含废弃泥浆和渣土同步砂浆配比优化及性能改善分析

2020-07-09史庆涛武文清

三峡大学学报(自然科学版) 2020年4期

史庆涛武文清陆野

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司,南京 211800)

近年来我国地下工程建设项目增长迅速,泥水盾构以无需特殊土体改良、地质适应性强、开挖面稳定性高等优点成为国内外过江隧道建设首选施工技术[1],但整个盾构施工会产生大量渣土和废弃泥浆,直接不加处理废弃会带来严重的环境污染问题[2].

另一方面,盾构施工在掘进过程必须要向衬砌环与地层之间间隙注入由膨润土、水泥、建筑用砂等组成的同步砂浆[3],而废弃泥浆含有大量可以作为胶凝材料组分的膨润土[4],渣土多为细砂颗粒,二者结合具备制备同步砂浆的可能性,但目前废弃泥浆处理和防治研究较多[2,5-6],如何利用废弃泥浆和筛分渣土制备同步砂浆应用研究较少.吴克雄、杨钊等[7-8]证实了利用其和洁净黄砂制备同步砂浆性能能够达到要求,但没有涉及掺入渣土研究.张亚洲,夏鹏举,魏代伟,等[9]采用清洗和筛分后的废弃渣土制备出7 d抗压强度达到0.15 MPa的同步砂浆,但渣土用量通过多次试验确定,缺乏一定科学性.在新鲜砂浆浆体中,材料之间填充效果决定着浆体流动性和密实度,进而影响到最终强度,不同细度模数的细骨料填充效果不同,导致浆体所需润滑的水泥、粉煤灰、膨润土组成的胶结材量不同,而胶结材除了润滑浆体外,其关键作用是胶结骨料.研究了采用致密堆积设计思想,亦即直接通过控制材料配比获得最小空隙率和骨料最佳级配来调制混凝土,可得到较高强度及较佳工作性的混凝土[10].利用筛分渣土、部分黄砂和废弃泥浆等组成的胶结材配制同步砂浆,同样可以通过致密堆积设计科学确定同步砂浆中材料堆积最大密度、最小空隙率及最优胶结材用量,但这方面研究不多.

本文采用致密堆积设计思想,开展筛分渣土、黄砂与胶结材的紧密堆积密度试验研究,确定三者紧密堆积最密实时各自比例,并开展同步砂浆新鲜浆体试验确定最合适的胶结材和骨料比例,最终确定出较合理同步砂浆配比、掺减水剂后的性能试验研究,为具体工程应用施工提供依据.

1 原材料与实验方法

1.1 主要原材料

1.1.1 胶结材

胶结材(JM),根据前期研究确定由19.7%水泥(PO)、30%废弃泥浆(MR)和50.3%粉煤灰(FA)组成.其中废弃泥浆(MR)取自南京某盾构施工泥浆处理系统废浆池,相对体积质量1.2,p H=10,含水率85.2%,经过80℃温度烘干碾碎.

水泥(PO)为市售,取自南京某盾构施工现场,江苏金峰P·O42.5,密度3.04 g/cm3,比表面积27.5 m2/kg,3 d和28 d抗折强度分别为4.5 MPa和7.9 MPa,3 d和28 d抗压强度分别为28.0 MPa和47.7 MPa.粉煤灰(FA)为市售,取自南京某盾构施工现场,南京东逸F类Ⅱ级灰,细度30%,烧失量27.5%,需水量比101%,三氧化硫1.20%,含水率02%.MR、PO 和FA 这3种主要材料化学组成见表1.

表1 主要原材料化学成分(%)

1.1.2 筛分渣土

取自南京某盾构施工泥水分离堆场,烘干碾碎过4.75 mm 砂石筛.细度模数为1.04,堆积密度1 562 kg/m3,表观密度2 646 kg/cm3,空隙率41%.

1.1.3 黄砂

南京某盾构施工料场所取,市售黄砂,过4.75 mm 砂石筛,细度模数为1.66,堆积密度1 544 kg/m3,表观密度2 629 kg/m3,空隙率41%.

1.2 实验方法

1.2.1 砂浆实验

将胶结材、筛分渣土和黄砂加入搅拌机搅拌4 min后倒入70.73 mm3试模,平板振动器振动30 s成型,移入Rh=95%,温度为(20±1)℃下标准养护,拆模后继续Rh=95%,温度为(20±1)℃下养护,至规定龄期,进行抗压强度试压.

