粉质黏土替代膨润土改性泥浆配比试验

王昭鹏, 赵文, 王志国, 王鑫

(东北大学资源与土木工程学院, 沈阳 110819)

盾构施工方法分为泥水平衡盾构和土压平衡盾构,由于泥水平衡盾构施工造价高,有环保隐患等缺点,除穿江跨海和水下隧道考虑泥水平衡盾构外,陆域隧道一般采用土压平衡盾构。在使用土压平衡盾构施工时,核心技术之一就是要把刀盘开挖下来的土体进行渣土改良,使其达到一种“塑性流动状态”,使得渣土在土仓内建立有效平衡,以确保盾构机顺利向前推进。

国内外学者对土压平衡盾构渣土改良进行了大量的研究,针对盾构渣土改良难题,从渣土改良剂类型及技术参数、渣土改良评价指标及确定方法等方面进行了详细的剖析[1]。同时,对于黏土-砂砾复合地层[2]、砂土地层[3]、富水卵石层[4]、砂卵石地层[5-6]、黏土地层[7-8]等不同地层采用泡沫、膨润土或分散剂作为改良剂,通过室内试验或模拟盾构试验系统的方法给出了改良的最佳配比。Peila等[9-10]对土压平衡盾构渣土改良常用的室内试验方法进行了阐述,并表明坍落度试验是一种快速且低成本的方法,可以在实验室和工作现场进行运用。邱龑等[11]对富水砂层进行渣土改良试验,结果表明改良后的渣土坍落度在190～200 mm时的和易性较好,满足施工要求。肖云之[12]对粉质黏土地层进行渣土改良研究,试验和工程实践表明改良渣土坍落度在140～160 mm时具有良好的流塑性。熊欢等[13]利用塌落度试验,推导考虑塌落度桶形状效应的盾构渣土屈服应力改进预测模型,证明了坍落度试验的适用性。综合研究表明,改良渣土的坍落度应控制在140～200 mm,此时改良渣土的和易性、保水性、流塑性等均能满足施工要求。

在利用工程废弃材料改良渣土方面,也有学者进行了尝试。王大永等[14]提出将废黏土与膨润土泥浆混合应用于粉细砂、细砂、粗砂地层渣土改良施工,研究表明,当黏土∶膨润土∶水=4∶1∶4时,能够满足现场需要。姜腾等[15]采用填土、淤泥质粉质黏土、膨润土分别与泥浆增黏剂混合配浆,每1 000 m3泥浆增加添加剂5.1～8.5 t,泥浆黏度提升至19.5～38.1 s,泌水率降低至1.2%～5.1%,能够满足粉细砂地层渣土改良施工。梅源等[16]对富水砾砂层添加质量分数为11%、注入比为20%的膨润土泥浆,并掺入50%的Q3黄土,改良效果满足现场要求。

在粉质黏土地层开挖基坑或进行盾构施工时,会产生大量废弃粉质黏土,现有处理方法主要将其用于烧结砖、壁后注浆或者消纳弃置等,存在利用率低、不符合环保标准等隐患,亟须一种利用率高、转运方便的处理方式。基于此,现提出一种利用废弃粉质黏土调制泥浆改良盾构渣土的新方案,根据前人的研究成果[17],拟选用不同的外加剂[18](六偏磷酸钠、碳酸钠、硅酸钠、焦磷酸钠)对粉质黏土泥浆进行改性,分析土水比、外加剂种类及掺量对粉质黏土泥浆漏斗黏度、酸碱度、滤失量以及胶体率的影响,通过扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)对粉质黏土泥浆改性前后的微观结构进行分析,并将改性后粉质黏土泥浆作为改良剂进行渣土改良室内试验,验证改性粉质黏土泥浆改良盾构渣土的可行性。

1 试验材料

1.1 粉质黏土

选用沈阳地铁六号线开挖的粉质黏土作为原材料,对粉质黏土的基本性质进行了测定,结果如表1所示。该土样塑性指数为11.4,属于低液限粉质黏土,采用筛析法和密度计法对颗粒粒径级配进行测定,如图1所示,小于75 μm的颗粒约占总土质量的99%,小于5 μm的黏粒约占总土质量的24%。

