周紅梅 張毅翔 彭昱翔

摘 要：由于盾構(gòu)預(yù)拌砂漿在使用移動(dòng)筒倉運(yùn)輸?shù)倪^程中容易產(chǎn)生離析，因此，對(duì)已在實(shí)際生產(chǎn)中使用的盾構(gòu)預(yù)拌砂漿在不同條件下的離析程度進(jìn)行研究。在豎直振動(dòng)模擬條件下，結(jié)合顆粒物質(zhì)理論，以4種不同粒徑的顆粒為材料，研究振動(dòng)時(shí)長、砂粒徑和分隔空間百分比等3種不同因素對(duì)離析程度的影響，用粗料含量變化來表征離析發(fā)生的規(guī)律，結(jié)果表明：振動(dòng)時(shí)間超過60 s時(shí)，離析程度顯示為無明顯變化的平緩曲線；粗顆粒粒徑越大，分隔空間越大，離析程度越大。使用Design-expert 11對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明：各因素對(duì)盾構(gòu)預(yù)拌砂漿離析指數(shù)的影響由大到小依次為振動(dòng)時(shí)長、分隔空間百分比、砂粒徑；當(dāng)振動(dòng)時(shí)長為180 s，砂粒徑為0.3 mm，分隔空間為25%時(shí)，離析程度最小，即為最佳方案。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)預(yù)拌砂漿；移動(dòng)筒倉；離析

中圖分類號(hào)：TU64 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.03.006

0 引言

盾構(gòu)法施工是隧道施工的一種重要工法，這種工法在施工過程中會(huì)產(chǎn)生盾尾建筑空隙，需要進(jìn)行壁后注漿以維持穩(wěn)定并提高管片襯砌結(jié)構(gòu)的防水抗?jié)B透性能，作為壁后注漿的材料，盾構(gòu)預(yù)拌砂漿的性能十分重要。盾構(gòu)預(yù)拌砂漿屬于預(yù)拌干混砂漿的一種，干混砂漿是經(jīng)干燥系統(tǒng)分級(jí)篩選處理的骨料，膠凝材料和根據(jù)需求添加的外加劑等所有的配料在專業(yè)生產(chǎn)車間精確計(jì)量，混合攪拌成干態(tài)混合物[1]。按照GB 55015—2021[2]規(guī)范要求，在保證建筑安全性和實(shí)用性的基礎(chǔ)上，降低建筑能耗，而盾構(gòu)預(yù)拌砂漿具有質(zhì)量穩(wěn)定、品種豐富、功能優(yōu)異、綠色環(huán)保、降耗節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，能夠降低工程建設(shè)綜合成本，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和新時(shí)代對(duì)材料的需求。盾構(gòu)預(yù)拌砂漿相較于濕拌砂漿和現(xiàn)場攪拌砂漿，具有明顯優(yōu)勢(shì)，但容易發(fā)生離析，影響其性能。盾構(gòu)預(yù)拌砂漿在使用移動(dòng)筒倉運(yùn)輸?shù)倪^程中極易產(chǎn)生離析現(xiàn)象[3-4]，而離析的出現(xiàn)則會(huì)影響其強(qiáng)度和抗裂等性能[5]，降低施工質(zhì)量。

目前國內(nèi)有相關(guān)學(xué)者對(duì)干混砂漿在運(yùn)輸中的離析展開研究。肖群芳等[6]研究了干混砂漿運(yùn)輸車的材料均勻性，證實(shí)了干混砂漿從攪拌機(jī)到運(yùn)輸車的過程中會(huì)發(fā)生離析；江飛飛等[7]研究了干混砂漿集料成堆過程中的離析，總體離析指數(shù)隨著集料質(zhì)量的增大而增大，傾角和各層離析程度具有較強(qiáng)的相關(guān)性，當(dāng)傾角趨于穩(wěn)定時(shí)，各層的離析指數(shù)也隨之穩(wěn)定?，F(xiàn)有研究多是以進(jìn)料和出料為主的防離析設(shè)計(jì)，而干混砂漿在運(yùn)輸過程中也會(huì)產(chǎn)生較大程度的離析。孫廣燁[8]選用2種粒徑的顆粒進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，研究干料離析程度，其研究顆粒種類數(shù)量較少，且對(duì)于干料離析的研究多基于表面，并未深入研究其機(jī)理。本試驗(yàn)選用4種粒徑的顆粒來分析移動(dòng)筒倉在運(yùn)輸過程中的離析，得到更豐富的數(shù)據(jù)，還新增了分隔空間的試驗(yàn)，將糧倉效應(yīng)運(yùn)用到防離析設(shè)計(jì)中，并且參考巴西果效應(yīng)等顆粒物質(zhì)理論更加深入地分析干混砂漿的離析機(jī)理，對(duì)盾構(gòu)預(yù)拌砂漿運(yùn)輸過程產(chǎn)生的離析規(guī)律進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。

