溶洞填充用流态填筑料的配制试验研究

余以明，谭啸峰，冷炎辉

[中交（广州）建设有限公司，广东 广州 511458]

0 前言

深惠城际大鹏支线一工区总出土量约54万m3。由于土方外运成本较高，且难以及时外运处理，容易对施工进度造成影响。此外，土方外运后堆存会占用大量土地，并造成环境污染。盾构穿越地层掘进时会遇到大量溶洞，常用的溶洞填充材料存在施工成本高、质量稳定性差、不满足环保及绿色施工要求等问题。为解决上述问题，拟采用流态填筑料进行溶洞的回填，流态填筑料能利用原地换填土、建筑渣土、建筑固废料，达到减少砂石用量，保护生态环境的目的，是一种绿色环保材料。

周永祥等[1-3]利用固化剂将基槽土、开挖废弃土制备成预拌流态固化土，并成功应用于北京、成都、广州、太原等地区综合管廊肥槽回填、桩基溶洞填筑工程。本文采用自制的胶凝材料体系制备流态填筑料并将其应用于盾构工程溶洞填充。

1 试验

1.1 原材料

水泥：英德海螺水泥有限责任公司产P·O42.5水泥；生石灰粉：150～200目，湖南益阳产；粉煤灰：Ⅱ级，广东河源电厂产；渣土：0～5 mm盾构渣土，分为砂质黏土、粉质黏土、淤泥质土，其中砂质黏土液限35.0%，塑限19.4%，粒径分布见表1；抗分散剂：河南清泉牌阴离子聚丙烯酰胺（PAM）；水：自来水。

表1 砂质黏土的粒径分布

1.2 试验方法

流态填筑料的坍落度、扩展度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；试块抗压强度参照JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试。

1.3 各材料初步配合比及正交试验设计

控制流态填筑料的坍落度≥180 mm，试块28 d抗压强度≥0.5 MPa。因此，胶凝材料掺量宜取总固体质量的7%～25%。参考相关文献[2-4]，选择流态填筑料的初步配合比：固定渣土85 kg、水泥3～5 kg、生石灰粉2～4 kg、粉煤灰6～10 kg、水23～27 kg。以水泥、生石灰粉、粉煤灰、用水量为因素设计4因素3水平正交试验，因素水平见表2。

表2 正交试验因素水平

1.4 制备方式

将渣土、胶凝材料、水依次投入砂浆搅拌机中搅拌均匀后测试其工作性能，成型后测试其力学性能。流态填筑料用于有水溶洞时，为保证抗分散剂的使用效果，可将抗分散剂提前投入到拌合水中水解30 min以上。

2 结果及分析

2.1 正交试验结果与分析

正交试验设计及测试结果见表3，坍落度、28 d抗压强度的极差分析见表4。

表3 正交试验设计及测试结果

表4 正交试验结果极差分析

由表4可知，影响流态填筑料坍落度因素的主次顺序为：D＞A＞B＞C。用水量增大，流态填筑料的坍落度增大；水泥、生石灰粉用量增加，因胶凝材料水化反应作用，流态填筑料的坍落度减小；掺入一定量的粉煤灰，能发挥滚珠效应，改善填筑料的粘聚性，但Ⅱ级粉煤灰的需水量较大，导致流态填筑料的坍落度随其掺量的增加略有下降。影响流态填筑料28 d抗压强度因素的主次顺序为：A＞D＞B＞C。填筑料的强度主要来源于水泥水化产物的胶结、填充和骨架支撑作用[5]；用水量增大，填筑料的粘聚性及密实性降低，抗压强度降低；生石灰水化生成饱和Ca（OH）2，不仅可以填充孔隙，减小收缩[6]，保证强度有效提高，还能提高溶液碱度，激发粉煤灰活性，起到碱激发作用。

通过正交试验极差分析，为使流态填筑料既具有一定的抗压强度，又具有较好的坍落度以利于泵送，确定原材料组合为A1B2C1D3，确定流态填筑料在干燥环境中的最佳配合比（kg）为：m（渣土）∶m（水泥）∶m（生石灰粉）∶m（粉煤灰）∶m（水）=85∶3∶3∶6∶27。

2.2 不同类型渣土对流态填筑料性能的影响

盾构掘进过程中会穿越多种地层，可用来制备流态填筑料的渣土有砂质黏土、粉质黏土、淤泥质土等，分别以此3种渣土按正交试验确定的最佳配比来配制流态填筑料，由于粉质黏土、淤泥质土达到相同流动性时的拌合用水量远大于砂质黏土，为保证3种流态填筑料的泵送性，在其他材料及用量不变情况下，只改变渣土种类及用水量，试验配合比及坍落度、28 d抗压强度测试结果见表5。

