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      水泥基同步注漿材料配合比設(shè)計及性能研究

      2020-03-10 12:55:20萬雪峰
      廣東建材 2020年1期
      關(guān)鍵詞:膠凝膨潤土粉煤灰

      萬雪峰 鄭 強(qiáng)

      (海南太和科技有限公司)

      盾構(gòu)隧道施工中,盾構(gòu)機(jī)外殼存在不可忽略的厚度,在盾構(gòu)機(jī)尾部形成空隙,即盾尾間隙[1]?;炷烈r砌管片起著支撐和保護(hù)作用,盾尾間隙會使盾構(gòu)機(jī)尾部的土體不能夠得到襯砌的支撐和保護(hù),處于一種極其不穩(wěn)定的環(huán)境之中,可能導(dǎo)致地表明顯沉降[2,3]。在拼裝襯砌管片的過程中,需要在拼接好的管片與土層的縫隙內(nèi)注入注漿材料進(jìn)行填充,替代被挖空的原狀土[4]。同步注漿技術(shù)是解決隧道施工中盾尾間隙問題的有效方法[5-8]。

      注漿技術(shù)采用液壓、氣壓或電化學(xué)方法,將漿體注入到巖土體的孔隙、空隙中,使巖土體成為強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的新結(jié)構(gòu)體。注漿壓力略大于該地層的靜止水土壓力0.1MPa~0.2MPa,地層水土壓力通常在0.2MPa~0.3MPa,也有到0.4 MPa 的情況。注漿壓力的選擇要恰當(dāng),如在盾構(gòu)法隧道施工時,同步注漿若采用過大的注漿壓力會導(dǎo)致地面隆起,管片位置偏移,容易漏漿;采用過小的注漿壓力,漿體無法填滿空隙,或者空隙填充速度小于空隙產(chǎn)生速度,則容易引起地基沉降。

      本文根據(jù)工程需求,設(shè)計了注漿材料配合比,研究了其和易性和強(qiáng)度,并進(jìn)一步探討了在注漿壓力作用下,漿體和土組成的系統(tǒng)的壓縮性能。

      1 原材料與實驗方法

      1.1 原材料

      所用原材料是普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、保塑劑、水。

      硅酸鹽水泥與粉煤灰一起,起著膠結(jié)、填充作用。在選擇原材料的過程中,水泥作為注漿材料強(qiáng)度的主要來源,通常情況下,同步注漿材料體系中宜選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥。本實驗采用普通硅酸鹽水泥,其物理力學(xué)性能見表1,化學(xué)指標(biāo)見表2;所用粉煤灰為Ⅱ級灰,性能指標(biāo)見表3。

      表1 水泥物理力學(xué)性能

      表2 水泥化學(xué)指標(biāo) (%)

      表3 粉煤灰性能指標(biāo) (%)

      膨潤土即蒙脫石,理論化學(xué)式為Al2[Si4O10](OH)2·nH2O),屬于單斜晶系,具有復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu),由兩層硅氧四面體層和夾子中間的水鋁石層組成。理論上,膨潤土的復(fù)網(wǎng)層內(nèi)呈電中性,層間靠分子間作用力結(jié)合;實際上,由于Al3+可被Mg2+取代,使復(fù)網(wǎng)層并不呈電中性,而是帶有少量負(fù)電荷,因而造成復(fù)網(wǎng)層之間存在斥力,水分子很容易滲透進(jìn)入層間,晶胞c 軸膨脹,隨含水量變化,由0.960nm 變化至2.140nm,晶格結(jié)構(gòu)不會被破壞[9]。實驗采用鈉基膨潤土,利用其極強(qiáng)的吸附能力,賦予砂漿良好的保水性能,其性能指標(biāo)見表4。所用砂為細(xì)砂,細(xì)度模數(shù)2.1。

      表4 膨潤土性能指標(biāo) (%)

      1.2 砂漿配合比

      為了滿足工程注漿要求,設(shè)計的砂漿28d 抗壓強(qiáng)度不低于2.5MPa;稠度100mm~120mm;保水性良好,不泌水、不分層。砂漿配合比具體參數(shù)見表5。其中配合比1~5 未摻加膨潤土,膠凝材料用量逐漸升高,從1 至5水 泥 和 粉 煤 灰 用 量 分 別 是 280kg/m3、350kg/m3、370kg/m3、400kg/m3、400kg/m3;配合比6~10,分別在配合比1~5 的基礎(chǔ)上增加了膨潤土;配合比11、12 是在配合比10 的基礎(chǔ)上,增加了膨潤土摻量;配合比13 是在配合比12 的基礎(chǔ)上,調(diào)整了膠凝材料中水泥和粉煤灰的比例,增加了水泥用量,減少了粉煤灰用量。

