粉質黏土替代膨潤土改性泥漿配比試驗

王昭鵬, 趙文, 王志國, 王鑫

(東北大學資源與土木工程學院, 沈陽 110819)

盾構施工方法分為泥水平衡盾構和土壓平衡盾構,由于泥水平衡盾構施工造價高,有環(huán)保隱患等缺點,除穿江跨海和水下隧道考慮泥水平衡盾構外,陸域隧道一般采用土壓平衡盾構。在使用土壓平衡盾構施工時,核心技術之一就是要把刀盤開挖下來的土體進行渣土改良,使其達到一種“塑性流動狀態(tài)”,使得渣土在土倉內建立有效平衡,以確保盾構機順利向前推進。

國內外學者對土壓平衡盾構渣土改良進行了大量的研究,針對盾構渣土改良難題,從渣土改良劑類型及技術參數、渣土改良評價指標及確定方法等方面進行了詳細的剖析[1]。同時,對于黏土-砂礫復合地層[2]、砂土地層[3]、富水卵石層[4]、砂卵石地層[5-6]、黏土地層[7-8]等不同地層采用泡沫、膨潤土或分散劑作為改良劑,通過室內試驗或模擬盾構試驗系統(tǒng)的方法給出了改良的最佳配比。Peila等[9-10]對土壓平衡盾構渣土改良常用的室內試驗方法進行了闡述,并表明坍落度試驗是一種快速且低成本的方法,可以在實驗室和工作現場進行運用。邱龑等[11]對富水砂層進行渣土改良試驗,結果表明改良后的渣土坍落度在190～200 mm時的和易性較好,滿足施工要求。肖云之[12]對粉質黏土地層進行渣土改良研究,試驗和工程實踐表明改良渣土坍落度在140～160 mm時具有良好的流塑性。熊歡等[13]利用塌落度試驗,推導考慮塌落度桶形狀效應的盾構渣土屈服應力改進預測模型,證明了坍落度試驗的適用性。綜合研究表明,改良渣土的坍落度應控制在140～200 mm,此時改良渣土的和易性、保水性、流塑性等均能滿足施工要求。

在利用工程廢棄材料改良渣土方面,也有學者進行了嘗試。王大永等[14]提出將廢黏土與膨潤土泥漿混合應用于粉細砂、細砂、粗砂地層渣土改良施工,研究表明,當黏土∶膨潤土∶水=4∶1∶4時,能夠滿足現場需要。姜騰等[15]采用填土、淤泥質粉質黏土、膨潤土分別與泥漿增黏劑混合配漿,每1 000 m3泥漿增加添加劑5.1～8.5 t,泥漿黏度提升至19.5～38.1 s,泌水率降低至1.2%～5.1%,能夠滿足粉細砂地層渣土改良施工。梅源等[16]對富水礫砂層添加質量分數為11%、注入比為20%的膨潤土泥漿,并摻入50%的Q3黃土,改良效果滿足現場要求。

在粉質黏土地層開挖基坑或進行盾構施工時,會產生大量廢棄粉質黏土,現有處理方法主要將其用于燒結磚、壁后注漿或者消納棄置等,存在利用率低、不符合環(huán)保標準等隱患,亟須一種利用率高、轉運方便的處理方式。基于此,現提出一種利用廢棄粉質黏土調制泥漿改良盾構渣土的新方案,根據前人的研究成果[17],擬選用不同的外加劑[18](六偏磷酸鈉、碳酸鈉、硅酸鈉、焦磷酸鈉)對粉質黏土泥漿進行改性,分析土水比、外加劑種類及摻量對粉質黏土泥漿漏斗黏度、酸堿度、濾失量以及膠體率的影響,通過掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)對粉質黏土泥漿改性前后的微觀結構進行分析,并將改性后粉質黏土泥漿作為改良劑進行渣土改良室內試驗,驗證改性粉質黏土泥漿改良盾構渣土的可行性。

1 試驗材料

1.1 粉質黏土

選用沈陽地鐵六號線開挖的粉質黏土作為原材料,對粉質黏土的基本性質進行了測定,結果如表1所示。該土樣塑性指數為11.4,屬于低液限粉質黏土,采用篩析法和密度計法對顆粒粒徑級配進行測定,如圖1所示,小于75 μm的顆粒約占總土質量的99%,小于5 μm的黏粒約占總土質量的24%。

