泥水盾構(gòu)施工廢棄泥漿對同步注漿材料性能的影響

王濤，劉慧剛，郝鋼，郭晨，丁建文*

(1.北京市政路橋股份有限公司，北京 100073；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 211189)

近年來，隨著城市地鐵、大型過江過河隧道工程及引水工程的大規(guī)模建設(shè)，泥水盾構(gòu)隧道技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛[1-2]，但其施工過程中會產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，這些廢棄泥漿的處理和安置問題一直是值得關(guān)注的工程難點[3-4]。目前廢棄泥漿通常采用外運堆放的方法進行處理，不僅污染環(huán)境、費用高，而且占用大量土地，同時也是對泥漿資源的浪費，因此對盾構(gòu)廢棄泥漿進行綠色化處置及資源化利用具有重要的環(huán)保價值和經(jīng)濟效益。

目前關(guān)于盾構(gòu)施工廢棄泥漿的資源化利用，主要有以下方向[5-6]：①將廢棄泥漿應(yīng)用于壁后同步注漿材料中，代替同步注漿材料中的膨潤土及水；②將壓濾后的泥餅用于制磚、制陶粒及用作種植土等；③利用黏土地層的廢棄泥漿調(diào)制粉細砂地層的掘進用泥漿。

針對廢棄泥漿在同步注漿中的再利用，吳克雄等[7]分析了廢棄泥漿用量、廢棄泥漿比重對砂漿工作性能的影響。耿大新等[8]利用響應(yīng)面法研究了外加劑對砂漿性能的影響。楊釗等[9-10]分析了棄漿對同步注漿材料工程性能的影響，給出了適用于福州地鐵過江通道壁后砂漿的廢棄泥漿比重和水膠比。戴勇等[11]探討了棄漿再利用的可行性，結(jié)合高斯過程(gaussian process, GP)模型、MATLAB編程等獲得了滿足工程需求的最優(yōu)配比。史慶濤[12-13]采用響應(yīng)面法，確定了利用泥漿制備砂漿膠結(jié)材的最佳配比，通過X射線衍射和掃描電鏡對復(fù)合膠結(jié)材料的硬化機制進行了分析，并用該種復(fù)合膠結(jié)材料應(yīng)用于廢棄砂土的再利用研究中。Zhang等[14]采用逐步非線性回歸分析和三維響應(yīng)面圖研究了廢棄泥漿對砂漿性能的影響，并利用目標(biāo)規(guī)劃模型提出了砂漿的最佳配比。Cui等[15]將盾構(gòu)開挖產(chǎn)生的紅黏土應(yīng)用于同步注漿中，并對環(huán)氧樹脂改性的高性能同步注漿材料進行了研究。

綜上，目前關(guān)于廢棄泥漿在同步注漿中再利用的研究尚處于探索階段，在廢棄泥漿比重等對砂漿性能的影響、廢棄泥漿調(diào)制砂漿的配比優(yōu)化等方面已有一些研究成果，但缺少不同地層所產(chǎn)生不同黏粒含量的廢棄泥漿對砂漿性能影響的研究，且目前的研究大多采用廢棄泥漿全部取代膨潤土的方法。因此，有必要開展廢棄泥漿黏粒含量對砂漿性能影響的研究以及廢棄泥漿部分替代膨潤土的研究。

現(xiàn)以南京長江新濟洲供水廊道項目泥水盾構(gòu)工程為背景，利用廢棄泥漿全部或部分替代同步注漿材料中的膨潤土和水，通過室內(nèi)試驗，研究了泥漿固水比、膨潤土替代率對砂漿性能的影響規(guī)律，對比分析了不同固水比下新配制膨潤土泥漿和廢棄泥漿對砂漿性能影響的差異；考慮地層的自然變異性，研究了不同黏粒含量的廢棄泥漿對砂漿性能的影響規(guī)律。

1 工程背景

1.1 工程概況

南京長江新濟洲過江供水廊道項目采用泥水盾構(gòu)施工，隧道單線單洞總長1 945 m，盾構(gòu)管片外徑6.2 m，埋深約10.77～51.53 m，江面至江底水深約33 m。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，自江寧始發(fā)井到新濟洲接收井依次穿越444 m軟土地層，25米軟硬不均地層，600 m閃長玢巖巖層，57 m軟硬不均地層，819 m 砂土地層，如圖1所示。該工程盾構(gòu)機穿越軟土地層時，由于地層的自造漿能力很強，泥漿在循環(huán)系統(tǒng)中會逐漸富余，若能將施工產(chǎn)生的廢棄泥漿應(yīng)用于同步注漿材料中，不僅能夠降低廢棄泥漿處置的費用，而且還能減少膨潤土等材料的購置，在降低工程成本的同時，做到綠色環(huán)保無污染。

