任夢(mèng)博， 魏新江，， 徐麒雄， 張定康， 危奉和， 吳熙

（1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058；2.浙大城市學(xué)院土木工程系，杭州 310015）

0 引言

注漿漿材能夠填充隧道截面與開挖地層的間隙，減小地面沉降，漿材包裹在隧道管片外部，作為持力層不僅有利于隧道襯砌的均勻受力，也可增加隧道防滲性［1，2］。現(xiàn)有已有研究表明砂骨料的級(jí)配變化會(huì)影響砌筑砂漿的性能。陳友治等［3］研究了砂級(jí)配對(duì)機(jī)噴抹灰砂漿力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)砂級(jí)配對(duì)砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度影響較大，砂的細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在2.1～2.5。周文娟等［4］研究了砂的不同級(jí)配對(duì)快硬高強(qiáng)砂漿強(qiáng)度的影響，提出了影響砂漿抗折強(qiáng)度砂的最優(yōu)級(jí)配組合。王珩等［5］發(fā)現(xiàn)砂漿中砂的體積率對(duì)流變性的影響很大，存在臨界值。Schutter［6］研究加入 1.44～2.70 細(xì)度模數(shù)砂對(duì)的水泥砂漿性能影響，結(jié)果表明砂粗細(xì)程度會(huì)影響水泥砂漿的硬化強(qiáng)度，水泥砂漿需水量與砂的表觀干密度有聯(lián)系。Reddy等［7］研究三種不同粗細(xì)顆粒砂對(duì)砂漿和易性、強(qiáng)度、收縮和應(yīng)力應(yīng)變等性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)與同樣稠度下，使用細(xì)砂的砂漿需水量要超過粗砂砂漿25%～30%，此外砂級(jí)配增大會(huì)減小砂漿的強(qiáng)度。Haach等［8］設(shè)計(jì)三種不同配合比、兩種粗細(xì)不同砂的砂漿試驗(yàn)，研究結(jié)果表明砂級(jí)配只影響無(wú)石灰砂漿的稠度，對(duì)抗壓強(qiáng)度沒有影響，但會(huì)影響砂漿的變形、延性和彈性模量。Dehghan等［9］研究結(jié)果表明細(xì)砂水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和彈性模量均低于粗砂水泥砂漿。盡管以上文獻(xiàn)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果表明砂級(jí)配的變化會(huì)影響砂漿參考砂漿的強(qiáng)度、需水量等，試驗(yàn)并不針對(duì)注漿漿材，試驗(yàn)內(nèi)容主要對(duì)應(yīng)砌體所需的強(qiáng)度、模量等，而注漿工程重點(diǎn)關(guān)注漿材的泌水率、凝結(jié)時(shí)間等，仍需要補(bǔ)充研究砂級(jí)配對(duì)注漿漿材的研究，為注漿工程的配比和現(xiàn)場(chǎng)漿材優(yōu)化提供文獻(xiàn)依據(jù)和參考。

在注漿工程漿材配比研究中，有必要進(jìn)一步研究砂的級(jí)配對(duì)漿材流動(dòng)性能、凝結(jié)時(shí)間、泌水率、強(qiáng)度等性能的影響。文中研究了6種不同砂級(jí)配的漿材，砂的細(xì)度模數(shù)為0.8、1.2、1.5、1.8、2.2、2.6，試驗(yàn)分析相同配比下，摻加不同砂對(duì)漿材流動(dòng)擴(kuò)展度、稠度、泌水率、凝結(jié)時(shí)間，7d和28d抗壓強(qiáng)度性能的影響，并采用外加劑劑優(yōu)化試驗(yàn)，探索不同級(jí)配砂下，對(duì)比不同級(jí)配下漿材性能優(yōu)化效果，提出相應(yīng)級(jí)配的漿材所需最優(yōu)摻加量，分析級(jí)配對(duì)漿材擴(kuò)散距離的影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的漿材原材料為水泥、砂、水、膨潤(rùn)土、粉煤灰。具體規(guī)格及參數(shù)見表1。

