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盾構(gòu)隧道同步注漿水下不分散砂漿的研制論文
摘 要： 武漢長(zhǎng)江隧道采用盾構(gòu)法施工，所處的高壓富水地質(zhì)條件決定了同步注漿材料必須具備高抗水分散性能，以保證同步注漿材料在灌注過程中不被地下高壓水稀釋，從而達(dá)到對(duì)圍巖的填充和加固效果。本文采用有機(jī)- 無機(jī)復(fù)合技術(shù)原理，利用硅灰、羥乙基纖維素、聚丙烯酰胺三種物質(zhì)進(jìn)行復(fù)配，對(duì)高摻量粉煤灰砂漿進(jìn)行抗水分散性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明： 通過無機(jī)和有機(jī)外加劑的增強(qiáng)、保水和絮凝作用，可以使高摻量粉煤灰盾構(gòu)隧道同步注漿單液砂漿具有良好的保水性能、高抗水分散性能和固結(jié)性能，新拌砂漿環(huán)境水溶液 pH 值最高為 8.3，砂漿 28d 水陸強(qiáng)度比可達(dá) 91%。
關(guān)鍵詞： 水下不分散砂漿; 同步注漿; 盾構(gòu)隧道
0 前言
同步注漿是地下隧道盾構(gòu)施工法中的壁后注漿工法之一，即在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)，通過注漿泵的泵壓作用，將水泥砂漿灌入盾尾的管片環(huán)外間隙之中，達(dá)到填充管片環(huán)外空隙、固結(jié)管片環(huán)位置、減小地面沉降、充當(dāng)環(huán)外第一道防水線的目的[1]。武漢長(zhǎng)江隧道部分地段處于高水壓飽水地質(zhì)條件下，因此，同步注漿材料將可能直接澆注于水中，如采用普通的注漿材料，其拌合物的水膠比、組成等參數(shù)會(huì)發(fā)生巨大變化，嚴(yán)重影響硬化后注漿材料的力學(xué)性能和耐久性。具體地說，會(huì)產(chǎn)生以下后果： 1)集料與水泥漿嚴(yán)重分離，部分水泥顆粒被水流稀釋甚至帶走，致使?jié){材不具有膠結(jié)能力; 2) 漿材注入后均勻性十分差，局部形成水囊，水膠比大幅增加;3) 存在空洞，嚴(yán)重缺漿等現(xiàn)象，耐久性差; 4) 附近水域和生物將遭到嚴(yán)重污染和侵害，如果在流動(dòng)水中進(jìn)行注漿，則問題更加嚴(yán)重。因此，在高水壓富含水地層中,同步注漿要求漿材具有能快速充填，保水性強(qiáng)，不離析，傾析率小、抗水分散性能好等性能。普通同步注漿單液砂漿一般采用膨潤(rùn)土來獲得高的穩(wěn)定性，但在高水壓富含水條件下灌注很容易造成離析、漿液流失、灌注不均勻、不密實(shí)等現(xiàn)象，達(dá)不到同步注漿所要求取得的效果。
抗水分散砂漿也可稱為水下不分散砂漿，其中關(guān)鍵技術(shù)是抗水分散外加劑的性能。目前抗水分散劑一般為高分子絮凝劑，主要為纖維素類、聚丙烯類、聚糖類三大系列，其絮凝機(jī)理主要為電荷中和、橋架作用、吸附作用(DLVO 理論)三種[2]�，F(xiàn)有有機(jī)高分子抗水分散劑對(duì)低水膠比砂漿會(huì)起到絮凝、保塑和增強(qiáng)作用[3],但對(duì)高水膠比同步注漿砂漿的強(qiáng)度還沒有進(jìn)行系統(tǒng)研究，有機(jī)高分子絮凝劑還可能導(dǎo)致同步注漿這種低固結(jié)強(qiáng)度材料早期不凝，不能及時(shí)對(duì)管片起到穩(wěn)定作用。因此，有必要研究一種新型的抗水分散劑，既能保證砂漿的抗水分散性能，又能保證砂漿的早期強(qiáng)度。本文采用有機(jī)高分子絮凝劑和無機(jī)保水增強(qiáng)材料對(duì)砂漿進(jìn)行改性，研究其抗水分散性能。
1 原材料及試驗(yàn)方法
