劉慧剛,丁建文,吉鋒,高鵬舉,廖趙勝

（1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 210096； 2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，南京 210029）

近年來，隨著生態(tài)文明建設(shè)的有力推進，施工廢棄泥漿渣土無害化處理及資源化利用成為必然趨勢[1-6]。泥水盾構(gòu)施工廢棄泥漿渣土是指盾構(gòu)刀盤掘削地層產(chǎn)生的渣土與泥漿混合后輸送到地面的廢棄物，經(jīng)泥水分離系統(tǒng)處理后分離成泥漿和廢棄渣土，其中部分泥漿進入泥漿循環(huán)系統(tǒng)再利用，多余泥漿則成為廢棄泥漿，而廢棄渣土又可根據(jù)掘進地層的不同分為廢棄黏土和廢棄砂土等。

目前，關(guān)于廢棄砂土在壁后注漿中的再利用已有不少研究。鐘小春等[7]提出將南京長江隧道施工排放的粉細砂用于壁后注漿中，并研究了各種渣土情況下漿液性質(zhì)的變化。林文書等[8]、許可[9]研究了不同顆粒組成、不同塑性指數(shù)的盾構(gòu)泥砂對同步注漿材料工作性能、力學(xué)性能及抗水分散性能的影響。Wang[10]以粉細砂地層的廢棄砂土作為盾構(gòu)同步注漿的砂源，并探討了不同配比條件下的砂漿性能。陳喜坤等[11]、張亞洲等[12]探究了砂的細度模數(shù)對同步砂漿基本性能的影響，進而提出了棄砂再利用的方法。Zhou 等[13]、李雪等[14]探究了廢棄砂土作為壁后注漿砂源的可行性，同時研究了優(yōu)化砂漿性能的方法。Kato 等[15]提出了一種將廢棄渣土與水泥混合后用作回填土的方法。Xu 等[16]將盾構(gòu)開挖出的黏質(zhì)粉土作為壁后注漿中砂的替代物，提出了黏質(zhì)粉土的再利用方案，并對砂漿進行了微觀分析。郝彤等[17]分析了地鐵盾構(gòu)渣土摻量及水膠比對砂漿性能的影響，探討了盾構(gòu)渣土制備同步注漿材料的可行性。史慶濤等[18]采用致密堆積設(shè)計思想，開展了篩分渣土、黃砂與膠結(jié)材的緊密堆積密度試驗研究。目前關(guān)于廢棄砂土在壁后注漿中的研究主要集中在可行性驗證、廢棄砂土對砂漿性能的影響、砂漿配比優(yōu)化等方面，關(guān)于廢棄砂土自然變異性對砂漿性能影響的研究還不足。另外，目前大部分研究都是針對粉細砂地層產(chǎn)生的廢棄砂，缺少針對巖石地層所產(chǎn)生廢棄砂的相關(guān)研究。

筆者依托南京長江新濟洲過江供水廊道項目泥水盾構(gòu)工程，針對該工程粉細砂地層產(chǎn)生的廢棄砂土，研究其在同步砂漿中再利用的適用性，同時，考慮粉細砂地層的自然變異性，研究廢棄砂土粒徑分布對砂漿性能的影響；針對該工程巖石地層產(chǎn)生的廢棄砂土，研究其顆粒形狀特性對砂漿性能的影響，并利用多元回歸分析和多目標(biāo)規(guī)劃進行配比優(yōu)化，得到滿足本工程施工要求的同步砂漿，驗證了巖層棄砂制備同步砂漿的可行性。

1 工程背景

1.1 工程概況

南京長江新濟洲過江供水廊道項目采用泥水盾構(gòu)施工，隧道單線單洞總長1 945 m，盾構(gòu)管片外徑6.2 m，埋深約10.77～51.53 m，江面至江底水深約33 m。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，自江寧始發(fā)井到新濟洲接收井依次穿越444 m 軟土地層、25 m 軟硬不均地層、600 m 閃長玢巖層、57 m 軟硬不均地層、819 m 砂土地層，如圖1 所示。該工程盾構(gòu)機穿越巖石地層和砂土地層時會產(chǎn)生大量的廢棄砂土，如將其運用于同步砂漿中，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和環(huán)保效益。