表1 注漿試驗(yàn)原材料

1.2 試驗(yàn)方案

研究采用的水泥漿材的配合比為：粉灰比6.7、水膠比1.0、膠砂比0.44、膨膠比0.20。實(shí)驗(yàn)分為兩組，一組外加劑比例保持不變，其中減水劑為膠凝材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的4.675‰，緩凝劑占膠凝材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.156‰。另外一組改變外加劑摻加量來中和砂細(xì)度模數(shù)變化對(duì)流動(dòng)性的影響。借此兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，砂細(xì)度模數(shù)變化對(duì)漿材流動(dòng)性、強(qiáng)度等的影響，并考慮外加劑摻量對(duì)砂細(xì)度模數(shù)帶來可泵性影響的中和作用程度調(diào)節(jié)范圍。其中河砂采用6種不同細(xì)度模數(shù)的天然河砂，細(xì)度模數(shù)分別為 0.8、1.2、1.5、1.8、2.2、2.6，分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)組1～6，其粒徑分布見表2。

表2 不同細(xì)度模數(shù)砂的粒徑分布

考慮到漿材的流動(dòng)性比砌筑砂漿大，參考文獻(xiàn)［10］采用流動(dòng)擴(kuò)展度評(píng)價(jià)砂漿的流動(dòng)性。漿材的其余性能試驗(yàn)方法主要參照J(rèn)GJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能實(shí)驗(yàn)方法》［11］進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 砂級(jí)配對(duì)注漿漿材性能影響結(jié)果分析

同步注漿漿材的注漿填充效果以及注漿效率首要考慮漿液的流動(dòng)性，流動(dòng)性良好的漿液能夠保證漿液在地層中的擴(kuò)散較為均勻，不易產(chǎn)生空洞的現(xiàn)象。漿液流動(dòng)性的參考實(shí)驗(yàn)室性能主要為流動(dòng)擴(kuò)展度和稠度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映砂級(jí)配對(duì)漿材流動(dòng)性能的影響［12，13］。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在保持無(wú)關(guān)參量保持不變的情況下，漿材中河砂細(xì)度模數(shù)在0.8～2.6變化時(shí)，漿材流動(dòng)擴(kuò)展度和稠度測(cè)試結(jié)果如圖1和圖2所示，可以看出漿材的流動(dòng)度和稠度均隨河砂細(xì)度模數(shù)的增大而逐漸變大。在河砂細(xì)度模數(shù)由0.8增長(zhǎng)為2.6時(shí)，流動(dòng)擴(kuò)展度約增大177%，稠度約提高123%。究其機(jī)理可理解為河砂細(xì)度模數(shù)增大，相同質(zhì)量的砂比表面積減小，漿材中自由水的比例增大，粒徑間的摩擦力、咬合力逐漸減小，水、粉煤灰等對(duì)砂粒的潤(rùn)滑作用明顯，導(dǎo)致漿材的流動(dòng)擴(kuò)展度和稠度增大［14］。

圖1 漿材流動(dòng)擴(kuò)展度與砂細(xì)度模數(shù)關(guān)系

圖2 砂對(duì)漿材稠度影響規(guī)律

由于砂漿在凝結(jié)過程中會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，在漿材注入隧道空隙后，過大的泌水率會(huì)使填充漿材出現(xiàn)體積回縮的現(xiàn)象，必須加以研究和控制。圖3中顯示漿材的泌水率與砂細(xì)度模數(shù)呈正向關(guān)系，與周麟等［15］結(jié)論相符。當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)超過1.8時(shí)，漿材的泌水率突變，泌水率由1.36%增大為2.50%。這是由于粗砂中級(jí)配大，粗顆粒間自由水含量高，容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，自由水更容易泌出，導(dǎo)致泌水率增大。為減小級(jí)配對(duì)漿材穩(wěn)定性的影響，建議河砂的細(xì)度模數(shù)控制在1.8以下。

圖3 砂對(duì)漿材泌水率影響規(guī)律

新拌漿材到注入地層具有時(shí)間間隙，必須保證漿材在這段時(shí)間內(nèi)必須可泵狀態(tài)，防止注漿過程中漿材堵管；此外為保證漿液注入地層后的硬化速度，避免隧道上方土層發(fā)生較大的沉降，需要控制漿液的終凝時(shí)間。圖4表示漿材凝結(jié)時(shí)間與砂細(xì)度模數(shù)間關(guān)系。從圖4可以得到，漿液的初、終凝時(shí)間均隨砂細(xì)度模量的增大而增大，這與Mao等［16］結(jié)論相符。但是終凝時(shí)間增大速率明顯大于初凝時(shí)間增大速度。為保證終凝時(shí)間不超過15h，對(duì)應(yīng)砂細(xì)度模數(shù)數(shù)不超過2.2；初凝時(shí)間為保證在4h左右，建議砂細(xì)度模數(shù)大于1.2。綜合以上規(guī)律，為滿足注漿工程的漿液凝結(jié)時(shí)間要求，漿材摻加砂細(xì)度模數(shù)應(yīng)在1.2～2.2。

