砂细度模数对壁后注浆浆液强度的影响

慕 欣，陈喜坤，陈洪祥

(1.安徽水利水电职业技术学院，合肥 230000；2.苏交科集团股份有限公司，南京 210017；3.同济大学 土木工程学院，上海 200092)

砂细度模数对壁后注浆浆液强度的影响

慕 欣1，陈喜坤2，陈洪祥3

(1.安徽水利水电职业技术学院，合肥 230000；2.苏交科集团股份有限公司，南京 210017；3.同济大学 土木工程学院，上海 200092)

壁后注浆是盾构法施工过程中关键的一道工序。为了探究浆液强度的发展，将砂采用不同的筛分方法调配成细度模数分别为1.652，1.096，0.773的3种砂，并将3种砂分别用于配置惰性浆、硬性浆，并分别开展了凝结时间、直接剪切、立方体抗压试验，观测了细度模数不同的砂对惰性浆、硬性浆凝结时间、强度的影响。结果表明：2种浆液的强度均随着用砂细度模数的增大而降低；硬性浆液中水泥的水化作用主要促进了黏聚力的增大及内摩擦角的降低；惰性浆液中粉煤灰的火山灰反应基本可以忽略。

泥水盾构；壁后注浆；砂细度模数；惰性浆；硬性浆；抗压强度；三轴试验

1 研究背景

随着社会的发展，城市轨道交通和越江隧道应用盾构法施工的工程逐渐增多[1]。南京纬三路过江通道、上海长江隧道、南京地铁隧道等均采用这一工法。盾构法施工中壁后注浆是一道重要的工序，主要作用为减小工后沉降、防止地下水入渗以及保护管片结构等。而注浆材料的选用是浆液性能的决定因素[2]，直接影响到注浆效果，因此对同步注浆材料进行研究十分必要。

工程上要求壁后注浆浆液注入后在预定时间内应该达到或超过所处地层的强度，以减小地层应力的释放。这一过程中，砂是强度形成的重要组成部分，发挥了骨架作用，而且壁后注浆浆液配方中砂的含量在50%以上，是主要组成部分，是浆液有效应力形成的关键。因此，探究砂的级配在壁后注浆浆液强度形成过程中的影响就尤为重要。

国内外学者对包括强度在内的壁后注浆浆液基本性能的研究已取得了一些成果。Bezuijen等[3]利用自制的浆体一维固结试验装置， 对常规的硬性浆进行固结试验， 推导了以浆体孔隙率为自变量的浆体固结层厚度变化公式， 并通过孔压的实际检测得到了浆液有效应力增加的规律； 曾晓清等[4]对上海地铁1号线4#， 5#盾构施工中同步注浆的惰性浆进行了抗剪强度、 抗压强度试验研究， 指出砂的级配对浆液的固结收缩变形影响较大， 提出了与上海淤泥质黏土地层土体强度相当的惰性浆液配比； 左佳等[5]通过自制的非自立性三轴试验装置对惰性浆、 硬性浆进行了固结不排水剪切试验， 发现硬性浆液孔压消散快， 变形小， 有效黏聚力明显大于惰性浆， 而有效内摩擦角则小于惰性浆。 陈喜坤等[6]通过改变纬三路废弃砂细度模数和水胶比实现了工程中弃砂在壁后注浆浆液中的再利用。

表征天然砂的类别和颗粒大小的指标是细度模数[7]。关于砂的细度模数对砂浆基本性能的影响,国内外学者也开展了一些研究， Lim等[8]在水泥砂浆中掺加了不同细度模数的砂，试验发现随着细度模数的增加，砂浆抗压强度增大，保水性增强； Westerholm等[9]在混凝土中使用了不同细度模数的砂进行流变试验，发现当采用细度模数较小的砂时，混凝土的流变性能较差；吴永根等[10]通过试验发现机场道面采用细度模数为2.64的混凝土细集料时，具有较高的强度、抗渗性而耐磨性达到最佳的壁后注浆浆液的配方与混凝土有相似之处，以细度模数作为砂的性质评价指标研究注浆浆液强度的发展情况，能够给工程应用提供具体参考。

