史慶濤 武文清 陸 野

(中鐵十四局集團 大盾構(gòu)工程有限公司,南京 211800)

近年來我國地下工程建設(shè)項目增長迅速,泥水盾構(gòu)以無需特殊土體改良、地質(zhì)適應(yīng)性強、開挖面穩(wěn)定性高等優(yōu)點成為國內(nèi)外過江隧道建設(shè)首選施工技術(shù)[1],但整個盾構(gòu)施工會產(chǎn)生大量渣土和廢棄泥漿,直接不加處理廢棄會帶來嚴重的環(huán)境污染問題[2].

另一方面,盾構(gòu)施工在掘進過程必須要向襯砌環(huán)與地層之間間隙注入由膨潤土、水泥、建筑用砂等組成的同步砂漿[3],而廢棄泥漿含有大量可以作為膠凝材料組分的膨潤土[4],渣土多為細砂顆粒,二者結(jié)合具備制備同步砂漿的可能性,但目前廢棄泥漿處理和防治研究較多[2,5-6],如何利用廢棄泥漿和篩分渣土制備同步砂漿應(yīng)用研究較少.吳克雄、楊釗等[7-8]證實了利用其和潔凈黃砂制備同步砂漿性能能夠達到要求,但沒有涉及摻入渣土研究.張亞洲,夏鵬舉,魏代偉,等[9]采用清洗和篩分后的廢棄渣土制備出7 d抗壓強度達到0.15 MPa的同步砂漿,但渣土用量通過多次試驗確定,缺乏一定科學(xué)性.在新鮮砂漿漿體中,材料之間填充效果決定著漿體流動性和密實度,進而影響到最終強度,不同細度模數(shù)的細骨料填充效果不同,導(dǎo)致漿體所需潤滑的水泥、粉煤灰、膨潤土組成的膠結(jié)材量不同,而膠結(jié)材除了潤滑漿體外,其關(guān)鍵作用是膠結(jié)骨料.研究了采用致密堆積設(shè)計思想,亦即直接通過控制材料配比獲得最小空隙率和骨料最佳級配來調(diào)制混凝土,可得到較高強度及較佳工作性的混凝土[10].利用篩分渣土、部分黃砂和廢棄泥漿等組成的膠結(jié)材配制同步砂漿,同樣可以通過致密堆積設(shè)計科學(xué)確定同步砂漿中材料堆積最大密度、最小空隙率及最優(yōu)膠結(jié)材用量,但這方面研究不多.

本文采用致密堆積設(shè)計思想,開展篩分渣土、黃砂與膠結(jié)材的緊密堆積密度試驗研究,確定三者緊密堆積最密實時各自比例,并開展同步砂漿新鮮漿體試驗確定最合適的膠結(jié)材和骨料比例,最終確定出較合理同步砂漿配比、摻減水劑后的性能試驗研究,為具體工程應(yīng)用施工提供依據(jù).

1 原材料與實驗方法

1.1 主要原材料

1.1.1 膠結(jié)材

膠結(jié)材(JM),根據(jù)前期研究確定由19.7%水泥(PO)、30%廢棄泥漿(MR)和50.3%粉煤灰(FA)組成.其中廢棄泥漿(MR)取自南京某盾構(gòu)施工泥漿處理系統(tǒng)廢漿池,相對體積質(zhì)量1.2,p H=10,含水率85.2%,經(jīng)過80℃溫度烘干碾碎.

水泥(PO)為市售,取自南京某盾構(gòu)施工現(xiàn)場,江蘇金峰P·O42.5,密度3.04 g/cm3,比表面積27.5 m2/kg,3 d和28 d抗折強度分別為4.5 MPa和7.9 MPa,3 d和28 d抗壓強度分別為28.0 MPa和47.7 MPa.粉煤灰(FA)為市售,取自南京某盾構(gòu)施工現(xiàn)場,南京東逸F類Ⅱ級灰,細度30%,燒失量27.5%,需水量比101%,三氧化硫1.20%,含水率02%.MR、PO 和FA 這3種主要材料化學(xué)組成見表1.

