高比重水泥加固材料配合比優化研究

韓云婷，楊利香，陳海燕（1.上海市建筑科學研究院有限公司，上海 201108；2.上海工業固體廢棄物資源化利用工程技術研究中心，上海 201108）

隨著城市地面交通的日益繁重，地下空間開發建設活動日益增多。在臨近地鐵、隧道等地下空間結構進行地下空間開發時，容易誘發臨近結構的變形、沉降、上浮和開裂等風險，威脅城市交通基礎設施的安全運行。為降低地下空間開發對臨近結構的影響，研發高卸荷比基坑新型高比重加固材料，對已開挖部分的土體進行加固，增加土體配重和強度，減少土體上浮和開裂的風險有重要意義。

1 試驗原材料和試驗方法

1.1 試驗原材料

（1） P·O 42.5 水泥：P·O 42.5 水泥由安徽某水泥廠提供，主要技術指標如表 1 及表 2 所示。

表1 P·O 42.5 水泥主要化學技術指標單位：%

表2 P·O 42.5 水泥主要技術指標

（2） 42.5 硫鋁酸鹽水泥：采用某建材廠提供的標號為42.5 硫鋁酸鹽水泥，主要技術指標如表 3 所示。

表3 硫鋁酸鹽水泥主要技術指標

（3）粉煤灰：粉煤灰采用上海某電廠提供的優質粉煤灰，粉煤灰安定性、放射性合格，其他性能如表 4 所示。

表4 粉煤灰基本性能單位：%

（4）礦粉：礦粉采用上海某企業提供的 S95 級礦粉，基本性能如表 5 所示。

表5 礦粉的基本性能

（5）硅灰：硅灰為廣東某企業提供，主要技術指標如表 6 所示。

表6 硅灰的基本性能

（6）鋼渣：鋼渣細度模數 2.36，顆粒級配如圖 1 所示。

圖1 鋼渣顆粒級配

采用 YB/T 4201—2009《普通預拌砂漿用鋼渣砂》，對鋼渣壓蒸分化率進行試驗，其壓蒸分化率為 1.3%，符合標準要求（≤5.9%）。

（7）減水劑：粉狀高效聚羧酸減水劑，減水效果 27%。

1.2 試驗方法

（1）流動度：注漿材料流動度參照 JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》進行。

（2）膠砂強度：膠砂試件抗壓強度、抗折強度的測試方法按照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行。

（3）密度測試：注漿材料密度參照 JGJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行。

（4）凝結時間：注漿材料凝結時間參照國家標準GB 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行。

2 新型高配重比水泥注漿材料正交試驗配合比設計研究

2.1 正交試驗結果及分析

采用 P·O 42.5、粉煤灰、礦粉、鋼渣砂等為原材料材料，配制高比重水泥加固材料，設置四因素三水平正交試驗，并對料漿的流動度、密度以及膠砂試塊的 7 d、28 d抗壓強度進行測試，正交試驗因素水平表見表 7，試驗結果見表 8。

表7 正交試驗因素水平表

表8 正交試驗測試結果

2.2 正交試驗極差分析

研究粉煤灰、礦粉、硅灰摻量以及砂膠比對水泥基材料流動度和抗壓強度的影響，對正交試驗結果進行 K 值和極差R 分析，分析結果如表 9 所示。

表9 料漿流動時間極差分析表

由表 9 可知：

（1）對于水泥基漿料的流動度，因素影響程度分別為：砂膠比＞減水劑＞礦粉＞粉煤灰，最大影響因素為砂膠比極差為 3.1。當砂膠比從 0.1 增加到 0.3 時，試樣的流動時間從 21.9 增加至 25.0，增加幅度為 12.4%，料漿的流動性降低；當聚羧酸減水劑的摻量（水泥質量分數）為 1.5%時，漿料的流動時間為 22.6，對其流動性改善作用明顯，最佳試驗方案為 A3B3C3D1。

（2）對于試件的 7 d 強度，因素影響程度分別為：粉煤灰＞砂膠比＞礦粉＞減水劑，最大影響因素為粉煤灰，極差為 3.4。當粉煤灰的摻量（水泥質量分數）從 10% 增加至50% 時，試件的 7 d 強度從 16.1 MPa 降低至 12.7 MPa，降低幅度為 21.1%，對強度影響效果顯著，減水劑對時間的7 d 強度影響較小，這是由于減水劑對膠凝材料的活性以及水化物生成不產生影響，減水劑的主要作用為改善膠凝材料顆粒間的粘聚力，提高表面活性，提高料漿的流動度，最佳試驗方案為 A1B1C1D1。

（3）對于試件的 28 d 強度，因素影響程度與 7 d 強度影響因素程度大小一致：粉煤灰粉煤灰＞砂膠比＞礦粉＞減水劑，最大影響因素為粉煤灰，極差為 5.7，影響效果顯著，砂膠比的影響程度次之，極差為 2.3，減水劑對試件的 28 d 強度幾乎無影響，與 7 d 強度的影響機理一致，最佳試驗方案為 A1B2CD1（C 組中影響因素一致，最優方案為 C）。

綜上所述，砂膠比對水泥基漿料的流動度影響程度最大，減水劑次之；粉煤灰對試件的 7 d、28 d 強度影響程度最大，減水劑對試件的強度幾乎無影響。

2.3 正交試驗權矩陣分析

由正交試驗極差分析結果可知，評價水泥基材料的指標分為工作性能（流動性）和力學性能（7 d強度、28 d強度），其中流動時間越小，水泥基漿料工作性能越好；7 d、28 d 強度越大，水泥基材料的力學性能越好。通過極差分析得到三種不同的最佳試驗方案，由于考察指標較多，因此需要將流動時間、7 d 強度以及 28 d 強度結合在一起進行綜合評價，得出最終的試驗方案，其中流動時間占整個考察權重的 50%，7 d 強度和 28 d 強度均為 25%。在本試驗中對強度指標來說，考察指標越大越好；對于流動時間來說，考察指標越小越好。下面將采用矩陣分析方法，計算出影響試驗結果的各因素水平的權重，根據權重大小，選取上一節中得出的三種方案中的最優方案。影響試驗指標值的權矩陣如式（1） 所示。

