高性能轻质注浆材料制备与微观结构分析

2021-04-24高培伟仲建军邓岩松徐小凤李妹昱

华东交通大学学报 2021年1期

高培伟，仲建军，邓岩松，徐小凤，李妹昱，张俊

（1.南京航空航天大学土木系，江苏南京210016; 2. 江西昌铜高速公路有限责任公司，江西南昌330025；3. 水利部堤防与病害防治工程技术研究中心，河南郑州450003）

盾构施工技术在我国地下轨道工程中的应用越来越广泛，已经成为地下工程施工的主要方法，壁后注浆是盾构施工关键工序之一，对于控制地层位移，减少对周边地下结构物的扰动和维持盾构隧道的稳定性十分重要[1-2]。我国在地铁施工中常用水泥和化学注浆材料，化学注浆材料具有黏度低、流动性好的特点，可注入到细微缝隙中，但造价高且有一定毒性，应用和施工不太方便；水泥注浆材料具有强度高、来源广泛、造价低、配制和施工方便等特点，但沉降量大，有时达20 cm，需二次注浆[3]。管片同步注浆料在管片与围岩间存在流动水，水下抗分散能力差；胶缩减材流失量大，饱满度差；凝结时间超过24 h，结石率低；二次注浆量大、成本高、环保不良等问题。传统的壁后注浆材料和方法已不能满足地铁工程对施工质量、进度和安全的严格要求，探求新颖的管片壁后同步注浆填充材料和技术，已成为地铁工程部门急需解决的技术难题。

近年来，轻质泡沫注浆材料以其轻质、保温、气孔均匀和绿色环保等特点在多个领域得到了广泛研究和应用[4-5]。其中，发泡剂是制备和决定泡沫注浆材料力学性能与微观结构的关键因素。泡沫注浆材料发泡剂直接影响新拌浆体的流动性和稳定性，还决定注浆材料物理与力学性能、气孔结构、沉降变形和塌陷等，其质量优劣评价标准主要是起泡及稳泡性能等指标[6-7]。国内外研究表明，发泡剂的组成对泡沫注浆材料的性能影响较大[8-11]，Korat L[12-13]研究了蛋白复合类发泡剂对泡沫注浆材料性能的影响，发现不同品种发泡剂对泡沫注浆材料力学性能影响较小，对其热工和吸附性能影响较大；闫秋会等[14-15]通过将十二烷基硫酸钠（SDS）、α-烯基磺酸钠（AOS）和动物蛋白（APFA）3 种发泡剂进行复掺来提高发泡剂性能；He Juan[16]对比a-烯烃磺酸盐（AOS）、十二烷基硫酸钠（K12）和乙醇醚硫酸钠（AES）3 种发泡剂对注浆材料泡沫稳定性的影响，结果表明AOS，K12 和AES 共3 种发泡剂的泡沫稳性能略有差异，AOS 的泡沫稳定性最好。

目前国内对地铁管片壁后注浆材料研究和应用较少，针对不同地质环境下地铁工程中注浆材料更是鲜见报道，地铁工程所处环境比较复杂，加上长期处于潮湿环境，经受泥水冲蚀作用，对壁后注浆材料要求更高，应具有较好的填充性；通过优化设计和改性，研制了适用于地铁壁后注浆新型发泡剂，并研究了发泡剂对注浆材料发泡、稳泡方面能力，为广泛应用于地铁管片壁后回填等领域提供理论依据和应用参考。

表1 化学试剂Tab.1 Chemical admixtures

1 试验原材料和方法

1.1 试验主要原材料

母液：以牛蹄角为原料，在碱性条件下水解一定时间后制备出深褐色牛蹄角蛋白，能与水任意比例互溶；化学外加剂：为了提高溶液的发泡能力和泡沫稳定性，在母液里加入适量不同品种和质量的化学外加剂（见表1），改善母液性能，以满足工程需要。

1.2 试验方法

1.2.1 注浆材料发泡剂制备

按一定比例称取适量化学试剂，用适宜温度热水溶解，掺到母液中，按规定的稀释倍数将母液稀释，制备成注浆材料专用的发泡剂，利用高压发泡机将发泡剂打出泡沫。

1.2.2 注浆材料发泡剂性能测定

采取机械搅拌方法进行泡沫性能测试，主要包括发泡倍数、1 h 沉降距和1 h 泌水量3 项性能指标，测定方法参考《泡沫混凝土》（JG/T266-2011）进行，并观察泡沫形貌。

