新型水下聚凝充填材料配合比及力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

阮艷妹，羅 旭，盧曉智，梅 源

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；3.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

0 引言

我國(guó)灰?guī)r分布面積較廣，這些巖溶地層被其后來(lái)次生的風(fēng)化或殘積物所填充、覆蓋，深埋于地下，給各種巖土地下工程帶來(lái)了不可預(yù)見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，直接影響工程質(zhì)量和施工安全[1-3]。傳統(tǒng)的溶洞處理方法主要有壓注雙液漿法、灌砂壓漿法、灌注混凝土法等，需消耗大量建筑材料，存在施工成本巨大，強(qiáng)度不易控制等問(wèn)題。同時(shí)，傳統(tǒng)回填施工難度較大、回填工期較長(zhǎng)、回填質(zhì)量難以保證，亟需一種成本低、取材方便且綠色環(huán)保材料以適應(yīng)溶洞回填處理的需求。城市地鐵盾構(gòu)施工中產(chǎn)生的廢棄盾構(gòu)泥為解決這一問(wèn)題提供了新思路。在隧道盾構(gòu)施工中，隧道開(kāi)挖產(chǎn)生大量土體，與泥水混合形成泥漿，通過(guò)排漿泵或管道輸送至地面進(jìn)一步處理，泥水盾構(gòu)出漿量一般為隧道挖土體積的2～3倍。隧道盾構(gòu)施工產(chǎn)生大量廢棄盾構(gòu)泥，由于城市儲(chǔ)存場(chǎng)地有限、人員密度大，若處置不當(dāng)，會(huì)造成環(huán)境污染、土地侵占等問(wèn)題，甚至對(duì)整個(gè)城市的正常運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響。因此，將廢棄盾構(gòu)泥經(jīng)過(guò)合理配比，制備新型水下聚凝充填材料用于城市地鐵隧道施工中溶洞回填處理，可極大地節(jié)約資源，減少城市污染，大幅降低工程建造成本，實(shí)現(xiàn)綠色建造。

配制新型水下聚凝充填材料，首先要解決水下材料的抗分散性等問(wèn)題。對(duì)于水下不分散混凝土的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者也做了大量試驗(yàn)，并得出了很多重要結(jié)論[4-10]。中國(guó)石油天然氣總公司工程技術(shù)研究院采用高分子接枝聚合技術(shù)成功研制出UWB-II型水下不分散混凝土絮凝劑，使水下不分散混凝土在抗分散性能、流動(dòng)性能、坍落度損失控制、施工性能及力學(xué)性能等方面都取得突破性提高。粉煤灰是當(dāng)代最常用的摻合料，為高性能混凝土的重要組成成分[11-13]。于本田等[14-15]根據(jù)ASTMC1202法，對(duì)不同水膠比時(shí)復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉的情況進(jìn)行試驗(yàn)，并提出水膠比為0.38時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能最好。

上述研究主要在水下不分散劑的研制與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域取得一定成果，但對(duì)充水溶洞回填材料鮮有研究。本文以廣州地鐵施工溶洞處理為背景，將現(xiàn)場(chǎng)廢棄盾構(gòu)泥作為新型水下聚凝充填材料的主要組成部分，摻入一定比例的固化劑后，與水充分拌合均勻，形成具有可泵送性、流動(dòng)性強(qiáng)的水下填充加固材料，研究其微觀形狀、物理力學(xué)性能，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，為城市地鐵施工中的廢物利用和溶洞處理提供參考。

1 原狀盾構(gòu)泥性狀研究

1.1 原狀盾構(gòu)泥級(jí)配

取原狀盾構(gòu)泥2kg，自然晾干后，得到1.975kg干土，占原狀盾構(gòu)泥的98.75%。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，得到不同粒徑的顆粒級(jí)配，如表1所示。

表1 單位質(zhì)量不同粒徑土粒占比

由表1可知，原狀盾構(gòu)泥中粒徑為2mm的顆粒占比最大，5mm的次之，粒徑大于5mm的顆粒占比約16%，小于0.5mm的約占33%，該盾構(gòu)泥的顆粒級(jí)配良好，既有較大的粒徑充當(dāng)材料骨架，又有超細(xì)顆粒填充大顆粒間的空隙，從而使水下充填材料密實(shí)、穩(wěn)定。

