高性能同步注漿材料專用外加劑的研制

周少東，林文書，王紅喜，許 可，林建平，王 彪，丁慶軍

(1.武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢 430030;2.中鐵一局集團有限公司，陜西西安 710054;3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070)

0 引言

盾構法是目前地下工程施工中最常用的施工方法，同步注漿技術是盾構法隧道施工中的一項關鍵技術。盾構法同步注漿是在盾構向前掘進的同時，將具有一定早期及終期強度的材料填入盾尾空隙內，能夠抑制天然土體變形，控制地面沉降，保證環境安全，作為隧道襯砌結構的加強層，提高其耐久性。盾構隧道同步注漿材料的種類有很多，其中單液水泥砂漿類應用得最為廣泛［1－3］。

在地下工程盾構施工過程中，經過盾構多層刀盤的打磨與切削及泥水處理系統的多次處理，產生了大量廢棄泥砂。一方面，大量盾構泥砂的填埋與堆砌造成了對城市環境的巨大影響;另一方面，盾構泥砂中的黏?？筛纳谱{材料的穩定性和抗水分散性，但黏粒含量過高時會降低漿液的工作性能。故如何合理利用盾構泥砂制備同步注漿材料，逐漸成為廣大專家、學者關注的問題。

不同于一般工程所用的砌筑砂漿或抹面砂漿，在富水地層尤其是地下水流大、斷面水壓高、沖刷力強的地段，盾構法注漿工藝要求注漿材料具有較高的穩定性和流動性，以及非常好的抗水分散等特性［4－5］。因此，如欲利用盾構泥砂制備應用于對抗水沖刷能力要求較高地段的高性能同步注漿材料，必須開發專用的高性能外加劑，以滿足施工應用的工作性能及耐久性能要求。

常見的同步注漿材料外加劑一般為減水劑復配改良劑，如膨潤土、界面改性劑等［6］，但此類外加劑未能使制備的同步注漿材料兼具流動性好、穩定性強、水下不分散及可用時間長的特點。本實驗選用膨潤土(BE)、凹凸棒黏土(PL)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、羥乙基纖維素(HEC)、FDN減水劑、聚羧酸減水劑(PC)與葡萄糖酸鈉(GAS)進行復配，研制出高性能同步注漿材料的專用外加劑。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料與實驗儀器

1.1.1 原材料

1.1.1.1 水泥(C)

P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，華新水泥有限公司生產，堡壘牌，比表面積為350 m2/kg?；瘜W成分見表1。

1.1.1.2 粉煤灰(FA)

Ⅱ級粉煤灰，陽邏電廠生產?；瘜W組成見表1。

表1 原材料的化學組成Table 1 Chemical composition of raw materials %

1.1.1.3 盾構泥砂(SD)

武漢市軌道交通盾構泥砂，取自地鐵4號線楊春湖、工業四路等施工標段。其中，泥砂含泥量為15%，砂細度模數為2.21，表觀密度為2 640 kg/m3，堆積密度為1 470 kg/m3。

1.1.1.4 外加劑

1)膨潤土(BE)。鈉基膨潤土，含水率＜10%，細度規格為200目。

2)凹凸棒黏土(PL)。高黏凹凸棒黏土，江蘇淮源礦業有限公司生產，凹凸棒石質量分數為80% ～85%。

3)FDN減水劑(FDN)。市售萘系減水劑FDN－9001，減水率為15% ～20%，粉狀。

4)聚羧酸減水劑(PC)。上海三瑞外加劑有限公司生產，減水率為20% ～25%，水劑。

5)葡萄糖酸鈉(GAS)?；瘜W純試劑。

6)羥乙基纖維素(HEC)。白色粉末，無味速溶，分子量為7.5 ×105，1 ×106，2 ×106。

7)羥丙基甲基纖維素(HPMC)。白色粉末，無味速溶，分子量為7.5 ×105，1 ×106，2 ×106。

1.1.2 實驗儀器

JJ－5型水泥膠砂攪拌機，NLD－3型水泥膠砂流動度測定儀，ZKS－100砂漿凝結時間測定儀，砂漿稠度儀，PHS－25C型pH值測定儀，壓力試驗機。

1.2 試驗方法

1)抗壓強度參照GB 177—1985《水泥膠砂強度檢測方法》進行。

2)同步注漿材料的流動度、稠度和凝結時間可參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行試驗。

3)同步注漿材料的泌水率參照GB/T 3183—1997《砌筑水泥》的附錄A方法進行測定。

4)漿液抗水分散試驗參照DL/T 5177—2000《水下不分散混凝土實驗規程》進行。

2 復合抗水分散劑的研制

2.1 抗水分散劑組分優選

選用膨潤土(BE)、凹凸棒黏土(PL)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)與羥乙基纖維素(HEC)4種外加劑，以膠砂比為0.5，水泥與粉煤灰之比為0.6，水膠比為0.7，摻0.5%FDN為空白水泥砂漿，以適當摻量將4種外加劑摻加到水泥砂漿中，以等稠度法控制用水量，研究4種外加劑對水泥砂漿的抗水分散性能的影響。單摻抗水分散劑具體實驗方案見表2，實驗結果見圖1和圖2。