2 试验方案

2.1 试验材料

试验以盾构施工中经常采用的惰性浆、可硬性浆为原始配方，为了观察二者的差异，惰性浆中添加了与硬性浆中水泥颗粒级配相似的石灰石，二者的颗粒级配曲线如图1所示。

图1 水泥、石灰石颗粒级配情况Fig.1 Gradation curves of cement and limestone

浆液配方包括水泥、石灰石、粉煤灰、砂、水、膨润土、减水剂。水泥采用南京雨花水泥制品有限公司生产的雨花牌32.5R普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用南京下关电厂Ⅲ级粉煤灰；石灰石中碳酸钙含量约为95%；膨润土采用南京汤山膨润土有限公司生产的Ⅰ级钠基膨润土；减水剂采用南京瑞迪高新技术公司生产的高效减水剂。试验采用了3种不同级配的砂，级配曲线和指标分别见图2、表1所示。

表1 不同筛分情况砂的指标Table 1 Sand indexes under different sieving conditions

2.2 试验装置

浆液初期应力增长情况采用凝结时间测试仪进行测试，剪切强度采用应变控制式直接剪切仪，立方体抗压强度采用抗压强度试验机测量，试验仪器如图3所示。

图3 试验仪器Fig.3 Test instruments

2.3 试验方法和步骤

将不同细度模数的砂烘干，分别应用于壁后注浆浆液中，调整浆液水胶比(水和粉煤灰、石灰的质量比)，使浆液的泌水率、流动度、稠度等指标满足工程施工要求，6组配方见表2，浆液试验参数如表3所示。将每组浆液分别养护1,3,7,28 d，随后进行直剪试验和立方体抗压试验，注浆材料的强度和凝结时间试验方法参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)，直剪试验方法参考《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)。

表2 试样配和比Table 2 Material proportions in different samples

表3 浆液试验参数Table 3 Test parameters of slurries

1#至3#试样用来探究砂细度模数对硬性浆强度的影响，4#至6#试样用来探究对惰性浆的影响，惰性浆与硬性浆作为对照进行探究2种不同类型浆液强度发展的差异。

3 结果与讨论

3.1 凝结时间

凝结时间是采用凝结时间测试仪测定的，表示试针贯入阻力达到0.5 MPa所需要的时间，代表了浆液初期强度增长的程度。观察图4可以发现采用不同细度模数的硬性浆液凝结时间相差不大，均在11 h左右，满足工程上要求的8～13 h，砂颗粒不同对浆液初期强度增长的影响比较小；而对于惰性浆，可以看出，采用颗粒较大砂的浆液初凝时间较短，试验中发现这种浆液泌水较多，从而导致固体颗粒之间更快接触，浆液的有效应力随之增加，这是导致浆液凝结时间短的原因。工程要求惰性浆液凝结时间应在70 h以内，3种浆液均满足这一要求。

图4 6组浆液凝结时间Fig.4 Initial setting time of six slurries

图5 浆液强度与砂细度模数关系曲线Fig.5 Relationship between strength of slurry and fineness modulus of sand

3.2 浆液7 d，28 d立方体抗压强度

从图5可以看出，对于硬性浆而言，由于水泥的水化，浆液强度增加很快，浆液7 d,28 d立方体抗压强度随着浆液用砂细度模数的增加均有降低的趋势，其差异也逐渐增加。当细度模数为1.652时，硬性浆液的强度已经不满足工程中不低于1.5 MPa的强度要求，分析认为，浆液强度的增长主要是源于水泥的水化反应以及小部分粉煤灰的火山灰反应生成凝胶性的水化硅酸钙和水化铝酸钙以及Ca(OH)2与粉煤灰中活性Al2O3反应生成的钙矾石产生的颗粒之间的胶结作用[11]。当浆液用砂较细时，颗粒与颗粒之间的接触点增多，水泥水化产生的胶结物质将颗粒连接起来并填充颗粒之间的孔隙，从而增加浆体的结构性，强度也逐渐提高。

观察惰性浆的强度变化可以看出，惰性浆7 d,28 d强度也随着细度模数的增加而降低，但是降低的幅度明显小于硬性浆，28 d的强度差别很小，分析认为，惰性浆液中仅存在微弱的粉煤灰的火山灰反应，反应产生的胶结物质不足以填充颗粒之间的孔隙。

图6为2种浆液龄期为7 d时的破坏形态，可以看出惰性浆还有一定的塑性破坏特征，而硬性浆呈现出明显的脆性破坏。

图6 2种浆液7 d破坏情况对比Fig.6 Comparison of damage condition at curing age of 7 d between two slurries