1.1 原材料
水泥： 江西產(chǎn) P?O42.5 級(jí)水泥;
細(xì)集料： 中細(xì)河沙，細(xì)度模數(shù) 2.45，表觀密度為2700kg/m3，堆積密度為 1510kg/m3，含泥量為 3.0%;
粉煤灰： 武漢產(chǎn)Ⅱ級(jí)灰，需水量為 102%，密度為2.7g/cm3，比表面積為 380m2/kg;
硅灰 (SF)： 武漢產(chǎn)，SiO2 含量大于 95%，密度為2.2g/cm3，比表面積為 2000m2/kg;
礦粉： 武漢產(chǎn)，比表面積為 450m2/kg;
羥乙基纖維素(HEC)： 白色無味粉末，溶于水，分子量約 6×104;
聚丙烯酰胺(PAM)： 白色無味粉末，易溶于水，分子量為 800×104;
膨潤(rùn)土(BE)： 鈉基膨潤(rùn)土。
1.2 試驗(yàn)方法
坍落度及流動(dòng)度試驗(yàn)方法按 JGJ70- 90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。采用上圓為 ?70mm，下圓為? 100mm，高 60mm 的截面錐筒進(jìn)行砂漿流動(dòng)度和坍落度試驗(yàn)。錐筒置于平滑玻璃板上，將砂漿裝入錐筒內(nèi)然后垂直提起錐筒，測(cè)砂漿高度損失即為坍落度; 測(cè)砂漿不同垂直方向的攤開寬度即為流動(dòng)度。
砂漿抗水分散試驗(yàn)參照 DL/T5117- 2000《水下不分散混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。將 300ml 的新拌砂漿注入1000ml 的純凈水中后，靜置 5min，采用精確 pH 試紙測(cè)量上層清水的 pH 值。將 70.7mm×70.7mm×70.7mm的砂漿試模放入水池中，使水面高出模具 20cm，然后用導(dǎo)管將砂漿注入模具中，砂漿從模具中溢出后，將模具取出水池進(jìn)行振動(dòng)成型，然后標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，按這種方法測(cè)試的強(qiáng)度為砂漿的水中強(qiáng)度; 按 JGJ70- 90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》中抗壓強(qiáng)度方法測(cè)試的強(qiáng)度為砂漿的陸地強(qiáng)度; 水陸強(qiáng)度比則為同一配比砂漿在兩種不同條件下成型后同一齡期的強(qiáng)度比值，該比值可以定量判斷砂漿的抗水分散性能。一般認(rèn)為當(dāng)砂漿水陸強(qiáng)度比大于 0.8 時(shí)，則該砂漿具有優(yōu)良的抗水分散性能。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 同步注漿普通單液砂漿配合比
本文經(jīng)過前期大量試驗(yàn)研究，利用武漢當(dāng)?shù)卦牧�，選取同步注漿普通單液砂漿的基準(zhǔn)配合比參數(shù)為：膠砂比為 1∶3，水泥/粉煤灰比為 20/80，水膠比為 0.7,BE 的用量根據(jù)試驗(yàn)試配確定，得到同步注漿單液砂漿最優(yōu)配合比參數(shù)及其基本性能，見表 1、表 2。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行抗水分散劑的優(yōu)選。
2.2 抗水分散劑組分優(yōu)選
