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盾构隧道同步注浆水下不分散砂浆的研制论文
摘 要： 武汉长江隧道采用盾构法施工，所处的高压富水地质条件决定了同步注浆材料必须具备高抗水分散性能，以保证同步注浆材料在灌注过程中不被地下高压水稀释，从而达到对围岩的填充和加固效果。本文采用有机- 无机复合技术原理，利用硅灰、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺三种物质进行复配，对高掺量粉煤灰砂浆进行抗水分散性能试验研究。试验结果表明： 通过无机和有机外加剂的增强、保水和絮凝作用，可以使高掺量粉煤灰盾构隧道同步注浆单液砂浆具有良好的保水性能、高抗水分散性能和固结性能，新拌砂浆环境水溶液 pH 值最高为 8.3，砂浆 28d 水陆强度比可达 91%。
关键词： 水下不分散砂浆; 同步注浆; 盾构隧道
0 前言
同步注浆是地下隧道盾构施工法中的壁后注浆工法之一，即在盾构掘进的同时，通过注浆泵的泵压作用，将水泥砂浆灌入盾尾的管片环外间隙之中，达到填充管片环外空隙、固结管片环位置、减小地面沉降、充当环外第一道防水线的目的[1]。武汉长江隧道部分地段处于高水压饱水地质条件下，因此，同步注浆材料将可能直接浇注于水中，如采用普通的注浆材料，其拌合物的水胶比、组成等参数会发生巨大变化，严重影响硬化后注浆材料的力学性能和耐久性。具体地说，会产生以下后果： 1)集料与水泥浆严重分离，部分水泥颗粒被水流稀释甚至带走，致使浆材不具有胶结能力; 2) 浆材注入后均匀性十分差，局部形成水囊，水胶比大幅增加;3) 存在空洞，严重缺浆等现象，耐久性差; 4) 附近水域和生物将遭到严重污染和侵害，如果在流动水中进行注浆，则问题更加严重。因此，在高水压富含水地层中,同步注浆要求浆材具有能快速充填，保水性强，不离析，倾析率小、抗水分散性能好等性能。普通同步注浆单液砂浆一般采用膨润土来获得高的稳定性，但在高水压富含水条件下灌注很容易造成离析、浆液流失、灌注不均匀、不密实等现象，达不到同步注浆所要求取得的效果。
抗水分散砂浆也可称为水下不分散砂浆，其中关键技术是抗水分散外加剂的性能。目前抗水分散剂一般为高分子絮凝剂，主要为纤维素类、聚丙烯类、聚糖类三大系列，其絮凝机理主要为电荷中和、桥架作用、吸附作用(DLVO 理论)三种[2]。现有有机高分子抗水分散剂对低水胶比砂浆会起到絮凝、保塑和增强作用[3],但对高水胶比同步注浆砂浆的强度还没有进行系统研究，有机高分子絮凝剂还可能导致同步注浆这种低固结强度材料早期不凝，不能及时对管片起到稳定作用。因此，有必要研究一种新型的抗水分散剂，既能保证砂浆的抗水分散性能，又能保证砂浆的早期强度。本文采用有机高分子絮凝剂和无机保水增强材料对砂浆进行改性，研究其抗水分散性能。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
水泥： 江西产 P?O42.5 级水泥;
细集料： 中细河沙，细度模数 2.45，表观密度为2700kg/m3，堆积密度为 1510kg/m3，含泥量为 3.0%;
粉煤灰： 武汉产Ⅱ级灰，需水量为 102%，密度为2.7g/cm3，比表面积为 380m2/kg;
硅灰 (SF)： 武汉产，SiO2 含量大于 95%，密度为2.2g/cm3，比表面积为 2000m2/kg;
矿粉： 武汉产，比表面积为 450m2/kg;
羟乙基纤维素(HEC)： 白色无味粉末，溶于水，分子量约 6×104;
聚丙烯酰胺(PAM)： 白色无味粉末，易溶于水，分子量为 800×104;
膨润土(BE)： 钠基膨润土。
1.2 试验方法
坍落度及流动度试验方法按 JGJ70- 90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。采用上圆为 ?70mm，下圆为? 100mm，高 60mm 的截面锥筒进行砂浆流动度和坍落度试验。锥筒置于平滑玻璃板上，将砂浆装入锥筒内然后垂直提起锥筒，测砂浆高度损失即为坍落度; 测砂浆不同垂直方向的摊开宽度即为流动度。
