唐夢(mèng)蝶， 劉相華， 張啟琿， 徐志昊， 孫曉輝， 馬新偉

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)海洋工程學(xué)院，山東 威海 264209；2.濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250031）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)正在以前所未有的速度發(fā)展。在施工建設(shè)過(guò)程中，碎石材料是最常見(jiàn)、也是使用數(shù)量最多的原料。而在這種原料的生產(chǎn)加工過(guò)程中，無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生數(shù)量極為龐大的廢石粉[1]。若不加以利用，其加工、裝卸、運(yùn)輸?shù)瘸杀緦⑹挚捎^，這些石粉往往作為廢棄料隨意丟棄，不僅造成了資源的浪費(fèi)，還造成了環(huán)境污染。針對(duì)上述現(xiàn)狀，為解決在碎石加工過(guò)程中產(chǎn)生的石粉對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，提高石材的利用率。研究嘗試用廢石粉替代部分水泥，作為填充料摻入盾構(gòu)壁后注漿材料中，研究其對(duì)注漿體性能指標(biāo)的影響。

近年來(lái)，地鐵在城市建設(shè)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位，在對(duì)地鐵隧道進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，控制其對(duì)周圍土層的擾動(dòng)、降低對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物的影響非常重要[2]。因此，文中對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)中同步注漿材料的制備及性能進(jìn)行了研究。

目前，在盾構(gòu)壁后同步注漿的相關(guān)研究中，對(duì)注漿材料的研究相對(duì)較早，并且已成功將一些新型注漿材料應(yīng)用在壁后注漿施工中[3]。目前多種類型的壁后注漿材料在我國(guó)隧道施工都有應(yīng)用，對(duì)其的研究也沒(méi)停過(guò)，學(xué)者們?nèi)苑e極地探索各種注漿材料。目前有兩大研究方向：一是研究已有的注漿料在不同地層條件下的力學(xué)性能，找到適用于不同條件的注漿材料及其配合比；二是對(duì)現(xiàn)有注漿料進(jìn)行改進(jìn)，研究出來(lái)源廣泛、無(wú)污染、成本低、施工方便和性能優(yōu)越的注漿材料以滿足施工要求[4]。注漿材料及其配比不同，形成的漿液在強(qiáng)度、流動(dòng)性、填充性、凝結(jié)時(shí)間、收縮率等方面存在較大差異，直接影響同步注漿加固質(zhì)量[5，6]。一些學(xué)者通過(guò)材料試驗(yàn)，采用控制變量法，研究在不同的配合比下，材料試塊的性能參數(shù)，篩選出性能優(yōu)異的材料，從而改善施工質(zhì)量[7，8]。有試驗(yàn)表明加入膨潤(rùn)土?xí)黠@改善水泥砂漿的施工性能，在提高漿液穩(wěn)定性的同時(shí)，能改善漿液的可泵性有效地防止注漿堵管[9]。陶成明采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，對(duì)盾構(gòu)隧道同步注漿漿液配合比進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以漿液稠度、固結(jié)體強(qiáng)度、結(jié)石率、穩(wěn)定性和凝結(jié)時(shí)間等為指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，得到質(zhì)量比為水泥：砂：膨潤(rùn)土：粉煤灰：水=1：2.17：0.44：2.28：2.44的漿液最優(yōu)[10]。楊成針對(duì)蘭州地鐵下穿黃河砂卵石地層對(duì)注漿料工作性能的要求，配制了8組不同配合比的漿液，對(duì)漿液密度、流動(dòng)度、稠度、凝結(jié)時(shí)間、抗水沖的分散試驗(yàn)及抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行測(cè)試，得到最優(yōu)漿液的配合比[11]。

文中沿用單液漿的基本思想，在以上研究基礎(chǔ)上，對(duì)注漿材料及其配合比進(jìn)行改良，通過(guò)試驗(yàn)得出壁后注漿體的工作性能和物理力學(xué)性能，明確不同用途的注漿料的配合比，并在實(shí)際工程中加以運(yùn)用。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料準(zhǔn)備

1.1.1 水泥

試驗(yàn)所用水泥PC32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥，各項(xiàng)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.1.2 砂

砂為普通河砂，試驗(yàn)所用砂全部通過(guò)了2.36mm的方孔篩，氣干狀態(tài)，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)不考慮其含水率。含泥量不能高于3%。試驗(yàn)用的砂為三級(jí)配砂如表1。為了提高盾構(gòu)壁后注漿材料的密實(shí)度和力學(xué)性能，砂的級(jí)配按顆粒緊密堆積理論進(jìn)行了計(jì)算，得出不同粒級(jí)的砂子所占的比例。

表1 各級(jí)配砂質(zhì)量百分?jǐn)?shù)