圖1 顆粒粒徑級配曲線

表1 粉質黏土基本性質

對粉質黏土進行X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)試驗,對其中的礦物含量進行測定,結果如圖2所示,可以看出粉質黏土中的主要礦物以石英和高嶺石為主。

圖2 粉質黏土XRD試驗結果

1.2 外加劑

選用六偏磷酸鈉、碳酸鈉、硅酸鈉和焦磷酸鈉4種外加劑分別對粉質黏土泥漿進行改性試驗。為了增加粉質黏土泥漿的黏度、膠體率等性質,需要使粉質黏土泥漿的結合水增加,懸浮性和穩(wěn)定性增強,這要求粉質黏土的比表面積增加,顆粒粒徑變小,這4種外加劑常用作黏土分散劑使用,可以有效將聚集在一起的粉質黏土團聚體分散,提高其比表面積,因此采用如表2所示的外加劑。

表2 試驗用化學試劑

2 粉質黏土泥漿改性試驗

2.1 試驗方案及儀器

為了探究在不添加外加劑的情況下粉質黏土泥漿是否能夠達到改良劑的效果,分別選用1∶6、1∶4、1∶3、1∶2、2∶3、9∶11、1∶1共7種土水比的泥漿進行試驗,同時研究土水比對粉質黏土泥漿性質的影響。對于改性泥漿試驗,根據預實驗選用2∶3、9∶11、1∶1共3種土水比,外加劑的摻量(外加劑與粉質黏土質量之比)分別為0.1%、0.5%、1%、3%和5%,分別對泥漿的漏斗黏度、酸堿度、濾失量和膠體率進行試驗,如表3所示。

表3 改性粉質黏土泥漿試驗方案

(1)黏度測定。采用蘇式漏斗黏度計測量泥漿的漏斗黏度,蘇式漏斗黏度是指從第一滴泥漿滴落開始到滴滿500 mL量杯為止的時間,單位為s。

(2)pH測定。利用PHS-25型實驗室pH計測量泥漿酸堿度,將測量棒插入泥漿中,待讀數穩(wěn)定后讀取pH。

(3)濾失量測定。利用ZNS-2A型中壓失水儀測量泥漿濾失量,從第一滴水滴落開始計時,30 min后量筒中的水量即為濾失量,單位為mL。

(4)利用100 mL量筒測量泥漿膠體率,將泥漿倒入100 mL量筒,靜置24 h后讀取沉淀泥漿的數值,其與100 mL比值百分比即為膠體率。各儀器如圖3所示。

圖3 試驗儀器

圖4 粉質黏土泥漿膠體率

2.2 粉質黏土泥漿性質試驗

對于改良劑泥漿的性質,并沒有統(tǒng)一標準,結合已有盾構渣土改良研究結果[19],合理改良劑泥漿的漏斗黏度為40～90 s,酸堿度為8～10,濾失量小于20 mL,膠體率大于96%。綜合對比可知碳酸鈉和焦磷酸鈉對泥漿的改性效果較好,摻入量為1%～3%時泥漿各項性質滿足要求。

如表4所示,隨著粉質黏土泥漿的土水比增大,泥漿的漏斗黏度和膠體率明顯增長,酸堿度和濾失量呈下降趨勢,當土水比為2∶3時,漏斗黏度最大為20 s,酸堿度最大為7.97,濾失量最小為70 mL,膠體率最大為84%。

表4 粉質黏土泥漿性質

試驗中各指標均不滿足改良劑的性質要求,說明直接使用粉質黏土泥漿無法滿足渣土改良要求,應添加外加劑對粉質黏土泥漿進行改性。

2.3 改性粉質黏土泥漿性質試驗

通過4種外加劑共60組試驗,發(fā)現不同外加劑對泥漿的性質影響程度不同但規(guī)律相似,采用碳酸鈉與焦磷酸鈉的泥漿改性結果如下。

2.3.1 碳酸鈉改性粉質黏土泥漿

如圖5所示,隨著碳酸鈉摻量的增加,泥漿的漏斗黏度先增大后趨于穩(wěn)定,酸堿度逐漸提高,濾失量先減小后增加;土水比1∶1和9∶11的泥漿漏斗黏度相近且明顯大于土水比2∶3的泥漿,最大漏斗黏度為64 s,酸堿度和濾失量3組土水比泥漿之間相差不大,酸堿度最大為10.49,濾失量最小為8 mL,泥漿膠體率基本符合要求。

