富水地區(qū)地鐵襯砌壁后注漿防滲加固試驗研究

王凱

（北京賽瑞斯國際工程咨詢有限公司，北京 100070）

0 引言

近年來，我國地鐵軌道交通得到了大力發(fā)展，由于地鐵建設(shè)的逐步推進，所遇到的特殊地質(zhì)也越來越多，越來越復(fù)雜[1-2]。盾構(gòu)施工是地鐵建設(shè)的重要環(huán)節(jié)[3-4]，而壁后注漿則是盾構(gòu)隧道施工的關(guān)鍵工序。地下富水地區(qū)是盾構(gòu)施工危險性較大的工程地質(zhì)之一，對壁后注漿加固質(zhì)量提出了更高的要求[5]。目前，常用的壁后注漿料包括單液惰性注漿料、單液硬性注漿料、水泥-水玻璃雙液注漿料等。單液惰性注漿料價格便宜、不存在堵管問題、充填性好，但強度低、易流失、加固效果并不好；單液硬性注漿料強度高、充填性較好、價格適中，但易堵管，也存在流失現(xiàn)象；水泥-水玻璃雙液注漿料強度高、不易流失、充填性較好，但極易堵管、工程造價也高，是目前最常用的注漿加固材料[6-8]。因此，有必要研制一種新型的注漿材料。工業(yè)生產(chǎn)會產(chǎn)生大量的工業(yè)廢渣，如粉煤灰、高爐礦渣、鋼渣等，這些物質(zhì)如果處理不當(dāng)，會造成環(huán)境污染與破壞，同時占用大量土地，以工業(yè)廢渣為膠凝材料，輔以堿激發(fā)劑，可制備強度高、低水化熱、耐久性好的新型材料[9-10]。

針對傳統(tǒng)水泥基注漿料高能耗、工程性能和耐久性不足的缺點，以粉煤灰、S95級高爐礦渣微粉以及鋼渣微粉等工業(yè)廢渣為膠凝材料，并添加Na2SiO3激發(fā)劑，配制一種低能耗、高抗分散性、耐久性好的環(huán)保型堿激發(fā)劑注漿料，探討不同液固比下堿激發(fā)劑注漿料的性能，并與傳統(tǒng)水泥基注漿料進行對比，以期能為地鐵盾構(gòu)隧道襯砌工程建設(shè)提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

堿激發(fā)注漿材料：主要包括工業(yè)廢渣、激發(fā)劑溶液、砂、減水劑等。工業(yè)廢渣：粉煤灰、S95級高爐礦渣微粉以及鋼渣微粉，三者的密度分別為1.16、1.35、1.63 g/cm3，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、CaO（總含量＞80%）。激發(fā)劑溶液：由氫氧化鈉和水玻璃混合制成。水玻璃：模數(shù)為3.28，固含量為34.9%，波美度39.4，氫氧化鈉：純度98%；砂：天然河砂，細(xì)度模數(shù)1.8，平均堆積密度1.66 g/cm3，平均含泥量2%。減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率30%，固含量13.2%。

普通水泥基單液硬性注漿料：主要包括水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、減水劑等。粉煤灰、砂、減水劑與堿激發(fā)注漿材料相同；水泥：P·O42.5R，密度3.1 g/cm3，燒失量1.2%，初凝時間40 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量100%。膨潤土：復(fù)合型鈉基、鈣基盾構(gòu)專用膨潤土，濕篩分析篩余量為2.3%，30 min濾失量8 mL，屈服值/塑性黏度=2.5，600 r/min時黏度為38 mPa·s。

1.2 試驗方案

堿激發(fā)注漿材料中工業(yè)廢渣材料按照m（粉煤灰）∶m（S95級高爐礦渣微粉）∶m（鋼渣微粉）=3∶1∶1進行配制，砂膠比（砂/工業(yè)廢渣）=1.5，激發(fā)劑的濃度為50%，減水劑摻量為工業(yè)廢渣質(zhì)量的1%，探討液固比（激發(fā)劑/工業(yè)廢渣）分別為0.8、0.9、1.0、1.1下注漿漿液性能與傳統(tǒng)普通水泥基單液硬性注漿料性能對比。堿激發(fā)注漿料與普通水泥基單液硬性注漿料的配合比設(shè)計方案分別見表1、表2。