表1 主要原材料化學(xué)成分(%)

1.1.2 篩分渣土

取自南京某盾構(gòu)施工泥水分離堆場,烘干碾碎過4.75 mm 砂石篩.細度模數(shù)為1.04,堆積密度1 562 kg/m3,表觀密度2 646 kg/cm3,空隙率41%.

1.1.3 黃砂

南京某盾構(gòu)施工料場所取,市售黃砂,過4.75 mm 砂石篩,細度模數(shù)為1.66,堆積密度1 544 kg/m3,表觀密度2 629 kg/m3,空隙率41%.

1.2 實驗方法

1.2.1 砂漿實驗

將膠結(jié)材、篩分渣土和黃砂加入攪拌機攪拌4 min后倒入70.73 mm3試模,平板振動器振動30 s成型,移入Rh=95%,溫度為(20±1)℃下標準養(yǎng)護,拆模后繼續(xù)Rh=95%,溫度為(20±1)℃下養(yǎng)護,至規(guī)定齡期,進行抗壓強度試壓.

1.2.2 砂漿流動度試驗

參照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T2419-2005)進行,跳動完畢,用卡尺測量膠砂底面互相垂直的兩個方向直徑,計算平均值,取整數(shù),單位為mm.

1.2.3 緊密堆積試驗

將不同比例篩分渣土和膠結(jié)材混合進行堆積試驗,得出混合料緊密堆積密度最大時二者比例,然后將該比例的渣土和膠結(jié)材混合物再和黃砂進行堆積試驗,得出混合料緊密堆積密度最大時三者比例.基本公式：

由上述公式可以求出：

式中：α為膠結(jié)材在篩分渣土和膠結(jié)材混合料中的填充率；β為篩分渣土和膠結(jié)材在膠結(jié)材、篩分渣土和黃砂三元混合料填充率；UA為膠凝材料、篩分渣土和黃砂三元混合料干混堆積密度；J、S和H為膠結(jié)材、篩分渣土和黃砂質(zhì)量,V0為1 L圓筒的校準體積.

1.3 實驗儀器設(shè)備

膠砂攪拌機、壓力試驗機、膠砂振實臺等.

2 結(jié)果與討論

2.1 篩分渣土與黃砂比例對緊密堆積密度的影響

如圖1所示,隨著二元混合料中膠結(jié)材的含量增加,篩分渣土和膠結(jié)材混合料密度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,并在α=15%附近達到頂峰.根據(jù)圖中方程微分得出αm=14.26%,此時UT=1 627 kg/m3.

圖1 α值對二元混合料密度U T 影響

采用αm=14.26%計算出膠結(jié)材與篩分渣土混合料量,與黃砂再進行堆積實驗,結(jié)果如圖2所示.隨著膠結(jié)材和篩分渣土組成混合料的密度增加,當β=65%～70%之間,UA出現(xiàn)最大值.根據(jù)圖中方程微分得出βm=69.10%,此時UA=1 694 kg/m3,為最大值.

圖2 β 值對三元混合料混合料密度UA 影響

將αm、βm、UA和V0代入基本公式(1)～(3),可得三者質(zhì)量分別為：Jm=165.4 g,Sm=1 003.6 g,Hm=509.8 g,則膠結(jié)材、篩分渣土和黃砂三者的比例分別為9.85%、59.78%和30.37%.

2.2 膠砂比對砂漿性能影響

新鮮砂漿是屬于流動性的漿體,需加水并能夠與膠結(jié)材形成漿液、水化形成具有膠凝性能的水化產(chǎn)物[11],而緊密堆積研究中9.85%膠結(jié)材中相當一部分起填充或潤滑作用,造成實際用于水化膠凝作用的膠結(jié)材量不足.因此,實際膠砂比應(yīng)在渣土與黃砂比為1.97基礎(chǔ)上、通過新鮮砂漿相關(guān)實驗進一步確定.