图1 颗粒粒径级配曲线

表1 粉质黏土基本性质

对粉质黏土进行X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)试验,对其中的矿物含量进行测定,结果如图2所示,可以看出粉质黏土中的主要矿物以石英和高岭石为主。

图2 粉质黏土XRD试验结果

1.2 外加剂

选用六偏磷酸钠、碳酸钠、硅酸钠和焦磷酸钠4种外加剂分别对粉质黏土泥浆进行改性试验。为了增加粉质黏土泥浆的黏度、胶体率等性质,需要使粉质黏土泥浆的结合水增加,悬浮性和稳定性增强,这要求粉质黏土的比表面积增加,颗粒粒径变小,这4种外加剂常用作黏土分散剂使用,可以有效将聚集在一起的粉质黏土团聚体分散,提高其比表面积,因此采用如表2所示的外加剂。

表2 试验用化学试剂

2 粉质黏土泥浆改性试验

2.1 试验方案及仪器

为了探究在不添加外加剂的情况下粉质黏土泥浆是否能够达到改良剂的效果,分别选用1∶6、1∶4、1∶3、1∶2、2∶3、9∶11、1∶1共7种土水比的泥浆进行试验,同时研究土水比对粉质黏土泥浆性质的影响。对于改性泥浆试验,根据预实验选用2∶3、9∶11、1∶1共3种土水比,外加剂的掺量(外加剂与粉质黏土质量之比)分别为0.1%、0.5%、1%、3%和5%,分别对泥浆的漏斗黏度、酸碱度、滤失量和胶体率进行试验,如表3所示。

表3 改性粉质黏土泥浆试验方案

(1)黏度测定。采用苏式漏斗黏度计测量泥浆的漏斗黏度,苏式漏斗黏度是指从第一滴泥浆滴落开始到滴满500 mL量杯为止的时间,单位为s。

(2)pH测定。利用PHS-25型实验室pH计测量泥浆酸碱度,将测量棒插入泥浆中,待读数稳定后读取pH。

(3)滤失量测定。利用ZNS-2A型中压失水仪测量泥浆滤失量,从第一滴水滴落开始计时,30 min后量筒中的水量即为滤失量,单位为mL。

(4)利用100 mL量筒测量泥浆胶体率,将泥浆倒入100 mL量筒,静置24 h后读取沉淀泥浆的数值,其与100 mL比值百分比即为胶体率。各仪器如图3所示。

图3 试验仪器

图4 粉质黏土泥浆胶体率

2.2 粉质黏土泥浆性质试验

对于改良剂泥浆的性质,并没有统一标准,结合已有盾构渣土改良研究结果[19],合理改良剂泥浆的漏斗黏度为40～90 s,酸碱度为8～10,滤失量小于20 mL,胶体率大于96%。综合对比可知碳酸钠和焦磷酸钠对泥浆的改性效果较好,掺入量为1%～3%时泥浆各项性质满足要求。

如表4所示,随着粉质黏土泥浆的土水比增大,泥浆的漏斗黏度和胶体率明显增长,酸碱度和滤失量呈下降趋势,当土水比为2∶3时,漏斗黏度最大为20 s,酸碱度最大为7.97,滤失量最小为70 mL,胶体率最大为84%。

表4 粉质黏土泥浆性质

试验中各指标均不满足改良剂的性质要求,说明直接使用粉质黏土泥浆无法满足渣土改良要求,应添加外加剂对粉质黏土泥浆进行改性。

2.3 改性粉质黏土泥浆性质试验

通过4种外加剂共60组试验,发现不同外加剂对泥浆的性质影响程度不同但规律相似,采用碳酸钠与焦磷酸钠的泥浆改性结果如下。

2.3.1 碳酸钠改性粉质黏土泥浆

如图5所示,随着碳酸钠掺量的增加,泥浆的漏斗黏度先增大后趋于稳定,酸碱度逐渐提高,滤失量先减小后增加;土水比1∶1和9∶11的泥浆漏斗黏度相近且明显大于土水比2∶3的泥浆,最大漏斗黏度为64 s,酸碱度和滤失量3组土水比泥浆之间相差不大,酸碱度最大为10.49,滤失量最小为8 mL,泥浆胶体率基本符合要求。