圖1 南京長江新濟洲供水管線廊道項目Fig.1 Xinjizhou water supply corridor project in Nanjing Yangtze River

1.2 漿液性能要求

盾構(gòu)壁后注漿作為盾構(gòu)隧道施工中一項關(guān)鍵技術(shù)，其主要目的在于及時填充盾尾空隙，控制由地層損失引起的地表沉降[19-21]，這就要求注漿漿液具有良好的輸送性能、充填性能和強度性能。結(jié)合工程特點并參考相關(guān)文獻[21-25]，初步確定工程施工所用同步砂漿的性能指標(biāo)要求為：流動度為20～25 cm，稠度為10～13 cm，凝結(jié)時間為6～9 h，泌水率不大于5%，體積收縮率不大于5%，3、7、28 d 抗壓強度分別不低于0.5、1.0、2.5 MPa。

2 試驗材料、試樣制備及測試方法

2.1 試驗材料

壁后同步砂漿采用單液硬性漿，其主要成分為水泥、粉煤灰、膨潤土、砂，為保證試驗所得結(jié)果適用于工程施工，試驗所用原材料均取自工程現(xiàn)場。

水泥為散裝P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為句容市東升公司生產(chǎn)的二級粉煤灰；膨潤土為江蘇潤通膨潤土科技有限公司生產(chǎn)的鈉基膨潤土。

工程現(xiàn)場使用的砂，簡稱現(xiàn)場河砂?，F(xiàn)場河砂顆粒均小于4.75 mm，細度模數(shù)為0.30，砂粒含量為71.1%，粉粒含量為22.0%，黏粒含量為6.9%，不均勻系數(shù)為3.11，曲率系數(shù)為1.87，屬于均粒土，級配不良，顆粒分布曲線見圖2。

圖2 試驗用砂顆粒分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of test sand

粉細砂地層產(chǎn)生的廢棄砂土，簡稱砂層棄砂。砂層棄砂顆粒均小于4.75 mm，細度模數(shù)為0.13，砂粒含量為65.4%，粉粒含量為32.6%，黏粒含量為2.1%。不均勻系數(shù)為2.01，曲率系數(shù)為0.97，屬于均粒土，級配不良，顆粒分布曲線見圖2。

巖石地層產(chǎn)生的廢棄砂土，簡稱巖層棄砂，為盾構(gòu)在閃長玢巖中掘進時產(chǎn)生的渣土過4.75 mm 篩后所得。細度模數(shù)為1.94，砂粒含量為84.1%，粉粒含量為12.8%，黏粒含量為3.1%。不均勻系數(shù)為15.33，曲率系數(shù)為1.76，屬不均粒土，級配良好，顆粒分布曲線見圖2。

2.2 試樣制備及測試方法

砂漿的制備流程：將膨潤土與水混合并攪拌均勻，制備出一定膨水比的泥漿；靜置24 h 讓其充分膨化；在泥漿中加入水泥、粉煤灰和砂，充分攪拌后即得到試驗用砂漿。制備完成后，迅速進行砂漿的流動度和稠度測試，取部分砂漿分別測試泌水率與凝結(jié)時間，剩余砂漿用于制作無側(cè)限抗壓強度試塊，待養(yǎng)護后測試砂漿的強度及體積收縮率。各項性能指標(biāo)測試方法如下。

1）稠度、凝結(jié)時間和無側(cè)限抗壓強度測試參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 70—2009）。

2）流動度測試采用《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005）中的截錐圓模測試方法。

3）泌水率測試參考《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）。

4）體積收縮率通過測量28 d 抗壓強度試樣的長、寬、高尺寸確定，試樣實際體積與試模標(biāo)準(zhǔn)容積的差值與標(biāo)準(zhǔn)容積的比值即為體積收縮率。

