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        溶洞填充用流態(tài)填筑料的配制試驗(yàn)研究

        2023-02-09 07:08:08余以明譚嘯峰冷炎輝
        新型建筑材料 2023年1期

        余以明,譚嘯峰,冷炎輝

        [中交(廣州)建設(shè)有限公司,廣東 廣州 511458]

        0 前言

        深惠城際大鵬支線(xiàn)一工區(qū)總出土量約54萬(wàn)m3。由于土方外運(yùn)成本較高,且難以及時(shí)外運(yùn)處理,容易對(duì)施工進(jìn)度造成影響。此外,土方外運(yùn)后堆存會(huì)占用大量土地,并造成環(huán)境污染。盾構(gòu)穿越地層掘進(jìn)時(shí)會(huì)遇到大量溶洞,常用的溶洞填充材料存在施工成本高、質(zhì)量穩(wěn)定性差、不滿(mǎn)足環(huán)保及綠色施工要求等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題,擬采用流態(tài)填筑料進(jìn)行溶洞的回填,流態(tài)填筑料能利用原地?fù)Q填土、建筑渣土、建筑固廢料,達(dá)到減少砂石用量,保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的,是一種綠色環(huán)保材料。

        周永祥等[1-3]利用固化劑將基槽土、開(kāi)挖廢棄土制備成預(yù)拌流態(tài)固化土,并成功應(yīng)用于北京、成都、廣州、太原等地區(qū)綜合管廊肥槽回填、樁基溶洞填筑工程。本文采用自制的膠凝材料體系制備流態(tài)填筑料并將其應(yīng)用于盾構(gòu)工程溶洞填充。

        1 試驗(yàn)

        1.1 原材料

        水泥:英德海螺水泥有限責(zé)任公司產(chǎn)P·O42.5水泥;生石灰粉:150~200目,湖南益陽(yáng)產(chǎn);粉煤灰:Ⅱ級(jí),廣東河源電廠(chǎng)產(chǎn);渣土:0~5 mm盾構(gòu)渣土,分為砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土,其中砂質(zhì)黏土液限35.0%,塑限19.4%,粒徑分布見(jiàn)表1;抗分散劑:河南清泉牌陰離子聚丙烯酰胺(PAM);水:自來(lái)水。

        表1 砂質(zhì)黏土的粒徑分布

        1.2 試驗(yàn)方法

        流態(tài)填筑料的坍落度、擴(kuò)展度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試;試塊抗壓強(qiáng)度參照J(rèn)GJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

        1.3 各材料初步配合比及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        控制流態(tài)填筑料的坍落度≥180 mm,試塊28 d抗壓強(qiáng)度≥0.5 MPa。因此,膠凝材料摻量宜取總固體質(zhì)量的7%~25%。參考相關(guān)文獻(xiàn)[2-4],選擇流態(tài)填筑料的初步配合比:固定渣土85 kg、水泥3~5 kg、生石灰粉2~4 kg、粉煤灰6~10 kg、水23~27 kg。以水泥、生石灰粉、粉煤灰、用水量為因素設(shè)計(jì)4因素3水平正交試驗(yàn),因素水平見(jiàn)表2。

        表2 正交試驗(yàn)因素水平

        1.4 制備方式

        將渣土、膠凝材料、水依次投入砂漿攪拌機(jī)中攪拌均勻后測(cè)試其工作性能,成型后測(cè)試其力學(xué)性能。流態(tài)填筑料用于有水溶洞時(shí),為保證抗分散劑的使用效果,可將抗分散劑提前投入到拌合水中水解30 min以上。

        2 結(jié)果及分析

        2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

        正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3,坍落度、28 d抗壓強(qiáng)度的極差分析見(jiàn)表4。