图5 泥浆性质与碳酸钠掺量关系

综上所述,土水比为9∶11、碳酸钠掺量为3%的改性泥浆漏斗黏度为60 s、酸碱度为10、滤失量为8.8 mL、胶体率为100%,能够满足改良剂基本性质的要求,且掺加碳酸钠的泥浆均匀,不易沉淀,稳定性较好,因此碳酸钠的效果明显。

2.3.2 焦磷酸钠改性粉质黏土泥浆

如图6所示,随着焦磷酸钠掺量的增加,泥浆的漏斗黏度和酸碱度呈上升趋势,滤失量先降低后趋于稳定,胶体率满足要求;土水比1∶1泥浆的漏斗黏度明显大于其余两个土水比的泥浆,3种土水比泥浆的酸碱度大致相同,土水比1∶1的泥浆滤失量较另两者更小。

图6 泥浆性质与焦磷酸钠掺量关系

综上所述,土水比9∶11、焦磷酸钠掺量3%的改性泥浆漏斗黏度为92 s,酸碱度为8.78,滤失量为10 mL,胶体率为100%,焦磷酸钠对泥浆改性的效果较好。

2.3.3 外加剂改性效果对比

由图5、图6可知,碳酸钠和焦磷酸钠对泥浆黏度的改性效果,并非随着掺量的增加而持续提升,当外加剂掺量大于3%时性质变化缓慢,这是由于当外加剂的掺量在1%～3%时,此时外加剂的可以充分作用在粉质黏土上,使其结构和成分充分发生变化,当外加剂超过其掺量的合理范围后,由于粉质黏土的量一定,即使外加剂掺量继续增加,粉质黏土泥浆的性质变化幅度也不大。

选取土水比为9∶11的泥浆,研究不同外加剂类型对泥浆性质的影响程度,如图7所示。

图7 不同外加剂对粉质黏土泥浆性质的影响

4种外加剂对泥浆性质均有影响,除六偏磷酸钠掺量与泥浆的酸碱度呈负相关外,其余随着外加剂掺量的增加,泥浆的漏斗黏度、酸碱度和胶体率均增大,滤失量先减小后趋于稳定。焦磷酸钠对泥浆漏斗黏度的影响程度最大,硅酸钠对酸碱度的影响最大,碳酸钠对滤失量和胶体率的影响最大。

3 微观结构分析

为研究外加剂对粉质黏土泥浆的改性作用机理,采用捷克Tescan MIRALMS扫描电子显微镜,分别对膨润土泥浆、粉质黏土泥浆、碳酸钠改性粉质黏土泥浆和焦磷酸钠改性粉质黏土泥浆的微观结构进行观察,放大倍数为2万倍,如图8所示。

黄框内结构表示典型的特征结构

陈宇龙[20]提出了土颗粒排列方式可分为紊流结构、层流结构、粒状堆积结构和胶结式结构等,如图8所示,膨润土泥浆的结构单元以片状和扁平状为主,少量粒状颗粒镶嵌在这些结构上,整体形态呈波状和褶皱状,属于紊流结构。结构间的接触主要为面-面接触和边-边接触,土颗粒之间相互联结紧密,形成了连续的胶体结构。粉质黏土泥浆的结构以大小不同的片状为主,相比于膨润土,粉质黏土的结构单元排列整齐、间距大,整体形态以层状排列为主,属于层流结构。结构间的接触以边-面接触和边-边接触为主,土颗粒之间接触不稳定,致密性差,在水和离子的作用下结构易絮凝导致沉淀。

