砂細(xì)度模數(shù)對壁后注漿漿液強(qiáng)度的影響

慕 欣，陳喜坤，陳洪祥

(1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017；3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

砂細(xì)度模數(shù)對壁后注漿漿液強(qiáng)度的影響

慕 欣1，陳喜坤2，陳洪祥3

(1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017；3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

壁后注漿是盾構(gòu)法施工過程中關(guān)鍵的一道工序。為了探究漿液強(qiáng)度的發(fā)展，將砂采用不同的篩分方法調(diào)配成細(xì)度模數(shù)分別為1.652，1.096，0.773的3種砂，并將3種砂分別用于配置惰性漿、硬性漿，并分別開展了凝結(jié)時間、直接剪切、立方體抗壓試驗，觀測了細(xì)度模數(shù)不同的砂對惰性漿、硬性漿凝結(jié)時間、強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：2種漿液的強(qiáng)度均隨著用砂細(xì)度模數(shù)的增大而降低；硬性漿液中水泥的水化作用主要促進(jìn)了黏聚力的增大及內(nèi)摩擦角的降低；惰性漿液中粉煤灰的火山灰反應(yīng)基本可以忽略。

泥水盾構(gòu)；壁后注漿；砂細(xì)度模數(shù)；惰性漿；硬性漿；抗壓強(qiáng)度；三軸試驗

1 研究背景

隨著社會的發(fā)展，城市軌道交通和越江隧道應(yīng)用盾構(gòu)法施工的工程逐漸增多[1]。南京緯三路過江通道、上海長江隧道、南京地鐵隧道等均采用這一工法。盾構(gòu)法施工中壁后注漿是一道重要的工序，主要作用為減小工后沉降、防止地下水入滲以及保護(hù)管片結(jié)構(gòu)等。而注漿材料的選用是漿液性能的決定因素[2]，直接影響到注漿效果，因此對同步注漿材料進(jìn)行研究十分必要。

工程上要求壁后注漿漿液注入后在預(yù)定時間內(nèi)應(yīng)該達(dá)到或超過所處地層的強(qiáng)度，以減小地層應(yīng)力的釋放。這一過程中，砂是強(qiáng)度形成的重要組成部分，發(fā)揮了骨架作用，而且壁后注漿漿液配方中砂的含量在50%以上，是主要組成部分，是漿液有效應(yīng)力形成的關(guān)鍵。因此，探究砂的級配在壁后注漿漿液強(qiáng)度形成過程中的影響就尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對包括強(qiáng)度在內(nèi)的壁后注漿漿液基本性能的研究已取得了一些成果。Bezuijen等[3]利用自制的漿體一維固結(jié)試驗裝置， 對常規(guī)的硬性漿進(jìn)行固結(jié)試驗， 推導(dǎo)了以漿體孔隙率為自變量的漿體固結(jié)層厚度變化公式， 并通過孔壓的實際檢測得到了漿液有效應(yīng)力增加的規(guī)律； 曾曉清等[4]對上海地鐵1號線4#， 5#盾構(gòu)施工中同步注漿的惰性漿進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度試驗研究， 指出砂的級配對漿液的固結(jié)收縮變形影響較大， 提出了與上海淤泥質(zhì)黏土地層土體強(qiáng)度相當(dāng)?shù)亩栊詽{液配比； 左佳等[5]通過自制的非自立性三軸試驗裝置對惰性漿、 硬性漿進(jìn)行了固結(jié)不排水剪切試驗， 發(fā)現(xiàn)硬性漿液孔壓消散快， 變形小， 有效黏聚力明顯大于惰性漿， 而有效內(nèi)摩擦角則小于惰性漿。 陳喜坤等[6]通過改變緯三路廢棄砂細(xì)度模數(shù)和水膠比實現(xiàn)了工程中棄砂在壁后注漿漿液中的再利用。

表征天然砂的類別和顆粒大小的指標(biāo)是細(xì)度模數(shù)[7]。關(guān)于砂的細(xì)度模數(shù)對砂漿基本性能的影響,國內(nèi)外學(xué)者也開展了一些研究， Lim等[8]在水泥砂漿中摻加了不同細(xì)度模數(shù)的砂，試驗發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)度模數(shù)的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度增大，保水性增強(qiáng)； Westerholm等[9]在混凝土中使用了不同細(xì)度模數(shù)的砂進(jìn)行流變試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用細(xì)度模數(shù)較小的砂時，混凝土的流變性能較差；吳永根等[10]通過試驗發(fā)現(xiàn)機(jī)場道面采用細(xì)度模數(shù)為2.64的混凝土細(xì)集料時，具有較高的強(qiáng)度、抗?jié)B性而耐磨性達(dá)到最佳的壁后注漿漿液的配方與混凝土有相似之處，以細(xì)度模數(shù)作為砂的性質(zhì)評價指標(biāo)研究注漿漿液強(qiáng)度的發(fā)展情況，能夠給工程應(yīng)用提供具體參考。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