1）发泡倍数：准备5 L 容器，测定其质量G1，将利用发泡剂制备的泡沫在30 s 内装入容器中，测定质量G2，代入公式

式中：M 为发泡倍数；V 为容器容积，mm3；G1为容器质量，g；G2为容器和泡沫质量，g；ρ 为发泡剂水溶液密度，g/mm3。

2） 1 h 沉降距：将制备好的泡沫在30 s 内装入沉降距测定仪的容器中，将浮标轻轻放在泡沫上，开始计时，测定1 h 泡沫的沉降距，mm。

3） 1 h 泌水量：利用泡沫质量测定仪测定泡沫泌水量，根据量管上刻度，测定1 h 由破裂泡沫所分泌出的水量，mL。

1.2.3 注浆材料制备及微观结构分析

在注浆材料的制备过程中，泡沫掺量是决定其密度等级的核心因素，通过优化设计，将泡沫掺量初步定在胶凝材料质量分数的3%进行试配，通过调配水胶比，制备了600 级泡沫注浆材料，其中注浆材料主要成分为水泥、砂、粉煤灰、原料土、外加剂和泡沫剂。

1） X 射线衍射分析：在样品达到相应龄期后用无水乙醇浸泡3 d，研磨后进行筛分、干燥1 d，采用Bruker-Axs D8 DISCOVER 型仪器进行测试，扫描速度为0.30 s/step，角度为5°～80°，步长为0.02。

2） CT 法测孔隙率：将试件置于CT 扫描仪器上，设置扫描断面间隔后确定正立面方位，将得到的断面图使用图像处理方法进行三维结构重建，观察和分析孔结构。

2 高性能发泡剂起泡与稳泡性能研究

2.1 高性能发泡剂母液稀释倍数研究

选取纯度为98%的动物蛋白作为原始母液，根据课题组前期研究，选取具有代表性的稀释倍数对母液进行稀释和发泡，研究稀释倍数对发泡剂性能的影响，得到不同稀释倍数下的发泡倍数、1 h 沉降距和1 h 泌水量，通过数据对比分析，确定泡沫性能最优时的适宜稀释倍数，探究注浆材料专用发泡剂的起泡和稳泡能力，见表2 和图1。

表2 稀释倍数对母液发泡倍数的影响Tab.2 Influence of dilution factor on mother liquor foaming factor 倍

图1 稀释倍数对母液1 h 沉降距和泌水量影响Fig.1 Effect of dilution factor on the settling distance and bleeding volume of mother liquor at 1 h

从表2 可见，随母液稀释倍数增加，发泡剂的发泡倍数呈下降趋势。当稀释倍数为65 时，发泡剂的发泡倍数较稀释30 倍时下降了68.4%；当稀释40 倍时，发泡倍数较稀释30 倍时下降了10.7%；当稀释45 倍时，发泡倍数较稀释30 倍时下降了22.3%，由此可见，当稀释倍数超过40 倍后，用于注浆材料的发泡剂发泡倍数下降的趋势越来越明显。

由图1 可见，随母液稀释倍数增加，1 h 沉降量和泌水量呈增加趋势。稀释35 倍较稀释30 倍时，1 h 沉降量和泌水量分别增加了14.4%和8.0%；稀释40 倍较稀释30 倍，1 h 沉降量和泌水量分别增加了30.0%和44.8%；稀释45 倍较稀释30 倍时分别增加了41.7%和76.0%；稀释50 倍较稀释30 倍分别增加了53.0%和110.4%。结合母液稀释倍数、起泡和稳泡性能和成本，选用40 倍的稀释倍数进行深入研究。

2.2 不同起泡剂对高性能发泡剂性能影响研究

选用40 倍作为母液的标准稀释倍数，并记为A 溶液，以SDS 和SDBS 两种阴离子作起泡剂，取一定量A 溶液，分别用拟定的0.2%～1.2%掺量范围的SDS 和SDBS 对A 液进行改性，从发泡倍数、1 h 沉降距和1 h 泌水量探究起泡剂品种和掺量对高性能发泡剂性能的影响，试验结果见图2 和图3。