表2 單摻抗水分散劑實驗方案Table 2 Test program of mixing with anti-water dispersant %

由圖1和圖2可以看出，BE摻量為6.0%的同步注漿普通單液注漿材料具有較好的固結性能，但其抗水分散效果不佳，水陸強度比3 d僅為0.64，28 d僅為0.58。膨潤土的主要成分為蒙脫石族礦物，大量“HO－”與“SiO－”基活性基團覆蓋其表面，水解后在漿體中會形成卡屋結構，對注漿材料的穩定性有很大的提升。此外，膨潤土還具有吸水性、膨脹性和觸變性，吸水后能增大漿體的黏度，提高漿體的保水性能，但其吸水達到飽和后，對外界水源的抗分散性能較差，不能達到水下不分散的效果［7］。

圖1 單摻抗水分散劑對漿液不同齡期水中及陸地強度的影響Fig.1 Influence of mixing with anti-water dispersant on the amphibious strength of grout of different ages

圖2 單摻抗水分散劑對漿液pH值的影響Fig.2 Influence of mixing with anti-water dispersant on pH value of grout

PL摻量為6.0%的2號同步注漿材料的力學性能較摻BE的1號漿材更好，無論是水中強度還是陸地強度都略高出1號，但其抗水分散效果依然不佳，28 d水陸強度比僅為0.64。凹凸棒黏土主要成分為坡縷石，理想化學成分為Mg5Si8O20(OH)2(H2O)4·nH2O，成分中常有Al，Fe混入，Al2O3替代部分MgO，凹凸棒石具有獨特的介于鏈狀結構和層狀結構之間的中間結構，晶體呈針狀、纖維狀和纖維集合狀，具有很大的比表面積和吸附能力。凹凸棒黏土的這種特有的針狀晶體纖維在未受到破壞的情況下，形成像樹枝一樣錯綜交叉的束狀集合體，具有很大的表面積和吸附力，而且很難分散; 但是單獨摻入凹凸棒黏土時，光靠這種纖維狀集合體又不能起到凝聚作用，抗水分散作用不明顯［8］。

HPMC與HEC都是纖維素醚的一種，其分子中的羥基和醚鍵具有強烈的親水性，羥基與醚鍵上的氧原子會與水分子共同反應產生氫鍵，并在溶液中形成立體網絡結構，這種立體網絡結構與水泥水化產物的網絡結構之間互相交織［9－10］。纖維素醚分子與水泥水化產物之間相互吸附，同時產生所謂“復合疊加效應”使水泥漿的黏稠度大大提高，從而達到飽水增稠的效果，并進一步起到抗水分散的作用。在摻量為0.4%的HPMC與HEC的同步注漿普通單液注漿材料的28 d水陸強度比分別達到了0.89與0.87，其抗水分散性能非常好。但是HPMC與HEC的摻入都會導致漿材的抗壓強度極大程度地下降，與空白樣相比，其陸地強度僅為1/3或更低，這是因為HPMC與HEC的摻入都會顯著影響水泥漿的孔結構。有研究指出，一定摻量的纖維素醚會顯著增加水泥漿50 nm以上幾乎所有孔徑的數量，增加總孔體積，降低表觀密度，故纖維素醚的摻入通常會降低水泥漿的強度。與HPMC相比，HEC水溶液的表面張力較小，在水泥漿中引入的氣泡相對較少，故對水泥漿強度的影響相對較小［11］。

從上述4種外加劑對同步注漿材料抗水分散性能改善效果的比較來看，HPMC與HEC的摻入能夠很好地保證漿液的抗水分散性能，3號和4號試樣的28 d水陸強度比分別達到0.89與0.87，是空白樣水泥砂漿的2倍，而相較摻BE與PL的1號和2號試樣也高出0.24～0.30，由此可得出4種外加劑其抗水分散性能優劣順序為HEC＞HPMC＞PL＞BE。圖2中相應pH值的變化也符合此順序，抗水分散性能越好，漿液pH值越接近中性。

