周少東，林文書，王紅喜，許 可，林建平，王 彪，丁慶軍

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430030;2.中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710054;3.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070)

0 引言

盾構(gòu)法是目前地下工程施工中最常用的施工方法，同步注漿技術(shù)是盾構(gòu)法隧道施工中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。盾構(gòu)法同步注漿是在盾構(gòu)向前掘進(jìn)的同時(shí)，將具有一定早期及終期強(qiáng)度的材料填入盾尾空隙內(nèi)，能夠抑制天然土體變形，控制地面沉降，保證環(huán)境安全，作為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)層，提高其耐久性。盾構(gòu)隧道同步注漿材料的種類有很多，其中單液水泥砂漿類應(yīng)用得最為廣泛［1－3］。

在地下工程盾構(gòu)施工過程中，經(jīng)過盾構(gòu)多層刀盤的打磨與切削及泥水處理系統(tǒng)的多次處理，產(chǎn)生了大量廢棄泥砂。一方面，大量盾構(gòu)泥砂的填埋與堆砌造成了對城市環(huán)境的巨大影響;另一方面，盾構(gòu)泥砂中的黏?？筛纳谱{材料的穩(wěn)定性和抗水分散性，但黏粒含量過高時(shí)會降低漿液的工作性能。故如何合理利用盾構(gòu)泥砂制備同步注漿材料，逐漸成為廣大專家、學(xué)者關(guān)注的問題。

不同于一般工程所用的砌筑砂漿或抹面砂漿，在富水地層尤其是地下水流大、斷面水壓高、沖刷力強(qiáng)的地段，盾構(gòu)法注漿工藝要求注漿材料具有較高的穩(wěn)定性和流動性，以及非常好的抗水分散等特性［4－5］。因此，如欲利用盾構(gòu)泥砂制備應(yīng)用于對抗水沖刷能力要求較高地段的高性能同步注漿材料，必須開發(fā)專用的高性能外加劑，以滿足施工應(yīng)用的工作性能及耐久性能要求。

常見的同步注漿材料外加劑一般為減水劑復(fù)配改良劑，如膨潤土、界面改性劑等［6］，但此類外加劑未能使制備的同步注漿材料兼具流動性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、水下不分散及可用時(shí)間長的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)選用膨潤土(BE)、凹凸棒黏土(PL)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、羥乙基纖維素(HEC)、FDN減水劑、聚羧酸減水劑(PC)與葡萄糖酸鈉(GAS)進(jìn)行復(fù)配，研制出高性能同步注漿材料的專用外加劑。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料與實(shí)驗(yàn)儀器

1.1.1 原材料

1.1.1.1 水泥(C)

P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，華新水泥有限公司生產(chǎn)，堡壘牌，比表面積為350 m2/kg?；瘜W(xué)成分見表1。

1.1.1.2 粉煤灰(FA)

Ⅱ級粉煤灰，陽邏電廠生產(chǎn)。化學(xué)組成見表1。

表1 原材料的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of raw materials %

1.1.1.3 盾構(gòu)泥砂(SD)

武漢市軌道交通盾構(gòu)泥砂，取自地鐵4號線楊春湖、工業(yè)四路等施工標(biāo)段。其中，泥砂含泥量為15%，砂細(xì)度模數(shù)為2.21，表觀密度為2 640 kg/m3，堆積密度為1 470 kg/m3。

1.1.1.4 外加劑

1)膨潤土(BE)。鈉基膨潤土，含水率＜10%，細(xì)度規(guī)格為200目。

2)凹凸棒黏土(PL)。高黏凹凸棒黏土，江蘇淮源礦業(yè)有限公司生產(chǎn)，凹凸棒石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80% ～85%。

3)FDN減水劑(FDN)。市售萘系減水劑FDN－9001，減水率為15% ～20%，粉狀。

4)聚羧酸減水劑(PC)。上海三瑞外加劑有限公司生產(chǎn)，減水率為20% ～25%，水劑。

5)葡萄糖酸鈉(GAS)?；瘜W(xué)純試劑。

6)羥乙基纖維素(HEC)。白色粉末，無味速溶，分子量為7.5 ×105，1 ×106，2 ×106。

7)羥丙基甲基纖維素(HPMC)。白色粉末，無味速溶，分子量為7.5 ×105，1 ×106，2 ×106。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JJ－5型水泥膠砂攪拌機(jī)，NLD－3型水泥膠砂流動度測定儀，ZKS－100砂漿凝結(jié)時(shí)間測定儀，砂漿稠度儀，PHS－25C型pH值測定儀，壓力試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

