不同混凝劑及其組合對(duì)自密實(shí)砂漿工作性能的影響研究

張 武，劉 微，呂 淼

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣東 510635；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；3.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

盾構(gòu)技術(shù)，因有施工安全、快速、勞動(dòng)強(qiáng)度低和對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于城市地鐵和輸水隧洞地施工。壁后注漿屬于盾構(gòu)施工法的主動(dòng)控制地層沉降減少對(duì)周圍環(huán)境影響的重要措施之一，是盾構(gòu)施工的一道關(guān)鍵工序，直接影響到注漿成本、注漿效果、注漿工藝等一系列問題[1]。一般而言，壁后注漿的主要目的有3點(diǎn)[2]：① 防止地層變形。及時(shí)填充盾尾空隙，減少地表的變形，以免因空隙的存在導(dǎo)致地層發(fā)生較大變形。② 提高隧洞的抗?jié)B性。注漿漿液凝固后具有一定抗?jié)B性能，可作為隧洞的第一道止水防線。③ 提高襯砌管片穩(wěn)定性。漿液具備一定早期強(qiáng)度，能及時(shí)填充盾尾空隙，確保管片襯砌的早期和后期穩(wěn)定性。然而，對(duì)于需要利用地層實(shí)現(xiàn)聯(lián)合受力的高壓輸水盾構(gòu)隧洞，壁后注漿還具有特殊的目的：壁后注漿漿液硬化后形成的注漿層能較好的提供地層抗力。

為了實(shí)現(xiàn)上述壁后注漿的目的，注漿材料必須迅速、準(zhǔn)確地充填盾尾空隙，這便要求注漿材料性能必須滿足[3]：① 充填性好，在施工過程中不會(huì)流竄到盾尾空隙以外的其他領(lǐng)域，不漏失到掘削面及圍巖土體中去。② 漿液流動(dòng)性好、離析少，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失較小。③ 漿液硬化后的滲透系數(shù)要小。④ 壁后注漿層強(qiáng)度較高，其數(shù)值與盾構(gòu)隧洞周圍地層相當(dāng)。⑤ 漿液硬化后的體積收縮率要小。

如今，盾構(gòu)隧洞注漿材料發(fā)展較為成熟，其種類數(shù)以百計(jì)，但要求盾構(gòu)隧洞壁后注漿漿液硬化后強(qiáng)度較高，體積收縮率較小，依靠壁后注漿層，充分利用地層抗力實(shí)現(xiàn)聯(lián)合受力的鮮有提及。砂漿的強(qiáng)度及體積收縮率等性能較好，但流動(dòng)性差，將導(dǎo)致注漿泵壓升高，使注漿出現(xiàn)困難。同時(shí)砂漿穩(wěn)定性差，則易離析分層，在注漿過程中會(huì)導(dǎo)致堵管，不僅影響注漿效果，也會(huì)拖慢施工進(jìn)度?？煽紤]選用流動(dòng)性較好的自密實(shí)砂漿作為注漿材料。自密實(shí)砂漿因其較好的流動(dòng)性，主要應(yīng)用于特別狹窄無法振搗的工程部位[4]，其凝結(jié)時(shí)間因使用的外加劑的不同大多在2～4 h左右。工程中，對(duì)注漿材料凝結(jié)時(shí)間的要求因工程條件的不同而有所不同，一般為10～24 h。在設(shè)計(jì)使用自密實(shí)砂漿作為注漿材料使用時(shí)，可添加緩凝劑以達(dá)到延長凝結(jié)時(shí)間的目的。但是，自密實(shí)砂漿的工作性能對(duì)原材料的品種和用量十分敏感，原材料品種或添加量稍有不同，其工作性能變化便會(huì)很大。目前，市場(chǎng)上緩凝劑種類繁多，如何選擇適宜的緩凝劑以達(dá)到保證其自密實(shí)性能并有效增大自密實(shí)砂漿凝結(jié)時(shí)間的目的成為一個(gè)關(guān)鍵問題。