        表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

        表4 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

        由表4可知,影響流態(tài)填筑料坍落度因素的主次順序?yàn)椋篋>A>B>C。用水量增大,流態(tài)填筑料的坍落度增大;水泥、生石灰粉用量增加,因膠凝材料水化反應(yīng)作用,流態(tài)填筑料的坍落度減??;摻入一定量的粉煤灰,能發(fā)揮滾珠效應(yīng),改善填筑料的粘聚性,但Ⅱ級(jí)粉煤灰的需水量較大,導(dǎo)致流態(tài)填筑料的坍落度隨其摻量的增加略有下降。影響流態(tài)填筑料28 d抗壓強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)椋篈>D>B>C。填筑料的強(qiáng)度主要來(lái)源于水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)、填充和骨架支撐作用[5];用水量增大,填筑料的粘聚性及密實(shí)性降低,抗壓強(qiáng)度降低;生石灰水化生成飽和Ca(OH)2,不僅可以填充孔隙,減小收縮[6],保證強(qiáng)度有效提高,還能提高溶液堿度,激發(fā)粉煤灰活性,起到堿激發(fā)作用。

        通過(guò)正交試驗(yàn)極差分析,為使流態(tài)填筑料既具有一定的抗壓強(qiáng)度,又具有較好的坍落度以利于泵送,確定原材料組合為A1B2C1D3,確定流態(tài)填筑料在干燥環(huán)境中的最佳配合比(kg)為:m(渣土)∶m(水泥)∶m(生石灰粉)∶m(粉煤灰)∶m(水)=85∶3∶3∶6∶27。

        2.2 不同類(lèi)型渣土對(duì)流態(tài)填筑料性能的影響

        盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)穿越多種地層,可用來(lái)制備流態(tài)填筑料的渣土有砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土等,分別以此3種渣土按正交試驗(yàn)確定的最佳配比來(lái)配制流態(tài)填筑料,由于粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土達(dá)到相同流動(dòng)性時(shí)的拌合用水量遠(yuǎn)大于砂質(zhì)黏土,為保證3種流態(tài)填筑料的泵送性,在其他材料及用量不變情況下,只改變?cè)练N類(lèi)及用水量,試驗(yàn)配合比及坍落度、28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

        表5 不同類(lèi)型渣土試驗(yàn)配合比及測(cè)試結(jié)果

        由表5可知,在其他材料及用量不變的情況下,當(dāng)渣土類(lèi)型不同時(shí),達(dá)到相同流動(dòng)性所需的用水量不同,砂質(zhì)黏土用水量最少,淤泥質(zhì)土用水量最大;砂質(zhì)黏土28 d抗壓強(qiáng)度最高,淤泥質(zhì)土28 d抗壓強(qiáng)度最低。因此,用來(lái)制備流態(tài)填筑料的盾構(gòu)渣土宜采用砂質(zhì)黏土,當(dāng)采用粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土等細(xì)粒土?xí)r,可摻入不超過(guò)總土質(zhì)量40%的砂粒。

        2.3 抗分散劑對(duì)流態(tài)填筑料性能的影響

        為保證流態(tài)填筑料在有水溶洞中不出現(xiàn)離析分散現(xiàn)象,在水下環(huán)境中仍具有較好的填筑效果,擬在流態(tài)填筑料中摻入一定量的抗分散劑,抗分散劑能夠產(chǎn)生一定的絮凝作用,增強(qiáng)渣土顆粒之間的粘結(jié)性能,從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在水中的穩(wěn)定性[7]??狗稚┑挠昧糠謩e為總固體質(zhì)量的0~0.015%。由于石灰屬于氣硬性膠凝材料,不宜在水下環(huán)境中使用,故用水泥全部替代石灰。摻抗分散劑的試驗(yàn)配合比見(jiàn)表6,抗分散劑對(duì)流態(tài)填筑料坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響分別如圖1、圖2所示。

