溶洞填充用流態(tài)填筑料的配制試驗研究

余以明，譚嘯峰，冷炎輝

[中交（廣州）建設(shè)有限公司，廣東 廣州 511458]

0 前言

深惠城際大鵬支線一工區(qū)總出土量約54萬m3。由于土方外運成本較高，且難以及時外運處理，容易對施工進(jìn)度造成影響。此外，土方外運后堆存會占用大量土地，并造成環(huán)境污染。盾構(gòu)穿越地層掘進(jìn)時會遇到大量溶洞，常用的溶洞填充材料存在施工成本高、質(zhì)量穩(wěn)定性差、不滿足環(huán)保及綠色施工要求等問題。為解決上述問題，擬采用流態(tài)填筑料進(jìn)行溶洞的回填，流態(tài)填筑料能利用原地?fù)Q填土、建筑渣土、建筑固廢料，達(dá)到減少砂石用量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的，是一種綠色環(huán)保材料。

周永祥等[1-3]利用固化劑將基槽土、開挖廢棄土制備成預(yù)拌流態(tài)固化土，并成功應(yīng)用于北京、成都、廣州、太原等地區(qū)綜合管廊肥槽回填、樁基溶洞填筑工程。本文采用自制的膠凝材料體系制備流態(tài)填筑料并將其應(yīng)用于盾構(gòu)工程溶洞填充。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：英德海螺水泥有限責(zé)任公司產(chǎn)P·O42.5水泥；生石灰粉：150～200目，湖南益陽產(chǎn)；粉煤灰：Ⅱ級，廣東河源電廠產(chǎn)；渣土：0～5 mm盾構(gòu)渣土，分為砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土，其中砂質(zhì)黏土液限35.0%，塑限19.4%，粒徑分布見表1；抗分散劑：河南清泉牌陰離子聚丙烯酰胺（PAM）；水：自來水。

表1 砂質(zhì)黏土的粒徑分布

1.2 試驗方法

流態(tài)填筑料的坍落度、擴(kuò)展度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；試塊抗壓強度參照J(rèn)GJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

1.3 各材料初步配合比及正交試驗設(shè)計

控制流態(tài)填筑料的坍落度≥180 mm，試塊28 d抗壓強度≥0.5 MPa。因此，膠凝材料摻量宜取總固體質(zhì)量的7%～25%。參考相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]，選擇流態(tài)填筑料的初步配合比：固定渣土85 kg、水泥3～5 kg、生石灰粉2～4 kg、粉煤灰6～10 kg、水23～27 kg。以水泥、生石灰粉、粉煤灰、用水量為因素設(shè)計4因素3水平正交試驗，因素水平見表2。

表2 正交試驗因素水平

1.4 制備方式

將渣土、膠凝材料、水依次投入砂漿攪拌機中攪拌均勻后測試其工作性能，成型后測試其力學(xué)性能。流態(tài)填筑料用于有水溶洞時，為保證抗分散劑的使用效果，可將抗分散劑提前投入到拌合水中水解30 min以上。

2 結(jié)果及分析

2.1 正交試驗結(jié)果與分析

正交試驗設(shè)計及測試結(jié)果見表3，坍落度、28 d抗壓強度的極差分析見表4。

表3 正交試驗設(shè)計及測試結(jié)果

表4 正交試驗結(jié)果極差分析

由表4可知，影響流態(tài)填筑料坍落度因素的主次順序為：D＞A＞B＞C。用水量增大，流態(tài)填筑料的坍落度增大；水泥、生石灰粉用量增加，因膠凝材料水化反應(yīng)作用，流態(tài)填筑料的坍落度減小；摻入一定量的粉煤灰，能發(fā)揮滾珠效應(yīng)，改善填筑料的粘聚性，但Ⅱ級粉煤灰的需水量較大，導(dǎo)致流態(tài)填筑料的坍落度隨其摻量的增加略有下降。影響流態(tài)填筑料28 d抗壓強度因素的主次順序為：A＞D＞B＞C。填筑料的強度主要來源于水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)、填充和骨架支撐作用[5]；用水量增大，填筑料的粘聚性及密實性降低，抗壓強度降低；生石灰水化生成飽和Ca（OH）2，不僅可以填充孔隙，減小收縮[6]，保證強度有效提高，還能提高溶液堿度，激發(fā)粉煤灰活性，起到堿激發(fā)作用。

通過正交試驗極差分析，為使流態(tài)填筑料既具有一定的抗壓強度，又具有較好的坍落度以利于泵送，確定原材料組合為A1B2C1D3，確定流態(tài)填筑料在干燥環(huán)境中的最佳配合比（kg）為：m（渣土）∶m（水泥）∶m（生石灰粉）∶m（粉煤灰）∶m（水）=85∶3∶3∶6∶27。

2.2 不同類型渣土對流態(tài)填筑料性能的影響

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會穿越多種地層，可用來制備流態(tài)填筑料的渣土有砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土等，分別以此3種渣土按正交試驗確定的最佳配比來配制流態(tài)填筑料，由于粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土達(dá)到相同流動性時的拌合用水量遠(yuǎn)大于砂質(zhì)黏土，為保證3種流態(tài)填筑料的泵送性，在其他材料及用量不變情況下，只改變渣土種類及用水量，試驗配合比及坍落度、28 d抗壓強度測試結(jié)果見表5。