3 砂層棄砂再利用研究

依據(jù)本工程漿液性能要求，利用現(xiàn)場河砂，通過前期試配得到滿足要求的基礎(chǔ)配比為粉灰比1.5、膨水比0.067、水膠比0.9、膠砂比0.75，即試驗組S1。然后用砂層棄砂直接全部代替基礎(chǔ)配比中的現(xiàn)場河砂，分析砂層棄砂制備的砂漿性能是否滿足工程要求，在此基礎(chǔ)上，通過對砂層棄砂篩分得到不同粒徑分布的砂樣，研究廢棄砂土粒徑分布對砂漿性能的影響。各試驗組試驗結(jié)果見表1。

表1 砂層棄砂再利用試驗結(jié)果Table 1 Test results of reusing sand layer waste sand

3.1 砂層棄砂適用性分析

表2 給出了砂層棄砂和現(xiàn)場河砂所制備砂漿的性能測試結(jié)果。相比于現(xiàn)場河砂制備的砂漿，砂層棄砂制備的砂漿具有更好的流動性、更短的凝結(jié)時間和更高的強度，雖然泌水率和體積收縮率更大，但均在5%以下。因此，在工程中可以直接用粉細砂地層的廢棄砂土全部代替同步砂漿中的砂，制備出的砂漿能夠滿足工程要求。

表2 砂層棄砂與現(xiàn)場河砂制備砂漿性能比較Table 2 Comparison between the properties of mortar prepared by sand layer waste sand and site river sand

3.2 細度模數(shù)對砂漿性能的影響

將砂層棄砂篩分得到細度模數(shù)分別為0.1、0.5、1.0 的砂樣，并控制砂樣的砂粒含量和黏粒含量不變，砂樣顆粒分布曲線如圖3 所示。

圖3 不同細度模數(shù)的砂樣顆粒分布曲線Fig.3 Particle distribution curves of sand samples with different fineness modulus

圖4 給出了砂漿流動性、凝結(jié)時間、泌水率與細度模數(shù)之間的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在砂粒含量和黏粒含量相同的情況下，隨著細度模數(shù)的增大，砂漿的流動度、稠度和凝結(jié)時間均呈線性增大趨勢，而泌水率稍有降低。圖5 為細度模數(shù)對砂漿無側(cè)限抗壓強度的影響，可以看到，砂漿的強度隨著細度模數(shù)的增大略有降低，但變化幅度較小。

圖4 細度模數(shù)對砂漿流動性、凝結(jié)時間、泌水率的影響Fig.4 Effect of fineness modulus on fluidity, setting time and bleeding rate of mortar

圖5 細度模數(shù)對砂漿強度的影響Fig.5 Effect of fineness modulus on mortar strength

定量來看，隨著細度模數(shù)從0.1 增大到1.0，砂漿的流動度、稠度、凝結(jié)時間分別增加了12.7%、15.3%、16.1%，而泌水率、3 d 強度、7 d 強度、28 d強度則分別降低了31.2%、6.7%、4.6%、4.2%，其中流動性與凝結(jié)時間的增加幅度相差不大。

流動性和凝結(jié)時間的增加主要與砂漿中顆粒之間的接觸面積有關(guān)。隨著細度模數(shù)的增大，砂漿中的粗顆粒增多，等效于將原先砂漿中的部分細顆粒凝聚成粗顆粒，減小了顆粒之間的接觸面積，從而一方面降低了顆粒之間的摩擦力，使砂漿流動性增大，另一方面減少了砂漿中水泥水化反應(yīng)的接觸面積，延長了砂漿的凝結(jié)時間。

綜上所述，細度模數(shù)主要影響砂漿的流動性、凝結(jié)時間和泌水率，對強度影響不大。在利用粉細砂地層產(chǎn)生的廢棄砂土?xí)r，如果砂土細度模數(shù)過小，可能會出現(xiàn)流動性不足的情況，而細度模數(shù)過大則可能出現(xiàn)凝結(jié)時間過長的問題。

3.3 砂粒含量對砂漿性能的影響

將砂層棄砂篩分得到砂粒含量分別為45%、65%、85%的砂樣，并控制砂樣的細度模數(shù)和粉黏比不變，砂樣顆粒分布曲線如圖6 所示。

圖6 不同砂粒含量砂樣顆粒分布曲線Fig.6 Particle distribution curve of sand samples with different sand content