表5 不同类型渣土试验配合比及测试结果

由表5可知，在其他材料及用量不变的情况下，当渣土类型不同时，达到相同流动性所需的用水量不同，砂质黏土用水量最少，淤泥质土用水量最大；砂质黏土28 d抗压强度最高，淤泥质土28 d抗压强度最低。因此，用来制备流态填筑料的盾构渣土宜采用砂质黏土，当采用粉质黏土、淤泥质土等细粒土时，可掺入不超过总土质量40%的砂粒。

2.3 抗分散剂对流态填筑料性能的影响

为保证流态填筑料在有水溶洞中不出现离析分散现象，在水下环境中仍具有较好的填筑效果，拟在流态填筑料中掺入一定量的抗分散剂，抗分散剂能够产生一定的絮凝作用，增强渣土颗粒之间的粘结性能，从而增强结构在水中的稳定性[7]。抗分散剂的用量分别为总固体质量的0～0.015%。由于石灰属于气硬性胶凝材料，不宜在水下环境中使用，故用水泥全部替代石灰。掺抗分散剂的试验配合比见表6，抗分散剂对流态填筑料坍落度和抗压强度的影响分别如图1、图2所示。

图2 抗分散剂掺量对流态填筑料抗压强度的影响

表6 掺抗分散剂的试验配合比

图1 抗分散剂掺量对流态填筑料坍落度的影响

由图1可知，随着抗分散剂掺量的增加，3种渣土的坍落度均近似呈线性减小，其中淤泥质土坍落度减小最缓，粉质黏土坍落度减小最快。为保证流态填筑料的可泵送性，砂质黏土、淤泥质土抗分散剂的掺量不宜超过总固体质量的0.010%，粉质黏土水下抗分散剂的掺量不宜超过总固体质量的0.005%。

由图2可知，未掺抗分散剂的3种渣土填筑料的28 d抗压强度均比掺抗分散剂的3种渣土填筑料的抗压强度高。随着抗分散剂掺量的增加，3种渣土填筑料的28 d抗压强度均逐渐下降，但下降趋势均逐渐变缓。综合考虑抗分散剂对3种渣土填筑料坍落度和抗压强度的影响，确定渣土中抗分散剂的掺量均为0.005%。

取少量抗分散剂掺量为0.005%的淤泥质土填筑料放入装满水的托盘中，观察填筑料在水中的抗分散性，结果如图3所示。将抗分散剂掺量为0.005%的砂质黏土填筑料装入有水的水泥砂浆灌浆机中，观察砂质黏土的抗分散性及可泵性，如图4所示。

图3 淤泥质土在水中的抗分散性

图4 砂质黏土在水中的抗分散性及可泵性

由图3可知，掺0.005%抗分散剂的淤泥质土在水中基本不分散，托盘中水质仍较清澈，表明其抗分散性满足水下施工要求[8]。由图4可知，砂质黏土填筑料在有水的灌浆机中也不分散，启动灌浆机泵送时，首先泵出的是较清澈的水，其后是泵送性较好的流态填筑料，基本未见明显的泥水混合物。

3 结论

（1）通过砂质黏土填筑料正交试验研究确定最佳原材料组合为A1B2C1D3，由此得到砂质黏土流态填筑料在干燥环境中的最佳配合比为：m（渣土）∶m（水泥）∶m（生石灰粉）∶m（粉煤灰）∶m（水）=85∶3∶3∶6∶27。分别用粉质黏土、淤泥质土替代砂质黏土，在胶凝材料用量均不变的情况下，为保证填筑料的可泵送性，用水量分别增加至总固体质量的40.5%、46.1%。

（2）不同类型渣土配制的流态填筑料性能不同。达到相同坍落度时，用水量由低到高分别为：砂质黏土、粉质黏土、淤泥质土。在坍落度基本相同的情况下，28 d抗压强度由高到低分别为：砂质黏土、粉质黏土、淤泥质土。因此，用来制备流态填筑料的盾构渣土宜采用砂质黏土，当采用粉质黏土、淤泥质土等细粒土时，可掺入不超过总土质量40%的砂粒。

（3）流态填筑料在有水溶洞中填充作业时，应将胶凝材料体系中的生石灰粉全部用水泥替代，掺入抗分散剂的流态填筑料在有水环境中具有较好的抗分散性及可泵性。随着填筑料中抗分散剂掺量的增加，填筑料的坍落度及28 d抗压强度均随之降低，综合考虑，砂质黏土、粉质黏土、淤泥质土填筑料中抗分散剂的掺量宜为总固体质量的0.005%。