[分享]可硬性盾构注浆材料试验研究

  结果表明：水胶比对浆料稠度和流动度影响显著，膨润土掺量对稠度和流动度的影响较胶砂比和水泥掺量显著。浆料的优选配合比为：水胶比 0.60，胶砂比0.60，水泥占比0.25，膨润土占比 0.10。标养条件下晶体颗粒之间的胶结程度较水养条件下更好，水养条件下水分子渗入注浆材料内部与 SiO2 反应，表现为注浆材料的强度在水养条件下会有所损失，且水胶比越小强度损失越大。

0 引言

  在地铁施工过程中，盾构法是各施工单位常用的方法，盾构壁尾管片和衬砌的注浆效果是影响盾构施工质量的重点。
  盾构在开挖过程中会对周围土体产生扰动，特别是在管片即将脱出尾盾时，在管片隧道与土体之间形成 90~140 mm的环状空隙，为防止地表沉降、管片偏移等稳定性问题，必须通过壁后注浆充填空隙，从而使周围岩体及时获得支撑。注浆材料主要有两种：单液注浆材料和双液注浆材料，其中单液水泥砂浆类的应用最为广泛，按盾构注浆施工工艺要求，注浆材料需具有较好的流动性与稳定性，以及适宜的凝结时间等特性。
  这类浆液又可分为惰性浆液和可硬性浆液，本文主要对可硬性注浆材料进行试验研究，根据一般工程，对可硬性注浆材料的要求如下：稠度在 90~130 mm 之间，流动度在 160~280 mm 之间，凝结时间在 10~24 h 之间。

  本试验通过研究不同水胶比，胶砂比，水泥和膨润土占胶凝材料质量占比的可硬性盾构注浆材料的各项性能，进行试验数据对比分析，为盾构注浆材料的工程应用提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

  试验材料以硅酸盐水泥、粉煤灰、河砂及膨润土为主料。浆材选材要求为：

  水泥：P·O 42.5 级水泥。

  粉煤灰：火电厂生产的普通 I 级粉煤灰。

  膨润土：选用钠基膨润土，并经过钠化处理，蒙脱石含量达到 60%以上。

  河砂：选用天然河砂，细度模数为 2.7。

1.2 试验仪器

  NJ-160A 型水泥静浆搅拌机；NLD-3 型水泥胶砂流动度测定仪数显砂浆稠度仪；CMT-5205 型微机控制电子万能试验机；FEI Quanta 250F 场发射环境扫描电镜及能谱仪。

1.3 试验方法

 （1）流动度试验方法参照 GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》进行。

 （2）稠度试验方法参照 JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。

 （3）抗压强度试验方法参照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行，注浆材料试验采用 70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 试模成型。

 （4）耐水性试验参照 DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土试验规程》进行，水空强度比以水中成型试模与养护箱中成型试模抗压强度之比表示，测试注浆材料成型后 28 d的水空强度比。

2 试验方案及结果

  通过对比试验确定可硬性注浆材料正交试验因素与水平，采用 L（9 34）三水平四因素正交试验法优选注浆材料的配合比，正交试验设计见表 1，试验结果见表 2。

  水胶比为水与胶凝材料质量比，胶砂比为胶凝材料与河砂质量比，水泥占比为水泥占胶凝材料质量比，膨润土占比为膨润土占胶凝材料质量比。

3 试验结果分析

3.1 各因素对注浆材料稠度和流动度的影响

  基于正交试验极差分析法分析注浆材料的稠度和流动度，结果见表 3。根据试验结果绘制各影响因素变化时的注浆材料的稠度和流动度变化趋势，见图 1。

  由表 3 及图 1 可知：

 （1）随水胶比，胶砂比和水泥占比的增加，注浆材料稠度和流动度增加；而随膨润土占比增加，注浆材料的稠度和流动度呈减小趋势。

 （2）对注浆材料稠度和流动度的影响由大到小依次是水胶比 > 膨润土占比 > 水泥占比 > 胶砂比，其中水胶比对注浆材料的稠度和流动度的影响最为显著，水胶比从 0.45增加到 0.75，稠度从 23.7 mm 增长到 100.5 mm，流动度从132 mm 增长到 mm。

