泵送劑對(duì)盾構(gòu)砂漿工作性能的影響試驗(yàn)研究

張磊

摘 要：隨著盾構(gòu)施工技術(shù)越來(lái)越多運(yùn)用于城市軌道交通建設(shè)，盾構(gòu)同步注漿對(duì)控制隧道變形沉降、提隧道高防水抗?jié)B性能具有重要作用。其中，盾構(gòu)砂漿的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間等性能成為了同步注漿施工的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。本文按中鐵建華南建設(shè)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅱ型砂漿的性能指標(biāo)確定盾構(gòu)砂漿的基礎(chǔ)配合比，設(shè)置對(duì)比組來(lái)探究泵送劑對(duì)盾構(gòu)砂漿工作性能的影響，包括含氣量、凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失等方面。

關(guān)鍵詞：泵送劑;盾構(gòu)砂漿;流動(dòng)度

0 前言

盾構(gòu)砂漿是盾構(gòu)法施工地鐵隧道時(shí)使用的一種水泥類注漿材料。盾構(gòu)法注漿的目的是填充盾構(gòu)管片和開(kāi)挖斷面之間的空隙，減少地面沉降[1]。盾構(gòu)砂漿要求具有良好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失少，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持良好的可泵性以及合適的凝結(jié)時(shí)間等性能[2-3]。泵送劑是一種改善混凝土泵送性能的外加劑，由緩凝（早強(qiáng)）、減水、引氣、坍落度損失抑制等組分復(fù)合而成，具有減水增強(qiáng)效果和緩凝保塑性能[4]。目前國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)較多研究泵送劑對(duì)混凝土性能的影響，缺少泵送劑對(duì)盾構(gòu)砂漿影響的研究。本文在盾構(gòu)砂漿基礎(chǔ)組分中添加泵送劑組分，探究不同摻量泵送劑對(duì)盾構(gòu)砂漿含氣量[5]、凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失等性能的影響，為泵送劑在盾構(gòu)砂漿中的應(yīng)用提供參考。

1 基礎(chǔ)配合比

本試驗(yàn)原材料為：

（1）水泥：陽(yáng)春海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的海螺牌P.O42.5級(jí)水泥，其水泥各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）粉煤灰：不低于GB/T1596-2017的Ⅱ級(jí)F類別要求。

（3）砂：細(xì)骨料符合GB/T14684的規(guī)定，且不含有粒徑大于2.36 mm的顆粒。天然砂的含泥量小于5.0%，泥塊含量小于2.0%。

（4）膨潤(rùn)土：采用博羅縣熊茂建材有限公司生產(chǎn)的符合GB/T20973-2007《膨潤(rùn)土》要求的鈣基或鈉基膨潤(rùn)土。

（5）泵送劑：采用廣東龍湖科技股份有限公司生產(chǎn)的泵送劑，符合JC473《混凝土泵送劑》的要求。

（6）拌和水：符合JC/T2190的要求。

本試驗(yàn)以中鐵建華南建設(shè)有限公司企標(biāo)Q/ZTJHN1-2019

《膠凝型盾構(gòu)注漿配套干混砂漿》中的Ⅱ型砂漿為基準(zhǔn)砂漿，其配合比見(jiàn)表1。

2 泵送劑對(duì)盾構(gòu)砂漿工作性能的影響

本試驗(yàn)以0、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%的泵送劑的摻量設(shè)立對(duì)比試驗(yàn)。以0摻量組為空白對(duì)照組，編號(hào)為A;其余四組為試驗(yàn)組，依次編號(hào)為B、C、D、E。主要試驗(yàn)包括流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)、含氣量試驗(yàn)、凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)。

2.1 流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)

按照GB50119-2003附錄A進(jìn)行流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失試驗(yàn)，其中截錐形圓模的尺寸改為：高度60 mm±0.5 mm;上口內(nèi)徑70 mm±0.5 mm;下口內(nèi)徑100 mm±0.5 mm;下口外徑120 mm。每次稱取不少于2 000 g的水泥基灌漿材料。

具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，初始流動(dòng)度、0.5 h流動(dòng)度與泵送劑摻量的關(guān)系見(jiàn)圖1，初始流動(dòng)度、1 h流動(dòng)度與泵送劑摻量的關(guān)系見(jiàn)圖2。其中，流動(dòng)度損失率（FL）按照公式（1）計(jì)算：