砂浆抗水分散试验参照 DL/T5117- 2000《水下不分散混凝土实验规程》进行。将 300ml 的新拌砂浆注入1000ml 的纯净水中后，静置 5min，采用精确 pH 试纸测量上层清水的 pH 值。将 70.7mm×70.7mm×70.7mm的砂浆试模放入水池中，使水面高出模具 20cm，然后用导管将砂浆注入模具中，砂浆从模具中溢出后，将模具取出水池进行振动成型，然后标养至规定龄期进行抗压强度实验，按这种方法测试的强度为砂浆的水中强度; 按 JGJ70- 90《建筑砂浆基本性能试验方法》中抗压强度方法测试的强度为砂浆的陆地强度; 水陆强度比则为同一配比砂浆在两种不同条件下成型后同一龄期的强度比值，该比值可以定量判断砂浆的抗水分散性能。一般认为当砂浆水陆强度比大于 0.8 时，则该砂浆具有优良的抗水分散性能。
2 试验结果及分析
2.1 同步注浆普通单液砂浆配合比
本文经过前期大量试验研究，利用武汉当地原材料，选取同步注浆普通单液砂浆的基准配合比参数为：胶砂比为 1∶3，水泥/粉煤灰比为 20/80，水胶比为 0.7,BE 的用量根据试验试配确定，得到同步注浆单液砂浆最优配合比参数及其基本性能，见表 1、表 2。并在此基础上进行抗水分散剂的优选。
2.2 抗水分散剂组分优选
HEC 在水中溶解时，其长链上的羟基和醚键上的氧原子与水分子缔合成氢键，使水失去流动性，游离水不再“自由”，致使溶液变稠，从而对砂浆产生增稠保水的效果。PAM在水中溶解时，阴离子型高分子在碱性的水泥浆中离解成多电荷大分子量的阴离子，同性电荷强烈相斥作用使线团状大分子变成曲线状，增大溶液粘度，可起到增稠效果。SF、矿粉可以通过其大比表面积来实现砂浆的增稠保水效果。本文采用 SF、矿粉、HEC、PAM等无机、有机材料对基准配合比砂浆进行单掺试验，研究其抗水分散性能和工作性能，并与掺膨润土的同步注浆普通单液砂浆抗水分散性能和工作性能对比，其结果如表 3。
同步注浆单液砂浆的固结强度只要求与隧道围岩土体的强度相当，一般 28d 抗压强度控制在 2MPa 以上。表 3 试验结果表明，上述砂浆配比除掺 HEC 的 3号试样外都能保证同步注浆单液砂浆的固结强度。
掺 BE 的同步注浆普通单液砂浆尽管具有很好的工作性能和固结强度，但其抗水分散性能极差，28d 水陆强度比仅为 0.58。分析认为，膨润土属于蒙脱石族矿物，表面含有大量的“HO- ”和“SiO- ”基等活性基团，具有吸水性、膨胀性、触变性等特性，其水解后会在砂浆中形成卡屋结构，可以增加浆体稳定性，增大浆体黏度，阻碍砂粒下沉，一般认为其保水性能较好，但当其达到水饱和时，再在外界水的作用下，利用其制备的同步注浆单液砂浆抗水分散性能则会大幅度下降。
当采用 SF 和矿粉无机材料掺入砂浆时，1、2 号试样的 3d、7d、28d 水陆强度均较只掺 BE 的 0 号试样强度要高，其 28d 的水陆强度比分别为 0.73、0.71，比掺BE 的砂浆水陆强度比分别提高 0.15、0.13; 但掺入 SF的砂浆工作性能优于掺矿粉砂浆的工作性能。分析认为，SF、矿粉虽然都具有较高比表面积，但是由于 SF 的颗粒形状呈球形，有助于砂浆的流动性能，从而改善了砂浆的工作性能; 而矿粉的颗粒表面呈多角形不规则形状，不具备“滚珠效应”，不利于砂浆的流动性能，反而劣化砂浆的工作性能。掺 SF 的 1 号试样依靠其超大的比表面积来吸附水和水泥、粉煤灰颗粒，达到絮凝效果，使得其抗水分散性能较掺膨润土和矿粉的 0、2 号试样均要好。