試驗以盾構(gòu)施工中經(jīng)常采用的惰性漿、可硬性漿為原始配方，為了觀察二者的差異，惰性漿中添加了與硬性漿中水泥顆粒級配相似的石灰石，二者的顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1 水泥、石灰石顆粒級配情況Fig.1 Gradation curves of cement and limestone

漿液配方包括水泥、石灰石、粉煤灰、砂、水、膨潤土、減水劑。水泥采用南京雨花水泥制品有限公司生產(chǎn)的雨花牌32.5R普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用南京下關(guān)電廠Ⅲ級粉煤灰；石灰石中碳酸鈣含量約為95%；膨潤土采用南京湯山膨潤土有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級鈉基膨潤土；減水劑采用南京瑞迪高新技術(shù)公司生產(chǎn)的高效減水劑。試驗采用了3種不同級配的砂，級配曲線和指標(biāo)分別見圖2、表1所示。

表1 不同篩分情況砂的指標(biāo)Table 1 Sand indexes under different sieving conditions

2.2 試驗裝置

漿液初期應(yīng)力增長情況采用凝結(jié)時間測試儀進(jìn)行測試，剪切強(qiáng)度采用應(yīng)變控制式直接剪切儀，立方體抗壓強(qiáng)度采用抗壓強(qiáng)度試驗機(jī)測量，試驗儀器如圖3所示。

圖3 試驗儀器Fig.3 Test instruments

2.3 試驗方法和步驟

將不同細(xì)度模數(shù)的砂烘干，分別應(yīng)用于壁后注漿漿液中，調(diào)整漿液水膠比(水和粉煤灰、石灰的質(zhì)量比)，使?jié){液的泌水率、流動度、稠度等指標(biāo)滿足工程施工要求，6組配方見表2，漿液試驗參數(shù)如表3所示。將每組漿液分別養(yǎng)護(hù)1,3,7,28 d，隨后進(jìn)行直剪試驗和立方體抗壓試驗，注漿材料的強(qiáng)度和凝結(jié)時間試驗方法參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)，直剪試驗方法參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)。

表2 試樣配和比Table 2 Material proportions in different samples

表3 漿液試驗參數(shù)Table 3 Test parameters of slurries

1#至3#試樣用來探究砂細(xì)度模數(shù)對硬性漿強(qiáng)度的影響，4#至6#試樣用來探究對惰性漿的影響，惰性漿與硬性漿作為對照進(jìn)行探究2種不同類型漿液強(qiáng)度發(fā)展的差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 凝結(jié)時間

凝結(jié)時間是采用凝結(jié)時間測試儀測定的，表示試針貫入阻力達(dá)到0.5 MPa所需要的時間，代表了漿液初期強(qiáng)度增長的程度。觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)采用不同細(xì)度模數(shù)的硬性漿液凝結(jié)時間相差不大，均在11 h左右，滿足工程上要求的8～13 h，砂顆粒不同對漿液初期強(qiáng)度增長的影響比較??；而對于惰性漿，可以看出，采用顆粒較大砂的漿液初凝時間較短，試驗中發(fā)現(xiàn)這種漿液泌水較多，從而導(dǎo)致固體顆粒之間更快接觸，漿液的有效應(yīng)力隨之增加，這是導(dǎo)致漿液凝結(jié)時間短的原因。工程要求惰性漿液凝結(jié)時間應(yīng)在70 h以內(nèi)，3種漿液均滿足這一要求。

圖4 6組漿液凝結(jié)時間Fig.4 Initial setting time of six slurries

圖5 漿液強(qiáng)度與砂細(xì)度模數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between strength of slurry and fineness modulus of sand

3.2 漿液7 d，28 d立方體抗壓強(qiáng)度

從圖5可以看出，對于硬性漿而言，由于水泥的水化，漿液強(qiáng)度增加很快，漿液7 d,28 d立方體抗壓強(qiáng)度隨著漿液用砂細(xì)度模數(shù)的增加均有降低的趨勢，其差異也逐漸增加。當(dāng)細(xì)度模數(shù)為1.652時，硬性漿液的強(qiáng)度已經(jīng)不滿足工程中不低于1.5 MPa的強(qiáng)度要求，分析認(rèn)為，漿液強(qiáng)度的增長主要是源于水泥的水化反應(yīng)以及小部分粉煤灰的火山灰反應(yīng)生成凝膠性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣以及Ca(OH)2與粉煤灰中活性Al2O3反應(yīng)生成的鈣礬石產(chǎn)生的顆粒之間的膠結(jié)作用[11]。當(dāng)漿液用砂較細(xì)時，顆粒與顆粒之間的接觸點增多，水泥水化產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)將顆粒連接起來并填充顆粒之間的孔隙，從而增加漿體的結(jié)構(gòu)性，強(qiáng)度也逐漸提高。

