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盾構隧道同步注漿水下不分散砂漿的研制論文
摘 要： 武漢長江隧道采用盾構法施工，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，從而達到對圍巖的填充和加固效果。本文采用有機- 無機復合技術原理，利用硅灰、羥乙基纖維素、聚丙烯酰胺三種物質(zhì)進行復配，對高摻量粉煤灰砂漿進行抗水分散性能試驗研究。試驗結果表明： 通過無機和有機外加劑的增強、保水和絮凝作用，可以使高摻量粉煤灰盾構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 水陸強度比可達 91%。
關鍵詞： 水下不分散砂漿; 同步注漿; 盾構隧道
0 前言
同步注漿是地下隧道盾構施工法中的壁后注漿工法之一，即在盾構掘進的同時，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，達到填充管片環(huán)外空隙、固結管片環(huán)位置、減小地面沉降、充當環(huán)外第一道防水線的目的[1]。武漢長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)會發(fā)生巨大變化，嚴重影響硬化后注漿材料的力學性能和耐久性。具體地說，會產(chǎn)生以下后果： 1)集料與水泥漿嚴重分離，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，嚴重缺漿等現(xiàn)象，耐久性差; 4) 附近水域和生物將遭到嚴重污染和侵害，如果在流動水中進行注漿，則問題更加嚴重。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，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、不密實等現(xiàn)象，達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，其中關鍵技術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)有有機高分子抗水分散劑對低水膠比砂漿會起到絮凝、保塑和增強作用[3],但對高水膠比同步注漿砂漿的強度還沒有進行系統(tǒng)研究，有機高分子絮凝劑還可能導致同步注漿這種低固結強度材料早期不凝，不能及時對管片起到穩(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度。本文采用有機高分子絮凝劑和無機保水增強材料對砂漿進行改性，研究其抗水分散性能。
1 原材料及試驗方法
1.1 原材料
水泥： 江西產(chǎn) P?O42.5 級水泥;
細集料： 中細河沙，細度模數(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;
膨潤土(BE)： 鈉基膨潤土。
1.2 試驗方法
坍落度及流動度試驗方法按 JGJ70- 90《建筑砂漿基本性能試驗方法》進行。采用上圓為 ?70mm，下圓為? 100mm，高 60mm 的截面錐筒進行砂漿流動度和坍落度試驗。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，測砂漿高度損失即為坍落度; 測砂漿不同垂直方向的攤開寬度即為流動度。
砂漿抗水分散試驗參照 DL/T5117- 2000《水下不分散混凝土實驗規(guī)程》進行。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，將模具取出水池進行振動成型，然后標養(yǎng)至規(guī)定齡期進行抗壓強度實驗，按這種方法測試的強度為砂漿的水中強度; 按 JGJ70- 90《建筑砂漿基本性能試驗方法》中抗壓強度方法測試的強度為砂漿的陸地強度; 水陸強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度比值，該比值可以定量判斷砂漿的抗水分散性能。一般認為當砂漿水陸強度比大于 0.8 時，則該砂漿具有優(yōu)良的抗水分散性能。
2 試驗結果及分析
2.1 同步注漿普通單液砂漿配合比
本文經(jīng)過前期大量試驗研究，利用武漢當?shù)卦牧�，選取同步注漿普通單液砂漿的基準配合比參數(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。并在此基礎上進行抗水分散劑的優(yōu)選。
2.2 抗水分散劑組分優(yōu)選
HEC 在水中溶解時，其長鏈上的羥基和醚鍵上的氧原子與水分子締合成氫鍵，使水失去流動性，游離水不再“自由”，致使溶液變稠，從而對砂漿產(chǎn)生增稠保水的效果。PAM在水中溶解時，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，同性電荷強烈相斥作用使線團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現(xiàn)砂漿的增稠保水效果。本文采用 SF、礦粉、HEC、PAM等無機、有機材料對基準配合比砂漿進行單摻試驗，研究其抗水分散性能和工作性能，并與摻膨潤土的同步注漿普通單液砂漿抗水分散性能和工作性能對比，其結果如表 3。
同步注漿單液砂漿的固結強度只要求與隧道圍巖土體的強度相當，一般 28d 抗壓強度控制在 2MPa 以上。表 3 試驗結果表明，上述砂漿配比除摻 HEC 的 3號試樣外都能保證同步注漿單液砂漿的固結強度。