固定渣土與黃砂比例,同時固定水膠比0.65,分析膠砂比對砂漿流動度和抗壓強度的影響.從圖3可知,3 d抗壓強度從0.63 MPa到0.74 MPa變化；7 d抗壓強度從1.38 MPa到1.53 MPa變化,14 d抗壓強度從2.47 MPa到2.76 MPa變化.膠砂比對3 d和7 d早期強度影響較小,對14 d和28 d后期強度影響較大,在膠砂比為0.8時抗壓強度出現(xiàn)峰值,分別達到2.76 MPa和5.11 MPa.

圖3 膠砂比對同步砂漿強度的影響

由圖4知,隨著膠砂比增大,砂漿流動度呈現(xiàn)拋物線圖形,在膠砂比為0.8時到達峰值.

圖4 膠砂比對同步砂漿流動度的影響

綜上分析可知,固定渣土與黃砂比為1.97和水膠比0.65,膠砂比為0.8 時同步砂漿流動度和抗壓強度較好.

2.3 萘系減水劑對同步砂漿性能影響

在空白組配比(BM)基礎(chǔ)上開展減水劑對同步砂漿性能研究.如圖5所示,砂漿流動度隨著減水劑摻量增加迅速提高,尤其在1.0%之后仍然增長.

圖5 萘系減水劑對同步砂漿流動度的影響

根據(jù)技術(shù)規(guī)程[12],水泥基單液同步注漿材料性能要求砂漿流動度≥160 mm；大量實驗也證實砂漿流動度到180 mm 以上,同步砂漿易于泵送.當W/B=0.55時,砂漿流動度達到180 mm 時減水劑摻量為2.43%,當W/B=0.60時,砂漿流動度達到180 mm時減水劑需要量為1.75%；當W/B=0.65時,砂漿流動度達到180 mm 時減水劑需要量為1.50%.

圖6為不同水膠比下減水劑摻量對不同齡期下同步砂漿強度的影響.在3 d齡期中,不同水膠比的同步砂漿抗壓強度隨著減水劑摻量增加而緩慢下降,在摻量為2.0%之后下降趨勢明顯,這時水膠比為0.65的同步砂漿強度為0 MPa,水膠比為0.60的同步砂漿強度為0.24 MPa,水膠比為0.55的同步砂漿強度為0.34 MPa.在7 d齡期中,隨著減水劑摻量增加,不同水膠比的同步砂漿強度均呈現(xiàn)緩慢下降趨勢.在28 d齡期中,隨著減水劑摻量增加,水膠比為0.65的同步砂漿的抗壓強度呈現(xiàn)先增長后緩慢下降趨勢,但在減水劑摻量為2%后下降明顯；水膠比為0.60的同步砂漿的抗壓強度呈現(xiàn)先緩慢增長后緩慢下降趨勢,但在減水劑摻量為2%后幾乎不變；水膠比為0.55的同步砂漿的抗壓強度呈現(xiàn)緩慢增長趨勢,但在減水劑摻量為2%后略有下降.

圖6 萘系減水劑對同步砂漿強度的影響

圖7為不同水膠比和不同減水劑摻量下同步砂漿表觀密度的變化,反映新鮮漿體的密實程度.

圖7 萘系減水劑對同步砂漿表觀密度的影響

在水膠比為0.65的同步砂漿,在減水劑摻量為1.0%時同步砂漿表觀密度達到最大值1 901 kg/m3,隨后迅速下降；在水膠比為0.65的同步砂漿,在減水劑摻量為0.5%～2.0%范圍之間,同步砂漿表觀密度均保持相對穩(wěn)定的數(shù)字,在1 928～1 931 kg/m3之間,說明減水劑在2.0%以下?lián)搅孔儎訉{體密度影響很??；在水膠比為0.55的同步砂漿,在減水劑摻量為2.0%時同步砂漿表觀密度達到最大值1 967 kg/m3,隨后迅速下降.

綜合前述同步砂漿流動度和表觀密度分析,確定出高流動性組配比(FM)為水膠比=0.60,減水劑摻量2.0%,篩分渣土∶黃砂=1.97∶1.