圖5 泥漿性質與碳酸鈉摻量關系

綜上所述,土水比為9∶11、碳酸鈉摻量為3%的改性泥漿漏斗黏度為60 s、酸堿度為10、濾失量為8.8 mL、膠體率為100%,能夠滿足改良劑基本性質的要求,且摻加碳酸鈉的泥漿均勻,不易沉淀,穩(wěn)定性較好,因此碳酸鈉的效果明顯。

2.3.2 焦磷酸鈉改性粉質黏土泥漿

如圖6所示,隨著焦磷酸鈉摻量的增加,泥漿的漏斗黏度和酸堿度呈上升趨勢,濾失量先降低后趨于穩(wěn)定,膠體率滿足要求;土水比1∶1泥漿的漏斗黏度明顯大于其余兩個土水比的泥漿,3種土水比泥漿的酸堿度大致相同,土水比1∶1的泥漿濾失量較另兩者更小。

圖6 泥漿性質與焦磷酸鈉摻量關系

綜上所述,土水比9∶11、焦磷酸鈉摻量3%的改性泥漿漏斗黏度為92 s,酸堿度為8.78,濾失量為10 mL,膠體率為100%,焦磷酸鈉對泥漿改性的效果較好。

2.3.3 外加劑改性效果對比

由圖5、圖6可知,碳酸鈉和焦磷酸鈉對泥漿黏度的改性效果,并非隨著摻量的增加而持續(xù)提升,當外加劑摻量大于3%時性質變化緩慢,這是由于當外加劑的摻量在1%～3%時,此時外加劑的可以充分作用在粉質黏土上,使其結構和成分充分發(fā)生變化,當外加劑超過其摻量的合理范圍后,由于粉質黏土的量一定,即使外加劑摻量繼續(xù)增加,粉質黏土泥漿的性質變化幅度也不大。

選取土水比為9∶11的泥漿,研究不同外加劑類型對泥漿性質的影響程度,如圖7所示。

圖7 不同外加劑對粉質黏土泥漿性質的影響

4種外加劑對泥漿性質均有影響,除六偏磷酸鈉摻量與泥漿的酸堿度呈負相關外,其余隨著外加劑摻量的增加,泥漿的漏斗黏度、酸堿度和膠體率均增大,濾失量先減小后趨于穩(wěn)定。焦磷酸鈉對泥漿漏斗黏度的影響程度最大,硅酸鈉對酸堿度的影響最大,碳酸鈉對濾失量和膠體率的影響最大。

3 微觀結構分析

為研究外加劑對粉質黏土泥漿的改性作用機理,采用捷克Tescan MIRALMS掃描電子顯微鏡,分別對膨潤土泥漿、粉質黏土泥漿、碳酸鈉改性粉質黏土泥漿和焦磷酸鈉改性粉質黏土泥漿的微觀結構進行觀察,放大倍數為2萬倍,如圖8所示。

黃框內結構表示典型的特征結構

陳宇龍[20]提出了土顆粒排列方式可分為紊流結構、層流結構、粒狀堆積結構和膠結式結構等,如圖8所示,膨潤土泥漿的結構單元以片狀和扁平狀為主,少量粒狀顆粒鑲嵌在這些結構上,整體形態(tài)呈波狀和褶皺狀,屬于紊流結構。結構間的接觸主要為面-面接觸和邊-邊接觸,土顆粒之間相互聯(lián)結緊密,形成了連續(xù)的膠體結構。粉質黏土泥漿的結構以大小不同的片狀為主,相比于膨潤土,粉質黏土的結構單元排列整齊、間距大,整體形態(tài)以層狀排列為主,屬于層流結構。結構間的接觸以邊-面接觸和邊-邊接觸為主,土顆粒之間接觸不穩(wěn)定,致密性差,在水和離子的作用下結構易絮凝導致沉淀。