1 試驗(yàn)材料

水泥：選用陽春海螺水泥有限公司生產(chǎn)的海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，能夠提高漿體抗壓強(qiáng)度，主要化學(xué)成分見表1；粉煤灰：選用二級(jí)粉煤灰，主要化學(xué)成分見表2；砂：作為盾構(gòu)預(yù)拌砂漿骨料，級(jí)配見表3；膨潤土：選用納基膨潤土，主要化學(xué)成分見表4。水泥、粉煤灰、砂和膨潤土等4種材料的質(zhì)量配合比為95∶270∶570∶65。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

孫廣燁[8]經(jīng)過試驗(yàn)得出豎直振動(dòng)與水平振動(dòng)對(duì)離析程度的影響幾乎相同，因此，使用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行豎直振動(dòng)模擬試驗(yàn)，分別進(jìn)行振動(dòng)時(shí)長、粗料粒徑和分隔空間等3種不同因素的試驗(yàn)。在振動(dòng)臺(tái)上放置直徑300 mm料筒來模擬豎直振動(dòng)，將振動(dòng)后的物料分為5層，每層取500 g，并通過0.075 mm篩子篩選，測(cè)出每層粗料的含量，計(jì)算出粗料偏離量，再通過偏離量來表征預(yù)拌砂漿振動(dòng)后的離析程度。

2.2 試驗(yàn)過程

振動(dòng)時(shí)長對(duì)離析程度影響的試驗(yàn)選用與實(shí)際工程最接近的粒徑為0.3 mm的砂，試驗(yàn)過程中振動(dòng)時(shí)間的取值范圍為60～180 s，每間隔30 s取1次?？紤]到盾構(gòu)預(yù)拌砂漿中含有其他粒徑的粗顆粒，因此，對(duì)粗顆粒粒徑與振動(dòng)離析程度的關(guān)系展開研究，盾構(gòu)預(yù)拌砂漿中的粗顆粒粒徑一般為0.15～2.36 mm，從中選取5種不同粒徑的顆粒進(jìn)行試驗(yàn)。在綜合考慮不同振動(dòng)時(shí)長和砂粒徑對(duì)離析程度的影響后，認(rèn)為移動(dòng)筒倉容量對(duì)盾構(gòu)預(yù)拌砂漿離析也有影響，并進(jìn)行分隔空間的試驗(yàn)，同樣選用粒徑為0.3 mm的砂，用鐵板將料筒分隔后進(jìn)行豎直振動(dòng)模擬試驗(yàn)，分隔后的料筒如圖1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 振動(dòng)時(shí)長的影響

不同振動(dòng)時(shí)長下各層物料中粗料偏離量如圖2所示，為了在振動(dòng)試驗(yàn)后方便觀察每層物料中粗料偏離值出現(xiàn)的規(guī)律，同時(shí)減少后續(xù)計(jì)算物料整體離析指數(shù)帶來的誤差，將料筒從下到上均勻劃分為5層，每層對(duì)應(yīng)1/5的物料，分別用數(shù)字1—5表示。在振動(dòng)時(shí)長為60 s時(shí)，上層粗料含量顯著增多，此時(shí)料筒上方的顆粒較疏松，容易穿過[9]，因此，粗顆粒可以向上運(yùn)動(dòng)擠占空間，而細(xì)顆粒則通過粗顆粒間的間隙向下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生滲透離析。巴西果效應(yīng)主要是由于大顆粒在顆粒床中受到細(xì)顆粒對(duì)其碰撞產(chǎn)生的浮力導(dǎo)致的[10]，在發(fā)生滲透離析后，細(xì)顆粒向上運(yùn)動(dòng)時(shí)容易被粗顆粒阻擋，致使細(xì)顆粒向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)相對(duì)較小，粗顆粒在細(xì)顆粒提供的浮力下不斷上升，符合巴西果效應(yīng)中的拱架理論，細(xì)顆粒不斷墊高粗顆粒，因此，粗顆粒有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，而細(xì)顆粒則反之。在振動(dòng)時(shí)長為60 s后，離析程度下降至無明顯變化的平緩曲線，考慮是粗顆粒在向上運(yùn)動(dòng)過程中，因其所處位置越來越高，其下方的細(xì)顆粒自由度越來越大，此時(shí)粗顆粒更易于擠占其下方的細(xì)顆粒的空間，以此達(dá)到某一平衡，此時(shí)預(yù)拌砂漿開始處于某種相對(duì)穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)形態(tài)，基于內(nèi)部耗散的能量等于外部輸入的能量守恒[11]，隨著振動(dòng)時(shí)間的增加，離析變化趨于平緩。