1)抗壓強(qiáng)度參照GB 177—1985《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》進(jìn)行。

2)同步注漿材料的流動度、稠度和凝結(jié)時(shí)間可參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)。

3)同步注漿材料的泌水率參照GB/T 3183—1997《砌筑水泥》的附錄A方法進(jìn)行測定。

4)漿液抗水分散試驗(yàn)參照DL/T 5177—2000《水下不分散混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

2 復(fù)合抗水分散劑的研制

2.1 抗水分散劑組分優(yōu)選

選用膨潤土(BE)、凹凸棒黏土(PL)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)與羥乙基纖維素(HEC)4種外加劑，以膠砂比為0.5，水泥與粉煤灰之比為0.6，水膠比為0.7，摻0.5%FDN為空白水泥砂漿，以適當(dāng)摻量將4種外加劑摻加到水泥砂漿中，以等稠度法控制用水量，研究4種外加劑對水泥砂漿的抗水分散性能的影響。單摻抗水分散劑具體實(shí)驗(yàn)方案見表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1和圖2。

表2 單摻抗水分散劑實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Test program of mixing with anti-water dispersant %

由圖1和圖2可以看出，BE摻量為6.0%的同步注漿普通單液注漿材料具有較好的固結(jié)性能，但其抗水分散效果不佳，水陸強(qiáng)度比3 d僅為0.64，28 d僅為0.58。膨潤土的主要成分為蒙脫石族礦物，大量“HO－”與“SiO－”基活性基團(tuán)覆蓋其表面，水解后在漿體中會形成卡屋結(jié)構(gòu)，對注漿材料的穩(wěn)定性有很大的提升。此外，膨潤土還具有吸水性、膨脹性和觸變性，吸水后能增大漿體的黏度，提高漿體的保水性能，但其吸水達(dá)到飽和后，對外界水源的抗分散性能較差，不能達(dá)到水下不分散的效果［7］。

圖1 單摻抗水分散劑對漿液不同齡期水中及陸地強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of mixing with anti-water dispersant on the amphibious strength of grout of different ages

圖2 單摻抗水分散劑對漿液pH值的影響Fig.2 Influence of mixing with anti-water dispersant on pH value of grout

PL摻量為6.0%的2號同步注漿材料的力學(xué)性能較摻BE的1號漿材更好，無論是水中強(qiáng)度還是陸地強(qiáng)度都略高出1號，但其抗水分散效果依然不佳，28 d水陸強(qiáng)度比僅為0.64。凹凸棒黏土主要成分為坡縷石，理想化學(xué)成分為Mg5Si8O20(OH)2(H2O)4·nH2O，成分中常有Al，F(xiàn)e混入，Al2O3替代部分MgO，凹凸棒石具有獨(dú)特的介于鏈狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)之間的中間結(jié)構(gòu)，晶體呈針狀、纖維狀和纖維集合狀，具有很大的比表面積和吸附能力。凹凸棒黏土的這種特有的針狀晶體纖維在未受到破壞的情況下，形成像樹枝一樣錯(cuò)綜交叉的束狀集合體，具有很大的表面積和吸附力，而且很難分散; 但是單獨(dú)摻入凹凸棒黏土?xí)r，光靠這種纖維狀集合體又不能起到凝聚作用，抗水分散作用不明顯［8］。

HPMC與HEC都是纖維素醚的一種，其分子中的羥基和醚鍵具有強(qiáng)烈的親水性，羥基與醚鍵上的氧原子會與水分子共同反應(yīng)產(chǎn)生氫鍵，并在溶液中形成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與水泥水化產(chǎn)物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間互相交織［9－10］。纖維素醚分子與水泥水化產(chǎn)物之間相互吸附，同時(shí)產(chǎn)生所謂“復(fù)合疊加效應(yīng)”使水泥漿的黏稠度大大提高，從而達(dá)到飽水增稠的效果，并進(jìn)一步起到抗水分散的作用。在摻量為0.4%的HPMC與HEC的同步注漿普通單液注漿材料的28 d水陸強(qiáng)度比分別達(dá)到了0.89與0.87，其抗水分散性能非常好。但是HPMC與HEC的摻入都會導(dǎo)致漿材的抗壓強(qiáng)度極大程度地下降，與空白樣相比，其陸地強(qiáng)度僅為1/3或更低，這是因?yàn)镠PMC與HEC的摻入都會顯著影響水泥漿的孔結(jié)構(gòu)。有研究指出，一定摻量的纖維素醚會顯著增加水泥漿50 nm以上幾乎所有孔徑的數(shù)量，增加總孔體積，降低表觀密度，故纖維素醚的摻入通常會降低水泥漿的強(qiáng)度。與HPMC相比，HEC水溶液的表面張力較小，在水泥漿中引入的氣泡相對較少，故對水泥漿強(qiáng)度的影響相對較?。?1］。

