水泥/粉煤灰堿改性對廢棄粉質土砂配制盾構壁后注漿性能的影響

梁玉強, 張雷, 李德, 江蘇禹, 王登峰, 袁銳

(1.中交隧道工程局有限公司, 北京 100102; 2.河海大學力學與材料學院, 南京 211100; 3.河海大學, 巖土力學與堤壩工程教育部重點試驗室, 南京 210098; 4.河海大學土木與交通學院, 南京 210098)

隨著盾構施工法普及,盾構廢棄泥砂的產量不斷增多,堆放、回填這種傳統處理方式不僅會造成資源浪費和污染環境等問題,同時導致處置費用高達盾構隧道建設成本的10%[1]。而廢棄泥砂本身成分以硅、鋁、鈣為主,具有很好的資源化潛力,通過有效的處置技術就能夠變成有用的資源。因此,改良盾構廢棄泥砂以變廢為寶,具有重要的意義和價值。

壁后注漿是指襯砌施做完畢后對襯砌、圍巖、初支和二襯之間的空隙進行補充注漿填充的一道工序[2]。壁后注漿對緩解地層變形、確保管片襯砌受力均勻、提高盾構隧道的抗滲性、固定管片襯砌的位置、承受盾構后背設施產生的荷載等具有重要作用[3]。注漿漿液主要成分為水泥、粉煤灰、砂、減水劑、膨潤土、水等。而采用盾構過程中產生的廢棄泥砂[4]替換商品砂,無疑能在解決廢棄泥砂處理難題的同時,降低商品砂帶來的注漿漿液高成本。但廢棄粉質土砂礦物組成復雜、泥質含量高等原因,易引起水化反應不徹底及團聚現象,導致漿液性能的劣化[5]。因此,如何對廢棄泥砂壁后注漿的性能進行改性,以滿足現場使用指標要求,成為研究者及業界關注的一個重要問題。

目前,已有一些研究者對注漿材料的配制與改性開展了研究。田智超等[6]、胡少軍等[7]研究了堿改性條件下,對水泥水化反應的影響。田智超等[6]以粉煤灰、沸石、偏高嶺土及聚合物乳膠粉協同改性堿礦渣水泥,發現抗沖擊性、抗侵蝕性和抗凍融性有所提升,但是水泥強度會減小,胡少軍等[7]研究發現在堿性條件會使粉煤灰的比面積增大以及吸附能力增強;陳華濤等[8]使用膨脹劑與速凝劑對水泥進行改性,然后把改性后的水泥用于河陳水庫大壩帷幕的灌漿材料中,發現灌漿材料流動性提高,穩定性增強;符光平[9]使用氧化石墨烯對粉煤灰進行改性,通過研究發現粉煤灰與0.08%的氧化石墨烯結合可以替換20%的水泥,并且使水泥基注漿材料在不損失強度的同時還可以使流動性增強。Wang等[10]以水泥-水玻璃作為壁后注漿漿液,結果表明當水泥與水玻璃溶液比例在一定范圍內時,注漿層降解后的最大壓潰應力較小大于最小殘余抗壓強度,能夠滿足實際工程需要和保證隧道的安全。

總之,已有的研究表明,水泥與粉煤灰改性對注漿材料的性能優化有積極作用。但針對壁后注漿漿液而言,相關研究仍鮮見報道。

現依托江陰靖江過江隧道工程,穿越地層包括粉質黏土、粉砂、粉細砂和中粗砂地層,產生的大量廢棄粉質土砂(棄砂)成分復雜,泥含量高(約50%),利用該工程產生的棄砂替換商品砂配制壁后注漿漿液。

通過前期實驗發現,如表1所示,當廢棄粉質土砂替換商品砂后,可以降低漿液的流動度和稠度,縮短凝結時間,但是,當替換比例低于40%時,符合現場漿液指標,當替換比例高于40%時,漿液泌水率過大,流動度太低,凝結時間縮短效果不明顯,不符合實際工程要求。

基于此,現提出一種使用氫氧化鈉堿改性水泥或粉煤灰以提高棄砂壁后注漿漿液性能的思路,通過加速水泥水化反應、釋放粉煤灰中的活性基團等模式,優化高摻量棄砂壁后注漿的性能,縮短其凝結時間以及降低泌水率使其符合施工要求。進一步,分析水泥與粉煤灰堿改性對棄砂壁后注漿漿液性能的影響規律,結合微觀結構表征及文獻對比,探討了性能提升機理。