3.2 砂粒徑的影響

不同粒徑的砂經(jīng)過60 s豎直振動(dòng)，粗料偏離量如圖3所示。整體上依然遵循巴西果效應(yīng)，盾構(gòu)預(yù)拌砂漿中粗料粒徑越大，上層粗料含量越高，表征的離析程度更大?？紤]是在豎直振動(dòng)粗顆粒向上運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，粗顆粒粒徑變大，粗顆粒之間的空隙也就越大，各種細(xì)顆粒更容易從粗顆粒空隙之間向下通過，產(chǎn)生滲透離析，同時(shí)顆粒間距較大時(shí)，做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，其行為類似于液體或氣體中的粒子[12]，整體更加活躍；同時(shí)大顆粒粒徑越大，具有上升速度越大的趨勢(shì)[13]，因此，在振動(dòng)60 s的時(shí)間內(nèi)，粒徑較大的顆粒上升速度大于粒徑較小的顆粒，由此表征出的離析程度越大。

3.3 儲(chǔ)運(yùn)空間的影響

圖4為不同分隔空間下各層物料振動(dòng)60 s后粗料偏離量圖，物料整體離析程度隨著分隔空間的縮小而下降，空間變小后粗顆粒水平間空隙更容易被限制，細(xì)顆粒穿過空隙的機(jī)會(huì)變小，且空間較小時(shí)，物料內(nèi)部的對(duì)流輸送現(xiàn)象減少，對(duì)顆粒約束加緊，使整體變得更加穩(wěn)定。當(dāng)堆積高度達(dá)到方倉底邊邊長約2倍以上后，料倉的底部壓力達(dá)到飽和[14]，經(jīng)計(jì)算可知在料筒未分隔前，尚未能使底部壓力趨于飽和；分隔1/2后，料倉底部壓力剛剛趨于飽和；分隔1/4后，底部至中部的壓力處于飽和狀態(tài)，顆粒大量堆積在一起，自由程度較小，同時(shí)產(chǎn)生整體的上下運(yùn)動(dòng)[15]，更加穩(wěn)定。上部顆粒因?yàn)榧Z倉效應(yīng)將力分散到筒壁上，顆粒與容器壁之間產(chǎn)生摩擦，其運(yùn)動(dòng)方式也會(huì)受影響，豎直運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)變小，更加穩(wěn)定，則離析程度較小。

4 響應(yīng)面設(shè)計(jì)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

振動(dòng)時(shí)長、顆粒粒徑、儲(chǔ)運(yùn)分隔空間均會(huì)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，甚至聯(lián)合起作用，導(dǎo)致很難通過控制單一因素來對(duì)體系的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行研究，因此，使用響應(yīng)面法進(jìn)行綜合分析。響應(yīng)面法綜合考慮和利用了數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)，不僅能夠分析自變量，還能構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，對(duì)多因素和多變量進(jìn)行綜合分析。本次試驗(yàn)為三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，參考正交試驗(yàn)方法[16-17]，三因素分別為振動(dòng)時(shí)長（A）、砂粒徑（B）、分隔空間百分比（C），因素和水平設(shè)計(jì)如表5所示。利用軟件Design-expert 11得出設(shè)計(jì)方案，得出各層物料的粗料含量偏差值的平方和作為物料整體離析指數(shù)（Y），方案與結(jié)果如表6所示。

4.2 回歸方程分析

根據(jù)表6的數(shù)據(jù)，使用Design-expert 11軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到離析指數(shù)的二次多項(xiàng)式回歸模型，并得出響應(yīng)值和各因素的回歸擬合方程為

[1Sqrt（Y）=2.44+0.95A-0.15B-0.33C-0.1AB-0.21AC+0.11BC+0.5A2+0.13B2+0.25C2.]

