 cm之間，仍未達(dá)到設(shè)計(jì)要求(18～20 cm),故調(diào)整外加劑摻量進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)配合比見表5，性能結(jié)果見表6和表7。

表5 實(shí)驗(yàn)配合比 /(kg·m-3)

表6 注漿材料性能(一)

表7 注漿材料性能(二)

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，增大減水劑或減少抗水分散劑的量可以改善漿液的流動(dòng)性能，而對(duì)其他性能影響不大，但抗水分散劑的減少會(huì)對(duì)注漿材料的水陸強(qiáng)度比產(chǎn)生較大影響。組4同時(shí)增大減水劑和抗水分散劑摻量，其流動(dòng)性能和抗水分散性能均較好。對(duì)它進(jìn)行進(jìn)一步的測試，結(jié)果表明該組漿料具有微膨脹性，能夠補(bǔ)償漿體的收縮，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，且抗?jié)B和抗水溶蝕性好，能夠很好地起到防水抗?jié)B的效果。這是因?yàn)殇撛泻幸欢康膄-CaO與f-MgO，在膠材水化過程中會(huì)產(chǎn)生一定量的Ca(OH)2、Mg(OH)2以及鈣礬石，導(dǎo)致相對(duì)體積的增加，不僅能補(bǔ)償注漿材料漿體的收縮，還會(huì)進(jìn)一步引發(fā)體積膨脹。

故實(shí)驗(yàn)確定的較優(yōu)配比為：FA 30%、PG 30%、SS 20%、BFS 20%，鈉水玻璃2.5%，水膠比0.8，膠砂比0.42，聚羧酸系抗泥型高效減水劑1%，抗水分散劑摻量0.3‰。其狀態(tài)如圖3所示。

3 工程應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)研制的工業(yè)廢渣-盾構(gòu)泥沙高性能同步注漿材料，在武漢軌道交通3號(hào)線一期工程第八B標(biāo)段的雙墩-王家墩區(qū)間站進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好。表8和圖4分別為同步注漿材料的配比和施工圖。

表8 工業(yè)廢渣-盾構(gòu)泥沙高性能同步注漿配比 /(kg·m-3)

4 結(jié) 論

a.隨著礦粉和鋼渣摻量的增大，漿體的粘度和強(qiáng)度增大，而流動(dòng)度和稠度減?。烩c水玻璃摻量為2.5%時(shí)，漿料的各項(xiàng)性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，效果較好。

b.確定的最優(yōu)配比為：FA 30%、PG 30%、SS 20%、BFS 20%，鈉水玻璃2.5%，水膠比0.8，膠砂比0.42，聚羧酸抗泥型高效減水劑摻量為1%，抗水分散劑摻量為0.3‰。

c.制得的工業(yè)廢渣-盾構(gòu)泥沙同步注漿材料：流動(dòng)性好(初始流動(dòng)度27 cm、6 h后23.5 cm)，泌水率小(3 h泌水率<1%)，凝結(jié)時(shí)間長(>60 h)，抗水分散性能優(yōu)(水陸強(qiáng)度比>85%)，可防止管片上浮(稠度值11.3 cm)，很好地滿足了隧道盾構(gòu)施工對(duì)注漿材料的性能要求，并在武漢軌道交通3號(hào)線雙王區(qū)間站取得了成功的應(yīng)用。

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Development and Application of Grouting Material with Shielded Sediment and Industrial Residue

HE Liang-yu1,XIAO Ming-zhao2,DENG Li-ming2,LIANG Yuan-bo1,DING Qing-jun1

(1.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；
2.Wuhan Municipal Construction Group Co, Ltd，Wuhan 430023，China)

Using water-glass as the activator, phosphorus gypsum, fly ash, steel slag and blast furnace slag as cementitious materials,shielded sediment as fine aggregate, anti-mud polycarboxylate superplasticizer and water-resistant dispersant were used to improve pulp properties.Through the study of powder material ratio and species and content of activator, a high performance industrial residue and shield-sand synchronous grouting material was made with good workability (initial fluidity of 27 cm,6 h after 23.5 cm, 3 h bleeding rate<1%), long setting time (> 60 h), excellent water-resistant dispersion performance (amphibious strength ratio > 85%), can prevent the segment floating (consistency value 11.3 cm) and has successfully applied in Wuhan rail transit line 3 eight section B double king intervalstation.

industrial residue; shielded sediment; alkali activation; synchronized grouting

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.001

2014-12-26.

何良玉(1991-)，碩士生.E-mail:1182963126@qq.com