表1 10%～50%替換比例的漿液性能Table 1 10% ～ 50% replacement ratio of grouting performance

1 實驗材料與實驗步驟

1.1 實驗原材料

本實驗所用水泥為海螺水泥廠P·O42.5普通硅酸鹽水泥,粉煤灰來自南京揚子粉煤灰公司(F類Ⅱ級),減水劑來自江蘇蘇博特新材料公司(PCA-I,聚羧酸減水劑),膨潤土(主要成分為蒙脫石)和商品砂來自山東濰坊。所用廢棄粉質土砂由石英(SiO2)、長石(Al2O3、CaO)、蒙脫石及泥質組成,含泥率為49.8%,粒徑分布如表2所示。

表2 廢棄粉質土砂粒徑分布Table 2 Size distribution of abandoned silty soil sand

1.2 水泥/粉煤灰改性及漿液配制

取適量NaOH倒入1 L的燒杯中,加水至刻度線,搖勻,得到2 mol/L 的NaOH溶液。在室溫條件下以固液比1∶5的比例,將水泥/粉煤灰放入NaOH溶液中,攪拌浸泡24 h后過濾,放入恒溫干燥箱中,105 ℃干燥24 h后冷卻至室溫。具體實驗流程如圖1所示。經過24 h浸泡后,水泥部分固結,形成易碎的塊狀顆粒。

將堿改性水泥/粉煤灰替換原有水泥/粉煤灰成分,與廢棄粉質土砂壁后注漿混合。其中,粉質土砂替換商品砂的比例為60%。具體比例如表3所示。

1.3 試驗裝置和方法

采用稠度儀、砂漿流動度測定儀、凝結時間測定儀、量筒、路面材料強度測試儀等儀器,參照相關標測試堿改性水泥/粉煤灰替壁后注漿漿液的性能,包括稠度[11]、流動度[12]、凝結時間[11]、泌水率[13]和抗壓強度[11],研究水泥/粉煤灰堿改性對廢棄粉質土砂配制盾構壁后注漿性能的影響。堿改性水泥/粉煤灰替壁后注漿漿液微觀結構的表征采用X射線衍射和掃描電鏡進行,以分析相應的微結構機制。

2 結果與討論

2.1 水泥和粉煤灰堿改性對性能的影響

2.1.1 水泥堿改性對性能的影響

(1) 水泥堿改性對稠度和流動度的影響。圖2所示為改性水泥替換比例對廢棄粉質土砂壁后注漿稠度和流動度的影響關系圖。隨著改性水泥替換水泥比例的增多,粉質土砂壁后注漿的流動度不斷減小,但當改性水泥替換比例小于50%時,漿液流動度仍然大于210 mm,滿足通用指標要求。同時,改性水泥的加入也會可以讓兩種替換比例的粉質土砂壁后注漿的稠度減小,改性水泥的替換比例小于55%時,稠度仍符合通用指標要求。

(2) 水泥堿改性對泌水率和凝結時間的影響。圖3所示為改性水泥替換比例對廢棄粉質土砂壁后注漿泌水率和凝結時間的影響關系圖。泌水率直接反映了壁后注漿的穩定性,泌水率較大說明漿液不穩定,會造成堵管現象。由圖3可知,改性水泥可以減小漿液的泌水率8%～10.4%,使泌水率符合通用指標并且進一步減小50%粉質土砂壁后注漿的泌水率,使其更加穩定。

圖1 NaOH改性水泥流程圖Fig.1 Flow chart of NaOH modified cement

表3 壁后注漿漿液配制成分及含量Table 3 Composition and content of backfill grouting

圖2 改性水泥替換比例對廢棄粉質土砂壁后 注漿稠度和流動度的影響Fig.2 Effect of modified cement replacement ratio on grouting consistency and fluidity of abandoned silty soil after sand wall

圖3 改性水泥替換比例對廢棄粉質土砂壁后 注漿泌水率和凝結時間的影響Fig.3 Effect of the replacement ratio of modified cement on bleeding rate and setting time of post grouting in abandoned silty soil sand wall

改性水泥的加入會使壁后注漿的凝結時間縮短,雖然在不使用改性水泥的情況下兩種種替換比例的粉質土砂壁后注漿的凝結時間均小于12 h符合通用指標,但是本工程項目穿越居民區,對漿液早期強度有著較高的要求,漿液凝結時間越短越有利于漿液早期強度的形成,所以進一步縮短漿液的凝結時間具有實際的工程意義。而本研究中改性水泥的加入可以使其凝結時間進一步縮短6%左右。