表1 堿激發(fā)注漿料配合比

表2 普通水泥基單液硬性注漿料配合比 g

1.3 漿液制備

漿液制備主要步驟：（1）準(zhǔn)確稱取工業(yè)廢渣和減水劑（堿激發(fā)注漿料），水泥、粉煤灰、膨潤土和減水劑（水泥基注漿料）倒入行星式攪拌機中攪拌5 min，使膠凝材料和減水劑等充分混合；（2）向混合料中繼續(xù)摻入細(xì)砂，然后繼續(xù)攪拌3 min；（3）按照m（氫氧化鈉）∶m（水玻璃）=1∶1配制激發(fā)劑溶液；（4）稱取對應(yīng)質(zhì)量的激發(fā)劑溶液倒入攪拌機中（水泥基注漿料直接摻入水），再次攪拌3 min，得到注漿漿液。

1.4 性能測試

性能測試分為2個部分：（1）漿液的基本性能測試，主要包括物理力學(xué)性能（密度、pH值）、工作性能（稠度、流動度、凝結(jié)時間、泌水率）、硬化特性（28 d強度、抗水分散性、抗?jié)B性）、孔隙結(jié)構(gòu)特征（吸水系數(shù)、可滲透孔隙率）等，通過性能測試確定最佳的液固比。（2）最佳液固比下堿激發(fā)注漿材料與普通水泥基注漿材料耐久性對比試驗，主要對比兩者的干燥收縮特性、抗水溶蝕性以及抗硫酸鹽侵蝕性。

1.5 基本性能試驗結(jié)果

對不同液固比堿激發(fā)注漿料和普通水泥基單液硬性注漿料的基本性能進行測試，結(jié)果見表3。

表3 堿激發(fā)注漿料和水泥基單液硬性注漿料的基本性能測試結(jié)果

從表3可見：

（1）隨著液固比的增大，堿激發(fā)注漿料的密度、抗壓強度、抗折強度、水/陸抗壓強度比、抗?jié)B壓力逐漸減小，這是因為隨著液固比的增大，堿激發(fā)劑的含量越多，粉料之間的距離增大，相互之間的聯(lián)結(jié)力減弱，密實度降低，造成密度和力學(xué)性能降低。其中當(dāng)液固比大于0.9時，堿激發(fā)注漿料的密度小于水泥基單液硬性注漿料（5#），堿激發(fā)注漿材料的抗壓強度、抗折強度、水/陸抗壓強度比、抗?jié)B壓力等明顯高于普通水泥基注漿材料，特別是在抗?jié)B性方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，當(dāng)液固比為0.8～0.9時，抗?jié)B等級達到P12；當(dāng)液固比為1.0時，抗?jié)B等級為P10；當(dāng)液固比為1.1時，抗?jié)B等級也可以達到P8，而普通水泥基注漿料的抗?jié)B等級僅為P6。

（2）pH值、稠度、流動度、凝結(jié)時間、泌水率、吸水系數(shù)、孔隙度等隨著液固比的增大而逐漸增大。pH值增大，表明堿激發(fā)注漿料的堿性越強，且明顯大于水泥基單液硬性注漿料，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成的Ca/Si膠凝產(chǎn)物較水泥基的C-S-H產(chǎn)物穩(wěn)定性更好，具有更強的固化堿金屬離子的能力，對環(huán)境造成的污染較小。當(dāng)液固比大于1.0時，堿激發(fā)注漿料的稠度和流動度將大于普通水泥基注漿料，在低液固比時，漿液的可灌性可能不如水泥基注漿材料；堿激發(fā)注漿料的凝結(jié)時間、泌水率、吸水系數(shù)、孔隙度均小于水泥基注漿料，這說明堿激發(fā)劑注漿料更適合在富水隧道使用，縮短凝結(jié)時間，可以減小注漿料的損失，提高注漿質(zhì)量；泌水率越小，說明堿激發(fā)注漿料的穩(wěn)定性越好，不容易發(fā)生離析和分層；吸水系數(shù)和孔隙度均小于水泥基注漿料，說明堿激發(fā)注漿料的密實度優(yōu)于水泥基注漿料。但液固比增大，漿液內(nèi)部連通孔隙孔徑會隨之增大，因而液固比不宜過大。