從上述4種外加劑對同步注漿材料抗水分散性能改善效果的比較來看，HPMC與HEC的摻入能夠很好地保證漿液的抗水分散性能，3號和4號試樣的28 d水陸強(qiáng)度比分別達(dá)到0.89與0.87，是空白樣水泥砂漿的2倍，而相較摻BE與PL的1號和2號試樣也高出0.24～0.30，由此可得出4種外加劑其抗水分散性能優(yōu)劣順序?yàn)镠EC＞HPMC＞PL＞BE。圖2中相應(yīng)pH值的變化也符合此順序，抗水分散性能越好，漿液pH值越接近中性。

2.2 復(fù)摻外加劑對同步注漿材料抗水分散性能的影響

由2.1節(jié)的單摻外加劑對同步注漿材料抗水分散性能的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，HPMC與HEC 2種有機(jī)絮凝劑對同步注漿材料的抗水分散性能有很好的改善作用，但其水、陸抗壓強(qiáng)度大幅降低。雖然其水陸強(qiáng)度比有明顯的提升，但28 d陸地抗壓強(qiáng)度比空白試驗(yàn)強(qiáng)度損失分別達(dá)到69%與64%，28 d水中強(qiáng)度的損失也分別達(dá)到27%與15%;而BE與PL 2種無機(jī)增稠劑雖然不會對注漿材料的抗壓強(qiáng)度造成較大程度的降低，但其對漿液抗水分散性能的提升亦不明顯，與空白試樣相比，28 d水陸強(qiáng)度比僅分別增大0.21與0.27。而一般來說，水下抗分散的注漿材料的28 d水陸強(qiáng)度比要求大于80%，才能滿足在地下斷面水壓高的盾構(gòu)隧道同步注漿要求。因此，取上述4種外加劑進(jìn)行復(fù)摻，研究其外加劑復(fù)摻對同步注漿材料抗水分散性能的影響。復(fù)摻抗水分散劑實(shí)驗(yàn)方案見表3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。

表3 復(fù)摻抗水分散劑實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Test program of combined admixture of anti-water dispersants %

圖3 復(fù)摻抗水分散劑對漿液不同齡期水中及陸地強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of combined admixture of anti-water dispersants on the amphibious strength of grout of different

圖4 復(fù)摻抗水分散劑對漿液pH值的影響Fig.4 Influence of combined admixture of anti-water dispersants on pH value of grout

由圖3和圖4的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:1)2種無機(jī)增稠劑復(fù)摻的5號試樣的抗水分散性能的提升依然不明顯，28 d水陸強(qiáng)度比僅達(dá)到0.60，甚至低于僅摻PL的2號試樣。2)2種有機(jī)絮凝劑復(fù)摻的6號試樣雖然抗水分散性能良好，但強(qiáng)度大幅降低的問題依然沒有得到解決，28 d水中與陸地的抗壓強(qiáng)度分別僅為1.80 MPa與2.05 MPa，與空白試樣相比強(qiáng)度損失達(dá)到29%與70%。3)7—10號4組為無機(jī)增稠劑與有機(jī)絮凝劑兩兩復(fù)合的試樣，其各自水陸強(qiáng)度比得到了極大的提高，28 d水陸強(qiáng)度比均遠(yuǎn)超過0.80，9號樣品甚至達(dá)到0.91。4)4組試樣的抗壓強(qiáng)度并沒有太大的降低，28 d陸地強(qiáng)度僅損失15%左右，且3 d的陸地抗壓強(qiáng)度反而高出空白試樣，水中強(qiáng)度則比空白試樣增加1倍以上。綜上所述，這4組復(fù)摻的外加劑均能非常顯著地提升同步注漿材料的抗水分散性能，而同時(shí)又不會對其抗壓強(qiáng)度造成太大程度的降低。