圖1 南京長江新濟洲過江供水管線廊道項目

1.2 漿液性能要求

盾構(gòu)同步注漿作為盾構(gòu)隧道施工中一項關(guān)鍵技術(shù)，主要目的為及時填充盾尾空隙，控制由地層損失而引起的地表沉降[16-18]，因此要求注漿材料具有良好的輸送性能、充填性能和強度性能。結(jié)合本工程的特點并參考相關(guān)文獻[7-8,11,18-19]，初步確定本工程施工所用同步注漿材料的性能要求如下：流動度為20～25 cm；稠度為10～13 cm；凝結(jié)時間為6～9 h；泌水率不大于5%；體積收縮率不大于5%；3、7、28 d抗壓強度分別不低于0.5、1、2.5 MPa。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗材料

本研究依托工程壁后同步注漿材料采用單液硬性漿，單液硬性漿主要成分為水泥、粉煤灰、膨潤土、砂。為確保試驗成果能夠直接指導(dǎo)并應(yīng)用于工程施工，試驗所用原材料均取自工程現(xiàn)場。

水泥為P O 42.5普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分如表1所示；粉煤灰為二級粉煤灰，化學(xué)成分如表1所示；現(xiàn)場河砂的細度模數(shù)為0.30，砂粒含量為71.1%，粉粒含量為22.0%，黏粒含量為6.9%，不均勻系數(shù)為3.11，曲率系數(shù)為1.87，級配不良，圖2顆粒分布曲線。

表1 原材料化學(xué)成分

圖2 試驗材料顆粒分布曲線

膨潤土為鈉基膨潤土，執(zhí)行標(biāo)準為《膨潤土》(GB/T20973—2007)。試驗所用廢棄泥漿取自黏土地層掘進時所排出的泥漿，泥漿密度為1.25 g/cm3，黏度為43.6 s，pH為11.00，含水率為209.2%，黏粒含量為55.5%，含砂量為0.4%。膨潤土和廢棄泥漿固體的主要化學(xué)成分如表1所示，顆粒分布曲線如圖2所示。分析兩者的化學(xué)成分，可以明顯看到膨潤土中的SiO2含量高于廢棄泥漿，而Al2O3和Fe2O3的含量則明顯低于廢棄泥漿，可以從側(cè)面反映出膨潤土的蒙脫石含量比廢棄泥漿要高。

2.2 試樣制備及測試方法

砂漿的制備流程如下：將膨潤土、廢棄泥漿、水混合并攪拌均勻，制備出一定固水比的泥漿；靜置24 h讓其充分膨化；在泥漿中加入水泥、粉煤灰和砂，充分攪拌后即得到試驗用砂漿。制備完成后，迅速進行砂漿的流動度和稠度測試，并取部分砂漿分別測試泌水率及凝結(jié)時間，剩余砂漿用于制作無側(cè)限抗壓強度試塊，待養(yǎng)護后測試砂漿的強度及體積收縮率。各項性能指標(biāo)測試方法如下：①稠度、凝結(jié)時間和抗壓強度參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準》(JGJ/T 70—2009)；②流動度采用《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)中的截錐圓模測試方法；③泌水率參考《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準》(GB/T 50080—2016)；④體積收縮率為標(biāo)準養(yǎng)護28 d后的試樣實際體積與試模標(biāo)準容積的差值與標(biāo)準容積的比值。

2.3 試驗配比設(shè)計

以膨潤土為原料的壁后砂漿配合比一般通過水膠比、粉灰比、膨水比和膠砂比4個因素確定，但本研究使用廢棄泥漿替代膨潤土，為避免繼續(xù)使用“膨水比”這一概念引起歧義，故引入“固水比”這一指標(biāo)，即泥漿中膨潤土質(zhì)量加廢棄泥漿固體質(zhì)量與水質(zhì)量的比值。

為研究廢棄泥漿部分替代膨潤土對砂漿性能的影響，引入“膨潤土替代率”這個指標(biāo)，即廢棄泥漿固體替代的膨潤土質(zhì)量與原配比中膨潤土質(zhì)量的比值，當(dāng)膨潤土替代率為0時，表示泥漿中未加入廢棄泥漿固體，當(dāng)膨潤土替代率為1時，表示采用廢棄泥漿固體替代全部膨潤土。