1.6 最佳液固比

注漿料的工作性能和硬化性能往往存在一定的矛盾，要保持良好的工作性能，就必須犧牲一定的硬化性能，因此必須綜合考慮各個參數(shù)情況。當(dāng)液固比為0.8～0.9時，堿激發(fā)注漿料的稠度、流動度和凝結(jié)時間過小，可注性較差，不利于現(xiàn)場施工；當(dāng)液固比為1.1時，雖然注漿料具有良好的工作性能，但強度、抗水分散性和抗?jié)B性較差，對于富水地區(qū)注漿加固效果而言不是很理想，因此，綜合考慮，最佳液固比為1.0。

2 注漿料的耐久性

2.1 干燥收縮性能

堿激發(fā)注漿料與水泥基單液硬性注漿料的干縮應(yīng)變曲線見圖1。

從圖1可見：隨著齡期的不斷延長，注漿料的干縮應(yīng)變經(jīng)歷了初期快速增長階段和后期緩慢變形階段。在齡期0～28 d初期快速增長階段，內(nèi)注漿料的干縮應(yīng)變增長速度很快，這是因為早期注漿料試樣中含有較多的水分，且早期試樣強度還未充分發(fā)展，變形模量較小，導(dǎo)致在水分消耗過程中因干縮而引起的變形增大；后期試樣內(nèi)部水分基本消耗完畢，且強度經(jīng)過充分發(fā)展，有足夠能力抵抗干縮變形。在0～7 d內(nèi)，堿激發(fā)注漿料的干縮變形與水泥基注漿料的干縮變形基本相同；隨著齡期的延長，兩者的干縮變形逐漸出現(xiàn)差異，且相同齡期下，堿激發(fā)注漿料的干縮變形略大于水泥基注漿料，經(jīng)過90 d后，堿激發(fā)注漿料、水泥基注漿料的干縮應(yīng)變分別為1800 με、1650 με，堿激發(fā)注漿料在體積穩(wěn)定性方面略低于水泥基注漿料，但差距并不明顯。

2.2 抗水溶蝕性能

對兩種注漿料的抗水溶蝕性能進行測試，測得浸漬水pH值、浸漬水溶液的電導(dǎo)率（EC）以及浸漬水溶液中溶解固形物含量（TDS）隨浸泡時間的變化規(guī)律，結(jié)果見圖2。

從圖2可見：（1）隨著浸泡時間的延長，浸漬水pH值、EC和TDS均呈2個階段變化特征，即前期快速增長階段和后期緩慢穩(wěn)定變化階段，堿激發(fā)注漿料相比水泥基注漿料較先進入穩(wěn)定變形期，在浸泡初期，賦存于試樣表面的Na2SiO3快速溶解到水中，因而堿激發(fā)注漿料會率先進入穩(wěn)定期。而水泥基注漿料需要進行水化反應(yīng)后再經(jīng)歷溶蝕作用，當(dāng)殘留的Na2SiO3或者可溶蝕的水化產(chǎn)物溶解完之后，才進入相對穩(wěn)定期。相同浸泡時間下，堿激發(fā)注漿料的浸漬水pH值、EC和TDS均大于水泥基注漿料，這主要是因為堿激發(fā)注漿料以Na2SiO3溶液為激發(fā)劑，初始堿性就比水泥基漿液高，Na2SiO3溶液對浸漬水pH、EC和TDS增長居主導(dǎo)地位，自身凝膠產(chǎn)物為低Ca/Si比的C-（A）-S-H凝膠和N-A-S-H地聚合物凝膠，這些物質(zhì)相比C-S-H的穩(wěn)定性更好，不易受水溶蝕作用影響，但是由于堿激發(fā)注漿料中存在部分未能完全固化的離子和微物質(zhì)，導(dǎo)致其EC、TDS均高于水泥基注漿材料。但是，從整體上來講，堿激發(fā)注漿料的抗水溶蝕性優(yōu)于水泥基注漿料，受水溶蝕作用的影響較小。