（1）

式中F0為初始流動(dòng)度，mm;Ft為某一時(shí)刻流動(dòng)度，mm;D為模具直徑，mm。

由表2可以看出，隨著泵送劑摻量的增加，盾構(gòu)砂漿的流動(dòng)度逐漸增大，流動(dòng)度損失率逐漸減小。在給定的試驗(yàn)范圍內(nèi)，漿液流動(dòng)度隨時(shí)間增加而減小，流動(dòng)度損失率隨時(shí)間增加而變大。由圖1可知，在不添加泵送劑時(shí)，砂漿的初始流動(dòng)度為245 mm。隨著泵送劑摻量的增加，砂漿的初始流動(dòng)度和0.5 h流動(dòng)度均逐漸上升，0.5 h流動(dòng)度損失率呈下降趨勢(shì)。在泵送劑摻量達(dá)到0.2%時(shí)，0.5 h流動(dòng)度損失率達(dá)到最小值，為1.85%。由圖2可知，在不添加泵送劑時(shí)，砂漿1 h流動(dòng)度損失15 mm，流動(dòng)度損失率較大，為6.12%。摻量0.05%、0.1%對(duì)應(yīng)的1 h流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率逐漸減小，分別為5.88%、4.67%。摻量大于0.1%時(shí)，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率逐漸增大。摻量為0.15%時(shí)，1 h流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率為9.81%，超過(guò)摻量為0時(shí)的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率;摻量為0.2%時(shí)，1 h流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率為9.26%，雖然比摻量為0.15%時(shí)的1 h流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率低，但是仍然大于摻量為0時(shí)的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率。摻量達(dá)到0.1%時(shí)，1 h流動(dòng)度出現(xiàn)拐點(diǎn)，可能是由于泵送劑摻量達(dá)到飽和點(diǎn)摻量附近，此時(shí)繼續(xù)增大摻量，水泥對(duì)其吸附量不再增加，從而對(duì)流動(dòng)度的提高及其經(jīng)時(shí)損失的降低不再起作用，甚至?xí)沽鲃?dòng)度經(jīng)時(shí)損失超過(guò)空白對(duì)照組值。

2.2 含氣量試驗(yàn)

參照J(rèn)GJ/T70《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》含氣量測(cè)定方法，各組試樣的含氣量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，泵送劑摻量對(duì)盾構(gòu)砂漿含氣量的影響見(jiàn)圖3。

通過(guò)圖3可以得出，隨著泵送劑摻量的不斷增多，盾構(gòu)砂漿的含氣量不斷增大。未摻泵送劑的基準(zhǔn)砂漿含氣量為2.7%;當(dāng)泵送劑摻量提高至0.05%時(shí)，盾構(gòu)砂漿含氣量為2.9%，含氣量相對(duì)于基準(zhǔn)砂漿并未出現(xiàn)明顯增加，這主要是由于砂漿配合比中引入了占膠凝材料質(zhì)量75%的粉煤灰，而粉煤灰對(duì)泵送劑中的引氣組分具有吸附作用，在一定程度抑制泵送劑的引氣作用。隨著泵送劑摻量的進(jìn)一步提高，盾構(gòu)砂漿含氣量以接近正比例的速率增加，當(dāng)泵送劑摻量為0.2%時(shí)，含氣量高達(dá)4.5%。泵送劑摻量達(dá)到一定值時(shí)，泵送劑中的引氣組分會(huì)使盾構(gòu)砂漿中的鈣鹽產(chǎn)生沉淀并吸附在氣泡液膜表面，增加了氣泡液膜的厚度，提高了氣泡的穩(wěn)定性。因此，隨著泵送劑摻量的提高，盾構(gòu)砂漿含氣量呈近線性遞增。

由以上分析可知，泵送劑中的引氣組分會(huì)使砂漿引入適量的微氣泡。隨著砂漿的凝固，氣液固三相界面轉(zhuǎn)變?yōu)闅夤潭嘟缑?，形成穩(wěn)固又封閉的空間，從而切斷毛細(xì)通道，使得盾構(gòu)砂漿的抗?jié)B性能有很大提高。泵送劑的摻量越多，其抗?jié)B性能越好。

2.3 凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)

參照的GB/T1346《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》測(cè)定凝結(jié)時(shí)間，不同摻量泵送劑對(duì)盾構(gòu)砂漿凝結(jié)時(shí)間影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

通過(guò)圖4所示的砂漿凝結(jié)時(shí)間和泵送劑摻量關(guān)系可以得出，未摻泵送劑時(shí)，基準(zhǔn)砂漿的凝結(jié)時(shí)間是550 min，當(dāng)泵送劑摻量在0到0.2%之間時(shí)，隨著泵送劑摻量逐漸增大，砂漿的凝結(jié)時(shí)間在不斷的增大且逐漸趨于平緩，其原因是泵送劑中含有緩凝的組分，控制了流動(dòng)度的損失，起到一定的緩凝效果。因此泵送劑的摻量越大，緩凝組分的摻量也逐漸增大，砂漿的凝結(jié)時(shí)間也會(huì)隨之增大。

3 結(jié)論

（1）泵送劑有助于盾構(gòu)砂漿流動(dòng)度的提高，但過(guò)量的泵送劑會(huì)導(dǎo)致水泥對(duì)泵送劑中減水組分的吸附達(dá)到飽和狀態(tài)，對(duì)流動(dòng)度的提高效果不明顯，對(duì)流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的降低效果，甚至?xí)沽鲃?dòng)度經(jīng)時(shí)損失增大，起到負(fù)面效果。

（2）泵送劑中的引氣組分，提高了盾構(gòu)砂漿的含氣量。適當(dāng)?shù)暮瑲饬考瓤梢詼p少盾構(gòu)砂漿的泵送阻力，防止砂漿泌水、離析，又可以提高盾構(gòu)砂漿的防水抗?jié)B性能。因?yàn)樵谏皾{中引入氣泡凝結(jié)后形成的封閉空間阻斷了毛細(xì)通道中水的滲透作用，所以針對(duì)地下富水區(qū)段的盾構(gòu)隧道，注漿材料可以適當(dāng)摻加泵送劑，提高砂漿的抗?jié)B性能。

（3）隨著泵送劑摻量增大，泵送劑中的緩凝組分所起的作用越大，砂漿的凝結(jié)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，增長(zhǎng)的速率逐漸變小。泵送劑摻量在0.2%以內(nèi)增大時(shí)，對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響較小，凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)不會(huì)影響到施工環(huán)節(jié)。

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