回歸擬合方程可靠性分析如表7所示。

注：空白處表示無數(shù)據(jù)；P表示顯著水平。

整體回歸模型F值為[95.57>0.5]0，說明該回歸模型顯著，振動(dòng)時(shí)長和分隔空間百分比的P [<0.000 1]，表示回歸模型高度顯著；而砂的粒徑P值[（0.008 4）<0.010 0]，表示回歸模型比較顯著[18]，因此，試驗(yàn)因素對(duì)離析程度的影響從大到小依次為：振動(dòng)時(shí)長、分隔空間百分比、砂子粒徑。確定系數(shù)[R2=0.991 9>0.800 0]，且接近于1；預(yù)測(cè)確定系數(shù)[R2pre=0.832 4]，調(diào)整確定系數(shù)[R2pre=0.981 5]，差異小于0.200 0，說明該回歸模型擬合度高，可靠性好[19]。

4.3 響應(yīng)面分析

在分隔空間占比為62.5%下，振動(dòng)時(shí)長與砂粒徑的交互作用對(duì)盾構(gòu)預(yù)拌砂漿離析的影響如圖5所示。由圖5可知，響應(yīng)面表現(xiàn)為左高右低的態(tài)勢(shì)，從整體上看，砂子粒徑不變，離析指數(shù)隨振動(dòng)時(shí)間的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在振動(dòng)時(shí)間較短時(shí)，離析指數(shù)隨著砂子粒徑的增加而先增后減，當(dāng)振動(dòng)時(shí)間較長時(shí)，離析指數(shù)隨著砂子粒徑的增加而增加?？紤]到較大粒徑的粗顆粒上升速度更快，在振動(dòng)時(shí)間為60 s時(shí)，砂漿離析指數(shù)已經(jīng)開始下降，且物體質(zhì)量越大，其下落產(chǎn)生的沖擊力越大，更容易擠占下方顆粒的空間，此外也易于發(fā)生滲透離析，因此，振動(dòng)時(shí)長較短時(shí)，含有較大粒徑的粗顆粒的物料的離析指數(shù)隨粒徑增大而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

當(dāng)砂粒徑為0.375 mm時(shí)，振動(dòng)時(shí)長與分隔空間交互作用對(duì)盾構(gòu)預(yù)拌砂漿離析的影響如圖6所示。由圖6可知，響應(yīng)面表現(xiàn)為左高右低且左中大幅隆起的態(tài)勢(shì)。從整體上看，分隔空間不變，物料整體離析指數(shù)隨著振動(dòng)時(shí)間的增加呈上升趨勢(shì)，不管分隔空間和粒徑怎么變化，物料整體離析指數(shù)都會(huì)隨著振動(dòng)時(shí)間的增加而下降。振動(dòng)時(shí)長較長時(shí)，物料離析指數(shù)隨著分隔空間的增加而降低，并趨于平緩，與前面的試驗(yàn)結(jié)果一致，在實(shí)際運(yùn)輸過程中，振動(dòng)時(shí)長通常會(huì)大于180 s，在運(yùn)輸過程中，可將移動(dòng)筒倉分隔為1/4，在保證施工性能的前提下，選用粒徑為0.3 mm粒徑的砂作為粗骨料可以降低運(yùn)輸過程中的離析；在振動(dòng)時(shí)長較短時(shí)，物料離析指數(shù)隨著分隔空間的增加而先增后減，容器較粗時(shí)，對(duì)顆粒約束放寬[13]，空間大到一定程度時(shí)，顆粒輸送現(xiàn)象的發(fā)生更快，離析發(fā)生的效率更高，加快物料離析指數(shù)變化進(jìn)入平穩(wěn)的過程，因此，有較大空間的物料離析指數(shù)反而較低。

當(dāng)振動(dòng)時(shí)長為120 s時(shí)，砂粒徑與分隔空間交互作用對(duì)盾構(gòu)預(yù)拌砂漿離析指數(shù)的影響如圖7所示。由圖7可知，分隔空間較小時(shí)，離析指數(shù)隨著砂子粒徑的增大而增大；分隔空間較大時(shí)，離析指數(shù)隨著砂子粒徑的增大而先增后減，說明含有較大粒徑的粗顆粒的物料的離析指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

以最小離析程度為條件輸入軟件Design-expert 11中，對(duì)模型進(jìn)行分析，得出運(yùn)輸罐離析程度最小的情況為：振動(dòng)時(shí)長為180 s、砂粒徑為0.3 mm、分隔空間為25%，以這3個(gè)變量取值，重復(fù)振動(dòng)試驗(yàn)，計(jì)算粗料偏離量，進(jìn)而得出離析值為0.042 524。