2.3 抗硫酸鹽侵蝕

將2種注漿料試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后，放入質(zhì)量濃度為5%的Na2SO4溶液（pH值=7.92）中浸泡，分別測試不同浸泡時間下試樣的質(zhì)量損失率和強度溶蝕系數(shù)，結(jié)果見圖3。

從圖3可見，隨著浸泡時間的延長，試樣的質(zhì)量損失率逐漸增大，而抗壓、抗折強度溶蝕系數(shù)逐漸減小；在經(jīng)過112 d硫酸鹽侵蝕之后，堿激發(fā)注漿料的質(zhì)量損失率僅為1.4%，而水泥基注漿料的質(zhì)量損失率達3.45%；堿激發(fā)注漿料的抗壓強度溶蝕系數(shù)和抗折強度溶蝕系數(shù)分別為0.937和0.915，而水泥基注漿料的抗壓、抗折強度溶蝕系數(shù)分別為0.783、0.739，表明堿激發(fā)注漿料的抗硫酸鹽侵蝕性能明顯優(yōu)于水泥基注漿料，這主要是因為水泥基注漿料在硫酸鹽溶液中生成鈣礬石和石膏，這2種物質(zhì)具有膨脹性，易導(dǎo)致試樣結(jié)構(gòu)主體遭到破壞，從而強度降低，而堿激發(fā)注漿料的凝膠產(chǎn)物主要為低Ca/Si比的C-（A）-S-H凝膠和N-A-S-H地聚合物凝膠，這些物質(zhì)不易與硫酸根離子發(fā)生反應(yīng)，因而生成的石膏和鈣礬石量較少，產(chǎn)生的膨脹破壞力較小，因而結(jié)構(gòu)完整性較好。

3 結(jié)論

（1）堿激發(fā)注漿料的硬化特性和孔隙結(jié)構(gòu)特征均優(yōu)于普通水泥基注漿材料，同時可以縮短漿液的凝結(jié)時間，更適用于富水地區(qū)地鐵防滲注漿加固。當(dāng)液固比小于1.0時，堿激發(fā)注漿料的工作性能較差。當(dāng)液固比大于1.0時，抗?jié)B性能和強度又會顯著降低，故堿激發(fā)注漿料的最佳液固比為1.0。

（2）注漿料的干縮應(yīng)變呈2個階段變化特征，在0～28 d時，干縮應(yīng)變增長速率較快，28 d以后，干縮應(yīng)變變化速率放緩；堿激發(fā)注漿料的體積穩(wěn)定性略低于傳統(tǒng)水泥基注漿料。

（3）堿激發(fā)注漿料的浸漬水pH值、EC和TDS相比水泥基注漿料較早進入穩(wěn)定期，生成的低Ca/Si比C-（A）-S-H凝膠和N-A-S-H地聚合物凝膠相比C-S-H膠凝產(chǎn)物，穩(wěn)定性較好，受水溶蝕作用的影響較小。

（4）在硫酸鹽侵蝕112 d后，堿激發(fā)注漿料的質(zhì)量損失率為1.4%，抗壓、抗折強度溶蝕系數(shù)分別為0.937、0.915；水泥基注漿料的質(zhì)量損失率為3.45%，抗壓、抗折強度溶蝕系數(shù)分別為0.783、0.739，堿激發(fā)注漿料的抗鹽侵蝕性能優(yōu)于水泥基注漿料。