1.2 原狀盾構(gòu)泥含水率

取3組原狀盾構(gòu)泥進(jìn)行含水率試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次平行測(cè)定，取2次平行試驗(yàn)的平均值作為含水率，測(cè)得原狀盾構(gòu)泥平均含水率為15.84%，含水率試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 盾構(gòu)泥含水率試驗(yàn)結(jié)果

1.3 原狀盾構(gòu)泥成分及微觀結(jié)構(gòu)

1.3.1原狀盾構(gòu)泥成分

為了解原狀盾構(gòu)泥物相特征，采用D8AdvanceA25X—射線衍射儀(XRD)對(duì)原狀盾構(gòu)泥進(jìn)行X射線衍射(XRD)試驗(yàn)，確定其主要成分，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 XRD衍射試驗(yàn)結(jié)果

由圖1 XRD衍射試驗(yàn)結(jié)果可以看出，原狀盾構(gòu)泥主要成分為SiO2和多水高嶺土，同時(shí)含有少量含鐵化合物。

1.3.2微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡相結(jié)合研究原狀盾構(gòu)泥的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。觀測(cè)結(jié)果如圖2,3所示。

圖2 光鏡觀測(cè)結(jié)果

圖3 掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果

由圖2可以看出，50倍和100倍光鏡下，盾構(gòu)泥的顆粒級(jí)配較均勻，較大粒徑的顆粒均勻分布在盾構(gòu)泥內(nèi)部，可較好地起到骨架作用，較細(xì)的顆粒填充在骨架顆粒間；200倍和500倍光鏡下，較大顆粒間仍存在較大空隙，且大小顆粒黏結(jié)在一起，呈小基團(tuán)狀態(tài)分布，宏觀表現(xiàn)為原狀盾構(gòu)泥具有一定的黏性。由圖3可以看出2 000倍掃描電鏡下較大顆粒表面不均勻，且非常粗糙，但完整性較好，沒(méi)有明顯裂隙等缺陷；5 000倍掃描電鏡下細(xì)小顆粒表面呈層狀分布，整體性較差，受力后存在進(jìn)一步分解的可能，宏觀表現(xiàn)為顆粒松散不密實(shí)。

2 新型水下聚凝充填材料配合比研究

2.1 試驗(yàn)工況及配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)試塊尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，每種類型配合比分別在水下和普通環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，5種類型的配合比各制作3組，每組9塊，5種配合比分別編號(hào)為NWC-1、NWC-2、NWC-3、NWC-4和NWC-5。

根據(jù)水下施工作業(yè)對(duì)水下聚凝充填材料的性能要求，以廢棄盾構(gòu)泥為主配制新型水下聚凝充填材料，配合比如表3所示。

表3 NWC-FM配合比 kg

2.2 新型水下聚凝充填材料力學(xué)性能試驗(yàn)

采用量程200kN的儀器為微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)；試塊為在水中養(yǎng)護(hù)完成的立方體試塊。

鑒于目前沒(méi)有規(guī)范針對(duì)新型水下聚凝充填材料力學(xué)性能研究做出規(guī)定，在進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)研究時(shí)，參考DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，試驗(yàn)方法參考GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2.2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

為得到試塊的強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)性能，對(duì)試塊進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)，其中NWC-1，NWC-2，NWC-3，NWC-4，NWC-5分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)組G，H，I，J，K，部分試塊試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 部分試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

由圖4可知，不同配合比的新型水下聚凝充填材料破壞現(xiàn)象和破壞模式基本相同。由于各試塊表面受到了面均布荷載的作用，試件表面出現(xiàn)許多豎向裂縫，當(dāng)荷載較小時(shí)，試塊表面的裂縫很細(xì)，數(shù)量較少，呈豎向分布；隨著荷載的逐漸增大，裂縫寬度逐漸變大，裂縫之間逐漸有細(xì)小的裂縫相互連通，尤其在試塊的角部，呈網(wǎng)狀分布；隨著荷載繼續(xù)增大，出現(xiàn)多條豎向主裂縫，且裂縫由表層向內(nèi)部擴(kuò)展；荷載繼續(xù)增大，主裂縫在兩個(gè)平行的平面貫通，試塊破壞。

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到新型水下聚凝充填材料試驗(yàn)強(qiáng)度值，如表4所示，各組應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5，6所示。

圖5 不同齡期試塊應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表4 NWC-FM立方體抗壓強(qiáng)度