  分析其原因为：水胶比越大，用水量越大，水的流动带动其他固体颗粒运动，从而使得注浆材料剪切应力和黏度也减小，最终导致注浆材料的稠度和流动度增大；而膨润土掺量不大，但其具有良好的吸水性，能吸附 8~15 倍于自身体积的水量，膨润土占比的增加导致注浆材料中自由水减少，而且膨润土是一种黏性土，吸水后颗粒间的剪切应力增大，注浆材料稠度和流动度自然减小。

 3.2 各因素对注浆材料强度的影响

  基于正交试验极差分析法分析注浆材料水陆强度比，结果见表 4。

  由表 5 可知水胶比是影响注浆材料水陆强度比的主要因素，水胶比为 0.45 时，注浆材料水养强度不足标养强度的 50%，水胶比为 0.60 和 0.75 时，注浆材料的强度损失小于50%。在本研究的试验条件下，C5 和 C7 配合比浆材的稠度、流动度、凝结时间和强度均满足一般盾构工程需求，同时注浆材料强度损失的机理需要进行更进一步研究。

4 硬化浆体的扫描电镜试验

4.1 微观结构

  为进一步研究注浆材料在水养条件下的强度损失机理，采用扫描电镜（SEM）对不同养护条件下 C1 和 C5 配合比的 28 d 试块微观结构进行测试，电镜扫描图见图 2、3。

  对比 C1 和 C5 试样在不同养护状态下的电镜图可以看出，在标养状态下有大量的钙矾石及絮状凝胶形成，而水养状态下形成的凝胶偏少。钙矾石和絮状凝胶是胶凝材料水化后的产物，在硬化浆体中起胶结和填充作用，在水养状态下钙矾石和凝胶产物较少说明注浆材料结构松散，同时内部会产生许多微细孔和微裂缝，导致注浆材料的强度损失。

4.2 元素分析

  在进行扫描电镜试验的同时，对注浆材料进行元素分析。元素分析取点样见图 2、3，并计算三个点各种成分质量占比的平均值，结果见表 5。

  在制备注浆材料时采用的普通硅酸盐水泥和粉煤灰（膨润土为惰性胶凝材料，不参与反应），充分水化后C-S-H 凝胶占主要成分。在表 5 中，SiO2 是胶凝材料的主要成分。对于 C1 配合比的注浆材料，在标养状态下，其 SiO2质量比占 51.08%，而在水养状态下，其 SiO2 质量比只占15.63%，SiO2 质量比相较而言减少了 69.4%；对于 C5 配合比的注浆材料，在标养状态下，其 SiO2 质量比占 59.67%，而在水养状态下，其 SiO2 质量比占 39.62%，SiO2 质量比相较而言减少了 33.6%。
  说明在水中养护时有更多水分子进入浆材内部与 SiO2 反应，降低材料内部凝胶成分的胶结和填充作用，甚至导致内部产生微细孔和微裂缝，导致注浆材料在水养时的强度损失，这与扫描电镜测试结果相符。且 C1 配合比的注浆材料 SiO2 质量比减少量远大于 C5 配合比的注浆材料，而 C1 配合比的注浆材料水陆强度比为10%，C5 配合比的注浆材料水路强度比为70%，说明水胶比越小，水分子渗入注浆材料内部相对越多，其强度损失越大。

5 结论

  （1）水胶比对浆料稠度和流动度影响显著，膨润土掺量对稠度和流动度的影响较胶砂比和水泥掺量显著。浆料的优选配合比为：水胶比 0.60，胶砂比 0.60，水泥占比0.25，膨润土占比 0.10。

  （2）水胶比是影响水陆强度比的主要因素。从材料的微观结构和组成成分上看，水分子进入注浆材料内部是注浆材料在水养时强度损失的主要原因，且 C1 配合比的注浆材料 SiO2 质量比减少量远大于 C5 配合比的注浆材料，说明水胶比越小，水分子渗入注浆材料内部相对越多，其强度损失越大。