      表5 砂漿配合比(kg/m3)

      1.3 實驗方法

      采用行星式砂漿攪拌機(jī)攪拌砂漿,砂漿稠度及稠度經(jīng)時變化均采用砂漿稠度計測試。將攪拌好的砂漿靜置,表面用塑料薄膜覆蓋,以降低水分的蒸發(fā);每間隔一定時間后,測試砂漿稠度,以此評價砂漿稠度的經(jīng)時變化。砂漿保水性采用蒸發(fā)損失進(jìn)行評價,首先將攪拌好的砂漿稱量150g 左右,放入容器中,輕微振動后將其放上天平(精度萬分之一),此后每隔一定時間,讀取容器和砂漿質(zhì)量,計算砂漿質(zhì)量的經(jīng)時損失即為蒸發(fā)損失,見式⑴。整個測試期間,實驗室溫度為(20±1)℃。

      砂漿強(qiáng)度測試采用70.7mm×70.7mm×70.7mm 的立方體試模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。

      圖1 是壓縮實驗示意圖。首先稱量一定的土,均勻填入圓筒中,施加設(shè)計荷載;卸載,記錄壓縮后土的高度;將攪拌好的砂漿注入圓筒中,記錄漿體高度;密封土與漿體組成的系統(tǒng),記錄系統(tǒng)高度,該值為系統(tǒng)初始高度;施加設(shè)計荷載;卸載,記錄漿體高度和系統(tǒng)高度,即為系統(tǒng)承壓后高度,按式⑵計算系統(tǒng)的壓縮量。

      圖1 壓縮實驗示意圖

      2 試驗結(jié)果與討論

      2.1 膨潤土對砂漿稠度的影響

      圖2 膨潤土對砂漿稠度的影響

      圖3 是配合比5、10、11、12 砂漿稠度。這4 組配合比膨潤土摻量分別為0、80kg/m3、90kg/m3、100kg/m3,配合比其它參數(shù)均相同。隨著膨潤土摻量的增加,砂漿稠度顯著降低。其中,配合比11、12 砂漿的稠度均低于100mm,不滿足設(shè)計要求。

      圖3 膨潤土摻量對砂漿稠度的影響

      配合比13 與配合比12 相比,在水泥與粉煤灰總用量不變的基礎(chǔ)上,配合比13 增加了水泥用量,減少了粉煤灰用量。配合比13 砂漿稠度為96mm,高于配合比12,但仍然不滿足設(shè)計要求。實驗所用粉煤灰需水量比為101%;粉煤灰密度低于水泥,在細(xì)度相當(dāng)?shù)臈l件下,單位質(zhì)量粉煤灰所含顆粒更多,總比表面積更大,表面吸附的拌和水更多,所以,減少粉煤灰用量,砂漿稠度增加。

      三對配合比1、4、5、6、9、10,稠度滿足設(shè)計要求,作稠度經(jīng)時損失實驗,實驗結(jié)果見圖4。隨著時間的延長,6 組砂漿稠度均有明顯降低。靜置1.5h 后,和配合比1、4、5 相比,配合比6、9、10 在各個時間段的稠度均明顯高于對照配合比。拌和水進(jìn)入到膨潤土晶格結(jié)構(gòu)中,延緩了水泥水化產(chǎn)物三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的搭建過程,有助于稠度的保持。

      圖4 膨潤土對砂漿稠度經(jīng)時變化的影響

      2.2 砂漿蒸發(fā)損失

      圖5 是配合比1~5 砂漿3h 內(nèi)的蒸發(fā)損失。隨著時間的延長,5 組配合比砂漿的蒸發(fā)損失以近似線性方式增長。在各個時間點,配合比1 砂漿的蒸發(fā)損失最大,配合比5 蒸發(fā)損失最小。其中,配合比1~3 砂漿蒸發(fā)損失較為接近,配合比4、5 蒸發(fā)損失在1h 后,明顯低于配合比1~3 砂漿。配合比4、5 砂漿蒸發(fā)損失較為接近,兩組配合比中,膠凝材料用量均為400kg/m3,配合比4 中水泥用量較配合比5 多,而粉煤灰用量低于配合比5。配合比1 砂漿靜置3h 后,質(zhì)量損失率為59.1×10-4,配合比5 砂漿靜置3h 后,質(zhì)量損失率為33.0×10-4。