(3) 水泥堿改性對抗壓強度的影響。圖4所示為改性水泥替換比例對廢棄粉質土砂壁后注漿1、3、14 d抗壓強度的影響關系圖。改性水泥會使粉質土砂壁后注漿的抗壓強度減小。改性水泥的替換比例在50%左右時,1 d的抗壓強度較高,隨著水化反應的進行,后期強度降低。改性水泥添加比例為75%時抗壓強度較高。

圖4 改性水泥替換比例對廢棄粉質土砂壁后 注漿1、3、14 d抗壓強度的影響Fig.4 Effect of the replacement ratio of modified cement on the compressive strength of waste silty soil after grouting for 1 d, 3 d and 14 d

2.1.2 煤灰堿改性對性能的影響

(1) 粉煤灰堿改性對稠度和流動度的影響。圖5所示為改性粉煤灰替換比例對廢棄粉質土砂壁后注漿稠度和流動度的影響關系圖。隨著改性粉煤灰替換比例不斷增加,流動度不斷減小,當粉煤灰替換比例大于80%時,其流動度減小9%～12%,此時流動度小于210 mm,不符合通用指標。改性粉煤灰的加入可以讓粉質土砂壁后注漿的稠度減小,改性粉煤灰替換比例大于70%時,漿液稠度小于10%,此時稠度不符合通用指標。

圖5 改性粉煤灰替換比例對廢棄粉質土砂壁后 注漿稠度和流動度的影響Fig.5 Effect of the replacement ratio of modified fly ash on the consistency and fluidity of post grouting in abandoned silty soil sand wall

(2) 粉煤灰堿改性對泌水率和凝結時間的影響。圖6所示為改性粉煤灰替換比例對廢棄粉質土砂壁后注漿泌水率和凝結時間的影響關系圖。由圖6可知,改性粉煤灰可以減小漿液的泌水率,使用改性粉煤灰以后,可以使粉質土砂壁后注漿的泌水率減小,使泌水率符合通用指標。改性粉煤灰的加入可以使凝結時間由10.2 h減少到9.5 h,凝結時間整體符合通用指標。

(3) 粉煤灰堿改性對抗壓強度的影響。圖7所示為改性粉煤灰替換比例對廢棄粉質土砂壁后注漿1、3、14 d抗壓強度的影響關系圖。改性粉煤灰使漿液的抗壓強度減小。改性粉煤灰添加比例大于80%時,1 d的抗壓強度無法達到通用指標,3 d的抗壓強度整體符合大于0.5 MPa的通用指標,而14 d的抗壓強度在改性粉煤灰比例大于30%時小于2.0 MPa,不滿足通用指標要求。

圖6 改性粉煤灰替換比例對廢棄粉質土砂壁后 注漿泌水率和凝結時間的影響Fig.6 Effect of the replacement ratio of modified fly ash on bleeding rate and setting time of post grouting in abandoned silty soil sand wall

圖7 改性粉煤灰替換比例對廢棄粉質土砂壁后注漿 1、3、14 d抗壓強度的影響Fig.7 Effect of the replacement ratio of modified fly ash on the compressive strength of waste silty sand wall after grouting for 1 d, 3 d and 14 d

2.2 微觀結構與成分

2.2.1 相成分

圖8為壁后注漿1、3、14 d的XRD圖,從下往上依次為 1、3、14 d 的物相組成。選取粉質土砂壁后注漿進行水泥與粉煤灰的改性,漿液中含有SiO2、C-S-H(水化硅酸鈣)、Aft(鈣礬石)、高嶺石[Al2SiO5(OH)5)、C4AH13(水化鋁酸鈣)及水化硫鋁酸鈣(C-A-S-H,[Ca2Al(OH)6](SO4)0.3·3H2O]。同時,可以發現粉質土砂壁后注漿中水化鋁酸鈣及水化硫鋁酸鈣隨著齡期增長而不斷增多。

圖8 改性粉煤灰及改性水泥配制廢棄粉質土砂壁后 注漿1、3、14 d的XRD圖Fig.8 XRD diagram of 1d, 3d and 14d post grouting of abandoned silty soil sand wall prepared with modified fly ash and modified cement