5 方案優(yōu)化

在滿足施工性能的前提下，通過Design-expert 11軟件分析優(yōu)化出一種離析程度最小的方案。先對(duì)離析影響因素進(jìn)行條件約束：振動(dòng)時(shí)長為60 ～180 s，由于盾構(gòu)砂漿不能使用過細(xì)的砂，故設(shè)置砂粒徑為0.3～0.6 mm，分隔空間為25%～100%。經(jīng)過軟件分析計(jì)算，得出離析程度最小的優(yōu)化方案為：振動(dòng)時(shí)長180 s、砂粒徑0.3 mm、分隔空間25%。在此條件下進(jìn)行試驗(yàn)，得出離析指數(shù)為0.042 524，符合優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本試驗(yàn)按照水泥、粉煤灰、砂和膨潤土的質(zhì)量比為95∶270∶570∶65的比例配置，均勻混合成盾構(gòu)預(yù)拌砂漿，以其作為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)對(duì)盾構(gòu)預(yù)拌砂漿裝載于移動(dòng)筒倉運(yùn)輸時(shí)所產(chǎn)生的離析進(jìn)行模擬，結(jié)合顆粒物質(zhì)理論進(jìn)行分析，并給出改進(jìn)方案。通過試驗(yàn)得到的結(jié)論如下：

1）振動(dòng)時(shí)長超過60 s后，基于內(nèi)部耗散的能量等于外部輸入的能量，離析變化趨于平緩。

2）振動(dòng)過程中，顆粒的離析遵循巴西果效應(yīng)，即振動(dòng)后上層粗顆粒含量增加，同時(shí)基于巴西果拱橋效應(yīng)，細(xì)顆粒向下運(yùn)動(dòng)后會(huì)不斷墊高粗顆粒，進(jìn)一步增加干料上層粗顆粒的含量。

3）小顆粒在大顆粒之間的空隙間產(chǎn)生滲透離析，細(xì)顆粒通過大顆粒之間的空隙向下運(yùn)動(dòng)，且粗顆粒粒徑越大，大顆粒之間的空隙越大，滲透離析的效果越明顯，因此，在振動(dòng)時(shí)間為60 s內(nèi)，粒徑較大的顆粒上升速度大于粒徑較小的顆粒，由此表征出的離析程度越大。

4）基于糧倉效應(yīng)，分隔空間后料倉對(duì)物料顆粒的約束減小，料倉底部受力趨于飽和，提高物料整體穩(wěn)定性，減少離析的發(fā)生。

5）根據(jù)回歸模型分析，各因素對(duì)離析程度的影響從大到小依次為：振動(dòng)時(shí)長、分隔空間百分比和砂粒徑；優(yōu)化后的方案即離析程度最小的方案為：振動(dòng)時(shí)長為180 s、砂粒徑為0.3 mm、分隔空間為25%，經(jīng)試驗(yàn)得出離析指數(shù)為0.042 524，符合優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

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Analysis and optimization of segregation degree of shield

ready-mixed mortar in transportation

ZHOU Hongmei， ZHANG Yixiang， PENG Yuxiang

（School of Civil and Architecture Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： As the segregation of shield ready-mixed mortar often occurs in the process of using moving silos for transportation， the segregation degree of shield ready-mixed mortar in actual use is studied under different conditions. Under the condition of vertical vibration simulation， combined with the particle matter theory， four kinds of particles with different particle sizes were used as materials to study the effect of three different factors， namely vibration duration， coarse particle size and separation space， on the segregation degree. The change of coarse material content was used to represent the law of segregation. When the vibration time was over 60 s， the segregation degree showed a gentle curve with no obvious change. The larger the size of coarse particles and the smaller the separation space， the greater the segregation degree. Design-expert 11 was used for comprehensive analysis. The results showed that the effect of the factors on segregation index of shield ready-mixed mortar in descending order was vibration duration， separation space and sand particle size; When the vibration duration was 180 s， sand particle size was 0.3 mm and the separation space was 25%， the segregation degree was the smallest， which was the best solution.

Keywords： shield ready-mixed mortar; moving silo; segregation

（責(zé)任編輯：羅小芬）

收稿日期：2023-05-06；修回日期：2023-10-17

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019GXNSFBA245071）資助

第一作者：周紅梅，教授級(jí)高工，研究方向：建筑新型環(huán)保材料的研發(fā)，E-mail：289953835@qq.com