1.1.3 膨潤(rùn)土

膨潤(rùn)土為Ⅱ級(jí)鈉基膨潤(rùn)土，因其獨(dú)特的層狀分子結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的吸水性，能夠吸附注漿材料中多余的水分，增強(qiáng)其保水性、減小其泌水率，增強(qiáng)注漿漿液的穩(wěn)定性。對(duì)遇水膨脹后的膨潤(rùn)土進(jìn)行激光粒徑分析得到的粒度曲線如圖1所示。該膨潤(rùn)土的粒徑主要分布在0.646～92.75μm之間，整體粒徑分布均勻。

圖1 Ⅱ級(jí)膨潤(rùn)土粒徑分析

1.1.4 石粉

試驗(yàn)采用的石粉是熱拌瀝青混合料再生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的，因石粉顆粒對(duì)水的吸附力較弱，加入石粉可減小用水量；在不減小用水量時(shí)還可以增大注漿液的流動(dòng)性，石粉的粒徑分布范圍從0.205～329.6μm，石粉粒徑分析如圖2所示。

圖2 石粉粒徑分析

1.2 試驗(yàn)裝置和方法

測(cè)試儀器包括砂漿稠度儀、量筒、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。同步注漿材料的強(qiáng)度、稠度和凝結(jié)時(shí)間參考JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]進(jìn)行試驗(yàn);流動(dòng)度測(cè)試參考GB T-2419-2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》[13]；泌水率測(cè)定參考 GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]。

1.3 正交試驗(yàn)方案

目前對(duì)于盾構(gòu)壁后注漿材料的配合比計(jì)算也沒(méi)有明確的理論計(jì)算公式，文中通過(guò)正交試驗(yàn)確定了注漿材料的較優(yōu)配合比方案，希望能對(duì)實(shí)際工程實(shí)踐起到一定的參考作用。就試驗(yàn)對(duì)注漿料性能有直接影響的因素包括水膠比、水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)（水泥與膠結(jié)料總量比值）、膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)（膨潤(rùn)土與膠結(jié)料總量的比值）、膠結(jié)料總量。石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不作為一個(gè)獨(dú)立的變量，當(dāng)水泥和膨潤(rùn)土的量確定后，石粉的量自然就確定了。根據(jù)正交試驗(yàn)原理，基于前期試驗(yàn)探索后決定，每個(gè)因素考慮三個(gè)水平，設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交試驗(yàn)，各因素三個(gè)水平的取值如表2所示，四因素三水平正交表如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

表3 正交試驗(yàn)四因素三水平正交

砂的總質(zhì)量按照體積法計(jì)算求得。

砂的總質(zhì)量得到后，依據(jù)表1中的比例，計(jì)算求得粗、中、細(xì)砂的質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)于單指標(biāo)正交試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，最終較優(yōu)配合比方案即單指標(biāo)極差分析的結(jié)果，但文中研究的正交試驗(yàn)為多指標(biāo)正交試驗(yàn)，而各個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的優(yōu)方案和因素主次順序不同，為確定最終的較優(yōu)配合比方案，需根據(jù)各指標(biāo)的極差分析結(jié)果進(jìn)行綜合平衡分析。

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，形成9組試驗(yàn)，9組試驗(yàn)配合比如表4所示。

表4 kg·m3正交試驗(yàn)各試驗(yàn)組配合比

2.2 各指標(biāo)極差分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合平衡分析的前提是先對(duì)每個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行單指標(biāo)分析。極差分析法與方差分析法都可以用于正交試驗(yàn)結(jié)果的單指標(biāo)處理分析。極差分析法有數(shù)據(jù)處理過(guò)程簡(jiǎn)易、數(shù)據(jù)處理結(jié)果直觀明了等優(yōu)點(diǎn)，成為最常用的方法[15]?；谡辉囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行單指標(biāo)極差分析，得出各試驗(yàn)指標(biāo)的影響因素主次順序和各試驗(yàn)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的優(yōu)方案，同時(shí)得出各試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)于各因素各水平的變化規(guī)律趨勢(shì)圖。每組試驗(yàn)分別對(duì)注漿料的稠度、泌水率、3d強(qiáng)度、28d強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果匯總

2.2.1 稠度極差分析

基于表5中正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，分別計(jì)算每一個(gè)影響因素不同水平條件下的稠度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 各因素對(duì)稠度的影響趨勢(shì)

從圖3中可以看出，隨著四個(gè)因素水平的不斷增加，稠度隨水膠比的整體變化幅度最大。各因素影響程度主次順序?yàn)椋核z比＞膠結(jié)料總量＞水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)于注漿料來(lái)說(shuō)，稠度要求適中，若漿液太稀會(huì)導(dǎo)致注漿材料泌水嚴(yán)重，保水性變差，同時(shí)注漿體的后期收縮也會(huì)變大；若注漿材料較稠，則會(huì)導(dǎo)致漿液的流動(dòng)性變差，雖然保水性較好，收縮變形也很小，卻不易于現(xiàn)場(chǎng)施工泵送。單從稠度指標(biāo)來(lái)說(shuō)，優(yōu)選方案是水膠比取0.6、水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)取0.30、膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.04、膠結(jié)料總量取650kg/m3較為理想。