2.2.2 微觀形貌

選取粉質土砂壁后注漿的微觀形貌進行分析,圖9所示為廢棄粉質土砂壁后注漿未添加、改性水泥、改性粉煤灰的1、3、14 d的掃描電鏡圖。由圖9可知,未摻入改性水泥/粉煤灰時,由于廢棄粉質土砂替換比例達到60%,漿液中含有大量的鈣礬石等礦物,具體形貌為細針狀,由于泥質含量高,這影響了漿液的水化反應,所以可以看到有一些未完全反應的球狀粉煤灰,隨著時間的推移,漿液內部的反應不斷發生,粉煤灰顆粒嵌于水泥石基體中起到“次中心質”的作用,由粉煤灰吸收氫氧化鈣發生“二次水化”反應生成大量低鈣、低堿度的凝膠產物并交織成致密網狀結構[14]。凝膠類水化產物較豐富,大孔隙較少,水泥石結構較為密實,這說明14 d 時砂漿內部結構已經較為密實,孔隙率很低,很難找到粉煤灰顆粒。未反應的粉煤灰明顯減少,水化產物增多,產生薄板狀的C4AH13(水化鋁酸鈣)以及網狀或絨狀的C-S-H(水化硅酸鈣)。

當摻入改性水泥后,可以發現1、3 d時,漿液內無未反應的粉煤灰,很多絨狀C-S-H(水化硅酸鈣),依然會有很多鈣礬石等礦物成分,隨著時間的推移,水化產物C4AH13(水化鋁酸鈣)開始出現,呈薄板狀,3 d時,C-S-H(水化硅酸鈣)開始集聚并且縫隙中夾雜著鈣礬石;當到14 d時,大量C4AH13(水化鋁酸鈣)產生,聚集到一起呈現為不規則板狀。摻入改性粉煤灰,在第3天時,就有一些C4AH13(水化鋁酸鈣)開始聚集,并且由于堿性使粉煤灰更加有活性,從而產生了水化硫鋁酸鈣(C-A-S-H),在未摻入改性粉煤灰之前,水化硫鋁酸鈣(C-A-S-H)是沒有產生的。由此可見,改性后的粉煤灰可以促進水化反應。

水泥進行堿性改性,其目的是加速水泥的水化反應,進而可以縮短漿液的凝結時間且對于用水量也會有所影響,進而也會影響漿液的流動度以及稠度。在此基礎上,水泥中游離氧化鈣增多,對漿液的水化反應產生影響,進而影響漿液的性能。而對于粉煤灰,主要是破壞粉煤灰中莫來石和石英原本有序的玻璃相結構,粉煤灰轉化為沸石樣物質,使其比表面積增大。與此同時,Al2O3、SiO2等鋁硅酸鹽玻璃相結構在與堿進行反應后,會發生破碎,一些活性基團從粉煤灰中溶解釋放,進而吸附帶電離子,提高了粉煤灰的吸附能力。

圖9 改性粉煤灰及改性水泥配制廢棄粉質土砂壁后注漿1、3、14 d微觀結構Fig.9 Microstructure of waste silty soil sand wall prepared by modified fly ash and modified cement after grouting for 1 d, 3 d and 14 d

2.3 討論

從上述結果可知,使用改性水泥與改性粉煤灰優化粉質土砂壁后注漿,當改性水泥替換比例不超過50%時,對粉質土砂壁后注漿具有積極的影響,可以在縮短凝結時間和降低泌水率的同時,使流動度與抗壓強度依然符合通用指標。改性粉煤灰相較于改性水泥對漿液的影響較小,但在小幅降低漿液抗壓強度的情況下,仍可以縮短漿液的凝結時間和泌水率。

對于粉質土砂壁后注漿,根據其微觀形貌分析,因為含泥率高與工程地質原因,廢棄粉質土砂不僅會加大漿液的用水量,鈣礬石等礦物組成多并且一開始會影響漿液的酸堿性,進而影響水化反應,所以在反應初期,會存在殘留的粉煤灰,但隨著時間的增長,生成水化產物C4AH13(水化鋁酸鈣),殘留的粉煤灰消失。在使用改性后的水泥后,堿性環境下,強堿對水泥產生侵蝕,出現大量氧化鈣,具體反應式為

3H2O (膠體) +3Ca(OH)2(晶體)

(1)

3H2O+Ca(OH)2(晶體)

(2)

Al2O3·6 H2O(晶體)

(3)

Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O(膠體)

(4)