图7 内摩擦角和黏聚力随细度模数的变化Fig.7 Variations of cohesion and internal friction angle with fineness modulus of sand

3.3 壁后注浆体抗剪强度指标

抗剪强度指标包括黏聚力和内摩擦角，黏聚力反映了颗粒之间的胶结作用，内摩擦角反映了土粒之间的表面摩擦力和咬合力等。从图7可以看出，硬性浆液黏聚力、内摩擦角均随着龄期的增加而增大，这与水泥的胶结作用逐渐发展有关，当增大浆液用砂的细度模数时，硬性浆不同阶段的黏聚力均逐渐增加，增加的幅度逐渐放缓，而内摩擦角有降低的趋势。因此，可以认为硬性浆液的强度增长主要是由于水泥的水化作用增大了颗粒之间的相互作用力，而颗粒之间的咬合作用随着颗粒与颗粒之间的连接逐渐减弱，浆体的结构性不断增强。观察惰性浆液的变化可以看出，随着龄期的发展，惰性浆2种指标也逐渐增大，但变化远小于硬性浆，当增大砂的细度模数时，惰性浆黏聚力略有增加，内摩擦角的变化也很小，考虑到惰性浆液是采用颗粒相似的石灰石代换水泥而得到的，所以可以说明水泥的水化作用在浆液强度增长过程中主要是促进了黏聚力的增大，内摩擦角则随之降低。

4 结论与建议

运用室内试验探究了壁后注浆配方中砂的细度模数对浆液强度发展过程的影响，得到以下结论：

(1) 不同细度模数配置的惰性浆、硬性浆凝结时间均满足工程要求，惰性浆液凝结时间随砂细度模数的增大而增加，而硬性浆基本不变。

(2) 随着浆液用砂细度模数的增大，硬性浆液不同龄期的强度均增大，而惰性浆液也有所增加，但增加幅度远小于硬性浆。

(3) 硬性浆液中水泥的水化作用主要促进了黏聚力的增大和内摩擦力的降低，惰性浆液中粉煤灰的火山灰反应十分微弱。

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[2] 王树清, 蔡胜华, 蒋硕忠. 盾构法隧道施工同步注浆材料研究[J]. 长江科学院院报, 1998, 15(4): 28-30.

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[4] 曾晓清, 张庆贺. 土压平衡盾构同步注浆浆液性能试验研究[J]. 中国市政工程, 1995, (1): 46-50.

[5] 左 佳, 朱 伟, 闵凡路. 盾构隧道壁后注浆材料固结-胶结特性研究[C]∥IEEE.2011年地球科学与工程国际学术会议论文集. 新泽西州：IEEE出版社，2011:536-540.

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(编辑：占学军)

Influence of Sand’s Fineness Modulus on Slurry Strength ofBackfill Grouting

MU Xin1,CHEN Xi-kun2, CHEN Hong-xiang3

(1.Anhui Water Conservancy Technical College, Hefei 230000,China; 2.JSTI Group, Nanjing 210017,China;3.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China)

Backfill grouting is a critical step in the process of shield tunneling construction. In order to explore the development of slurry strength, we obtained sands of three different fineness modulus(1.652，1.096，0.773) by using different sieving methods and prepared inert slurry and rigid slurry by using the sands. Through setting time test, direct shear test and cubic compressive test, we observed the effect of fineness modulus of sand on the setting time and strength of inert slurry and rigid slurry. Results show that strengths of the two slurries decrease with the increasing of fineness modulus of sand. Moreover, cement hydration in rigid slurry mainly promotes the increase of cohesion and the decrease of internal friction; while the action of fly ash in inert slurry can be ignored.

slurry shield; backfill grouting; fineness modulus of sand; inert slurry; rigid slurry; compressive strength; triaxial test

2016-02-22；

2016-03-15

江苏省建设系统科技项目(2016ZD79)

慕 欣(1976-)，女，安徽合肥人，副教授，硕士，主要从事结构工程的理论与应用方面的教学与研究工作，(电话)15252490068(电子信箱) muxin_youxiang@163.com。

10.11988/ckyyb.20160135

2017,34(4):136-139

U455

A

1001-5485(2017)04-0136-04