HEC、PAM 有机絮凝剂掺入基准配比砂浆中时,可以很好保证砂浆的抗水分散性能。3、4 号试样的 3d、28d 水陆强度比分别达到 0.95、0.88，比掺 BE 的砂浆水陆强度比分别提高 0.24、0.30。分析分为，HEC、PAM主要是利用其长分子主链、侧链在浆体中起到吸附、桥架作用，通过分子链相互搭接，形成立体网状结构，将砂浆的各个组成部分束缚在一起，使水泥、骨料在水中下落时不分散、不离析，从而保证了砂浆在水中成型后的抗压强度。
从上述 5 种外加剂对砂浆抗水分散性能改善效果的比较可以看出，其抗水分散性能优劣顺序为： HEC>PAM>SF>矿粉>BE。从 pH 值的变化也可看出此顺序。
2.3 复掺外加剂对同步注浆砂浆抗水分散性能的影响
由上面各种外加剂单掺对同步注浆砂浆抗水分散性能、抗压强度和工作性能试验结果可知，HEC、PAM、SF 三种材料对同步注浆砂浆的抗水分散性能、抗压强度和工作性能在不同方面都有很好的改善作用。但仅用 SF 改性同步注浆砂浆，其水陆强度比仍然低于80%; 仅用 HEC 改性同步注浆砂浆，其水、陆抗压强度值大幅度下降，其 28d 水、陆抗压强度值与掺 BE 的 0号砂浆试样相比，强度损失分别达到 63%和 75%; 仅用 PAM改性同步注浆砂浆，虽然可以满足水陆强度比和固结强度的要求，但其工作性能又不能满足注浆要求。因此，考虑将 SF、HEC、PAM三种外加剂进行复掺后对同步注浆砂浆进行改性，研究外加剂复掺对砂浆抗水分散性能的影响。
PAM是一种极易溶于水的高聚合物，具有超高吸湿容量，吸放湿速度慢，表面规整致密，成膜性好，具有分散、增稠、吸附、絮凝作用。一般认为 PAM聚合物与水形成乳胶液，生成许多微小润滑膜，减小了砂子之间的摩擦力，起到表面分散作用，可明显改善砂浆的流动性。但单掺外加剂试验研究表明，PAM掺量达到胶凝材料质量的 0.15%后，PAM的吸湿作用会超过其“润滑”作用，使得砂浆的流动性大大降低。另一方面，表 3试验结果表明，HEC 掺量为胶凝材料的 0.4%时，其抗压强度损失严重。因此，复掺试验将 HEC、PAM掺量分别控制在 0.3%和 0.1%以内，见表 4。
分析比较 SF、HEC、PAM双掺、三掺对砂浆的环境pH 值、水/陆强度比数据，可以看出 SF、HEC、PAM 复掺不仅可以提高砂浆的抗水分散性能，也能使砂浆的强度得到保证，尤其以三掺效果最佳。分析认为，HEC、PAM掺入会使砂浆内的柔性物质增多和孔尺寸增大,使砂浆的抗压强度下降。随着 SF 的掺入，一方面 SF 本身可以填充砂浆的孔隙，发挥其物理填充效应; 另一方面，SF 在水泥水化产物 Ca(OH)2 的作用下，可以发生水化反应生成凝胶物质填充孔隙，增加砂浆的抗压强度。可见，当采用三种外加剂进行有机- 无机复合时，可以发挥各自优势，制备出高抗水分散同步注浆砂浆。
3 结论
(1) 仅掺 BE 的同步注浆砂浆抗水分散性能不能满足抗水分散砂浆指标，其 28d 水/陆强度比仅为 0.58。
(2) SF、矿粉、HEC、PAM 可以明显改善同步注浆单液砂浆的抗水分散性能，其抗水分散性能改善效果顺序为： HEC>PAM>SF>矿粉。但 HEC 掺量超过 0.4%时，会导致砂浆强度显著降低; PAM 掺量超过 0.15%时，砂浆不能达到同步注浆砂浆要求的工作性能。
(3) 当采用 2%～3%SF、0.2%￣0.3%HEC、0.05%0.1%PAM三种物质复掺入同步注浆砂浆时，可以使盾构隧道同步注浆单液砂浆具有良好的固结性能、保水性能和高抗水分散性能，新拌砂浆环境水溶液 pH 值最高为 8.3，砂浆 28d 水陆强度比可达 91%。
参考文献：
[1]张凤祥.土建注浆施工与效果检测.[M] 上海： 同济大学出版社1998.
[2]冯爱丽,覃维祖,王宗玉.絮凝剂品种对水下不分散混凝土性能影响的比较.[J] 石油工程建设,2002,(4)：6- 10.
[3]王培铭,许绮,李纹纹. 羟乙基甲基纤维素对水泥砂浆性能的影响[J]. 建筑材料学报,2000,(4)：305- 309.
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