不同混凝劑及其組合對自密實砂漿工作性能的影響研究

張 武，劉 微，呂 淼

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣東 510635；2.重慶交通大學，重慶 400074；3.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

盾構技術，因有施工安全、快速、勞動強度低和對環境影響小等優點，越來越廣泛地應用于城市地鐵和輸水隧洞地施工。壁后注漿屬于盾構施工法的主動控制地層沉降減少對周圍環境影響的重要措施之一，是盾構施工的一道關鍵工序，直接影響到注漿成本、注漿效果、注漿工藝等一系列問題[1]。一般而言，壁后注漿的主要目的有3點[2]：① 防止地層變形。及時填充盾尾空隙，減少地表的變形，以免因空隙的存在導致地層發生較大變形。② 提高隧洞的抗滲性。注漿漿液凝固后具有一定抗滲性能，可作為隧洞的第一道止水防線。③ 提高襯砌管片穩定性。漿液具備一定早期強度，能及時填充盾尾空隙，確保管片襯砌的早期和后期穩定性。然而，對于需要利用地層實現聯合受力的高壓輸水盾構隧洞，壁后注漿還具有特殊的目的：壁后注漿漿液硬化后形成的注漿層能較好的提供地層抗力。

為了實現上述壁后注漿的目的，注漿材料必須迅速、準確地充填盾尾空隙，這便要求注漿材料性能必須滿足[3]：① 充填性好，在施工過程中不會流竄到盾尾空隙以外的其他領域，不漏失到掘削面及圍巖土體中去。② 漿液流動性好、離析少，在一定時間范圍內，流動性經時損失較小。③ 漿液硬化后的滲透系數要小。④ 壁后注漿層強度較高，其數值與盾構隧洞周圍地層相當。⑤ 漿液硬化后的體積收縮率要小。

如今，盾構隧洞注漿材料發展較為成熟，其種類數以百計，但要求盾構隧洞壁后注漿漿液硬化后強度較高，體積收縮率較小，依靠壁后注漿層，充分利用地層抗力實現聯合受力的鮮有提及。砂漿的強度及體積收縮率等性能較好，但流動性差，將導致注漿泵壓升高，使注漿出現困難。同時砂漿穩定性差，則易離析分層，在注漿過程中會導致堵管，不僅影響注漿效果，也會拖慢施工進度。可考慮選用流動性較好的自密實砂漿作為注漿材料。自密實砂漿因其較好的流動性，主要應用于特別狹窄無法振搗的工程部位[4]，其凝結時間因使用的外加劑的不同大多在2～4 h左右。工程中，對注漿材料凝結時間的要求因工程條件的不同而有所不同，一般為10～24 h。在設計使用自密實砂漿作為注漿材料使用時，可添加緩凝劑以達到延長凝結時間的目的。但是，自密實砂漿的工作性能對原材料的品種和用量十分敏感，原材料品種或添加量稍有不同，其工作性能變化便會很大。目前，市場上緩凝劑種類繁多，如何選擇適宜的緩凝劑以達到保證其自密實性能并有效增大自密實砂漿凝結時間的目的成為一個關鍵問題。

本文通過試驗對檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉復合使用、檸檬酸鈉與白糖復合使用的情況進行研究，著重對比幾種緩凝劑的摻量對自密實砂漿流動度、稠度、流動度經時損失、稠度經時損失、初凝時間這幾個指標的影響，為自密實砂漿的生產和應用提供參考。

1 試驗原概況

1.1 試驗原材料

水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為F類Ⅱ級粉煤灰。砂為河砂，密度為2.62 g/mm3，細度模數為2.3，屬中砂，其級配曲線如圖1所示。減水劑為聚羧酸高性能減水劑，水為常溫自來水。緩凝劑選用檸檬酸鈉，并將檸檬酸鈉分別與葡萄糖酸鈉、白糖進行復配使用。試驗中所使用的緩凝劑均為粉體原料(如圖2所示)，在進行復配時，兩種緩凝劑的質量比為1:1。文中摻量均指緩凝劑質量占膠凝材料質量的比例。

圖1 河砂樣本篩分曲線示意

(a)檸檬酸鈉 (b)葡萄糖酸鈉 (c)白糖

1.2 試驗儀器與方法

采用JJ-5型砂漿攪拌機進行攪拌，自密實砂漿的流動度、稠度、凝結時間均按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)中的方法進行測定。設置1組未摻加緩凝劑的自密實砂漿作為對照，對于拌合出的自密實砂漿，分別在0 h、2 h、6 h時對其工作性能進行檢測。除攪拌試驗外，取相同質量的檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物、檸檬酸鈉與白糖混合物分別溶于500 mL水中靜置，觀察各溶液穩定性。

1.3 配合比設計

未摻緩凝劑時，自密實砂漿原始配合比見表1所示。以此配合比所配制出的砂漿，3 d標準立方體抗壓強度為23.40 MPa，7 d標準立方體抗壓強度可達到32.97 MPa。