      圖5 未摻膨潤土砂漿的蒸發(fā)損失

      圖6 是配合比6~10 砂漿3h 內(nèi)的蒸發(fā)損失。隨著時間的延長,5 組配合比砂漿的蒸發(fā)損失都逐漸增大。比較配合比6~9,在配合比其它參數(shù)不變的條件下,隨著膠凝材料用量(水泥與粉煤灰的用量)從300 kg/m3增加到400kg/m3,同一時間點的蒸發(fā)損失減小。配合比6 砂漿靜置3h 后,質(zhì)量損失率為16.8×10-4,配合比10砂漿靜置3h 后,質(zhì)量損失率為5.5×10-4。配合比10 在各個時間點的蒸發(fā)損失均較其它4 組的低,與配合比9,膠凝材料用量均為400kg/m3,其它參數(shù)也相同,只是配合比10 中膨潤土用量更大。適當(dāng)增大膠凝材料用量或者增大膨潤土摻量,有助于減小砂漿蒸發(fā)損失,有利于砂漿保持流動性和較好的保水性。

      圖6 摻膨潤土砂漿的蒸發(fā)損失

      對比圖5 與圖6 數(shù)據(jù),在配合比其它參數(shù)不變的條件下,摻加膨潤土后,砂漿蒸發(fā)損失明顯降低。砂漿中摻入50kg/m3~80kg/m3膨潤土,能夠滿足注漿工藝對砂漿和易性的要求。

      2.3 砂漿抗壓強(qiáng)度

      圖7 是砂漿28d 抗壓強(qiáng)度。從配合比1 到配合比4,隨著膠凝材料用量的增加,砂漿抗壓強(qiáng)度逐漸升高。配合比其它參數(shù)不變的條件下,摻加膨潤土的砂漿強(qiáng)度均較相同參數(shù)下未摻加膨潤土的砂漿強(qiáng)度高。總膠凝材料相同,配合比5 中,水泥用量較配合比4 高,粉煤灰用量較配合比4 低,28d 強(qiáng)度高于配合比4;配合比9、10是在配合比4、5 基礎(chǔ)上,摻加了膨潤土,且配合比10 中膨潤土的摻量高于配合比9,配合比10 強(qiáng)度高于配合比9,同時也是10 組砂漿里強(qiáng)度最高的。配合比5、9、10強(qiáng)度滿足不低于2.5MPa 的要求。

      圖7 砂漿28d 抗壓強(qiáng)度

      2.4 壓縮性能

      圖8 是砂漿和土系統(tǒng)的壓縮量。5 組砂漿和土組成的系統(tǒng)壓縮量在8.1%~9.6%之間,均滿足砂漿設(shè)計要求:在注漿壓力作用下,系統(tǒng)的壓縮量不超過10%。系統(tǒng)壓縮量小,表明系統(tǒng)抗變形能力強(qiáng)。膠凝材料用量400kg/m3、膨潤土用量80kg/m3配合比10,系統(tǒng)的壓縮量最小。適當(dāng)提高膠凝材料用量,提高膨潤土用量,有助于提高系統(tǒng)的壓縮變形性能。

      圖8 砂漿與土組合的系統(tǒng)壓縮量

      3 結(jié)論

      ⑴摻加膨潤土后,砂漿稠度明顯降低;在配合比其它參數(shù)不變的條件下,隨著膨潤土摻量的增加,砂漿稠度顯著降低。

      ⑵摻加膨潤土后,砂漿稠度降低,蒸發(fā)損失明顯降低,和易性保持能力提高。砂漿中摻入50kg/m3~80kg/m3膨潤土,能夠滿足注漿工藝對砂漿和易性的要求(稠度100mm~120mm、保水性良好)。

      ⑶膠凝材料用量400kg/m3、膨潤土用量50kg/m3~80kg/m3的砂漿,能夠滿足28d 抗壓強(qiáng)度不低于2.5MPa、稠度100mm~120mm、保水性良好、系統(tǒng)壓縮量不高于10%的設(shè)計要求。

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