表5 不同類型渣土試驗配合比及測試結(jié)果

由表5可知，在其他材料及用量不變的情況下，當(dāng)渣土類型不同時，達(dá)到相同流動性所需的用水量不同，砂質(zhì)黏土用水量最少，淤泥質(zhì)土用水量最大；砂質(zhì)黏土28 d抗壓強度最高，淤泥質(zhì)土28 d抗壓強度最低。因此，用來制備流態(tài)填筑料的盾構(gòu)渣土宜采用砂質(zhì)黏土，當(dāng)采用粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土等細(xì)粒土?xí)r，可摻入不超過總土質(zhì)量40%的砂粒。

2.3 抗分散劑對流態(tài)填筑料性能的影響

為保證流態(tài)填筑料在有水溶洞中不出現(xiàn)離析分散現(xiàn)象，在水下環(huán)境中仍具有較好的填筑效果，擬在流態(tài)填筑料中摻入一定量的抗分散劑，抗分散劑能夠產(chǎn)生一定的絮凝作用，增強渣土顆粒之間的粘結(jié)性能，從而增強結(jié)構(gòu)在水中的穩(wěn)定性[7]?？狗稚┑挠昧糠謩e為總固體質(zhì)量的0～0.015%。由于石灰屬于氣硬性膠凝材料，不宜在水下環(huán)境中使用，故用水泥全部替代石灰。摻抗分散劑的試驗配合比見表6，抗分散劑對流態(tài)填筑料坍落度和抗壓強度的影響分別如圖1、圖2所示。

圖2 抗分散劑摻量對流態(tài)填筑料抗壓強度的影響

表6 摻抗分散劑的試驗配合比

圖1 抗分散劑摻量對流態(tài)填筑料坍落度的影響

由圖1可知，隨著抗分散劑摻量的增加，3種渣土的坍落度均近似呈線性減小，其中淤泥質(zhì)土坍落度減小最緩，粉質(zhì)黏土坍落度減小最快。為保證流態(tài)填筑料的可泵送性，砂質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土抗分散劑的摻量不宜超過總固體質(zhì)量的0.010%，粉質(zhì)黏土水下抗分散劑的摻量不宜超過總固體質(zhì)量的0.005%。

由圖2可知，未摻抗分散劑的3種渣土填筑料的28 d抗壓強度均比摻抗分散劑的3種渣土填筑料的抗壓強度高。隨著抗分散劑摻量的增加，3種渣土填筑料的28 d抗壓強度均逐漸下降，但下降趨勢均逐漸變緩。綜合考慮抗分散劑對3種渣土填筑料坍落度和抗壓強度的影響，確定渣土中抗分散劑的摻量均為0.005%。

取少量抗分散劑摻量為0.005%的淤泥質(zhì)土填筑料放入裝滿水的托盤中，觀察填筑料在水中的抗分散性，結(jié)果如圖3所示。將抗分散劑摻量為0.005%的砂質(zhì)黏土填筑料裝入有水的水泥砂漿灌漿機中，觀察砂質(zhì)黏土的抗分散性及可泵性，如圖4所示。

圖3 淤泥質(zhì)土在水中的抗分散性

圖4 砂質(zhì)黏土在水中的抗分散性及可泵性

由圖3可知，摻0.005%抗分散劑的淤泥質(zhì)土在水中基本不分散，托盤中水質(zhì)仍較清澈，表明其抗分散性滿足水下施工要求[8]。由圖4可知，砂質(zhì)黏土填筑料在有水的灌漿機中也不分散，啟動灌漿機泵送時，首先泵出的是較清澈的水，其后是泵送性較好的流態(tài)填筑料，基本未見明顯的泥水混合物。

3 結(jié)論

（1）通過砂質(zhì)黏土填筑料正交試驗研究確定最佳原材料組合為A1B2C1D3，由此得到砂質(zhì)黏土流態(tài)填筑料在干燥環(huán)境中的最佳配合比為：m（渣土）∶m（水泥）∶m（生石灰粉）∶m（粉煤灰）∶m（水）=85∶3∶3∶6∶27。分別用粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土替代砂質(zhì)黏土，在膠凝材料用量均不變的情況下，為保證填筑料的可泵送性，用水量分別增加至總固體質(zhì)量的40.5%、46.1%。

（2）不同類型渣土配制的流態(tài)填筑料性能不同。達(dá)到相同坍落度時，用水量由低到高分別為：砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土。在坍落度基本相同的情況下，28 d抗壓強度由高到低分別為：砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土。因此，用來制備流態(tài)填筑料的盾構(gòu)渣土宜采用砂質(zhì)黏土，當(dāng)采用粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土等細(xì)粒土?xí)r，可摻入不超過總土質(zhì)量40%的砂粒。

（3）流態(tài)填筑料在有水溶洞中填充作業(yè)時，應(yīng)將膠凝材料體系中的生石灰粉全部用水泥替代，摻入抗分散劑的流態(tài)填筑料在有水環(huán)境中具有較好的抗分散性及可泵性。隨著填筑料中抗分散劑摻量的增加，填筑料的坍落度及28 d抗壓強度均隨之降低，綜合考慮，砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土填筑料中抗分散劑的摻量宜為總固體質(zhì)量的0.005%。