本試驗考察的第二個指標為 7 d 抗壓強度，抗壓強度越大，水泥基材料的性能越好，其權矩陣計算如式(4)、(5)所示。

本試驗考察的第三個指標為 28 d 抗壓強度，抗壓強度越大，水泥基材料的性能越好，其權矩陣計算式(6)、(7)所示。

將根據流動時間為指標的權矩陣和以抗壓強度為指標的三個權矩陣按照2:1:1的權重計算最終加權矩陣，計算過程如式(8)所示。

由加權平均結果可知，四因素占權矩陣的比重依次為：粉煤灰＞礦粉＞砂膠比＞減水劑，且最優試驗方案為：A1B1C1D1，即粉煤灰質量分數為 10%、礦粉質量分數為5%，減水劑為 1%，砂膠比為 0.1。

2.4 高比重水泥加固材料配合比優化

2.4.1 抗壓強度優化

由前述試驗結論可知，高比重水泥加固材料的 7d、28d抗壓強度分別為 18.7 MPa 和 31.2 MPa，與 DG/TG 08—2082—2017《GS 土體固化劑應用技術規程》稍有差距，因此根據標準和實際工程，控制高比重水泥加固材料初凝時間＞45 min，進一步優化高比重水泥加固材料的性能，其中砂膠比 0.1，水膠比 0.5，試驗配合比和初凝時間如表 10 所示，抗壓強度試驗結果圖 2 所示。

表10 水泥基注漿材料試驗配合比及凝結時間測試結果

圖2 水泥基注漿材料強度測試

由表 10 和圖 2 可知：

（1）隨著硫鋁酸鹽水泥的摻量量增加，水泥基注漿材料漿料的初凝時間降低。當硫鋁酸鹽水泥摻入量為 10% 時（水泥總摻量），水泥基漿料的初凝時間為 138 min；當硫鋁酸鹽水泥摻入量為 15% 時，水泥基漿料的初凝時間降低至 105 min；當硫鋁酸鹽水泥摻入量為 20% 時，水泥基漿料的初凝時間降低至 82 min 左右，但仍滿足標準要求。

（2）摻入硫鋁酸鹽水泥后，復合水泥基注漿材料的抗壓強度有較大幅度的提高。當硫鋁酸鹽水泥摻量由 10% 增加至 20% 時，7 d 抗壓強度由 22.3 MPa 增加至 31.2 MPa，28 d 抗壓強度由 37.1 MPa 增加至 49.3 MPa。

（3）綜合注漿材料的凝結時間、抗壓強度和綜合成本，硫鋁酸鹽水泥的摻量以占水泥總用量的 10% 為宜。

2.4.2 密度提升

為進一步提升注漿材料的密度，調研了部分配重材料，綜合原材料的密度、穩定性和性價比等性能指標，選用鐵砂和赤鐵礦與鋼渣復配注漿材料，具體配合比和試驗結果如表11 和圖 3 所示。

表11 優選配合比的驗證試驗

圖3 配重注漿材料性能測試

采用鐵砂和赤鐵礦等體積取代鋼渣砂，其中鐵砂的取代比率分別為 10%、15% 和 20%，赤鐵礦的取代率分別為10%、20% 和 30%。

（1）當鐵砂體積比由 0 增加至 20% 時，注漿材料密度由 2014 kg/m3增加至 2240 kg/m3（增長率為 11.4%），流動度和抗壓強度均略有降低。

（2）當赤鐵礦體積比由 0 增加至 30% 時，注漿材料密度由 2014 kg/m3增加至 2122 kg/m3（增長率為5.5%），流動度和抗壓強度均略有降低。

因此，綜合材料成本，注漿材料密度、抗壓強度和流動度等性能，優選 10% 鐵砂與鋼渣復配。

3 新型高比重水泥加固材料配合比驗證

優選配合比的驗證試驗成型膠砂試塊，對其各項性能指標進行驗證，具體配合比如表 12 所示，驗證試驗結果如表13 所示。

表12 優選配合比的驗證試驗

表13 優選配合比試驗結果

從驗證試驗結果來看，所開發的高比重水泥加固材料初凝時間 143 min，7 d 抗壓強度 21.1 MPa，28 d 抗壓強度33.8 MPa，滿足 DG/TG 08—2082—2017相關要求。初始流動度 25.6 s，滿足設計施工要求；密度 2123 kg/m3，較市售注漿材料 1～3，分別提高 5.5%～11.1%。

4 結 語

（1）采用正交試驗和權矩陣分析方法，確定了高比重水泥加固材料的初始配合比：粉煤灰質量分數為 10%、礦粉質量分數為 5%，減水劑為 1%，砂膠比為 0.1。

（2）通過硫鋁酸鹽水泥雙摻提高加固土強度，選用鐵砂、赤鐵礦、鋼渣三種配重集料復配提升加固土密度，最終確定新型高比重水泥加固材料配合比并進行復驗，所開發的配重注漿初凝時間、7d、28 d 抗壓強度滿足 DG/TG 08—2082—2017 相關要求。

（3）高比重水泥加固材料初始流動度 25.6 s，密度較普通市售注漿材料提高 5.5%～11.1%，滿足配重施工要求。基金項目： 上海市科委應用技術開發專項（17DZ1204104）