圖7 為砂漿流動性、凝結(jié)時間、泌水率隨砂粒含量變化的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在細度模數(shù)和粉黏比相同的情況下，隨著砂粒含量的增大，砂漿的流動性、凝結(jié)時間和泌水率均呈增大趨勢。圖8 給出了不同砂粒含量下的砂漿無側(cè)限抗壓強度，隨著砂粒含量的增大，砂漿的3、7、28 d 強度均有所下降，但下降幅度較小。除泌水率外，各項性能的變化趨勢都與細度模數(shù)引起的變化趨勢相似。

圖7 砂粒含量對砂漿流動性、凝結(jié)時間、泌水率的影響Fig.7 Effect of sand content on fluidity, setting time and bleeding rate of mortar

圖8 砂粒含量對砂漿強度的影響Fig.8 Effect of sand content on strength of mortar

隨著砂粒含量從45%增加到85%，砂漿的流動度、稠度、凝結(jié)時間和泌水率分別增加了19.1%、32.0%、47.4%、16.5%，而3、7、28 d 強度分別降低了3.0%、8.4%、4.3%。其中，流動性的增加幅度比凝結(jié)時間小，這與細度模數(shù)對砂漿性能的影響有所不同，換言之，通過調(diào)整砂粒含量，可以使砂漿具有良好流動性的同時獲得更短的凝結(jié)時間。

3.4 黏粒含量對砂漿性能的影響

控制砂樣的細度模數(shù)和砂粒含量不變，通過摻入現(xiàn)場廢棄黏土中的粉黏粒得到黏粒含量分別為2%、10%、20%的砂樣，砂樣顆粒分布曲線如圖9 所示。

圖9 不同黏粒含量砂樣顆粒分布曲線Fig.9 Particle distribution curve of sand samples with different clay content

圖10 為砂漿流動性、凝結(jié)時間、泌水率隨黏粒含量變化的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在細度模數(shù)和砂粒含量相同的情況下，隨著廢棄砂土黏粒含量的增大，砂漿中被黏粒吸附的水分子增多，自由流動的水分子減少，使砂漿的流動度、稠度和泌水率顯著降低，當(dāng)黏粒含量超過10%后，砂漿的流動性將不滿足要求。另外，隨著廢棄砂土的黏粒含量從2%增加到20%，砂漿的凝結(jié)時間從8.7 h 縮短至3 h，而本工程中砂漿的凝結(jié)時間應(yīng)控制在6～9 h 之間，當(dāng)廢棄砂土的黏粒含量大于10%時，砂漿的凝結(jié)時間將低于6 h，無法滿足工程要求。因此，當(dāng)廢棄砂土黏粒含量較高時，砂漿的流動性將變差，凝結(jié)時間過短，需對配比進行調(diào)整。

圖10 黏粒含量對砂漿流動性、凝結(jié)時間、泌水率的影響Fig.10 Effect of clay content on fluidity, setting time and bleeding rate of mortar

圖11 給出了不同黏粒含量下砂漿無側(cè)限抗壓強度，隨著黏粒含量的增大，砂漿的3、7 d 強度稍有增大，而28 d 強度呈下降趨勢。隨著黏粒含量從2% 增加到20%，砂漿的3、7 d 強度分別增大了4.6%和12.8%，而28 d 強度則降低了21.1%。因此，在回收利用廢棄砂土?xí)r應(yīng)注意監(jiān)測廢棄砂土的黏粒含量，當(dāng)黏粒含量過高時，砂漿的強度可能不滿足要求。

