混合细骨料对同步注浆砂浆性能的影响研究

穆文庆， 白 玮， 廖剑平， 王德乾

(1.中铁建华南建设(广州)高科技产业有限公司，广东 广州 511458；2.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

随着国家城镇化及基础设施建设的迅猛发展，所需天然砂等消耗性建筑材料急剧增大，建设施工用天然砂过度开采，不仅使天然砂的价格不断提高，同时也让自然环境遭受了严重的破坏。近年来，随着国家生态文明建设的推进，如何找到天然砂的替代品，避免天然砂的违规开采，是当前亟需解决的问题。据调研，尾矿因其量大价低的特点，可代替部分天然砂[1-4]。

目前已针对尾矿砂或者机制砂与天然砂一起混合形成建筑用的砂浆进行诸多研究，对同步注浆砂浆研究颇少；同时将尾矿、机制砂与天然砂两两复配使用，或者是将三者一起复配使用，都容易导致砂浆品质不可控，出浆率低，固结率低，以及容易出现裂纹、离析等问题[5-10]。本文依托广州地铁18和22号线盾构区间施工，主要研究利用尾矿、机制砂代替部分天然砂，组成混合细骨料，通过改善细骨料级配，调整配比，从而提高同步注浆砂浆出浆率等性能。

1 试验设计

1.1 试验原材料

阳春海螺水泥有限责任公司生产的海螺牌P.O42.5级水泥，其水泥各项技术指标符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)的要求；粉煤灰为广东火电厂II级，45 μm筛筛余为20.8%，粉煤灰各项技术指标：细度21%、需水量比101%、含水量0.6%、烧失量6.2%、安定性4.3 mm；盾构砂浆用天然砂、尾矿砂、机制砂的累计筛余见表1，其细度模数分别为：天然砂为2.2、机制砂为2.0、尾矿砂为0.4；膨润土采用博罗县熊茂建材有限公司生产的钙基或钠基膨润土；纤维素醚为陶氏公司生产的羟乙基甲基纤维素醚MT400PFV；聚羧酸盐高效减水剂；水为饮用自来水。

表1 水洗砂、机制砂及尾矿累计筛余 %

1.2 试验方法

砂浆强度、固结率、出浆率、流动度、凝结时间、试件制作与养护等试验测试按照《水泥基灌浆材料》(JC/T986)、《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346)、《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70)以及《胶凝型盾构注浆配套干混砂浆》(Q/ZTJHN1-2019)中提到的(GB50119-2003)附录A的方法进行。

2 混合细骨料对同步注浆砂浆性能的影响

试验方案：本次试验依据表2混合细骨料的级配，通过调整混合细骨料细度模数依次为1.0、1.5、1.8、2.0、2.1，调节需水量，控制流动度在260～280 mm，分析混合细骨料对同步注浆砂浆出浆率、固结率、强度的影响；天然砂同步注浆砂浆(序号6，细度模数2.2)作为对比对象，分析其与混合细骨料制备同步注浆砂浆性能的区别。砂浆配合比设计见表3，试验结果见表4。

表2 混合细骨料的级配 %

表3 混合细骨料制备同步注浆砂浆的配合比 kg/m3

表4 混合细骨料制备同步注浆砂浆的性能指标

2.1 对砂浆固结率的影响

混合细骨料对同步注浆砂浆固结率的影响如图1所示。

由图1可知，通过配制级配合理的混合细骨料，固结率随着细度模数的增加先增大后趋于平稳，细度模数为1.8时最大，此时固结率为98.8%，比天然砂所制同步注浆砂浆固结率提高了1.2%。这是因为尾矿砂、机制砂中含有一定量的石粉，可以改善同步注浆砂浆的泌水性，从而提高固结率，当尾矿、机制砂所占比例过高，会使同步注浆砂浆比表面积增大，需水量大幅增加，保水性能随之下降，固结率降低。

图1 对同步注浆砂浆固结率的影响

2.2 对砂浆出浆率的影响

混合细骨料对同步注浆砂浆密度和出浆率的影响曲线如图2所示。

图2 对同步注浆砂浆密度和出浆率的影响

由图2可见，通过配制级配合理的混合细骨料，混合细骨料细度模数从1.0增加到2.1时出浆率由94%降低到83%，这是因为随着尾矿、机制砂粉料含量减少，需水量随之减少，密度呈上升趋势，导致出浆率减小。根据施工性能要求，混合细骨料细度模数1.8时性能最佳，此时出浆率比天然所制同步注浆砂浆提高了9%。

2.3 对砂浆抗压强度的影响

混合细骨料对同步注浆砂浆抗压强度的影响曲线如图3所示。

图3 对同步注浆砂浆抗压强度的影响

从图3可知，通过配制级配合理的混合细骨料，干拌砂浆的抗压强度随着细度模数的增大先增加后趋于平稳，细度模数为1.8时最大，此时，7 d抗压强度为3.0 MPa、28 d抗压强度为3.9 MPa，比天然砂所制同步注浆砂浆7 d抗压强度提高了3.3%、28 d抗压强度提高了2.5%。这是因为机制砂、尾矿砂表面粗糙，石粉含量多，能诱导水泥水化物析出晶体，阻止钙矾石向单硫型的水化硫铝酸钙转化, 并与水泥反应生成水化碳铝酸钙, 具有提高砂浆强度的作用。随着尾矿砂、机制砂增加，配方中颗粒级配变差，粗颗粒的减少削弱了砂浆骨架作用，使得砂浆强度降低。

3 结论

(1)尾矿砂、机制砂与天然砂制备同步注浆砂浆后具有良好的性能，在级配合理的基础上，混合细骨料细度模数为1.8时同步注浆砂浆的性能最佳，此时出浆率89%、固结率98.8%、28 d抗压强度3.9 MPa，较天然砂所制同步注浆砂浆出浆率、固结率分别提高了9%、1.2%，7 d、28 d抗压强度分别提高了3.3%和2.5%。

(2)采用机制砂、天然砂和尾矿砂混合后的同步注浆砂浆应用在广州地铁18号线、22号线，不仅可以缓解目前日益突出的天然砂紧缺问题，而且能实现资源合理利用，在降低生产成本的同时又保护了生态环境。