早強(qiáng)劑對(duì)盾構(gòu)同步注漿結(jié)石體強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

孫士博

(沈陽(yáng)合悅土木工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

盾構(gòu)施工就是在地下隧洞工程施工過(guò)程中利用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧洞的開挖，其鋼殼可以有效防止巖土向隧洞內(nèi)部崩塌，保證開挖面的安全穩(wěn)定，同時(shí)還可以大幅提高施工效率[1]。鑒于該工法相對(duì)于傳統(tǒng)鉆爆法施工存在顯著優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)成為長(zhǎng)距離輸水隧洞建設(shè)的發(fā)展方向。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，由于管片需要在盾構(gòu)鋼殼內(nèi)拼裝，因此兩者之間會(huì)形成一定厚度的環(huán)形空隙。為了約束周邊巖土體和管片位置變形，需要在施工過(guò)程中對(duì)上述縫隙進(jìn)行同步注漿[2]。顯然，盾構(gòu)施工同步注漿的結(jié)石體是管片和土體之間的過(guò)渡性接觸體，其強(qiáng)度對(duì)功能發(fā)揮具有十分重要的作用[3]。因此，為了達(dá)到理想的注漿效果，就必須要選擇凝固更快，漿液結(jié)石體具有較高早期強(qiáng)度的漿液，以有效防止各種工程事故。

早強(qiáng)劑可以有效提升水泥基材料的早期強(qiáng)度，以達(dá)到快速脫模和提高流速的目的，可以充分發(fā)揮在盾構(gòu)同步注漿漿液性能優(yōu)化方面的作用和價(jià)值，因此也一直是水泥基材料研究的重要領(lǐng)域[4]。經(jīng)過(guò)多年研究和發(fā)展，目前已經(jīng)研發(fā)出多種具有突出工程效果和價(jià)值的早強(qiáng)劑。這些早強(qiáng)劑按照其成分不同可以分為有機(jī)類、無(wú)機(jī)類和復(fù)合型等三大類別，不同種類的早強(qiáng)劑其原理和作用機(jī)制也有所不同。基于此，此次研究利用試驗(yàn)的方式，探討常用早強(qiáng)劑單摻和復(fù)摻對(duì)同步注漿結(jié)石體強(qiáng)度的影響，以便為工程應(yīng)用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

盾構(gòu)同步注漿漿液的一般材料包括膠凝材料、骨料、水和各種添加劑。研究中根據(jù)同步注漿的實(shí)際要求和相應(yīng)的施工規(guī)范選擇試驗(yàn)材料。

同步注漿材料一般使用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，此次研究使用的是本溪市平山區(qū)興隆水泥制品廠生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰在同步注漿中可以替代部分水泥，使膠凝材料級(jí)配更合理，同時(shí)改善注漿結(jié)石體的性能。此次研究中使用的是鞍山成達(dá)粉煤灰制品經(jīng)營(yíng)有限公司提供的電廠1級(jí)粉煤灰。

試驗(yàn)用骨料為天然砂，其細(xì)度模數(shù)為2.56，為中砂，含水量為1.5%，含泥量為2.1%，表觀密度為2.60 kg/m3。

試驗(yàn)選擇目前早強(qiáng)混凝土配制中經(jīng)常使用的5種不同類別的早強(qiáng)劑，分別是無(wú)水硫酸鈉、甲酸鈣、三乙醇胺、溴化鈣和三異丙醇胺，上述早強(qiáng)劑均由上海麥克林生化有限公司出品。級(jí)別為分析純。

試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)過(guò)程中，首先按照不同試驗(yàn)方案的配合比要求，稱量好水泥、粉煤灰、骨料、添加劑和水的用量[5]。在漿液的制備過(guò)程中，首先將稱量好的水倒入攪拌鍋，然后加入粉料和外加劑，再將攪拌鍋放在攪拌機(jī)上。每次攪拌的用量應(yīng)該以攪拌鍋體積的30%～70%為宜，如果材料量過(guò)少，會(huì)影響攪拌效果，如果攪拌量過(guò)多，就會(huì)造成攪拌過(guò)程中漿液飛濺[6]。在固定好攪拌鍋之后，在快速擋攪拌180 s，然后加入骨料再攪拌120 s。

此次試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用的是100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。在試件制作過(guò)程中，首先在模具內(nèi)壁均勻涂刷一層脫模劑，然后將配制好的漿液倒入試模，并用搗棒在中心部位均勻插搗20～30次。在插搗過(guò)程中如果漿液面低于試模邊緣高度，要及時(shí)補(bǔ)漿。在漿液初凝之后用刮刀將上表面刮平抹光。試件制作完成后養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期[7]。