觀察惰性漿的強(qiáng)度變化可以看出，惰性漿7 d,28 d強(qiáng)度也隨著細(xì)度模數(shù)的增加而降低，但是降低的幅度明顯小于硬性漿，28 d的強(qiáng)度差別很小，分析認(rèn)為，惰性漿液中僅存在微弱的粉煤灰的火山灰反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)不足以填充顆粒之間的孔隙。

圖6為2種漿液齡期為7 d時的破壞形態(tài)，可以看出惰性漿還有一定的塑性破壞特征，而硬性漿呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞。

圖6 2種漿液7 d破壞情況對比Fig.6 Comparison of damage condition at curing age of 7 d between two slurries

圖7 內(nèi)摩擦角和黏聚力隨細(xì)度模數(shù)的變化Fig.7 Variations of cohesion and internal friction angle with fineness modulus of sand

3.3 壁后注漿體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括黏聚力和內(nèi)摩擦角，黏聚力反映了顆粒之間的膠結(jié)作用，內(nèi)摩擦角反映了土粒之間的表面摩擦力和咬合力等。從圖7可以看出，硬性漿液黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨著齡期的增加而增大，這與水泥的膠結(jié)作用逐漸發(fā)展有關(guān)，當(dāng)增大漿液用砂的細(xì)度模數(shù)時，硬性漿不同階段的黏聚力均逐漸增加，增加的幅度逐漸放緩，而內(nèi)摩擦角有降低的趨勢。因此，可以認(rèn)為硬性漿液的強(qiáng)度增長主要是由于水泥的水化作用增大了顆粒之間的相互作用力，而顆粒之間的咬合作用隨著顆粒與顆粒之間的連接逐漸減弱，漿體的結(jié)構(gòu)性不斷增強(qiáng)。觀察惰性漿液的變化可以看出，隨著齡期的發(fā)展，惰性漿2種指標(biāo)也逐漸增大，但變化遠(yuǎn)小于硬性漿，當(dāng)增大砂的細(xì)度模數(shù)時，惰性漿黏聚力略有增加，內(nèi)摩擦角的變化也很小，考慮到惰性漿液是采用顆粒相似的石灰石代換水泥而得到的，所以可以說明水泥的水化作用在漿液強(qiáng)度增長過程中主要是促進(jìn)了黏聚力的增大，內(nèi)摩擦角則隨之降低。

4 結(jié)論與建議

運用室內(nèi)試驗探究了壁后注漿配方中砂的細(xì)度模數(shù)對漿液強(qiáng)度發(fā)展過程的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 不同細(xì)度模數(shù)配置的惰性漿、硬性漿凝結(jié)時間均滿足工程要求，惰性漿液凝結(jié)時間隨砂細(xì)度模數(shù)的增大而增加，而硬性漿基本不變。

(2) 隨著漿液用砂細(xì)度模數(shù)的增大，硬性漿液不同齡期的強(qiáng)度均增大，而惰性漿液也有所增加，但增加幅度遠(yuǎn)小于硬性漿。

(3) 硬性漿液中水泥的水化作用主要促進(jìn)了黏聚力的增大和內(nèi)摩擦力的降低，惰性漿液中粉煤灰的火山灰反應(yīng)十分微弱。

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(編輯：占學(xué)軍)

Influence of Sand’s Fineness Modulus on Slurry Strength ofBackfill Grouting

MU Xin1,CHEN Xi-kun2, CHEN Hong-xiang3

(1.Anhui Water Conservancy Technical College, Hefei 230000,China; 2.JSTI Group, Nanjing 210017,China;3.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China)

Backfill grouting is a critical step in the process of shield tunneling construction. In order to explore the development of slurry strength, we obtained sands of three different fineness modulus(1.652，1.096，0.773) by using different sieving methods and prepared inert slurry and rigid slurry by using the sands. Through setting time test, direct shear test and cubic compressive test, we observed the effect of fineness modulus of sand on the setting time and strength of inert slurry and rigid slurry. Results show that strengths of the two slurries decrease with the increasing of fineness modulus of sand. Moreover, cement hydration in rigid slurry mainly promotes the increase of cohesion and the decrease of internal friction; while the action of fly ash in inert slurry can be ignored.

slurry shield; backfill grouting; fineness modulus of sand; inert slurry; rigid slurry; compressive strength; triaxial test

2016-02-22；

2016-03-15

江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項目(2016ZD79)

慕 欣(1976-)，女，安徽合肥人，副教授，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)工程的理論與應(yīng)用方面的教學(xué)與研究工作，(電話)15252490068(電子信箱) muxin_youxiang@163.com。

10.11988/ckyyb.20160135

2017,34(4):136-139

U455

A

1001-5485(2017)04-0136-04