盾构隧道大掺量粉煤灰同步注浆材料优化设计.doc

 盾构隧道大掺量粉煤灰同步注浆材料优化设计 

隧道网 (2007-4-8)  来源：隧道建设

　　摘　要：通过掺加粉煤灰、膨润土、高效减水剂等措施，对盾构法同步注浆用水泥砂浆配合比进行优化设计，探讨了粉煤灰掺量、减水剂种类和掺量、水胶比、胶砂比等与流动度、结石体3 d、14 d、28 d抗压强度、凝结时间之间的关系，得到具有高工作性的大掺量粉煤灰同步注浆材料。
　　关键词：盾构法　同步注浆　大掺量粉煤灰　工作性能
　　中图分类号：U455．43 　　　   文献标识码：B

 　　0  前言
    盾构法同步注浆就是在隧道内将具有适当的早期及最终强度的材料，通过注浆泵及盾尾的注浆管，按规定的注浆压力和注浆量在盾构推进的同时填人盾尾空隙内，从而有效控制地面沉降，确保管片的早期稳定性，并形成衬砌防水的第一道防线。而盾构法同步注浆工艺要求浆液具有较高的工作性能，即“流动性+稳定性+可塑性+易密性”，同时还要具有较小的流动经时损失及适宜的凝结时间等。
    盾构法施工时，如果砂浆稳定性差，则易分层离析，容易导致注浆堵管、堵泵现象，从而影响注浆效果和施工进度。因此，盾构法要求注浆材料具有良好的稳定性和流动性，即高工作性能。为了使砂浆初始具有良好的工作性能，流动经时损失小，结合过江隧道项目，对大掺量粉煤灰水泥砂浆进行了前期的试验研究。
　　1  同步注浆材料性能要求
　　为满足盾构法施工工艺，实现背后注浆的目的，同步注浆浆液要求满足下列条件［2］：
　　①　浆液工作性能好，易泵送，3 h可泵性好(流动度>180 mm)：
　　②　浆液稳定性好，不离析，不分层，抗水分散，体积泌水率<2．5％为宜；
　　③　具有一定的早期强度，28 d强度>2．5 MPa；
　　④　浆液的凝结时间可以控制；
　　⑤　浆液无毒、无害、无刺激性气味、原材料来源广泛、价格低廉。
　　本实验通过掺加减水剂、膨润土、大掺量粉煤灰的措施达到同步注浆材料的性能要求。
　　2  原材料与实验方法
　　2．1  原材料
　　水泥：湖北黄石华新水泥厂产42．5普通硅酸盐水泥。
　　细集料：巴河中砂，细度模数为2．7，含泥量小于1．O％。
　　粉煤灰：密度2．7 9／cm3，比表面积4 300 cm2／g。
 　　钠基膨润土：含水率<10％。
　　减水剂：武汉武钢浩源外加剂厂生产的萘系缓凝减水剂FDN一9001，减水率为20％～25％，粉状；武汉联合WLH一031缓凝减水剂，减水率23％，液状。
　　水泥、粉煤灰的化学成分与细度见表l。
表1  原材料的化学组成和物理性能

　　2．2  买验方法
　　①流动度测试按GB8077—87《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行试验H]；
　　②浆液凝结时间按JGJl0一90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行检验b]；
　　③试件抗压强度按GBl77—85[61所提供的方法进行试验；
　　④泌水率采用l00 ml量筒，上盖双层塑料膜，保持室温24～30％，按浆液静置3 h后的上浮水体积与总体积比计算。
　　3　实验结果与讨论
　　3．1减水剂优选试验
    由图l所示，掺加FDN9001、WLH一031后，砂浆流动度增大，但由于减水剂的主要化学成分不同，因此，它们的吸附、分散、润湿、润滑的作用也就不相同，从而对砂浆流动度的影响也不同，同时减水剂的加入有减缓流动经时损失的作用。从减水效果与缓凝保塑效果来看，WLH-031的作用效果要优于FDN9001，这说明WLH一031是一种具有多功能的多组分复合材料，既具有较强的减水效果又具有较强的缓凝保塑效果，可以基本满足砂浆的性能要求，作为盾构法同步注浆材料的外加剂使用。

图1  减水剂对流动度影响曲线
　　3．2膨润土对砂浆性能的影响
　　图2流动度试验结果表明：不加膨润土时，砂浆即使具有较大的流动度，但并不能自由的从容器内流出；加入膨润土后，使砂浆的流动性降低，流动经时损失加快，但浆液的稳定性好，黏聚性增大，即使砂浆相当黏稠(流动度小于115 mm)时，砂浆仍可以从容器中流出。当加入减水剂后使流动性增加，并且减缓了流动经时损失，所以掺加膨润土的同时加入减水剂对砂浆性能有着重要的作用。这是因为膨润土自身是吸水溶胀性材料，使浆液自由水减少，导致流动性下降，黏性增大。就其结构来看，其具有柱状结构，水解后在砂浆中可形成卡屋结构(膨润土在水中高度分散搭接成网络结构，并使大量的自由水转变为网络结构中的束缚水，而形成非牛顿液体类型的触变性凝胶)，既增加了对砂浆的滑动效应，又增大了砂浆的稳定性。在一定程度上，它可以增大同步注浆的可泵性，防止堵泵、堵管现象。