分析認(rèn)為，抗水分散主要表現(xiàn)為一個(gè)絮凝的過程。HPMC與HEC是含有長鏈結(jié)構(gòu)的高分子化合物，它在水泥細(xì)顆粒體系中，能夠?qū)⑺囝w粒吸附到分子鏈上，能對漿液中的水泥與粉煤灰等細(xì)粉顆粒起到不同程度的凝聚作用;BE依靠其吸水溶脹性，在水解后于水溶液中能形成卡屋結(jié)構(gòu)，使?jié){液的穩(wěn)定性得到極大的改善;而PL更是依靠其特有的針狀晶體纖維，在溶液中形成了縱橫交錯(cuò)的樹杈狀“橋梁結(jié)構(gòu)”，具有很強(qiáng)大的吸附力，然而這種吸水溶脹性或吸附力在其單獨(dú)被摻入到水泥砂漿中時(shí)，又不能對砂漿產(chǎn)生抗水分散作用的效果。

但是，當(dāng)BE或PL與有機(jī)絮凝劑一同復(fù)合摻入砂漿中時(shí)，許多被有機(jī)絮凝劑凝聚的細(xì)粉顆粒會在BE或PL的作用下連接在一起，形成一定程度的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，細(xì)小的凝聚體會生成大體積的絮凝物，兩者相互作用形成有巨大凝聚力的集合體，這種集合體不僅能包裹水泥等細(xì)顆粒，而且還能包裹砂粒等大顆粒，從而防止?jié){液在水下分散［12］。同時(shí)，有機(jī)絮凝劑摻量的降低也使?jié){液中引入的氣泡數(shù)量降低，對水泥砂漿的孔結(jié)構(gòu)影響程度有所下降，而無機(jī)材料BE與PL均具有非常大的比表面積，在對水泥砂漿保水穩(wěn)定性進(jìn)行提升的同時(shí)，還能填充漿液中的部分空隙，使?jié){液達(dá)到更為密實(shí)的狀態(tài)。因此，有機(jī)－無機(jī)復(fù)摻的抗水分散劑能夠使?jié){液具有非常優(yōu)異的抗水分散性能。

2.3 復(fù)摻抗水分散劑對同步注漿材料工作性能的影響

選取2.2節(jié)7—10號試樣，對其流動度與泌水率進(jìn)行測試，其結(jié)果見圖5。

由圖5可以看出:1)摻加了無機(jī)增稠劑與有機(jī)絮凝劑的7—10號試樣，雖然其抗水分散性能與力學(xué)強(qiáng)度均能滿足地下高水壓的環(huán)境，保證管片襯砌的穩(wěn)定性，但是漿液的工作性能并不理想，初始流動度均在185 mm左右，并且流動度經(jīng)時(shí)損失大，1 h后流動度均降至160 mm以下，3 h后幾乎無流動度，說明漿液的可用時(shí)間短，保塑性能差。2)4組試件雖然流動度不佳，但用水量卻并不少，雖然加入了能提升保水效果的增稠劑，但依然導(dǎo)致漿液泌水率偏大，工作性能差。4組試樣的泌水率在4%～6%，不同程度地高出設(shè)計(jì)指標(biāo)，即說明漿液的保水效果不理想，這與用水量有直接關(guān)系。

由此可知，雖然復(fù)合抗水分散劑會使?jié){液具有優(yōu)異的抗水分散性能與不低的力學(xué)強(qiáng)度，但其對漿液工作性能的不利影響應(yīng)該得到正視。因此，必須選擇適宜與復(fù)合抗水分散劑同時(shí)使用的，能充分達(dá)到減水及保塑性能的高效減水劑，才能最終復(fù)配形成適宜同步注漿材料的最優(yōu)高效復(fù)合外加劑。

3 同步注漿高效復(fù)合外加劑的研制

3.1 外加劑復(fù)摻設(shè)計(jì)

選取2.2節(jié)的7號與10號外加劑，即BE(3.0%)+HPMC(0.2%)與 PL(3.0%)+HEC(0.2%)，并記為ADA－1與ADA－2，選用FDN減水劑(FDN)、聚羧酸減水劑(PC)、葡萄糖酸鈉(GAS)進(jìn)行減水劑與抗水分散劑的復(fù)配，按不同組成配比制成復(fù)合外加劑。復(fù)合外加劑的組成如表4所示。