本文通過試驗(yàn)對(duì)檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉復(fù)合使用、檸檬酸鈉與白糖復(fù)合使用的情況進(jìn)行研究，著重對(duì)比幾種緩凝劑的摻量對(duì)自密實(shí)砂漿流動(dòng)度、稠度、流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失、稠度經(jīng)時(shí)損失、初凝時(shí)間這幾個(gè)指標(biāo)的影響，為自密實(shí)砂漿的生產(chǎn)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為F類Ⅱ級(jí)粉煤灰。砂為河砂，密度為2.62 g/mm3，細(xì)度模數(shù)為2.3，屬中砂，其級(jí)配曲線如圖1所示。減水劑為聚羧酸高性能減水劑，水為常溫自來水。緩凝劑選用檸檬酸鈉，并將檸檬酸鈉分別與葡萄糖酸鈉、白糖進(jìn)行復(fù)配使用。試驗(yàn)中所使用的緩凝劑均為粉體原料(如圖2所示)，在進(jìn)行復(fù)配時(shí)，兩種緩凝劑的質(zhì)量比為1:1。文中摻量均指緩凝劑質(zhì)量占膠凝材料質(zhì)量的比例。

圖1 河砂樣本篩分曲線示意

(a)檸檬酸鈉 (b)葡萄糖酸鈉 (c)白糖

1.2 試驗(yàn)儀器與方法

采用JJ-5型砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，自密實(shí)砂漿的流動(dòng)度、稠度、凝結(jié)時(shí)間均按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)中的方法進(jìn)行測(cè)定。設(shè)置1組未摻加緩凝劑的自密實(shí)砂漿作為對(duì)照，對(duì)于拌合出的自密實(shí)砂漿，分別在0 h、2 h、6 h時(shí)對(duì)其工作性能進(jìn)行檢測(cè)。除攪拌試驗(yàn)外，取相同質(zhì)量的檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物、檸檬酸鈉與白糖混合物分別溶于500 mL水中靜置，觀察各溶液穩(wěn)定性。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

未摻緩凝劑時(shí)，自密實(shí)砂漿原始配合比見表1所示。以此配合比所配制出的砂漿，3 d標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為23.40 MPa，7 d標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度可達(dá)到32.97 MPa。

表1 自密實(shí)砂漿配合比 kg/m3

上述配合比的自密實(shí)砂漿，分別摻入檸檬酸鈉(摻量為0.03%，0.05%，0.08%，0.10%，0.12%)、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉復(fù)配使用(摻量為0.03%，0.05%，0.08%，0.10%，0.12%)、檸檬酸鈉與白糖復(fù)配使用(摻量為0.03%，0.05%，0.08%，0.10%，0.12%)，并設(shè)計(jì)1組無緩凝劑的對(duì)照組，共進(jìn)行了16組。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 緩凝劑與水的相溶性

檸檬酸鈉、葡萄糖酸鈉、白糖均易溶于水，將檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物、檸檬酸鈉與白糖混合物放入水中后，很快形成無色透明溶液。在2 h、6 h、24 h后分別觀察各溶液性狀，各溶液穩(wěn)定性良好。在48 h后，檸檬酸鈉與白糖溶液中出現(xiàn)少許絮狀沉淀物，另兩組溶液未有變化。

2.2 對(duì)流動(dòng)度的影響

從圖3可以看出，隨著緩凝劑的用量增加，在檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物作用下，新拌自密實(shí)砂漿的流動(dòng)度呈下降趨勢(shì)，而檸檬酸鈉與白糖混合物在少量摻加的情況下，新拌自密實(shí)砂漿流動(dòng)度略有增大，但隨后也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

圖3 不同摻量緩凝劑對(duì)新拌自密實(shí)砂漿流動(dòng)度的影響

在2 h后，未摻加緩凝劑的對(duì)照組流動(dòng)度明顯減小，而摻加緩凝劑的幾組自密實(shí)砂漿流動(dòng)度均增大。如圖4所示，檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物的摻量對(duì)自密實(shí)砂漿2 h流動(dòng)度的影響規(guī)律基本相同，但摻加檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物的各組自密實(shí)砂漿2 h流動(dòng)度均大于摻加檸檬酸鈉的各組自密實(shí)砂漿。摻加檸檬酸鈉與白糖混合物的幾組流動(dòng)度雖大于其他各組，但穩(wěn)定性較差，漿體出現(xiàn)離析現(xiàn)象。