圖6 相同齡期應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖5可以看出，各組試塊的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本一致，上升段應(yīng)力應(yīng)變近似于線性變化，養(yǎng)護(hù)28d和養(yǎng)護(hù)14d的試塊曲線斜率基本大于養(yǎng)護(hù)7d的試塊，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28，14d的試塊彈性模量有所提高，隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力增大，達(dá)到峰值應(yīng)力；養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d的試塊峰值應(yīng)力最大，養(yǎng)護(hù)14d的試塊峰值應(yīng)力次之，養(yǎng)護(hù)7d的試塊峰值應(yīng)力最小，說(shuō)明試塊強(qiáng)度隨著試塊養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而提高。NWC-1組養(yǎng)護(hù)28，14d相較于養(yǎng)護(hù)7d的試塊峰值應(yīng)力增加值分別為6.04，4.011MPa；NWC-2組養(yǎng)護(hù)28，14d相較于養(yǎng)護(hù)7d的試塊峰值應(yīng)力增加值分別為4.02，2.762MPa；NWC-3組養(yǎng)護(hù)28，14d相較于養(yǎng)護(hù)7d的試塊峰值應(yīng)力增加值分別為1.805，1.028MPa；NWC-4組養(yǎng)護(hù)28，14d相較于養(yǎng)護(hù)7d的試塊峰值應(yīng)力增加值分別為3.079，0.934MPa；NWC-5組養(yǎng)護(hù)28，14d相較于養(yǎng)護(hù)7d的試塊峰值應(yīng)力增加值分別為0.728，0.281MPa。隨著應(yīng)變?cè)黾?，各組試塊到達(dá)峰值應(yīng)力后很快進(jìn)入下降段，各組形狀稍有差異，養(yǎng)護(hù)7d的試塊下降曲線較為平緩，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加緩慢減小，塑性變形相較其他試塊大。

由圖6可以看出，各組試塊的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本一致，上升段應(yīng)力應(yīng)變近似于線性變化，NWC-2組試塊曲線斜率大于其他組試塊，說(shuō)明NWC-2組試塊彈性模量最大，抵抗變形的能力最大。隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力增大，隨后達(dá)到峰值應(yīng)力。NWC-2組試塊峰值應(yīng)力最大，NWC-4組試塊峰值應(yīng)力次之，NWC-5組試塊峰值應(yīng)力最小，說(shuō)明NWC-2組所使用配合比制成的試塊強(qiáng)度最大，NWC-4組配合比次之，NWC-5組配合比制成的試塊強(qiáng)度最小，但NWC-5組試塊的下降段最平緩，變形能力較其他配合比好，說(shuō)明強(qiáng)度提高，相應(yīng)的變形能力降低。

由于新型水下聚凝充填材料的技術(shù)要求是在保證水下充填不分散的前提下，確保盾構(gòu)機(jī)的順利推進(jìn)，因此，對(duì)其充填后的強(qiáng)度要求不小于原狀土的強(qiáng)度，即充填后強(qiáng)度為0.5MPa左右，而NCW-5組配合比7d平均強(qiáng)度為1.734MPa，滿足0.5MPa的要求。因此在綜合考慮新型水下聚凝充填材料強(qiáng)度要求和配制成本基礎(chǔ)上，選取NCW-5組作為最優(yōu)配合比。

3 結(jié)語(yǔ)

1)原狀盾構(gòu)泥的顆粒級(jí)配較合理，光學(xué)顯微鏡下可看出盾構(gòu)泥的顆粒級(jí)配較均勻，較大粒徑的顆粒均勻分布在盾構(gòu)泥內(nèi)部，可較好地起到骨架作用；XRD衍射試驗(yàn)結(jié)果顯示原狀盾構(gòu)泥的主要成分為SiO2和多水高嶺土，同時(shí)含有少量含鐵化合物。

2)NWC-FM材料的強(qiáng)度在盾構(gòu)泥質(zhì)量相同條件下受水泥用量的影響較大，隨著水泥用量的增加，強(qiáng)度逐漸提高；絮凝劑的摻量越多水下不分散性能越好，相應(yīng)成本也會(huì)提高；NWC-2組試塊彈性模量最大，抵抗變形的能力最大；NWC-2組試塊峰值應(yīng)力最大，為10.25MPa，NWC-4組試塊峰值應(yīng)力次之，為7.76MPa，NWC-5組試塊峰值應(yīng)力最小，為2.462MPa。