        圖2 抗分散劑摻量對(duì)流態(tài)填筑料抗壓強(qiáng)度的影響

        表6 摻抗分散劑的試驗(yàn)配合比

        圖1 抗分散劑摻量對(duì)流態(tài)填筑料坍落度的影響

        由圖1可知,隨著抗分散劑摻量的增加,3種渣土的坍落度均近似呈線(xiàn)性減小,其中淤泥質(zhì)土坍落度減小最緩,粉質(zhì)黏土坍落度減小最快。為保證流態(tài)填筑料的可泵送性,砂質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土抗分散劑的摻量不宜超過(guò)總固體質(zhì)量的0.010%,粉質(zhì)黏土水下抗分散劑的摻量不宜超過(guò)總固體質(zhì)量的0.005%。

        由圖2可知,未摻抗分散劑的3種渣土填筑料的28 d抗壓強(qiáng)度均比摻抗分散劑的3種渣土填筑料的抗壓強(qiáng)度高。隨著抗分散劑摻量的增加,3種渣土填筑料的28 d抗壓強(qiáng)度均逐漸下降,但下降趨勢(shì)均逐漸變緩。綜合考慮抗分散劑對(duì)3種渣土填筑料坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響,確定渣土中抗分散劑的摻量均為0.005%。

        取少量抗分散劑摻量為0.005%的淤泥質(zhì)土填筑料放入裝滿(mǎn)水的托盤(pán)中,觀(guān)察填筑料在水中的抗分散性,結(jié)果如圖3所示。將抗分散劑摻量為0.005%的砂質(zhì)黏土填筑料裝入有水的水泥砂漿灌漿機(jī)中,觀(guān)察砂質(zhì)黏土的抗分散性及可泵性,如圖4所示。

        圖3 淤泥質(zhì)土在水中的抗分散性

        圖4 砂質(zhì)黏土在水中的抗分散性及可泵性

        由圖3可知,摻0.005%抗分散劑的淤泥質(zhì)土在水中基本不分散,托盤(pán)中水質(zhì)仍較清澈,表明其抗分散性滿(mǎn)足水下施工要求[8]。由圖4可知,砂質(zhì)黏土填筑料在有水的灌漿機(jī)中也不分散,啟動(dòng)灌漿機(jī)泵送時(shí),首先泵出的是較清澈的水,其后是泵送性較好的流態(tài)填筑料,基本未見(jiàn)明顯的泥水混合物。

        3 結(jié)論

        (1)通過(guò)砂質(zhì)黏土填筑料正交試驗(yàn)研究確定最佳原材料組合為A1B2C1D3,由此得到砂質(zhì)黏土流態(tài)填筑料在干燥環(huán)境中的最佳配合比為:m(渣土)∶m(水泥)∶m(生石灰粉)∶m(粉煤灰)∶m(水)=85∶3∶3∶6∶27。分別用粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土替代砂質(zhì)黏土,在膠凝材料用量均不變的情況下,為保證填筑料的可泵送性,用水量分別增加至總固體質(zhì)量的40.5%、46.1%。

        (2)不同類(lèi)型渣土配制的流態(tài)填筑料性能不同。達(dá)到相同坍落度時(shí),用水量由低到高分別為:砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土。在坍落度基本相同的情況下,28 d抗壓強(qiáng)度由高到低分別為:砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土。因此,用來(lái)制備流態(tài)填筑料的盾構(gòu)渣土宜采用砂質(zhì)黏土,當(dāng)采用粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土等細(xì)粒土?xí)r,可摻入不超過(guò)總土質(zhì)量40%的砂粒。

        (3)流態(tài)填筑料在有水溶洞中填充作業(yè)時(shí),應(yīng)將膠凝材料體系中的生石灰粉全部用水泥替代,摻入抗分散劑的流態(tài)填筑料在有水環(huán)境中具有較好的抗分散性及可泵性。隨著填筑料中抗分散劑摻量的增加,填筑料的坍落度及28 d抗壓強(qiáng)度均隨之降低,綜合考慮,砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土填筑料中抗分散劑的摻量宜為總固體質(zhì)量的0.005%。

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