表1 自密實砂漿配合比 kg/m3

上述配合比的自密實砂漿，分別摻入檸檬酸鈉(摻量為0.03%，0.05%，0.08%，0.10%，0.12%)、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉復配使用(摻量為0.03%，0.05%，0.08%，0.10%，0.12%)、檸檬酸鈉與白糖復配使用(摻量為0.03%，0.05%，0.08%，0.10%，0.12%)，并設計1組無緩凝劑的對照組，共進行了16組。

2 試驗結果與分析

2.1 緩凝劑與水的相溶性

檸檬酸鈉、葡萄糖酸鈉、白糖均易溶于水，將檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物、檸檬酸鈉與白糖混合物放入水中后，很快形成無色透明溶液。在2 h、6 h、24 h后分別觀察各溶液性狀，各溶液穩定性良好。在48 h后，檸檬酸鈉與白糖溶液中出現少許絮狀沉淀物，另兩組溶液未有變化。

2.2 對流動度的影響

從圖3可以看出，隨著緩凝劑的用量增加，在檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物作用下，新拌自密實砂漿的流動度呈下降趨勢，而檸檬酸鈉與白糖混合物在少量摻加的情況下，新拌自密實砂漿流動度略有增大，但隨后也呈現出下降趨勢。

圖3 不同摻量緩凝劑對新拌自密實砂漿流動度的影響

在2 h后，未摻加緩凝劑的對照組流動度明顯減小，而摻加緩凝劑的幾組自密實砂漿流動度均增大。如圖4所示，檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物的摻量對自密實砂漿2 h流動度的影響規律基本相同，但摻加檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物的各組自密實砂漿2 h流動度均大于摻加檸檬酸鈉的各組自密實砂漿。摻加檸檬酸鈉與白糖混合物的幾組流動度雖大于其他各組，但穩定性較差，漿體出現離析現象。

圖4 不同摻量緩凝劑對自密實砂漿2 h流動度的影響

在6 h后，未摻加緩凝劑的對照組已失去流動性能。摻加檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物的各組仍有較好的流動性，從圖5中可以看出，在摻量大于0.05%時，摻加相同緩凝劑的各組流動度已基本相同。而摻加檸檬酸鈉與白糖混合物的各組雖流動度相對較大，漿體仍然有離析現象。

圖5 不同摻量緩凝劑對自密實砂漿6 h流動度的影響

2.3 對稠度的影響

表2為不同緩凝劑摻量下自密實砂漿的0 h稠度、2 h稠度、6 h稠度，在試驗中試配的摻量下，檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉混合物、檸檬酸鈉與白糖混合物對自密實砂漿的稠度略有影響，但影響不大。從表2中可以看出，摻加緩凝劑的各組自密實砂漿在6 h后均還保有較大的稠度值，這使自密實砂漿在較長的時間范圍內具有可施工性。

表2 不同緩凝劑摻量對自密實砂漿稠度的影響 mm

2.4 對初凝時間的影響

從圖6可以看出，檸檬酸鈉對自密實砂漿的凝結時間有一定的影響，且并非摻量越大緩凝效果越佳，其緩凝效果在摻量為0.08%時達到峰值。檸檬酸鈉與葡萄糖混合物能有效延長自密實砂漿的初凝時間，隨著摻量的增大，凝結時間曲線呈總體上升趨勢，但在超過0.08%后略有下降。檸檬酸鈉與葡萄糖混合物也有較好的緩凝效果，且在本次試驗中，呈現出摻量越大緩凝效果越佳的趨勢。

圖6 不同摻量緩凝劑對自密實砂漿凝結時間的影響

3 結語

1) 對于需要充分利用地層抗力實現聯合受力的高壓輸水盾構隧洞，壁后注漿材料有了更高的要求。除了要滿足充填性好，漿液流動性好、離析少，漿液硬化后的滲透系數要小的要求之外，還需滿足漿液硬化后強度較高、體積收縮率小的要求。本文考慮選用流動性較好的自密實砂漿作為注漿材料，通過試驗對檸檬酸鈉、檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉復合使用、檸檬酸鈉與白糖復合使用的情況進行研究，為類似壁后注漿材料的生產和應用提供重要參考。

2) 檸檬酸鈉會使新拌砂漿的流動度變小，2 h后，自密實砂漿流動度略有提升，且在6 h后也能保有較好的流動性。檸檬酸鈉的摻量并非越多越好，摻量過大會造成自密實砂漿流動性變差，緩凝效果也會變差，其流動度與初凝時間都在摻量為0.08%達到峰值。

3) 檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉復配使用會使新拌自密實砂漿流動度減小，但在2 h后，自密實砂漿的流動度會有所提升，且在6 h后自密實砂漿仍能保有較好的工作性能。在一定摻量范圍內，檸檬酸鈉與葡萄糖酸鈉復配使用可以延長自密實砂漿的初凝時間。

4) 檸檬酸鈉與白糖復配使用能有效增大自密實砂漿的流動度，并能有效延長自密實砂漿的初凝時間，但摻量較大時，拌合出的自密實砂漿穩定性較差、易離析，工程適用性差。