图2 阴离子表面活性剂掺量对发泡倍数的影响Fig.2 Effect of anionic surfactant content on foaming ratio

图3 阴离子表面活性剂对1 h 沉降距和泌水量影响Fig.3 Effect of anionic surfactant on settling distance and bleeding volume at 1 h

由图2 可见，高性能发泡剂发泡倍数与起泡剂掺量呈正相关，SDBS 起泡剂掺量为0.2%时，发泡倍数为22.4，随SDBS 掺量逐步提高，发泡倍数依次增加了20%，7.4%，31%，10.52%和4.76%，对比不同掺量活性剂对发泡倍数影响程度，前期增幅较大，掺量为0.8%后增幅变缓。 SDS 起泡剂掺量为0.2%时，发泡倍数为22.5，随SDS 掺量逐步提高，发泡倍数依次增加了25%，20%，21%，10%和7.95%，与掺SDBS 结果类似，掺量0.8%后，发泡倍数增加幅度开始逐渐减缓。这是因为阴离子表面活性剂在降低表面张力同时，削减了液膜厚度，有利于发泡；由于表面活性剂仅能降低而不能消除表面张力，致使发泡倍数不能无限增大，当液膜厚度趋向法向承载力极限时，发泡倍数达到极限。考虑到发泡倍数和经济等方面因素，选取阴离子表面活性剂掺量为0.8%比较适宜。

由图3 可见，SDS 掺量不同，发泡剂发泡后1 h泌水量和1 h 沉降量变化趋势不同，1 h 泌水量随掺量增加逐渐降低；而1 h 沉降量随SDS 掺量增加先下降，掺到1%后逐渐上升。当SDS 掺量为0.8%，1 h 沉降量较掺0.2%时下降了18.5%，泌水量下降了17.2%。当SDBS 掺量为0.8%时，1 h 沉降距较掺量为0.2%下降了19.9%，泌水量下降了8.1%。由图可见，当掺量为0.8%，1 h 沉降距和泌水量较小，故选取阴离子表面活性剂掺量为0.8%进行下一步研究。

由图2 和图3 可见，在0.8%掺量下SDS 和SDBS 发泡性能，SDS 发泡倍数比SDBS 增加了5%，1 h 沉降距和1 h 泌水量下降了10%和12%，掺0.8%SDS 的母液发泡剂的起泡能力较好，将此溶液记为B 溶液，并在此基础上探究其稳泡性能。

2.3 不同稳泡剂对高性能发泡剂性能影响研究

依据课题组前期大量研究，选取MJ，SA，C12，CS 和CMC 共5 种稳泡剂和3 个适宜掺量A1，A2和A3 分别加入B 溶液中，研究其发泡倍数、1 h 沉降距和泌水量，探究不同稳泡剂及其最佳掺量对稳泡性能的影响，试验结果见表3 和图4。

由表3 可见，使用MJ，SA，C12，CS 和CMC 共5种稳泡剂，在3 种掺量下，掺C12 稳泡剂发泡倍数最大，在C12 的掺量为A1 时，发泡倍数最高，达46.7 倍，同其它同掺量的稳泡剂相比，分别高出7%，13.3%，4.9%和17.3%。

由图4 中1 h 沉降距可见，C12 掺量为A1 时，1 h沉降距7.1 mm 为最低，比其它稳泡剂分别低42.3%，69.0%，54.9%和38.0%。与前述类似，其它掺量下稳泡剂差异性较小。由图4 中1 h 泌水量结果可见，C12掺量为A1 时1 h 泌水量最低，为55 mL，分别低于其它稳泡剂89.0%，45.4%，134.5%和123.6%。由此可见，其它稳泡剂在同掺量下，对发泡剂改善效果没有C12 明显，C12 在掺量为A1 时，对发泡剂具有显著改善效果，对1 h 泌水量改善尤为突出，这是因为C12 醇类分子使液膜具有更高黏性，抑制了其排液效果，本研究选取C12 作为稳泡剂，进一步探究C12 稳泡剂不同掺量对发泡剂泡沫性能的影响。

表3 不同稳泡剂及掺量对发泡倍数影响Tab.3 Effect of different foam stabilizer and dosage on the foaming ratio

图4 不同稳泡剂及掺量对1 h 沉降距和泌水量影响Fig.4 Influence of different foam stabilizer and dosage on 1 h settling distance and bleeding volume