王永東[21]、徐日慶等[22]、張彥召[23]通過掃描電鏡對黏土的結構進行了分析,分析了微觀參數與宏觀指標之間的關系。黏土礦物顆粒的表面往往帶有一定量的負電荷,在靜電引力作用下水分子和水溶液中的陽離子被吸附在黏土周圍形成雙電層結構。受泥漿酸堿度的影響,當泥漿堿性增大時,土顆粒表面和邊緣的羥基離解程度增大,凈負電荷數增加,雙電層厚度增大。由于碳酸鈉和焦磷酸鈉均為強堿弱酸鹽,摻入后使泥漿堿性增強,黏土顆粒表面的負電荷增多,顆粒間的靜電斥力增大,黏土顆粒分散成更小的土粒,比表面積增加,土顆粒水化作用所需的結合水增加,自由水減少,宏觀表現為泥漿的黏度增大、滲透性降低。同時由于低價鈉離子代替了泥漿中高價鈣、鎂離子,使土顆粒的雙電層厚度進一步增加,顆粒間的斥力增大,泥漿的膠體率增大,穩(wěn)定性增強。當外加劑達到一定濃度,雙電層厚度增加到高價離子完全被低價離子置換,吸附量飽和,分散效果不再增加。

由圖8(c)和圖8(d)可知,在碳酸鈉和焦磷酸鈉的作用下,粉質黏土泥漿顆粒間的接觸方式向更接近于膨潤土的面-面接觸轉化,顆粒整體形態(tài)類似于膨潤土的波狀和褶皺狀,漿液性質顯著提升,說明外加劑的改性效果較好。

4 改性粉質黏土泥漿渣土改良試驗

對沈陽地鐵六號線地鐵盾構區(qū)間礫砂地層進行渣土改良試驗,含水率為4.39%。選取上述試驗中改性效果較好的兩組(土水比9∶11、碳酸鈉摻量3%和土水比9∶11、焦磷酸鈉摻量3%)粉質黏土泥漿作為改良劑,進行渣土改良試驗。坍落度作為渣土改良試驗中常用的指標,不僅測量方便、簡單,而且可以反映出渣土的和易性、保水性、黏性、塑性等多個性質,坍落度是一個渣土綜合性質的體現,因此采用坍落度這個指標來評價改良渣土。

如圖9所示,使用土水比9∶11,碳酸鈉摻量3%的粉質黏土泥漿作為改良劑進行渣土改良試驗,注入比22%和24%的改良效果不佳,坍落度桶提起后仍呈直立狀態(tài),流動性不滿足要求;注入比26%時的坍落度為97 mm,隨著粉質黏土泥漿的加入,改良效果有所改善;注入比28%時的坍落度為169 mm,流動性、塑性、黏性較好,改良效果明顯。

圖9 碳酸鈉改性粉質黏土泥漿渣土改良試驗

如圖10所示,使用土水比9∶11,焦磷酸鈉摻量3%的粉質黏土泥漿作為改良劑進行渣土改良試驗,注入比為22%時,坍落度為155 mm;注入比為24%時,坍落度為180 mm;注入比為26%時,坍落度為158 mm;注入比為28%時,坍落度為192 mm。當注入比在24%～28%時,渣土改良的效果較好,渣土的流動性、塑性、保水性以及黏性均能達到渣土改良的要求。

圖10 焦磷酸鈉改性粉質黏土泥漿渣土改良試驗

綜上所述,在礫砂地層焦磷酸鈉作為外加劑泥漿的改良效果較好,焦磷酸鈉改性粉質黏土泥漿合理注入比在24%～28%。

5 結論

(1)隨著土水比增大,粉質黏土泥漿的漏斗黏度和膠體率增大,酸堿度和濾失量呈下降趨勢。純粉質黏土泥漿自身穩(wěn)定性差、泌水量大,無法有效改良渣土。

(2)碳酸鈉和焦磷酸鈉對粉質黏土泥漿的改性效果較好,摻量過大或者過小均會影響外加劑作用效果,合理摻量為1%～3%。焦磷酸鈉對泥漿的漏斗黏度影響最大,碳酸鈉對濾失量和膠體率影響最大,現場施工時應根據地層條件合理選用外加劑。

(3)在含水率4.39%的礫砂地層進行渣土改良時,應選用焦磷酸鈉摻量為3%、土水比9∶11的改性粉質黏土泥漿,合理注入比24%～28%。

(4)廢棄粉質黏土經過改性后可以作為土壓平衡盾構渣土改良劑使用,研究結果可為廢棄粉質黏土資源化利用提供新的思路。