2.2.2 泌水率極差分析

據(jù)表5所示的泌水率試驗(yàn)結(jié)果，分別計(jì)算每個(gè)影響因素不同水平條件下稠度的極差，從圖4中可以看出各因素影響程度主次順序?yàn)椋核z比＞膠結(jié)料總量＞膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)于盾構(gòu)壁后注漿體來(lái)說(shuō)，泌水率越小越好，因泌水率越小說(shuō)明注漿體的保水性能越好，在施工和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中不易發(fā)生嚴(yán)重離析和分層現(xiàn)象。對(duì)于泌水率來(lái)說(shuō)，優(yōu)方案為水膠比取0.6、水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)取0.40、膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)取0.06、膠結(jié)料總量取650kg/m3。

圖4 各因素對(duì)泌水率的影響趨勢(shì)

2.2.3 3d強(qiáng)度極差分析

據(jù)表5中數(shù)值可知3d強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，分別計(jì)算每一個(gè)影響因素不同水平條件下3d強(qiáng)度的極差，如圖5所示。

圖5 各因素對(duì)3d強(qiáng)度的影響趨勢(shì)

從圖5中可看出，影響注漿材料3d強(qiáng)度的因素主要有水膠比、水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨著水膠比水平的增大，3d強(qiáng)度在整體上呈現(xiàn)出幅度較大的下降趨勢(shì)；隨水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水平的增大，3d強(qiáng)度呈現(xiàn)出幅度較大的增加。對(duì)注漿材料而言3d強(qiáng)度越大越好。對(duì)3d強(qiáng)度而已，優(yōu)方案為水膠比取0.6、水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)取0.40、膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)取0.08、膠結(jié)料總量取650kg/m3。

2.2.4 28d強(qiáng)度極差分析

從圖6中可看出隨著水膠比的增大，28d強(qiáng)度呈現(xiàn)出幅度較大的下降，屬于顯著因素；隨著水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)和膠結(jié)料總量這兩個(gè)因素的水平的增加，28d強(qiáng)度呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，屬次顯著因素；膨潤(rùn)土用量對(duì)28d強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響，其影響主要是由成型效果導(dǎo)致的。對(duì)于28d強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，最優(yōu)方案為水膠比取0.6、水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)取0.40、膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)取0.04、膠結(jié)料總量取750kg/m3。

圖6 各因素對(duì)28d強(qiáng)度的影響趨勢(shì)

2.2.5 綜合分析

依據(jù)以上諸影響因素對(duì)4個(gè)方面性能影響的分析規(guī)律可以看出，各因素的變化對(duì)不同性能指標(biāo)的影響規(guī)律不盡相同。但從強(qiáng)度來(lái)看，水膠比0.6～0.7時(shí)均能滿足28d強(qiáng)度不低于2～3MPa的質(zhì)量要求，雖然水膠比0.6能夠獲得更高的強(qiáng)度，但相應(yīng)的材料成本會(huì)有所提高；另一方面，對(duì)于注漿料來(lái)說(shuō)，并非強(qiáng)度越高越好。水膠比的提高會(huì)導(dǎo)致泌水率的增大，故水膠比的適宜取值為0.65。膠結(jié)料中水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.35～0.40之間較為適宜，靠近0.40越優(yōu)，強(qiáng)度均能滿足要求，且對(duì)稠度和泌水量影響不大。膨潤(rùn)土的摻量多少對(duì)強(qiáng)度影響不明顯，適宜摻量為0.07～0.08，越接近0.08越優(yōu)。膠結(jié)料總量在650～700kg/m3，強(qiáng)度均能滿足工程使用要求，從施工性能和充分利用石粉的角度，以700kg/m3為宜。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）石粉在制備盾構(gòu)壁后注漿液時(shí)能夠起到增大漿液流動(dòng)性、減小漿液粘度的作用，加入石粉不僅能提高漿液性能，還能充分利用工業(yè)廢棄物，節(jié)能減排和降低工程成本。

（2）利用廢棄石粉以較大比例代替水泥作為膠結(jié)材料，在滿足注漿體強(qiáng)度要求的同時(shí)，可大量使用石粉，石粉在膠結(jié)料中比例最高可達(dá)65%。

（3）文中采用四因素三水平正交試驗(yàn)，通過(guò)單指標(biāo)極差分析和多指標(biāo)綜合平衡分析，得到盾構(gòu)壁后同步注漿材料的合理配合比范圍。

（4）水膠比和膠結(jié)料總量是影響壁后注漿砂漿稠度、流動(dòng)度和泌水率的主要因素。

（5）通過(guò)控制水膠比和水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)和可以配制出工作性能和強(qiáng)度性能良好的壁后注漿材料。