2.2 復摻外加劑對同步注漿材料抗水分散性能的影響

由2.1節的單摻外加劑對同步注漿材料抗水分散性能的試驗結果可以看出，HPMC與HEC 2種有機絮凝劑對同步注漿材料的抗水分散性能有很好的改善作用，但其水、陸抗壓強度大幅降低。雖然其水陸強度比有明顯的提升，但28 d陸地抗壓強度比空白試驗強度損失分別達到69%與64%，28 d水中強度的損失也分別達到27%與15%;而BE與PL 2種無機增稠劑雖然不會對注漿材料的抗壓強度造成較大程度的降低，但其對漿液抗水分散性能的提升亦不明顯，與空白試樣相比，28 d水陸強度比僅分別增大0.21與0.27。而一般來說，水下抗分散的注漿材料的28 d水陸強度比要求大于80%，才能滿足在地下斷面水壓高的盾構隧道同步注漿要求。因此，取上述4種外加劑進行復摻，研究其外加劑復摻對同步注漿材料抗水分散性能的影響。復摻抗水分散劑實驗方案見表3，實驗結果見圖3和圖4。

表3 復摻抗水分散劑實驗方案Table 3 Test program of combined admixture of anti-water dispersants %

圖3 復摻抗水分散劑對漿液不同齡期水中及陸地強度的影響Fig.3 Influence of combined admixture of anti-water dispersants on the amphibious strength of grout of different

圖4 復摻抗水分散劑對漿液pH值的影響Fig.4 Influence of combined admixture of anti-water dispersants on pH value of grout

由圖3和圖4的試驗結果可以看出:1)2種無機增稠劑復摻的5號試樣的抗水分散性能的提升依然不明顯，28 d水陸強度比僅達到0.60，甚至低于僅摻PL的2號試樣。2)2種有機絮凝劑復摻的6號試樣雖然抗水分散性能良好，但強度大幅降低的問題依然沒有得到解決，28 d水中與陸地的抗壓強度分別僅為1.80 MPa與2.05 MPa，與空白試樣相比強度損失達到29%與70%。3)7—10號4組為無機增稠劑與有機絮凝劑兩兩復合的試樣，其各自水陸強度比得到了極大的提高，28 d水陸強度比均遠超過0.80，9號樣品甚至達到0.91。4)4組試樣的抗壓強度并沒有太大的降低，28 d陸地強度僅損失15%左右，且3 d的陸地抗壓強度反而高出空白試樣，水中強度則比空白試樣增加1倍以上。綜上所述，這4組復摻的外加劑均能非常顯著地提升同步注漿材料的抗水分散性能，而同時又不會對其抗壓強度造成太大程度的降低。

分析認為，抗水分散主要表現為一個絮凝的過程。HPMC與HEC是含有長鏈結構的高分子化合物，它在水泥細顆粒體系中，能夠將水泥顆粒吸附到分子鏈上，能對漿液中的水泥與粉煤灰等細粉顆粒起到不同程度的凝聚作用;BE依靠其吸水溶脹性，在水解后于水溶液中能形成卡屋結構，使漿液的穩定性得到極大的改善;而PL更是依靠其特有的針狀晶體纖維，在溶液中形成了縱橫交錯的樹杈狀“橋梁結構”，具有很強大的吸附力，然而這種吸水溶脹性或吸附力在其單獨被摻入到水泥砂漿中時，又不能對砂漿產生抗水分散作用的效果。

但是，當BE或PL與有機絮凝劑一同復合摻入砂漿中時，許多被有機絮凝劑凝聚的細粉顆粒會在BE或PL的作用下連接在一起，形成一定程度的穩定網絡結構，細小的凝聚體會生成大體積的絮凝物，兩者相互作用形成有巨大凝聚力的集合體，這種集合體不僅能包裹水泥等細顆粒，而且還能包裹砂粒等大顆粒，從而防止漿液在水下分散［12］。同時，有機絮凝劑摻量的降低也使漿液中引入的氣泡數量降低，對水泥砂漿的孔結構影響程度有所下降，而無機材料BE與PL均具有非常大的比表面積，在對水泥砂漿保水穩定性進行提升的同時，還能填充漿液中的部分空隙，使漿液達到更為密實的狀態。因此，有機－無機復摻的抗水分散劑能夠使漿液具有非常優異的抗水分散性能。

2.3 復摻抗水分散劑對同步注漿材料工作性能的影響

選取2.2節7—10號試樣，對其流動度與泌水率進行測試，其結果見圖5。

由圖5可以看出:1)摻加了無機增稠劑與有機絮凝劑的7—10號試樣，雖然其抗水分散性能與力學強度均能滿足地下高水壓的環境，保證管片襯砌的穩定性，但是漿液的工作性能并不理想，初始流動度均在185 mm左右，并且流動度經時損失大，1 h后流動度均降至160 mm以下，3 h后幾乎無流動度，說明漿液的可用時間短，保塑性能差。2)4組試件雖然流動度不佳，但用水量卻并不少，雖然加入了能提升保水效果的增稠劑，但依然導致漿液泌水率偏大，工作性能差。4組試樣的泌水率在4%～6%，不同程度地高出設計指標，即說明漿液的保水效果不理想，這與用水量有直接關系。