HEC 在水中溶解時(shí)，其長(zhǎng)鏈上的羥基和醚鍵上的氧原子與水分子締合成氫鍵，使水失去流動(dòng)性，游離水不再“自由”，致使溶液變稠，從而對(duì)砂漿產(chǎn)生增稠保水的效果。PAM在水中溶解時(shí)，陰離子型高分子在堿性的水泥漿中離解成多電荷大分子量的陰離子，同性電荷強(qiáng)烈相斥作用使線團(tuán)狀大分子變成曲線狀，增大溶液粘度，可起到增稠效果。SF、礦粉可以通過其大比表面積來實(shí)現(xiàn)砂漿的增稠保水效果。本文采用 SF、礦粉、HEC、PAM等無機(jī)、有機(jī)材料對(duì)基準(zhǔn)配合比砂漿進(jìn)行單摻試驗(yàn)，研究其抗水分散性能和工作性能，并與摻膨潤(rùn)土的同步注漿普通單液砂漿抗水分散性能和工作性能對(duì)比，其結(jié)果如表 3。
同步注漿單液砂漿的固結(jié)強(qiáng)度只要求與隧道圍巖土體的強(qiáng)度相當(dāng)，一般 28d 抗壓強(qiáng)度控制在 2MPa 以上。表 3 試驗(yàn)結(jié)果表明，上述砂漿配比除摻 HEC 的 3號(hào)試樣外都能保證同步注漿單液砂漿的固結(jié)強(qiáng)度。
摻 BE 的同步注漿普通單液砂漿盡管具有很好的工作性能和固結(jié)強(qiáng)度，但其抗水分散性能極差，28d 水陸強(qiáng)度比僅為 0.58。分析認(rèn)為，膨潤(rùn)土屬于蒙脫石族礦物，表面含有大量的“HO- ”和“SiO- ”基等活性基團(tuán)，具有吸水性、膨脹性、觸變性等特性，其水解后會(huì)在砂漿中形成卡屋結(jié)構(gòu)，可以增加漿體穩(wěn)定性，增大漿體黏度，阻礙砂粒下沉，一般認(rèn)為其保水性能較好，但當(dāng)其達(dá)到水飽和時(shí)，再在外界水的作用下，利用其制備的同步注漿單液砂漿抗水分散性能則會(huì)大幅度下降。
當(dāng)采用 SF 和礦粉無機(jī)材料摻入砂漿時(shí)，1、2 號(hào)試樣的 3d、7d、28d 水陸強(qiáng)度均較只摻 BE 的 0 號(hào)試樣強(qiáng)度要高，其 28d 的水陸強(qiáng)度比分別為 0.73、0.71，比摻BE 的砂漿水陸強(qiáng)度比分別提高 0.15、0.13; 但摻入 SF的砂漿工作性能優(yōu)于摻礦粉砂漿的工作性能。分析認(rèn)為，SF、礦粉雖然都具有較高比表面積，但是由于 SF 的顆粒形狀呈球形，有助于砂漿的流動(dòng)性能，從而改善了砂漿的工作性能; 而礦粉的顆粒表面呈多角形不規(guī)則形狀，不具備“滾珠效應(yīng)”，不利于砂漿的流動(dòng)性能，反而劣化砂漿的工作性能。摻 SF 的 1 號(hào)試樣依靠其超大的比表面積來吸附水和水泥、粉煤灰顆粒，達(dá)到絮凝效果，使得其抗水分散性能較摻膨潤(rùn)土和礦粉的 0、2 號(hào)試樣均要好。
HEC、PAM 有機(jī)絮凝劑摻入基準(zhǔn)配比砂漿中時(shí),可以很好保證砂漿的抗水分散性能。3、4 號(hào)試樣的 3d、28d 水陸強(qiáng)度比分別達(dá)到 0.95、0.88，比摻 BE 的砂漿水陸強(qiáng)度比分別提高 0.24、0.30。分析分為，HEC、PAM主要是利用其長(zhǎng)分子主鏈、側(cè)鏈在漿體中起到吸附、橋架作用，通過分子鏈相互搭接，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將砂漿的各個(gè)組成部分束縛在一起，使水泥、骨料在水中下落時(shí)不分散、不離析，從而保證了砂漿在水中成型后的抗壓強(qiáng)度。
從上述 5 種外加劑對(duì)砂漿抗水分散性能改善效果的比較可以看出，其抗水分散性能優(yōu)劣順序?yàn)椋?HEC>PAM>SF>礦粉>BE。從 pH 值的變化也可看出此順序。
2.3 復(fù)摻外加劑對(duì)同步注漿砂漿抗水分散性能的影響