王永东[21]、徐日庆等[22]、张彦召[23]通过扫描电镜对黏土的结构进行了分析,分析了微观参数与宏观指标之间的关系。黏土矿物颗粒的表面往往带有一定量的负电荷,在静电引力作用下水分子和水溶液中的阳离子被吸附在黏土周围形成双电层结构。受泥浆酸碱度的影响,当泥浆碱性增大时,土颗粒表面和边缘的羟基离解程度增大,净负电荷数增加,双电层厚度增大。由于碳酸钠和焦磷酸钠均为强碱弱酸盐,掺入后使泥浆碱性增强,黏土颗粒表面的负电荷增多,颗粒间的静电斥力增大,黏土颗粒分散成更小的土粒,比表面积增加,土颗粒水化作用所需的结合水增加,自由水减少,宏观表现为泥浆的黏度增大、渗透性降低。同时由于低价钠离子代替了泥浆中高价钙、镁离子,使土颗粒的双电层厚度进一步增加,颗粒间的斥力增大,泥浆的胶体率增大,稳定性增强。当外加剂达到一定浓度,双电层厚度增加到高价离子完全被低价离子置换,吸附量饱和,分散效果不再增加。

由图8(c)和图8(d)可知,在碳酸钠和焦磷酸钠的作用下,粉质黏土泥浆颗粒间的接触方式向更接近于膨润土的面-面接触转化,颗粒整体形态类似于膨润土的波状和褶皱状,浆液性质显著提升,说明外加剂的改性效果较好。

4 改性粉质黏土泥浆渣土改良试验

对沈阳地铁六号线地铁盾构区间砾砂地层进行渣土改良试验,含水率为4.39%。选取上述试验中改性效果较好的两组(土水比9∶11、碳酸钠掺量3%和土水比9∶11、焦磷酸钠掺量3%)粉质黏土泥浆作为改良剂,进行渣土改良试验。坍落度作为渣土改良试验中常用的指标,不仅测量方便、简单,而且可以反映出渣土的和易性、保水性、黏性、塑性等多个性质,坍落度是一个渣土综合性质的体现,因此采用坍落度这个指标来评价改良渣土。

如图9所示,使用土水比9∶11,碳酸钠掺量3%的粉质黏土泥浆作为改良剂进行渣土改良试验,注入比22%和24%的改良效果不佳,坍落度桶提起后仍呈直立状态,流动性不满足要求;注入比26%时的坍落度为97 mm,随着粉质黏土泥浆的加入,改良效果有所改善;注入比28%时的坍落度为169 mm,流动性、塑性、黏性较好,改良效果明显。

图9 碳酸钠改性粉质黏土泥浆渣土改良试验

如图10所示,使用土水比9∶11,焦磷酸钠掺量3%的粉质黏土泥浆作为改良剂进行渣土改良试验,注入比为22%时,坍落度为155 mm;注入比为24%时,坍落度为180 mm;注入比为26%时,坍落度为158 mm;注入比为28%时,坍落度为192 mm。当注入比在24%～28%时,渣土改良的效果较好,渣土的流动性、塑性、保水性以及黏性均能达到渣土改良的要求。

图10 焦磷酸钠改性粉质黏土泥浆渣土改良试验

综上所述,在砾砂地层焦磷酸钠作为外加剂泥浆的改良效果较好,焦磷酸钠改性粉质黏土泥浆合理注入比在24%～28%。

5 结论

(1)随着土水比增大,粉质黏土泥浆的漏斗黏度和胶体率增大,酸碱度和滤失量呈下降趋势。纯粉质黏土泥浆自身稳定性差、泌水量大,无法有效改良渣土。

(2)碳酸钠和焦磷酸钠对粉质黏土泥浆的改性效果较好,掺量过大或者过小均会影响外加剂作用效果,合理掺量为1%～3%。焦磷酸钠对泥浆的漏斗黏度影响最大,碳酸钠对滤失量和胶体率影响最大,现场施工时应根据地层条件合理选用外加剂。

(3)在含水率4.39%的砾砂地层进行渣土改良时,应选用焦磷酸钠掺量为3%、土水比9∶11的改性粉质黏土泥浆,合理注入比24%～28%。

(4)废弃粉质黏土经过改性后可以作为土压平衡盾构渣土改良剂使用,研究结果可为废弃粉质黏土资源化利用提供新的思路。