為考慮地層的自然變異性，引入“廢棄泥漿黏粒含量”這個指標(biāo)來反映不同地層產(chǎn)生的廢棄泥漿的差異，研究了廢棄泥漿黏粒含量對砂漿性能的影響。廢棄泥漿黏粒含量表示廢棄泥漿固體中黏粒質(zhì)量占固體總質(zhì)量的百分比。試驗中通過向廢棄泥漿中摻入粉土降低廢棄泥漿黏粒含量，通過摻入篩分出的黏粒增加廢棄泥漿的黏粒含量。

通過前期基礎(chǔ)配比試驗，確定砂漿合適的粉灰比為1.5，水膠比為0.9，膠砂比為0.75。在此基礎(chǔ)上，改變泥漿固水比、膨潤土替代率、廢棄泥漿黏粒含量3個因素，研究廢棄泥漿對壁后砂漿性能的影響。各因素取值及試驗結(jié)果如表2所示。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)表2的試驗結(jié)果，結(jié)合本工程對注漿材料性能的要求，可以發(fā)現(xiàn)，各配比的泌水率、體積收縮率和強度基本都能滿足要求，難以滿足要求的是流動度、稠度和凝結(jié)時間。凝結(jié)時間滿足要求時(6～9 h)，砂漿的流動性往往過低；流動度和稠度滿足要求時，砂漿的凝結(jié)時間往往超過9 h。因此在研究中，應(yīng)重點關(guān)注棄漿對砂漿流動性能和凝結(jié)時間的影響。

表2 因素取值及試驗結(jié)果

3.1 固水比對砂漿性能的影響

表2中S1～S11組試驗給出了純膨潤土泥漿和廢棄泥漿在不同固水比下的砂漿性能測試結(jié)果。由測試結(jié)果繪制了泥漿固水比對同步注漿材料性能影響的關(guān)系曲線，如圖3～圖9所示。

3.1.1 流動度與稠度

圖3給出了壁后砂漿流動性與固水比之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯S著固水比增大，兩種泥漿制備的壁后砂漿的流動性均顯著降低。這主要是因為膨潤土和廢棄泥漿固體中的蒙脫石等黏土礦物吸附水分子的能力很強，當(dāng)固水比增大時，被土顆粒吸附的水分子將增多，而自由流動的水分子將減少，從而使砂漿的流動性顯著降低。

圖3 砂漿流動性與固水比關(guān)系曲線

當(dāng)固水比相同時，膨潤土泥漿對砂漿流動性的影響更大，主要是因為膨潤土泥漿中的蒙脫石含量更高，吸附水分子的能力更強，換言之，在相同的固水比下，廢棄泥漿制備的砂漿流動性能更好，更能滿足施工中對流動性的要求。由表3的試驗結(jié)果可知，若需砂漿流動度和稠度滿足性能要求，膨潤土泥漿的固水比需小于0.07，而廢棄泥漿的固水比則需小于0.2。

3.1.2 凝結(jié)時間

圖4給出了泥漿固水比對砂漿凝結(jié)時間的影響規(guī)律曲線。與流動性-固水比關(guān)系曲線相似，砂漿凝結(jié)時間隨著泥漿固水比的增大，也總體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，其中廢棄泥漿制備砂漿凝結(jié)時間曲線出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動，主要是由試驗誤差導(dǎo)致。凝結(jié)時間縮短主要有兩方面的原因：一方面，隨著泥漿固水比的增大，砂漿中的黏土顆粒增多，而黏土顆粒的比表面積較大，增加了水泥與自由水發(fā)生反應(yīng)的概率，從而使砂漿的凝結(jié)時間縮短；另一方面，膨潤土及廢棄泥漿固體本身具有膠凝作用[12,20]，帶負電的黏土顆粒與水泥顆粒會進行極弱的電荷交換，形成凝膠，從而使得砂漿凝結(jié)時間縮短。

圖4 砂漿凝結(jié)時間與固水比關(guān)系曲線

在固水比相同的情況下，廢棄泥漿制備的砂漿凝結(jié)時間更長。由表2的試驗結(jié)果可知，若使砂漿凝結(jié)時間控制在6～9 h，膨潤土泥漿的固水比需在0.07～0.14，而廢棄泥漿的固水比需在0.14～0.2。結(jié)合砂漿的流動性及凝結(jié)時間來看，能夠同時滿足流動性和凝結(jié)時間要求的配比為S2和S9。比較S2和S9組砂漿的性能，可以發(fā)現(xiàn)廢棄泥漿配制的砂漿在流動性更大的同時能夠獲得更短的凝結(jié)時間。