圖4 砂級(jí)配對(duì)漿材凝結(jié)時(shí)間影響規(guī)律

漿材7d抗壓強(qiáng)度和28d抗壓強(qiáng)度與砂細(xì)度模數(shù)間關(guān)系如圖5所示。河砂細(xì)度模數(shù)增大情況下，漿材試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下28d抗壓強(qiáng)度波動(dòng)不明顯，但是漿材7d抗壓強(qiáng)度逐漸減小，最大減小幅度為42.8%。說明漿材中砂的粒徑分布對(duì)早期強(qiáng)度影響較大，且細(xì)度模數(shù)的增大會(huì)減小漿材早期強(qiáng)度，但對(duì)最終強(qiáng)度影響較小，可以忽略不計(jì)。水泥水化產(chǎn)物將砂包裹形成骨架，硬化水泥漿體和砂的強(qiáng)度較高，而水泥與砂的界面則是薄弱區(qū)，同樣水灰比下，摻加粗砂的漿液的早期試塊致密體不如細(xì)砂，因此粗砂對(duì)漿材的早期強(qiáng)度不利，為控制漿材早期強(qiáng)度，加入的河砂細(xì)度模數(shù)控制在1.8以內(nèi)［17］。

圖5 砂對(duì)漿材抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律

漿材的密度會(huì)影響漿材在注漿地層中的擴(kuò)散過程，嚴(yán)重會(huì)造成隧道管片的上浮，也是影響注漿效果的一個(gè)重要因素［18］。漿材的密度隨砂細(xì)度模數(shù)的變化關(guān)系，如圖6所示。同樣砂摻量下，摻加級(jí)配大的砂會(huì)明顯減小漿材的密度。說明漿材的自重受河砂級(jí)配變化波動(dòng)較大，為反向關(guān)系。在注漿工程中，增大或減小漿材自重，在保證配合比不變情況下，可直接增大或減小砂細(xì)度模數(shù)，效果較為顯著。

圖6 砂級(jí)配對(duì)漿材密度影響規(guī)律

2.2 級(jí)配影響下漿材的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

文中研究是在只改變砂級(jí)配基礎(chǔ)上的研究試驗(yàn)，但是在實(shí)際注漿工程中，砂的粗細(xì)程度是不容易嚴(yán)格控制的，顯著影響漿材性能，甚至出現(xiàn)超出注漿性能要求區(qū)間的狀況。為了增大漿材的和易性，控制漿材的泌水量和保證漿材強(qiáng)度，通過改變外加劑摻量，研究漿材中砂不同級(jí)配下對(duì)應(yīng)的外加劑優(yōu)化摻量，來盡可能滿足注漿工程對(duì)漿材的要求。

文中主要針對(duì)減水劑來優(yōu)化漿材可泵期性能。圖7給出了不同砂細(xì)度模數(shù)與漿材摻加減水劑的摻量關(guān)系，縱坐標(biāo)為減水劑占膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖中顯示漿材中加入砂的細(xì)度模數(shù)越小，要達(dá)到合適注漿漿材性能參數(shù)所需要摻加的減水劑就越多，最大相差0.88%。每組試驗(yàn)加入相應(yīng)摻量減水劑后，漿材的性能如表3所示。

圖7 砂細(xì)度模數(shù)與減水劑摻量關(guān)系

表3中數(shù)據(jù)與文中數(shù)據(jù)作為對(duì)比，可以看出適量減水劑的加入，可以補(bǔ)償砂細(xì)度模數(shù)對(duì)漿材流動(dòng)性能的影響，當(dāng)砂細(xì)度模數(shù)為0.8時(shí)，需補(bǔ)償4.15%的減水劑，稠度增加2cm，流動(dòng)擴(kuò)展度增加18cm，且補(bǔ)償至相同稠度和流動(dòng)度，漿材中砂細(xì)度模數(shù)越小，需補(bǔ)償?shù)臏p水劑量越大。此時(shí)漿材泌水率也增大，也從側(cè)面說明減水劑能增大漿材泌水量［19］。但是漿材的密度幾乎不受外加劑的影響。

表3 各試驗(yàn)組漿材性能參數(shù)