图2　膨润土对流动度影响曲线
　　3．3  配合比优化
　　为配制出具有和易性佳、保水稳定性好、易于泵送的高工作性能的同步注浆水泥砂浆，共进行了21组试验并进行优化。
　　3．3．1  水胶比、胶砂比优化
　　试验采用WLH一031缓凝减水剂、华新42．5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、膨润土等原材料。固定胶砂比，改变水胶比(0．6～0．8)；固定水胶比，改变胶砂比(0．6～0．8)进行试验，结果如表2、图3和图4。
表2  强度、凝结时间测试结果

图3  水胶比对流动度影响曲线

图4  胶砂比对流动度影响曲线
　　如图3和表2所示：水胶比为0．6时浆液较稠，流动性差，经时损失快，不宜于泵送，不满足注浆要求；水胶比为0．8时初始流动性达到260 mm，出现严重离析现象，在现场施工中会增加施工的难度，易发生堵管、堵泵现象，导致对管片加固防渗作用减弱。因此，水胶比在0．65～0．70之间，无论是工作性还是强度都可以满足注浆要求，可以根据工程需要调整。
　　由图4和表2可知，随着胶砂比的降低，流动性下降，因为砂粒没有足够的水泥浆体包裹，使得砂粒间的摩擦力增大，即使流动度不大仍会出现离析现象；当胶砂比为0．75、0．80时出现泌水分层和静置板结现象，这表明胶凝材料的用量增多对砂浆的和易性改善并不大。因此，从工作性和强度来看胶砂比选择0．70为宜。
　　3．3．2  膨润土、粉煤灰掺量优化
　　固定水胶比(0．70)、胶砂比(0．70)，使用WLH一031缓凝减水剂、华新42．5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰，改变膨润土(看作胶凝材料的组分)掺量、粉煤灰掺量(按胶凝材料的60％、65％、70％)进行试验，结果如表3、图5和图6。
表3  强度、凝结时间、体积泌水率测试结果

图5  膨润土掺量对流动度影响曲线

图6  粉煤灰掺量对流动度的影响曲线
　　图5、表3试验结果表明：膨润土掺人时，有增加砂浆的稳定性、降低泌水率的作用。当膨润土掺量低于一定值时，其提高砂浆稳定性的作用不明显；当掺加到2．7％时，砂浆稳定性明显提高，初始和易性良好，体积泌水减少；当继续增大掺量到3．3％时，与掺量为2．7％时的效果基本相同，所以膨润土掺量选择2．7％为宜。鉴于同步注浆用水泥砂浆28 d长期抗压强度>2．5 MPa，即选择使用大掺量粉煤灰也可满足强度要求。
　　图6、表3试验结果表明：砂浆流动度随粉煤灰用量的减少有所降低，强度有所增长，凝结时间减短。粉煤灰掺量为70％时，泌水率稍大；粉煤灰掺量为60％时，砂浆的稳定性好，初始和易性佳，体积泌水率小，但成本较高，因此，粉煤灰掺量选择为65％为宜。
　　3．3．3  减水剂掺量优选
　　固定最优水胶比、胶砂比、膨润土和粉煤灰掺量，改变WLH一031减水剂掺量进行试验，结果如表4。
表4  减水剂掺量测试试验

　　表4表明：WLH一031减水剂掺量变化时，砂浆的流动度随减水剂掺量的增大而增大，当减水剂的掺量为0．6％时，砂浆的初始和易性好；当减水剂掺量为0．8％时，砂浆初始离析，不能满足施工要求，同时减水剂掺量不同，凝结时间变化不大，强度接近，因此WLH一031减水剂掺量选择0．6％为宜。
　　3．3．4配合比优化
　　通过大量实验，使用42．5普通硅酸盐水泥、粉煤灰、钠基膨润土、WLH一031缓凝减水剂，优化配合比如表5，优化后的砂浆性能见表6。
表5  优化配合比

表6  优化配合比后砂浆性能

　　4  结论
　　①通过掺加高效减水剂、膨润土可以提高盾构法同步注浆用大掺量粉煤灰水泥砂浆的稳定性和保水性，进一步改善砂浆的和易性，从而使可泵性得到根高．
　　②对同步注浆用水泥砂浆配合比进行优化设计当配比范围为水胶比0．65～0．7、胶砂比0．65～0．7粉煤灰用量60％～80％、膨润土掺量2．0％～3．5%时，配制出的砂浆具有良好的工作性能。
　　参考文献：
　　[1]尹旅超，朱振宏，李玉珍．l3本隧道盾构新技术[M]．武汉：华中理工大学出版社，l999．
　　[2]  罗云峰，区希．地铁隧道盾构法同步注浆用水泥砂浆的试验研究[J]．}昆凝土，2004，(08)．
　　[3]  张凤祥．土建注浆施工与效果检测[M]．上海：同济大学出版社，l998．
　　[4]  GB／T 8077混凝土外加剂匀质性试验方法[S]．
　　[5] JGJl0—90建筑砂浆基本性能试验方法[S]．北京：中国建筑工业出版社，l990．
　　[6]  GBl77—85水泥胶砂强度检测方法[S]．