試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試采用的是SHT4350型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，在試件快速變形破壞時(shí)記下荷載值，然后計(jì)算獲取試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值[8]。

2 單摻方案試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案

為了研究不同種類早強(qiáng)劑對(duì)漿液結(jié)石體早強(qiáng)作用的影響，試驗(yàn)中根據(jù)不同早強(qiáng)劑的性能、生產(chǎn)廠家推薦摻量以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)綜合確定5種不同的摻量水平進(jìn)行試驗(yàn)，具體的方案設(shè)計(jì)如表1所示。試驗(yàn)中以沒(méi)有摻加早強(qiáng)劑的漿液作為對(duì)照方案。

表1 單摻方案設(shè)計(jì) %

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)不同單摻試驗(yàn)方案試塊在18 h齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度變化曲線，結(jié)果如圖1和圖2所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，研究所選取的5種早強(qiáng)劑在提高漿液結(jié)石體早期強(qiáng)度方面均可以獲得良好的效果，各試驗(yàn)方案的18 h抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值均顯著大于對(duì)比方案。另一方面，從不同的摻量水平來(lái)看，結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度均隨著早強(qiáng)劑摻入量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。其中，無(wú)水硫酸鈉摻量水平3即摻量為2.0%時(shí)的強(qiáng)度最大，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為16.17 MPa和2.91 MPa；甲酸鈣摻量水平4即摻量為2.5%時(shí)的強(qiáng)度最大，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為11.27 MPa和2.03 MPa；溴化鈣摻量水平4即摻量為2.5%時(shí)的強(qiáng)度最大，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為10.68 MPa和1.92 MPa；三乙醇胺摻量水平4即摻量為0.08%時(shí)的強(qiáng)度最大，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為15.09 MPa和2.75 MPa；三異丙醇胺摻量水平2即摻量為0.06%時(shí)的強(qiáng)度最大，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為13.23 MPa和2.42 MPa。從不同種類早強(qiáng)劑試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，無(wú)水硫酸鈉和三乙醇胺的效果最佳。

圖1 單摻方案抗壓強(qiáng)度變化曲線

圖2 單摻方案抗折強(qiáng)度變化曲線

表2 單摻方案強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

3 復(fù)摻方案試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方案

由單摻的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，所選的5種早強(qiáng)劑材料中，無(wú)水硫酸鈉和三乙醇胺的效果最佳。另一方面，具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也顯示，無(wú)水硫酸鈉早強(qiáng)材料的摻量水平在2%～3%時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值較大，摻量<2%時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值降幅較大。同時(shí)，三乙醇胺也表現(xiàn)出類似特征，摻量水平在0.07%～0.09%時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值較大，摻量<0.07%時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值降幅較大。因此，本節(jié)試驗(yàn)中選擇上述兩種早強(qiáng)劑和強(qiáng)度較高的摻量水平區(qū)間進(jìn)行復(fù)摻試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 復(fù)摻方案設(shè)計(jì) %

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)不同復(fù)摻試驗(yàn)方案條件下試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在無(wú)水硫酸鈉摻量不變的情況下，試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著三乙醇胺摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點(diǎn)。同樣，在三乙醇胺摻量不變的情況下，試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著無(wú)水硫酸鈉摻量的增加也呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點(diǎn)。各個(gè)試驗(yàn)方案相比，其中的最優(yōu)方案為方案2，也就是摻入2.0%的無(wú)水硫酸鈉和0.08%的三乙醇胺，其對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度17.58 MPa，抗折強(qiáng)度為3.25 MPa。從表2可知，單摻方案中的最佳方案為摻入2.0%的無(wú)水硫酸鈉，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為16.17 MPa和2.91 MPa。與單摻方案相比，復(fù)摻方案2的抗壓強(qiáng)度提升了約8.72%；抗折強(qiáng)度提升了約11.68%。由此可見(jiàn)，復(fù)摻方案和單摻方案相比具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，具有良好的工程價(jià)值。

表4 復(fù)摻方案試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)常用早強(qiáng)劑在提高盾構(gòu)同步注漿結(jié)石體早期強(qiáng)度方面具有重要作用，可以有效提升其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

(2)結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨著早強(qiáng)劑摻入量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。其中效果最佳的兩種早強(qiáng)劑為無(wú)水硫酸鈉和三乙醇胺。

(3)復(fù)摻試驗(yàn)結(jié)果顯示，其對(duì)結(jié)石體強(qiáng)度的提升作用更為明顯，其最優(yōu)方案為摻入2.0%的無(wú)水硫酸鈉和0.08%的三乙醇胺的復(fù)摻方案。