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強度，但其抗水分散性能極差，28d 水陸強度比僅為 0.58。分析認為，膨潤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，具有吸水性、膨脹性、觸變性等特性，其水解后會在砂漿中形成卡屋結構，可以增加漿體穩(wěn)定性，增大漿體黏度，阻礙砂粒下沉，一般認為其保水性能較好，但當其達到水飽和時，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大幅度下降。
當采用 SF 和礦粉無機材料摻入砂漿時，1、2 號試樣的 3d、7d、28d 水陸強度均較只摻 BE 的 0 號試樣強度要高，其 28d 的水陸強度比分別為 0.73、0.71，比摻BE 的砂漿水陸強度比分別提高 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”，不利于砂漿的流動性能，反而劣化砂漿的工作性能。摻 SF 的 1 號試樣依靠其超大的比表面積來吸附水和水泥、粉煤灰顆粒，達到絮凝效果，使得其抗水分散性能較摻膨潤土和礦粉的 0、2 號試樣均要好。
HEC、PAM 有機絮凝劑摻入基準配比砂漿中時,可以很好保證砂漿的抗水分散性能。3、4 號試樣的 3d、28d 水陸強度比分別達到 0.95、0.88，比摻 BE 的砂漿水陸強度比分別提高 0.24、0.30。分析分為，HEC、PAM主要是利用其長分子主鏈、側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)狀結構，將砂漿的各個組成部分束縛在一起，使水泥、骨料在水中下落時不分散、不離析，從而保證了砂漿在水中成型后的抗壓強度。
從上述 5 種外加劑對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)劣順序為： HEC>PAM>SF>礦粉>BE。從 pH 值的變化也可看出此順序。
2.3 復摻外加劑對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同步注漿砂漿抗水分散性能、抗壓強度和工作性能試驗結果可知，HEC、PAM、SF 三種材料對同步注漿砂漿的抗水分散性能、抗壓強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，其水陸強度比仍然低于80%; 僅用 HEC 改性同步注漿砂漿，其水、陸抗壓強度值大幅度下降，其 28d 水、陸抗壓強度值與摻 BE 的 0號砂漿試樣相比，強度損失分別達到 63%和 75%; 僅用 PAM改性同步注漿砂漿，雖然可以滿足水陸強度比和固結強度的要求，但其工作性能又不能滿足注漿要求。因此，考慮將 SF、HEC、PAM三種外加劑進行復摻后對同步注漿砂漿進行改性，研究外加劑復摻對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。一般認為 PAM聚合物與水形成乳膠液，生成許多微小潤滑膜，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性。但單摻外加劑試驗研究表明，PAM摻量達到膠凝材料質(zhì)量的 0.15%后，PAM的吸濕作用會超過其“潤滑”作用，使得砂漿的流動性大大降低。另一方面，表 3試驗結果表明，HEC 摻量為膠凝材料的 0.4%時，其抗壓強度損失嚴重。因此，復摻試驗將 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、三摻對砂漿的環(huán)境pH 值、水/陸強度比數(shù)據(jù)，可以看出 SF、HEC、PAM 復摻不僅可以提高砂漿的抗水分散性能，也能使砂漿的強度得到保證，尤其以三摻效果最佳。分析認為，HEC、PAM摻入會使砂漿內(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; 另一方面，SF 在水泥水化產(chǎn)物 Ca(OH)2 的作用下，可以發(fā)生水化反應生成凝膠物質(zhì)填充孔隙，增加砂漿的抗壓強度。可見，當采用三種外加劑進行有機- 無機復合時，可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，制備出高抗水分散同步注漿砂漿。
3 結論
(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，其 28d 水/陸強度比僅為 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為： HEC>PAM>SF>礦粉。但 HEC 摻量超過 0.4%時，會導致砂漿強度顯著降低; PAM 摻量超過 0.15%時，砂漿不能達到同步注漿砂漿要求的工作性能。
(3) 當采用 2%～3%SF、0.2%￣0.3%HEC、0.05%0.1%PAM三種物質(zhì)復摻入同步注漿砂漿時，可以使盾構隧道同步注漿單液砂漿具有良好的固結性能、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 水陸強度比可達 91%。
參考文獻：
[1]張鳳祥.土建注漿施工與效果檢測.[M] 上海： 同濟大學出版社1998.
[2]馮愛麗,覃維祖,王宗玉.絮凝劑品種對水下不分散混凝土性能影響的比較.[J] 石油工程建設,2002,(4)：6- 10.
[3]王培銘,許綺,李紋紋. 羥乙基甲基纖維素對水泥砂漿性能的影響[J]. 建筑材料學報,2000,(4)：305- 309.
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