圖11 黏粒含量對砂漿強度的影響Fig.11 Effect of clay content on strength of mortar

4 巖層棄砂再利用研究

4.1 巖層棄砂適用性分析

用巖層棄砂代替基礎(chǔ)配比中的現(xiàn)場河砂，測試得到砂漿性能如表3 所示。由表3 可知，巖層棄砂制備的砂漿在流動度、稠度、泌水率、體積收縮率等方面均優(yōu)于基礎(chǔ)配比，3 d 強度及7 d 強度與基礎(chǔ)配比相差不大，28 d 強度比基礎(chǔ)配比稍低，但滿足工程要求，而凝結(jié)時間遠遠短于基礎(chǔ)配比，只有4.5 h，無法滿足工程需求。對比巖層棄砂和現(xiàn)場河砂的粒徑分布情況可以發(fā)現(xiàn)，巖層棄砂的細度模數(shù)更大，砂粒含量更多，黏粒含量更低，因此，巖層棄砂制備的砂漿流動性更好，這與砂土粒徑分布對砂漿性能影響的研究結(jié)果一致，但凝結(jié)時間卻大幅縮短，這是因為受砂土顆粒形狀的影響，故對砂顆粒表面形狀對砂漿性能的影響進行探討。

表3 巖層棄砂與現(xiàn)場河砂制備砂漿性能比較Table 3 Comparison between the properties of mortar prepared by rock stratum waste sand and site river sand

4.2 顆粒形狀對砂漿性能的影響

考慮到巖層棄砂是由刀盤破巖而成，砂顆粒表面粗糙，與通常的河砂有所區(qū)別，因此，開展了砂土顆粒形狀對砂漿性能影響的研究。試驗方法如下：將磨圓度較好的河砂篩分后代替巖層棄砂中的砂粒部分，而粉粒和黏粒部分則繼續(xù)使用巖層棄砂，從而得到與巖層棄砂粒徑分布一致但顆粒形狀不同的砂樣，然后利用這兩種砂樣分別配制砂漿，比較不同砂漿的性能差異。

兩種砂樣的顆粒形狀分別如圖12、圖13 所示，由圖可見，巖層棄砂各粒組顆粒表面粗糙，棱角分明，磨圓度較差，形狀不規(guī)則；而河砂表面光滑、富有光澤，顆粒形狀較為圓潤，質(zhì)地均勻透明。

圖12 巖層棄砂各粒組照片F(xiàn)ig.12 Images of each grain group of rock stratum waste sand

圖13 河砂各粒組照片F(xiàn)ig.13 Images of each grain group of river sand

兩種砂樣所制備砂漿的性能如表4 所示。從表4 中可以看出，在砂土顆粒分布曲線完全一致的情況下，砂土的顆粒形狀也會對砂漿性能產(chǎn)生較大影響，與河砂制備的砂漿相比，巖層棄砂制備的砂漿流動度、稠度、凝結(jié)時間、泌水率和體積收縮率更小，強度則相差不大。這是由于砂顆粒表面粗糙，增大了砂漿中顆粒之間的接觸面積，使得摩擦力增大、自由流動的水分子減少，從而引起砂漿流動性和泌水率降低，接觸面積的增大同時也增大了水泥水化反應(yīng)的面積，故凝結(jié)時間大大縮短。

表4 巖層棄砂與河砂制備砂漿性能比較Table 4 Comparison between the properties of mortar prepared by rock stratum waste sand and river sand

4.3 配比優(yōu)化

由于巖層棄砂顆粒表面粗糙，制備的砂漿凝結(jié)速度快，不滿足工程要求，需要通過調(diào)整配比來延長凝結(jié)時間，但砂漿凝結(jié)時間的延長往往伴隨著砂漿流動度和稠度的增大，又由于巖層棄砂細度模數(shù)較大，制備的砂漿流動度和稠度本身就很大，若凝結(jié)時間延長，砂漿流動度和稠度很可能超過工程要求，這就給砂漿配比調(diào)整造成了困難。因此，設(shè)計了以粉灰比、膨水比、水膠比和膠砂比為自變量的配比優(yōu)化試驗，擬通過多元回歸分析和多目標(biāo)規(guī)劃得到滿足本工程要求的配合比。各試驗組因素取值及試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 巖層棄砂再利用配比優(yōu)化試驗組Table 5 Optimization test group for reuse of rock stratum waste sand