表4 復(fù)合外加劑的組成Table 4 Composition of compound additives

以膠砂比為0.4，水泥與粉煤灰之比為0.6，水膠比為0.7為空白砂漿，摻加復(fù)合外加劑進(jìn)行流動度、稠度、凝膠時(shí)間、泌水率、固結(jié)強(qiáng)度、抗水分散等性能試驗(yàn)，確定最佳的高效復(fù)合外加劑。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

見圖6—9。

圖6—9的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，HMA復(fù)合外加劑能大大延長普通硅酸鹽水泥同步注漿材料的凝結(jié)時(shí)間，能有效改善流動度，減小泌水率，提高抗水分散性能。其中HMA－1，HMA－2的初始流動度較大，而1 h后流動度損失相對明顯，說明這2種外加劑的減水效果明顯但保塑效果不好，不適合配置長時(shí)間可用的注漿材料。且漿液的稠度值也偏小，不在9～10.5 cm內(nèi)，此為注漿材料需滿足防止管片上浮要求的材料性能指標(biāo)之一。

HMA－3，HMA－4的初始流動度為185 mm左右，相對來說初始流動性能較差，但其流動度經(jīng)時(shí)損失非常小，1 h后流動度還有180 mm左右，說明其保塑效果好，適合配置長時(shí)間可用的注漿材料。HMA－5，HMA－6的初始流動度和流動度經(jīng)時(shí)損失都非常理想，初始流動度達(dá)到210 mm，而1 h后流動度依然有200 mm左右，初凝時(shí)間在9 h以上，非常適合用來配置長時(shí)可用的注漿材料，此外其稠度與泌水率也在性能指標(biāo)范圍內(nèi)，28 d水陸強(qiáng)度比達(dá)到0.91，說明其抗水分散性能非常好，非常適合用來制備高水壓條件下的盾構(gòu)隧道同步注漿材料。

圖6—9中的數(shù)據(jù)顯示，HMA－5與HMA－6在各項(xiàng)性能上都非常優(yōu)異，且兩者之間差異較小，但HMA－5中的ADA－1價(jià)格約為HMA－6中ADA－2價(jià)格的1.2倍。因此，綜合經(jīng)濟(jì)性考慮，HMA－6最適合用來配制高性能同步注漿材料。圖10與圖11為空白試樣與HMA－6的抗水分散試驗(yàn)效果圖。

圖10 空白試樣的抗水分散試驗(yàn)Fig.10 Anti-water dispersion test of blank sample

圖11 HMA－6試樣的抗水分散試驗(yàn)Fig.11 Anti-water dispersion test of HMA －6 sample

由圖10與圖11可以明顯看出，空白試樣倒入量筒后上層水面明顯渾濁，而HMA－6試樣倒入量筒后，上層水面始終保持澄清透明，說明其抗水分散性能優(yōu)異。同時(shí)，從圖8可知，空白試樣pH值為13.0，而HMA－6試樣的pH值僅為9.0，這也說明其抗水分散性能良好。

4 結(jié)論與建議

1)BE，PL，HPMC和HEC這4種外加劑均能改善同步注漿材料的抗水分散性能，從試驗(yàn)效果的比較來看，4種外加劑優(yōu)劣順序?yàn)镠EC＞HPMC＞PL＞BE;當(dāng)采用3.0%的PL或 BE復(fù)合0.2%的 HEC或 HPMC復(fù)摻入同步注漿材料中，能夠使注漿材料的抗水分散性能大大提升，同時(shí)復(fù)合外加劑的摻入對砂漿力學(xué)性能的影響較小。

2)采用PC，GAS復(fù)配ADA－1，ADA－2的高效減水保塑復(fù)合外加劑能充分發(fā)揮其減水、保塑、絮凝及橋接等作用，配制出的同步注漿材料工作性能好，初始流動度可達(dá)210 mm，流動度經(jīng)時(shí)損失極小，能有效防止管片的上浮，稠度值為10左右，泌水率幾乎為0，抗水分散效果好，28 d水陸強(qiáng)度比可達(dá)0.90以上，說明研制的復(fù)合外加劑非常適合用來配置高性能同步注漿材料。

3)所提出的有機(jī)－無機(jī)復(fù)摻制備高效抗水分散劑的方案可進(jìn)行推廣和延伸應(yīng)用，通過摻量的調(diào)整能控制注漿材料的稠度，以適應(yīng)不同黏粒含量的盾構(gòu)泥砂對高性能同步注漿材料性能的影響。同時(shí)，還可使用不同的有機(jī)、無機(jī)增黏劑的復(fù)配方案配制出性能更優(yōu)良的抗水分散劑。

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