由此可知，雖然復合抗水分散劑會使漿液具有優異的抗水分散性能與不低的力學強度，但其對漿液工作性能的不利影響應該得到正視。因此，必須選擇適宜與復合抗水分散劑同時使用的，能充分達到減水及保塑性能的高效減水劑，才能最終復配形成適宜同步注漿材料的最優高效復合外加劑。

3 同步注漿高效復合外加劑的研制

3.1 外加劑復摻設計

選取2.2節的7號與10號外加劑，即BE(3.0%)+HPMC(0.2%)與 PL(3.0%)+HEC(0.2%)，并記為ADA－1與ADA－2，選用FDN減水劑(FDN)、聚羧酸減水劑(PC)、葡萄糖酸鈉(GAS)進行減水劑與抗水分散劑的復配，按不同組成配比制成復合外加劑。復合外加劑的組成如表4所示。

表4 復合外加劑的組成Table 4 Composition of compound additives

以膠砂比為0.4，水泥與粉煤灰之比為0.6，水膠比為0.7為空白砂漿，摻加復合外加劑進行流動度、稠度、凝膠時間、泌水率、固結強度、抗水分散等性能試驗，確定最佳的高效復合外加劑。

3.2 實驗結果與分析

見圖6—9。

圖6—9的數據結果顯示，HMA復合外加劑能大大延長普通硅酸鹽水泥同步注漿材料的凝結時間，能有效改善流動度，減小泌水率，提高抗水分散性能。其中HMA－1，HMA－2的初始流動度較大，而1 h后流動度損失相對明顯，說明這2種外加劑的減水效果明顯但保塑效果不好，不適合配置長時間可用的注漿材料。且漿液的稠度值也偏小，不在9～10.5 cm內，此為注漿材料需滿足防止管片上浮要求的材料性能指標之一。

HMA－3，HMA－4的初始流動度為185 mm左右，相對來說初始流動性能較差，但其流動度經時損失非常小，1 h后流動度還有180 mm左右，說明其保塑效果好，適合配置長時間可用的注漿材料。HMA－5，HMA－6的初始流動度和流動度經時損失都非常理想，初始流動度達到210 mm，而1 h后流動度依然有200 mm左右，初凝時間在9 h以上，非常適合用來配置長時可用的注漿材料，此外其稠度與泌水率也在性能指標范圍內，28 d水陸強度比達到0.91，說明其抗水分散性能非常好，非常適合用來制備高水壓條件下的盾構隧道同步注漿材料。

圖6—9中的數據顯示，HMA－5與HMA－6在各項性能上都非常優異，且兩者之間差異較小，但HMA－5中的ADA－1價格約為HMA－6中ADA－2價格的1.2倍。因此，綜合經濟性考慮，HMA－6最適合用來配制高性能同步注漿材料。圖10與圖11為空白試樣與HMA－6的抗水分散試驗效果圖。

圖10 空白試樣的抗水分散試驗Fig.10 Anti-water dispersion test of blank sample

圖11 HMA－6試樣的抗水分散試驗Fig.11 Anti-water dispersion test of HMA －6 sample

由圖10與圖11可以明顯看出，空白試樣倒入量筒后上層水面明顯渾濁，而HMA－6試樣倒入量筒后，上層水面始終保持澄清透明，說明其抗水分散性能優異。同時，從圖8可知，空白試樣pH值為13.0，而HMA－6試樣的pH值僅為9.0，這也說明其抗水分散性能良好。

4 結論與建議

1)BE，PL，HPMC和HEC這4種外加劑均能改善同步注漿材料的抗水分散性能，從試驗效果的比較來看，4種外加劑優劣順序為HEC＞HPMC＞PL＞BE;當采用3.0%的PL或 BE復合0.2%的 HEC或 HPMC復摻入同步注漿材料中，能夠使注漿材料的抗水分散性能大大提升，同時復合外加劑的摻入對砂漿力學性能的影響較小。

2)采用PC，GAS復配ADA－1，ADA－2的高效減水保塑復合外加劑能充分發揮其減水、保塑、絮凝及橋接等作用，配制出的同步注漿材料工作性能好，初始流動度可達210 mm，流動度經時損失極小，能有效防止管片的上浮，稠度值為10左右，泌水率幾乎為0，抗水分散效果好，28 d水陸強度比可達0.90以上，說明研制的復合外加劑非常適合用來配置高性能同步注漿材料。

3)所提出的有機－無機復摻制備高效抗水分散劑的方案可進行推廣和延伸應用，通過摻量的調整能控制注漿材料的稠度，以適應不同黏粒含量的盾構泥砂對高性能同步注漿材料性能的影響。同時，還可使用不同的有機、無機增黏劑的復配方案配制出性能更優良的抗水分散劑。

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