在漿材中補(bǔ)償減水劑后，減水劑可延長(zhǎng)漿材的終凝時(shí)間，且隨細(xì)度模數(shù)增大，延長(zhǎng)效率越小。另外漿材的早期強(qiáng)度和28d強(qiáng)度也受影響，補(bǔ)償外加劑會(huì)減小原漿材的強(qiáng)度。

綜合上述試驗(yàn)分析結(jié)果，保持漿材配合比和緩凝劑不變的前提下，通過擬合減水劑摻量和砂細(xì)度模數(shù)之間的關(guān)系，得到公式（1）。

式中，x為注漿材料中所摻加河砂的細(xì)度模數(shù)值；y為x對(duì)應(yīng)漿材中須參加的減水劑摻量，%。

2.3 砂級(jí)配對(duì)漿材擴(kuò)散的影響

為了更加明確對(duì)比漿材中砂級(jí)配變化對(duì)注漿的影響，文中基于廣義達(dá)西定律和流體力學(xué)相關(guān)理論基礎(chǔ)，以Bingham漿液流體為研究對(duì)象，忽略漿液黏度時(shí)變性，對(duì)比分析砂級(jí)配對(duì)漿材在隧道空隙擴(kuò)散的影響規(guī)律，推導(dǎo)公式如式（2）～式（5）所示。

式中，α為注入率，即實(shí)際注漿量與理論量之比，取1.50；μ0為漿液的初始黏度；τ0為剪切力；r0為注漿管半徑；n0為隧道空隙的折算孔隙率；n為注漿土層的原始孔隙率；Kw為水在施工土層的漿液滲流速度；T為注漿時(shí)間。ΔP為注漿壓力P0和地下水壓Pw之差。

文中以算例分析為基礎(chǔ)，應(yīng)用上述提出的擴(kuò)散模型，對(duì)比劉健等［20］的注漿擴(kuò)散推導(dǎo)公式，計(jì)算過程中，注漿管半徑取2.5cm，原土體孔隙率為20%，α=1.5，注漿處地下水壓Pw=0，注漿壓力P0=0.3MPa，注漿時(shí)間取40min，Kw=0.05cm/s，注漿時(shí)間2400s［21，22］。漿材擴(kuò)散距離的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。砂細(xì)度模量的增大會(huì)明顯增大漿材的擴(kuò)散距離，細(xì)度模數(shù)的增大表明漿液在擴(kuò)散中的顆粒間黏度減小，在同樣泵送壓力下，漿液顆粒有利于在隧道間隙的擴(kuò)散，但是粗砂顆粒的增大會(huì)降低漿液分子在土層中的滲透速度，故細(xì)度模數(shù)對(duì)注漿擴(kuò)散有利，但應(yīng)控制模數(shù)過大而導(dǎo)致竄漿。

圖8 砂細(xì)度模量對(duì)漿材擴(kuò)散影響

3 結(jié)語(yǔ)

文中利用試驗(yàn)分析砂級(jí)配對(duì)注漿性能的影響規(guī)律及機(jī)理，還對(duì)摻加不同級(jí)配砂漿材的外加劑進(jìn)行了定量?jī)?yōu)化試驗(yàn)，最后分析了砂級(jí)配對(duì)漿材擴(kuò)散距離的影響，得出結(jié)論如下：

（1）漿材摻加砂級(jí)配的增大會(huì)使?jié){材流動(dòng)性增強(qiáng)，可以提高漿液的流動(dòng)擴(kuò)展度和稠度，也會(huì)延遲漿材的凝結(jié)速度，但不利于漿液的穩(wěn)定性和早期強(qiáng)度。

（2）減水劑可優(yōu)化漿材由于砂級(jí)配增大而導(dǎo)致的注漿性能損失，但會(huì)增大漿材泌水率，降低強(qiáng)度，延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間，且隨級(jí)配增大，延長(zhǎng)效率越小。漿材中砂細(xì)度模數(shù)越小，所需減水劑摻量越大，最大摻量超過膠凝材料質(zhì)量的0.9%。

（3）砂級(jí)配增大有利于漿材隧道空隙中的擴(kuò)散，說明粗砂會(huì)降低漿液顆粒間的黏結(jié)力，降低漿材在注漿時(shí)的擴(kuò)散阻力，但應(yīng)該控制模數(shù)過大而導(dǎo)致竄漿。

（4）為滿足注漿工程的漿材凝結(jié)時(shí)間要求，漿材摻加河砂細(xì)度模數(shù)應(yīng)在1.2～1.8區(qū)間內(nèi)。