4.3.1 多元回歸分析

根據(jù)表5 的試驗結(jié)果，利用SPSS 軟件進行多元回歸分析，回歸模型采用二次型多元回歸模型，得到粉灰比x1、膨水比x2、水膠比x3、膠砂比x4與流動度FL、稠度FC、凝結(jié)時間FT、泌水率FB、體積收縮率FS、3 d 強度F3、7 d 強度F7、28 d 強度F28之間的回歸方程為

對上述模型進行擬合度評價及顯著性評價，評價結(jié)果如表6 所示。表中R為相關(guān)系數(shù)；R2為決定系數(shù)；為校正決定系數(shù)。其中，決定系數(shù)R2反映了擬合值與真值之間的差異程度，其值越接近于1，表示回歸方程的擬合程度越好。F為顯著性檢驗值；P值反映模型的顯著程度，當(dāng)P＜0.05 時，表示回歸模型顯著，當(dāng)P＜0.01 時，表示回歸模型非常顯著。

表6 模型評價Table 6 Model evaluation

由表6 可知，各回歸方程的R2均接近于1，說明各回歸方程的擬合值與真值之間差異較小，方程能夠較好地擬合性能與各因素之間的關(guān)系，而各回歸方程的P值均小于0.05，說明模型具有較高的可信度。

4.3.2 多目標(biāo)規(guī)劃與試驗驗證

以各項性能的回歸方程為目標(biāo)函數(shù)，將性能要求上下限設(shè)為約束條件，采用Design-Expert.8.05b軟件的Optimization 模塊進行多目標(biāo)規(guī)劃求解，即可獲得多組滿足要求的配比。擇優(yōu)得到巖層棄砂制備砂漿的優(yōu)化配比為：粉灰比1.5，膨水比0.15，水膠比1.15，膠砂比0.9。將該配比代入回歸方程中，得到優(yōu)化配比各項性能的預(yù)測值如表7 所示。由表7 可以看出，各項性能均滿足要求。

表7 優(yōu)化配比的試驗驗證Table 7 Experimental verification of optimum proportioning

根據(jù)優(yōu)化配比配制砂漿，并對砂漿性能進行驗證性測試，得到砂漿各項性能實測值如表7 所示。由表7 可見，經(jīng)過配比優(yōu)化后砂漿各項性能均處于要求范圍內(nèi)，說明經(jīng)過配比調(diào)整后，巖層棄砂制備的同步注漿漿液能夠滿足本工程要求，驗證了利用巖層棄砂制備同步砂漿的可行性。

5 結(jié)論

開展了盾構(gòu)施工砂土層棄砂和巖層棄砂在同步注漿材料中的再利用研究，得到以下主要結(jié)論：

1）粉細砂地層所產(chǎn)生的廢棄砂可直接代替原配比中的砂，制備出的砂漿能夠滿足本工程漿液性能要求。

2）砂層棄砂的粒徑分布對砂漿性能影響較大。增大細度模數(shù)和砂粒含量可提高砂漿的流動度和稠度，延長砂漿的凝結(jié)時間，對砂漿強度的影響則不大；增大黏粒含量可縮短砂漿凝結(jié)時間和減小泌水率，但會降低砂漿的流動性和強度。

3）巖石地層所產(chǎn)生的廢棄砂土無法直接應(yīng)用于本工程的同步注漿，但經(jīng)過配比的優(yōu)化調(diào)整，巖層棄砂也能制備出滿足性能要求的砂漿，表明巖層棄砂與砂層棄砂一樣具有再利用的價值。

4）巖層棄砂的顆粒形狀主要對砂漿的流動性和凝結(jié)時間有較大影響，對砂漿強度影響不大。巖層棄砂顆粒表面相對較粗糙，制備出的砂漿流動性更差，凝結(jié)時間更短。

5）不同粒徑分布和顆粒形狀的砂制備得到的砂漿性能差異較大，因此，在對廢棄砂土進行再生利用時，應(yīng)隨地層的變化及時檢測廢棄砂土的粒徑分布和顆粒形狀，同時對砂漿的配比進行相應(yīng)調(diào)整或者摻入河砂對廢棄砂土的級配進行改良。