圖4 不同摻量緩凝劑對(duì)自密實(shí)砂漿2 h流動(dòng)度的影響

在6 h后，未摻加緩凝劑的對(duì)照組已失去流動(dòng)性能。摻加檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物的各組仍有較好的流動(dòng)性，從圖5中可以看出，在摻量大于0.05%時(shí)，摻加相同緩凝劑的各組流動(dòng)度已基本相同。而摻加檸檬酸鈉與白糖混合物的各組雖流動(dòng)度相對(duì)較大，漿體仍然有離析現(xiàn)象。

圖5 不同摻量緩凝劑對(duì)自密實(shí)砂漿6 h流動(dòng)度的影響

2.3 對(duì)稠度的影響

表2為不同緩凝劑摻量下自密實(shí)砂漿的0 h稠度、2 h稠度、6 h稠度，在試驗(yàn)中試配的摻量下，檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物、檸檬酸鈉與白糖混合物對(duì)自密實(shí)砂漿的稠度略有影響，但影響不大。從表2中可以看出，摻加緩凝劑的各組自密實(shí)砂漿在6 h后均還保有較大的稠度值，這使自密實(shí)砂漿在較長的時(shí)間范圍內(nèi)具有可施工性。

表2 不同緩凝劑摻量對(duì)自密實(shí)砂漿稠度的影響 mm

2.4 對(duì)初凝時(shí)間的影響

從圖6可以看出，檸檬酸鈉對(duì)自密實(shí)砂漿的凝結(jié)時(shí)間有一定的影響，且并非摻量越大緩凝效果越佳，其緩凝效果在摻量為0.08%時(shí)達(dá)到峰值。檸檬酸鈉與葡萄糖混合物能有效延長自密實(shí)砂漿的初凝時(shí)間，隨著摻量的增大，凝結(jié)時(shí)間曲線呈總體上升趨勢(shì)，但在超過0.08%后略有下降。檸檬酸鈉與葡萄糖混合物也有較好的緩凝效果，且在本次試驗(yàn)中，呈現(xiàn)出摻量越大緩凝效果越佳的趨勢(shì)。

圖6 不同摻量緩凝劑對(duì)自密實(shí)砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響

3 結(jié)語

1) 對(duì)于需要充分利用地層抗力實(shí)現(xiàn)聯(lián)合受力的高壓輸水盾構(gòu)隧洞，壁后注漿材料有了更高的要求。除了要滿足充填性好，漿液流動(dòng)性好、離析少，漿液硬化后的滲透系數(shù)要小的要求之外，還需滿足漿液硬化后強(qiáng)度較高、體積收縮率小的要求。本文考慮選用流動(dòng)性較好的自密實(shí)砂漿作為注漿材料，通過試驗(yàn)對(duì)檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉復(fù)合使用、檸檬酸鈉與白糖復(fù)合使用的情況進(jìn)行研究，為類似壁后注漿材料的生產(chǎn)和應(yīng)用提供重要參考。

2) 檸檬酸鈉會(huì)使新拌砂漿的流動(dòng)度變小，2 h后，自密實(shí)砂漿流動(dòng)度略有提升，且在6 h后也能保有較好的流動(dòng)性。檸檬酸鈉的摻量并非越多越好，摻量過大會(huì)造成自密實(shí)砂漿流動(dòng)性變差，緩凝效果也會(huì)變差，其流動(dòng)度與初凝時(shí)間都在摻量為0.08%達(dá)到峰值。

3) 檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉復(fù)配使用會(huì)使新拌自密實(shí)砂漿流動(dòng)度減小，但在2 h后，自密實(shí)砂漿的流動(dòng)度會(huì)有所提升，且在6 h后自密實(shí)砂漿仍能保有較好的工作性能。在一定摻量范圍內(nèi)，檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉復(fù)配使用可以延長自密實(shí)砂漿的初凝時(shí)間。

4) 檸檬酸鈉與白糖復(fù)配使用能有效增大自密實(shí)砂漿的流動(dòng)度，并能有效延長自密實(shí)砂漿的初凝時(shí)間，但摻量較大時(shí)，拌合出的自密實(shí)砂漿穩(wěn)定性較差、易離析，工程適用性差。