由上面各種外加劑單摻對(duì)同步注漿砂漿抗水分散性能、抗壓強(qiáng)度和工作性能試驗(yàn)結(jié)果可知，HEC、PAM、SF 三種材料對(duì)同步注漿砂漿的抗水分散性能、抗壓強(qiáng)度和工作性能在不同方面都有很好的改善作用。但僅用 SF 改性同步注漿砂漿，其水陸強(qiáng)度比仍然低于80%; 僅用 HEC 改性同步注漿砂漿，其水、陸抗壓強(qiáng)度值大幅度下降，其 28d 水、陸抗壓強(qiáng)度值與摻 BE 的 0號(hào)砂漿試樣相比，強(qiáng)度損失分別達(dá)到 63%和 75%; 僅用 PAM改性同步注漿砂漿，雖然可以滿足水陸強(qiáng)度比和固結(jié)強(qiáng)度的要求，但其工作性能又不能滿足注漿要求。因此，考慮將 SF、HEC、PAM三種外加劑進(jìn)行復(fù)摻后對(duì)同步注漿砂漿進(jìn)行改性，研究外加劑復(fù)摻對(duì)砂漿抗水分散性能的影響。
PAM是一種極易溶于水的高聚合物，具有超高吸濕容量，吸放濕速度慢，表面規(guī)整致密，成膜性好，具有分散、增稠、吸附、絮凝作用。一般認(rèn)為 PAM聚合物與水形成乳膠液，生成許多微小潤(rùn)滑膜，減小了砂子之間的摩擦力，起到表面分散作用，可明顯改善砂漿的流動(dòng)性。但單摻外加劑試驗(yàn)研究表明，PAM摻量達(dá)到膠凝材料質(zhì)量的 0.15%后，PAM的吸濕作用會(huì)超過其“潤(rùn)滑”作用，使得砂漿的流動(dòng)性大大降低。另一方面，表 3試驗(yàn)結(jié)果表明，HEC 摻量為膠凝材料的 0.4%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度損失嚴(yán)重。因此，復(fù)摻試驗(yàn)將 HEC、PAM摻量分別控制在 0.3%和 0.1%以內(nèi)，見表 4。
分析比較 SF、HEC、PAM雙摻、三摻對(duì)砂漿的環(huán)境pH 值、水/陸強(qiáng)度比數(shù)據(jù)，可以看出 SF、HEC、PAM 復(fù)摻不僅可以提高砂漿的抗水分散性能，也能使砂漿的強(qiáng)度得到保證，尤其以三摻效果最佳。分析認(rèn)為，HEC、PAM摻入會(huì)使砂漿內(nèi)的柔性物質(zhì)增多和孔尺寸增大,使砂漿的抗壓強(qiáng)度下降。隨著 SF 的摻入，一方面 SF 本身可以填充砂漿的孔隙，發(fā)揮其物理填充效應(yīng); 另一方面，SF 在水泥水化產(chǎn)物 Ca(OH)2 的作用下，可以發(fā)生水化反應(yīng)生成凝膠物質(zhì)填充孔隙，增加砂漿的抗壓強(qiáng)度�？梢姡�(dāng)采用三種外加劑進(jìn)行有機(jī)- 無機(jī)復(fù)合時(shí)，可以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，制備出高抗水分散同步注漿砂漿。
3 結(jié)論
(1) 僅摻 BE 的同步注漿砂漿抗水分散性能不能滿足抗水分散砂漿指標(biāo)，其 28d 水/陸強(qiáng)度比僅為 0.58。
(2) SF、礦粉、HEC、PAM 可以明顯改善同步注漿單液砂漿的抗水分散性能，其抗水分散性能改善效果順序?yàn)椋?HEC>PAM>SF>礦粉。但 HEC 摻量超過 0.4%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度顯著降低; PAM 摻量超過 0.15%時(shí)，砂漿不能達(dá)到同步注漿砂漿要求的工作性能。
(3) 當(dāng)采用 2%～3%SF、0.2%￣0.3%HEC、0.05%0.1%PAM三種物質(zhì)復(fù)摻入同步注漿砂漿時(shí)，可以使盾構(gòu)隧道同步注漿單液砂漿具有良好的固結(jié)性能、保水性能和高抗水分散性能，新拌砂漿環(huán)境水溶液 pH 值最高為 8.3，砂漿 28d 水陸強(qiáng)度比可達(dá) 91%。
參考文獻(xiàn)：
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