2.4 二種配比下同步砂漿性能

空白組(BM)和高流動性組(FM)配比進行同步砂漿驗證試驗(見表2).主要性能見表3.

表2 二種配比主要參數(shù)

表3 二種配比主要性能

從表3～4可以看出,高流動性組FM 相比BM,砂漿流動度是2倍以上,泌水率低,凝結(jié)時間基本比BM 略有縮短,3 d和7 d強度均和BM 接近,28 d抗壓強度則是BM 的1.16倍,按照《盾構(gòu)法隧道同步注漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 563—2018)建議中要求砂漿流動度應(yīng)大于160 mm,3 d抗壓強度不小于0.5 MPa,28 d抗壓強度不小于2.5 MPa.說明在這兩種配比中,FM 在降低水膠比情況下能滿足施工要求.

2.5 微觀分析

圖8為FM 和BM 組3 d和28 d齡期試樣SEM圖.根據(jù)Image Pro-Plus

軟件分析,BM 樣的3 d和28 d孔隙率分別為16.54%和9.66%,FM 樣的3 d和28 d孔隙率分別為16.84%和6.30%.FM 的3 d孔隙率略大于BM 的3 d孔隙率,這和表4強度性能相一致；28 d時候,BM 的孔隙率為FM 的1.53倍,顯示微觀結(jié)構(gòu)中摻減水劑的同步砂漿孔隙比空白組要少.

圖8 FM 和BM 組3 d和28 d齡期試樣SEM 圖

吸附等溫線可以分析固體的表面及孔隙情況.圖中的試樣均屬于BET 分類法中的第IV 類吸附等溫線,在相對壓力較低時曲線上升緩慢,在相對壓力較高時曲線上升加快,說明在低相對壓力時,氮氣吸附主要發(fā)生在微孔中,而在高相對壓力時,氮氣吸附發(fā)生在微孔的同時,也發(fā)生在中孔和大孔中[13].從圖9可看出,相同P/P0時吸附曲線和脫附曲線的分離程度大,代表樣品孔隙數(shù)量多[14],能看出BM 組最為明顯.滯回環(huán)是第IV 型等溫線的顯著特征,滯回環(huán)分離程度大,說明同步砂漿樣孔徑增大.

圖9 FM 和BM 組28 d齡期試樣的等溫吸附-脫附曲線

圖10 FM 和BM 組28 d齡期試樣的孔容-孔徑微分分布曲線

圖10中樣品的微分曲線可以看出主峰情況,FM在2.36 nm、4.04 nm 出現(xiàn)峰值,而 BM 在2.36 nm、4.04 nm 出現(xiàn)峰值,但 BM 在4.04 nm 峰值幾乎是FM 在4.04 nm 峰值2倍,說明在對應(yīng)孔體積更大.由此可知,相比BM,摻減水劑的同步砂漿孔徑和孔體積更小.結(jié)合圖8的分析說明,FM 樣更為密實,因而強度高.

3 結(jié) 論

1)根據(jù)緊密堆積和砂漿性能實驗得到同步砂漿最佳配比為篩分渣土∶黃砂=1.97∶1,水膠比0.65,膠砂比為0.8,此時空白組(BM)同步砂漿3 d、7 d和14 d抗壓強度分別為0.68 MPa、1.39 MPa和2.76 MPa,砂漿流動度為106.5 mm.

2)摻減水劑2.0%的FM 組同步砂漿,水膠比為0.60,砂漿流動度達到214.1 mm,為空白組BM 的2倍以上,泌水率低,凝結(jié)時間基本比BM 略有縮短,3 d和7 d強度均和BM 接近,28 d抗壓強度則是BM的1.16倍.

3)SEM 和BET 分析結(jié)果表明,高流動性組(FM)配比和空白組(BM)配比的不同齡期試樣接近,早期孔隙率相近,后期FM 孔隙率明顯低于BM,因而早期強度相近、后期強度高,FM 組對應(yīng)孔徑和孔體積更小.這是高流動組FM 樣28 d強度高于BM 的主要原因之一.