3.1.3 泌水率

砂漿中固體顆粒沉積，自由水上浮，固液分離后形成的單位體積泌水即為砂漿的泌水率，泌水率過大，砂漿易分崩離析并造成堵管現(xiàn)象。圖5為砂漿泌水率與泥漿固水比之間的關(guān)系曲線，隨著泥漿固水比增大，砂漿的泌水率顯著降低。其中膨潤土泥漿對降低砂漿泌水率的效果更好，當(dāng)膨潤土含量超過0.14時，砂漿的泌水率接近為零。

圖5 砂漿泌水率與固水比關(guān)系曲線

3.1.4 體積收縮率

體積收縮率反映砂漿注入盾尾空隙后的體積變化，體積收縮率過大會增加地層損失，引起地表沉降。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，砂漿的體積收縮率基本維持在5%以下，滿足本工程的要求。隨著固水比的增大，砂漿體積收縮率隨之下降，但變化幅度較小，反映了添加黏土一定程度上能減少砂漿凝結(jié)時的體積收縮。比較膨潤土泥漿和廢棄泥漿對砂漿體積收縮率的影響，可以發(fā)現(xiàn)廢棄泥漿制備的砂漿體積收縮率比膨潤土泥漿制備的砂漿小，一定程度上更有利于減少地層損失。

圖6 砂漿體積收縮率與固水比關(guān)系曲線

3.1.5 無側(cè)限抗壓強度

圖7給出了砂漿無側(cè)限抗壓強度隨膨潤土泥漿固水比變化的關(guān)系曲線，隨著膨潤土泥漿固水比增大，砂漿的無側(cè)限抗壓強度整體上呈現(xiàn)增長的趨勢，且增長幅度28 d>7 d>3 d。

圖7 砂漿強度與膨潤土泥漿固水比關(guān)系曲線

圖8給出了砂漿無側(cè)限抗壓強度隨廢棄泥漿固水比變化的關(guān)系曲線，隨著廢棄泥漿固水比增大，不同養(yǎng)護齡期下砂漿的無側(cè)限抗壓強度變化趨勢相近，均呈現(xiàn)先緩慢降低再緩慢增大的趨勢。隨著膨潤土泥漿與廢棄泥漿固水比增加至0.2后，砂漿無側(cè)限抗壓強度均呈現(xiàn)增大的趨勢，一定程度上反映出膨潤土泥漿與廢棄泥漿中黏粒所具有的膠凝作用[12,20]。

圖8 砂漿強度與廢棄泥漿固水比關(guān)系曲線

圖9為膨潤土泥漿固水比和廢棄泥漿固水比對砂漿強度影響的對比曲線，可見，相同固水比下，廢棄泥漿制備的砂漿3、7、28 d強度均小于膨潤土泥漿制備的砂漿，其中28 d強度相差最大。當(dāng)固水比為0.33時，膨潤土泥漿制備砂漿的28 d強度相較廢棄泥漿高了78.26%，說明廢棄泥漿制備的砂漿強度性能相對較差。為防止廢棄泥漿所制備砂漿強度不滿足要求，可以采用部分替代膨潤土的方案。

圖9 膨潤土及廢棄泥漿對砂漿強度影響對比

3.2 膨潤土替代率對砂漿性能的影響

表2中S12～S15四組試樣的膨潤土替代率分別為0%、30%、60%和100%，由該4組試驗的測試結(jié)果繪制了膨潤土替代率對同步注漿材料性能影響的關(guān)系曲線，如圖10、圖11所示。

圖10 替代率對砂漿流動性、凝結(jié)時間和泌水率的影響

圖10給出了膨潤土替代率對同步注漿材料性能影響的關(guān)系曲線，由圖可知，隨著膨潤土被廢棄泥漿替代的質(zhì)量增加，砂漿的流動度、稠度和凝結(jié)時間均隨之增大。其中流動度和稠度隨替代率增大呈非線性增長，且增長速率逐漸加快；而凝結(jié)時間則呈線性緩慢增長。由此可見，增大膨潤土替代率可以使砂漿在凝結(jié)時間變化不大的情況下大幅提高砂漿的流動性，這為協(xié)調(diào)砂漿流動性和凝結(jié)時間之間的矛盾提供了一種新的配比調(diào)整手段。