1.2.2 砂浆流动度试验

参照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T2419-2005)进行,跳动完毕,用卡尺测量胶砂底面互相垂直的两个方向直径,计算平均值,取整数,单位为mm.

1.2.3 紧密堆积试验

将不同比例筛分渣土和胶结材混合进行堆积试验,得出混合料紧密堆积密度最大时二者比例,然后将该比例的渣土和胶结材混合物再和黄砂进行堆积试验,得出混合料紧密堆积密度最大时三者比例.基本公式：

由上述公式可以求出：

式中：α为胶结材在筛分渣土和胶结材混合料中的填充率；β为筛分渣土和胶结材在胶结材、筛分渣土和黄砂三元混合料填充率；UA为胶凝材料、筛分渣土和黄砂三元混合料干混堆积密度；J、S和H为胶结材、筛分渣土和黄砂质量,V0为1 L圆筒的校准体积.

1.3 实验仪器设备

胶砂搅拌机、压力试验机、胶砂振实台等.

2 结果与讨论

2.1 筛分渣土与黄砂比例对紧密堆积密度的影响

如图1所示,随着二元混合料中胶结材的含量增加,筛分渣土和胶结材混合料密度呈现先增加后降低的趋势,并在α=15%附近达到顶峰.根据图中方程微分得出αm=14.26%,此时UT=1 627 kg/m3.

图1 α值对二元混合料密度U T 影响

采用αm=14.26%计算出胶结材与筛分渣土混合料量,与黄砂再进行堆积实验,结果如图2所示.随着胶结材和筛分渣土组成混合料的密度增加,当β=65%～70%之间,UA出现最大值.根据图中方程微分得出βm=69.10%,此时UA=1 694 kg/m3,为最大值.

图2 β 值对三元混合料混合料密度UA 影响

将αm、βm、UA和V0代入基本公式(1)～(3),可得三者质量分别为：Jm=165.4 g,Sm=1 003.6 g,Hm=509.8 g,则胶结材、筛分渣土和黄砂三者的比例分别为9.85%、59.78%和30.37%.

2.2 胶砂比对砂浆性能影响

新鲜砂浆是属于流动性的浆体,需加水并能够与胶结材形成浆液、水化形成具有胶凝性能的水化产物[11],而紧密堆积研究中9.85%胶结材中相当一部分起填充或润滑作用,造成实际用于水化胶凝作用的胶结材量不足.因此,实际胶砂比应在渣土与黄砂比为1.97基础上、通过新鲜砂浆相关实验进一步确定.

固定渣土与黄砂比例,同时固定水胶比0.65,分析胶砂比对砂浆流动度和抗压强度的影响.从图3可知,3 d抗压强度从0.63 MPa到0.74 MPa变化；7 d抗压强度从1.38 MPa到1.53 MPa变化,14 d抗压强度从2.47 MPa到2.76 MPa变化.胶砂比对3 d和7 d早期强度影响较小,对14 d和28 d后期强度影响较大,在胶砂比为0.8时抗压强度出现峰值,分别达到2.76 MPa和5.11 MPa.

图3 胶砂比对同步砂浆强度的影响

由图4知,随着胶砂比增大,砂浆流动度呈现抛物线图形,在胶砂比为0.8时到达峰值.

图4 胶砂比对同步砂浆流动度的影响

综上分析可知,固定渣土与黄砂比为1.97和水胶比0.65,胶砂比为0.8 时同步砂浆流动度和抗压强度较好.

2.3 萘系减水剂对同步砂浆性能影响

在空白组配比(BM)基础上开展减水剂对同步砂浆性能研究.如图5所示,砂浆流动度随着减水剂掺量增加迅速提高,尤其在1.0%之后仍然增长.

图5 萘系减水剂对同步砂浆流动度的影响

根据技术规程[12],水泥基单液同步注浆材料性能要求砂浆流动度≥160 mm；大量实验也证实砂浆流动度到180 mm 以上,同步砂浆易于泵送.当W/B=0.55时,砂浆流动度达到180 mm 时减水剂掺量为2.43%,当W/B=0.60时,砂浆流动度达到180 mm时减水剂需要量为1.75%；当W/B=0.65时,砂浆流动度达到180 mm 时减水剂需要量为1.50%.