加入改性水泥后,氧化鈣迅速參與反應,可以使C-S-H早期就大量集聚,沒有殘留的粉煤灰或者Ca(OH)2,隨著反應不斷進行,C-S-H與氧化鈣繼續發生反應,所以后期產生的C4AH13(水化鋁酸鈣)比初始漿液多,由于大量的氧化鈣流出造成了水泥質量減弱,所以后期影響了漿液的抗壓強度。加入改性粉煤灰后,效果與改性水泥相似,但在后期,由于粉煤灰被強堿激發,會產生水化硫鋁酸鈣(C-A-S-H)。所以可以看出,改性后的水泥與粉煤灰可以促進壁后注漿的水化反應,圖10為改性水泥/粉煤灰對廢棄粉質土砂壁后注漿性能的影響機理示意圖。

為了探究NaOH改性后,制備的砂漿對環境的影響,特別是經過長期地下水沖刷時,是否會造成周圍環境pH升高。對比了改性水泥14 d的試樣(70 mm×70 mm×70 mm)經過去離子水浸泡一段時間后,去離子水的pH變化,實驗結果如圖11所示。兩者在前4 h時,pH相差約為1,但是長時間浸泡后,pH相差小于0.3,顯然,堿改性水泥和粉煤灰并不會對環境明顯的影響。

圖10 水泥及粉煤灰堿改性對廢棄粉質土砂壁后 注漿性能的影響機理圖Fig.10 Mechanism diagram of effect of alkali modification of cement and fly ash on post grouting performance of waste silty soil sand wall

圖11 NaOH改性對pH影響Fig.11 Effect of NaOH modification on pH

3 經濟性分析

壁后注漿的成本主要是由所使用的各原材料的使用成本組成,配制壁后注漿所需的原材料的價格。

以江陰靖江長江過江隧道工程項目為例,所使用的泥水盾構機的外徑(L)為 16.9 m、內徑為15 m,隧道內管片外徑(l)為16 m,管片長度(m)為2 m。盾構機經過洪積巖層時,壁后注漿會有少量流失,實際注漿量比理論值大,故需引入膨脹系數a,所以每環同步注漿量計算公式為

[π(L/2)2-π(l/2)2]ma=24.6am3

(5)

在此基礎上,通過添加NaOH溶液對水泥及粉煤灰改性,達到提升廢棄粉質土砂壁后注漿性能的目的。固體NaOH市場價格大約為2 000元/t,使用2 mol/L 的NaOH溶液。改性過程中,水泥、粉煤灰與NaOH溶液的比例為1∶5,結合實驗配比與現場工程注漿量,通過計算得出,使用100%改性水泥替換,每環成本提高816.4元,使用100%改性粉煤灰,每環成本增加646元。但同時廢棄粉質土砂替換商品砂的比例達到60%,每環多節約1 902元,扣除NaOH溶液的成本,仍然具有較好的經濟性。表5為改性水泥與改性粉煤灰對壁后注漿的成本對比。

表4 材料成本Table 4 Material cost

表5 成本對比Table 5 Cost comparison

4 結論

(1)使用 NaOH 溶液對水泥與粉煤灰改性,堿性會破壞粉煤灰的玻璃相結構以及活性基團,釋放活性帶電離子從而增強其本身的吸附性,進而影響漿液的水化反應,同時堿性條件會激發粉煤灰,加速粉煤灰參與反應;堿性條件也會破壞水泥骨料,釋放大量的CaO,為后續的水化鋁酸鈣提供反應物。

(2)使用改性水泥與改性粉煤灰優化粉質土砂壁后注漿,當改性水泥替換比例不超過50%時,對粉質土砂壁后注漿具有積極的影響,可以在縮短凝結時間和降低泌水率的同時,使流動度與抗壓強度依然符合通用指標。 改性粉煤灰相較于改性水泥對漿液的影響比較小,但在小幅降低漿液抗壓強度的情況下,仍可以有效縮短漿液的凝結時間和泌水率。

(3)改性水泥與改性粉煤灰加入漿液之后,水化產物C4AH13(水化鋁酸鈣)明顯增多。由于改性粉煤灰在 NaOH溶液里被激發,漿液在后期產生了C-A-S-H(水化硅鋁酸鈣)[15],水化硅鋁酸鈣與水化鋁酸鈣成為漿液的主要水化產物,也一定程度上維持了漿液的抗壓強度。而改性水泥由于水泥本身骨料遭到堿性侵蝕,全部轉化成了水化硅酸鈣以及水化鋁酸鈣,造成了漿液后期強度較低的現象。