圖10還給出了砂漿泌水率隨膨潤土替代率變化的關(guān)系曲線，隨著替代率的增大，砂漿的泌水率顯著增加。當(dāng)盾構(gòu)工程對砂漿泌水率要求較高時，利用廢棄泥漿全部替代膨潤土泥漿配制的砂漿泌水率可能不滿足要求，故此時可采用部分替代膨潤土的方式。

圖11為膨潤土替代率對砂漿強度的影響關(guān)系曲線，隨著膨潤土替代率的增大，砂漿的3、7、28 d強度均有所減小，其中28 d強度降低最為顯著。隨著膨潤土替代量從0增大到100%，28 d強度降低了28.5%，當(dāng)盾構(gòu)工程對砂漿強度要求較高時，利用廢棄泥漿全部替代膨潤土泥漿配制的砂漿強度可能不滿足要求，需要考慮采用廢棄泥漿部分替代膨潤土泥漿的方案。

圖11 替代率對砂漿強度的影響

綜上所述，采用廢棄泥漿部分替代膨潤土泥漿，可以使砂漿在凝結(jié)時間變化不大的情況下大幅提高砂漿的流動性，同時不至于使砂漿的泌水率過大和強度下降過多。根據(jù)試驗結(jié)果，將膨潤土替代率控制在約60%能夠使砂漿同時獲得較好的流動性和較高的強度。因此在工程施工中，建議將膨潤土替代率控制在約60%。

3.3 廢棄泥漿黏粒含量對砂漿性能的影響

表2中S16～S20五組試樣的廢棄泥漿黏粒含量分別為35%、45%、55.5%、65%和75%，由該5組試驗的測試結(jié)果繪制了廢棄泥漿黏粒含量對同步注漿材料性能影響的關(guān)系曲線，分別如圖12、圖13所示。

由圖12、圖13可知，隨著廢棄泥漿黏粒含量的增大，砂漿的流動度、稠度、凝結(jié)時間、泌水率、7 d強度和28 d強度均有所降低，而3 d抗壓強度則有所增加。定量來看，隨著黏粒含量從35%增加到75%，砂漿的流動度、稠度、凝結(jié)時間、泌水率、7 d強度和28 d強度分別降低了7.6%、4.9%、8.1%、17.8%、12.7%和11.6%，而砂漿的3d抗壓強度則增加了3.9%。

圖12 黏粒含量對砂漿流動性、凝結(jié)時間和泌水率的影響

圖13 黏粒含量對砂漿強度的影響

由此可見，廢棄泥漿黏粒含量對砂漿各項性能的影響均不大，一定程度上反映了地層的自然變異性不會對砂漿產(chǎn)生較大影響，即不同地層產(chǎn)生的廢棄泥漿制備出的砂漿性能差距不大。因此廢棄泥漿在壁后砂漿應(yīng)用中，不需要根據(jù)地層變化而大幅調(diào)整砂漿的配比，具有良好的施工便利性。

4 結(jié)論

針對泥水盾構(gòu)施工廢棄泥漿在同步注漿材料中的再利用研究，得到以下主要結(jié)論。

(1)隨著固水比的增大，膨潤土泥漿和廢棄泥漿制備的砂漿流動度、稠度、凝結(jié)時間、泌水率和體積收縮率均有所降低，而無側(cè)限抗壓強度則總體上呈現(xiàn)增大的趨勢。

(2)相比于膨潤土泥漿，廢棄泥漿制備的砂漿流動性、凝結(jié)時間和泌水率更大，而體積收縮率和強度則更小。在凝結(jié)時間相同的情況下，廢棄泥漿所制備砂漿能夠獲得更優(yōu)的流動性能，但存在泌水率偏大和強度偏低的問題。

(3)采用廢棄泥漿部分替代膨潤土泥漿，可以使砂漿在凝結(jié)時間變化不大的情況下大幅提高砂漿的流動性，同時不至于使砂漿的泌水率過大和強度下降過多，具有工程可行性。根據(jù)試驗結(jié)果，建議將膨潤土替代率控制在60%左右。

(4)廢棄泥漿黏粒含量對砂漿各項性能的影響均不大，一定程度上反映了不同地層廢棄泥漿制備的砂漿性能差異不大，施工中可以不需要隨地層變化而對砂漿的配比進行較大調(diào)整。