图6为不同水胶比下减水剂掺量对不同龄期下同步砂浆强度的影响.在3 d龄期中,不同水胶比的同步砂浆抗压强度随着减水剂掺量增加而缓慢下降,在掺量为2.0%之后下降趋势明显,这时水胶比为0.65的同步砂浆强度为0 MPa,水胶比为0.60的同步砂浆强度为0.24 MPa,水胶比为0.55的同步砂浆强度为0.34 MPa.在7 d龄期中,随着减水剂掺量增加,不同水胶比的同步砂浆强度均呈现缓慢下降趋势.在28 d龄期中,随着减水剂掺量增加,水胶比为0.65的同步砂浆的抗压强度呈现先增长后缓慢下降趋势,但在减水剂掺量为2%后下降明显；水胶比为0.60的同步砂浆的抗压强度呈现先缓慢增长后缓慢下降趋势,但在减水剂掺量为2%后几乎不变；水胶比为0.55的同步砂浆的抗压强度呈现缓慢增长趋势,但在减水剂掺量为2%后略有下降.

图6 萘系减水剂对同步砂浆强度的影响

图7为不同水胶比和不同减水剂掺量下同步砂浆表观密度的变化,反映新鲜浆体的密实程度.

图7 萘系减水剂对同步砂浆表观密度的影响

在水胶比为0.65的同步砂浆,在减水剂掺量为1.0%时同步砂浆表观密度达到最大值1 901 kg/m3,随后迅速下降；在水胶比为0.65的同步砂浆,在减水剂掺量为0.5%～2.0%范围之间,同步砂浆表观密度均保持相对稳定的数字,在1 928～1 931 kg/m3之间,说明减水剂在2.0%以下掺量变动对浆体密度影响很小；在水胶比为0.55的同步砂浆,在减水剂掺量为2.0%时同步砂浆表观密度达到最大值1 967 kg/m3,随后迅速下降.

综合前述同步砂浆流动度和表观密度分析,确定出高流动性组配比(FM)为水胶比=0.60,减水剂掺量2.0%,筛分渣土∶黄砂=1.97∶1.

2.4 二种配比下同步砂浆性能

空白组(BM)和高流动性组(FM)配比进行同步砂浆验证试验(见表2).主要性能见表3.

表2 二种配比主要参数

表3 二种配比主要性能

从表3～4可以看出,高流动性组FM 相比BM,砂浆流动度是2倍以上,泌水率低,凝结时间基本比BM 略有缩短,3 d和7 d强度均和BM 接近,28 d抗压强度则是BM 的1.16倍,按照《盾构法隧道同步注浆材料应用技术规程》(T/CECS 563—2018)建议中要求砂浆流动度应大于160 mm,3 d抗压强度不小于0.5 MPa,28 d抗压强度不小于2.5 MPa.说明在这两种配比中,FM 在降低水胶比情况下能满足施工要求.

2.5 微观分析

图8为FM 和BM 组3 d和28 d龄期试样SEM图.根据Image Pro-Plus

软件分析,BM 样的3 d和28 d孔隙率分别为16.54%和9.66%,FM 样的3 d和28 d孔隙率分别为16.84%和6.30%.FM 的3 d孔隙率略大于BM 的3 d孔隙率,这和表4强度性能相一致；28 d时候,BM 的孔隙率为FM 的1.53倍,显示微观结构中掺减水剂的同步砂浆孔隙比空白组要少.

图8 FM 和BM 组3 d和28 d龄期试样SEM 图

吸附等温线可以分析固体的表面及孔隙情况.图中的试样均属于BET 分类法中的第IV 类吸附等温线,在相对压力较低时曲线上升缓慢,在相对压力较高时曲线上升加快,说明在低相对压力时,氮气吸附主要发生在微孔中,而在高相对压力时,氮气吸附发生在微孔的同时,也发生在中孔和大孔中[13].从图9可看出,相同P/P0时吸附曲线和脱附曲线的分离程度大,代表样品孔隙数量多[14],能看出BM 组最为明显.滞回环是第IV 型等温线的显著特征,滞回环分离程度大,说明同步砂浆样孔径增大.

图9 FM 和BM 组28 d龄期试样的等温吸附-脱附曲线

图10 FM 和BM 组28 d龄期试样的孔容-孔径微分分布曲线

图10中样品的微分曲线可以看出主峰情况,FM在2.36 nm、4.04 nm 出现峰值,而 BM 在2.36 nm、4.04 nm 出现峰值,但 BM 在4.04 nm 峰值几乎是FM 在4.04 nm 峰值2倍,说明在对应孔体积更大.由此可知,相比BM,掺减水剂的同步砂浆孔径和孔体积更小.结合图8的分析说明,FM 样更为密实,因而强度高.