表4 和图5 是C12 稳泡剂在不同掺量对发泡剂发泡倍数、1 h 沉降距和1 h 泌水量影响示意。

表4 C12 掺量对发泡倍数影响Tab.4 Effect of C12 content on the foaming factor

由表4 可见，注浆材料发泡剂的发泡倍数随C12 掺量增加呈先增后降趋势，掺量为0.15%时，发泡倍数最大，约48.3 倍；比不掺C12 稳泡剂，其发泡倍数增加了17.8%。随C12 掺量逐渐增加，发泡倍数呈下降趋势，掺0.21%时发泡倍数为39.8，比掺量为0.15%时下降了17.6%。 C2 过量，液膜厚度增加，表面活性剂分子突破液面阻力增强，发泡倍数降低。

图5 C12 掺量对1 h 沉降距和1 h 泌水量影响Fig.5 Effect of the content of C12 on 1 h settling distance and bleeding volume

由图5 可见，在泡沫稳定性方面，1 h 沉降距及1 h 泌水量均随C12 掺量增加呈现先减小后增加的趋势。 1 h 沉降距在掺量为0.15%最小，比不掺C12 稳泡剂降低了49.2%；当C12 掺量为0.21%时，沉降距比掺量为0.15%时增加了49.2%，随C12 掺量进一步增加，沉降距出现上升趋势。由图5 还可见，1 h 泌水量在C12 稳泡剂掺0.12%时最小，比不掺C12 稳泡剂的发泡剂降低了71.7%；随C12 掺量进一步增加，泌水量出现上升趋势，当C12 掺量为0.21%，泌水量比掺量为0.12%时发泡剂增加了58.5%。醇类分子可增加液膜黏度，随黏度提高，液膜流动阻力增大，依靠自重排液和张力排液均受到限制，泡沫稳定性增加，进一步增加醇类分子掺量，过高黏度使液膜的弹性减弱，液膜抵抗变形能力减弱，在切向力作用下，液膜破裂增加，稳泡性降低。

2.4 发泡剂对注浆材料孔结构作用机理研究

图6 是采用光学显微镜观察到发泡剂发泡后的泡沫在不同时期形貌。由图6 可见气泡孔径整体比较均匀、统一，平均孔径约0.05 mm，小的液泡自动填充在大液泡中，空隙较少；曲率半径越大，液泡内部压力也就越高，相对较小的液泡就易破裂，以液体形式排出，不可避免地产生泌水并导致沉降距增加。由放置了1 h 后泡沫形貌可见，气泡分布比较清晰，孔径更加均匀、统一，没有看到大液泡破裂现象；部分小液泡破裂后进入大液泡间隙，使大的泡沫孔径有所增大，但液泡厚度无明显降低，说明发泡剂发出来液泡较稳定，破裂的气泡较少。通过两图对比可知，新型发泡剂所发的泡沫薄膜有较高强度、韧性、黏度，这是因为使用稳泡剂增加了泡沫稳定性，提高了注浆材料发泡剂性能。

图6 泡沫的微观形貌Fig.6 Morphology of foam in curing time

为进一步探讨发泡剂对注浆材料内部孔结构与性能的影响，通过XRD 和CT 扫描仪器对制备的600 级泡沫注浆材料分析，研究其内部产物和孔结构及分布，见图7 和图8。

图7 注浆材料基体XRDFig.7 XRD pattern of grouting material matrix

图7 为注浆材料基体的XRD 图谱，由图7 分析结果可得，在2θ 为10°～80°时，注浆材料主要有4 种物相的特征峰：Ca（OH）2，C2S，CaCO3和AFt。

图8 是利用CT 扫描测试在相同放大倍数下拍摄的注浆材料的内部孔结构，由图8 可见，水胶比对相同密度的注浆材料孔结构有显著影响，而孔结构也决定了注浆材料的性能。当水胶比较小（W/C=0.40），注浆材料的孔结构开始变差（对比W/C=0.44），原因是黏度较高造成泡壁周围受力不同，使部分气泡在拌合时发生变形；在0.48 水胶比下，因泡沫量多黏度高，造成部分泡沫没有分开而形成了连通孔；当水胶比增大，孔结构大多为球状，但孔径也较大，尤其在600 级注浆材料内部结构中，较大水胶比使大孔径泡沫的比例有所增加，造成孔径均匀性变差，强度降低，沉降增加。