徐建平，林文书，许 可，林建平，王 彪，苗 强，丁庆军

(1.武汉地铁集团有限公司，湖北武汉 430030;2.中铁一局集团有限公司，陕西西安 710054; 3.武汉理工大学，湖北武汉 430070)

0 引言

盾构法是修建水底隧道、地下隧道所采用的主要施工方法，背后注浆技术是盾构法隧道施工中的一项关键技术，同步注浆是其中较为先进的一种方法。盾构隧道同步注浆材料的种类有很多，其中单液水泥砂浆类的应用最为广泛［1－3］。按盾构法注浆工艺要求，注浆材料需具有较好的流动性与稳定性、较小的流动性经时损失以及适宜的凝结时间等特性［4－5］。

普通硅酸盐水泥基注浆材料由于早期强度低，无法满足二次注浆或隧道进出口等复杂工况的施工要求，且在受到高压富水地层中水的冲刷作用时，注浆材料的抗水溶蚀性不足，可能使其过早失去防水能力和承载力，达不到盾构隧道背后注浆的目的［6－8］。因此，盾构隧道注浆材料在满足泵送施工的前提下，不但需要一定的早期强度和抗水分散性，还需具有良好的抗水溶蚀等耐久性［9－11］。

目前，国内外对盾构隧道快硬高性能同步注浆材料的相关研究还较少。本文以快硬硫铝酸盐水泥、矿物掺合料、砂与水作为基体组分，以高效减水剂－膨润土－早强剂作为外掺组分对该材料进行制备与研究。其具有早期强度高、水下不分散和耐蚀性好的特点，且生产成本低，能满足注浆设备的要求，施工管理方便，可防止环纵缝渗漏。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料与实验仪器

1.1.1 原材料

1.1.1.1 水泥

42.5 级快硬硫铝酸盐水泥(以下简称R.SAC42.5)，由湖北孝感凤凰水泥股份有限公司生产，比表面积为350 m2/kg。

1.1.1.2 掺合料

1)粉煤灰(FA)。武汉阳逻电厂Ⅱ级灰，密度为2.60 g/cm3，比表面积大于400 m2/kg。

2)钠基膨润土(BE)。含水率小于10%，细度规格为200目。物理化学性能指标如表1所示。

表1 膨润土主要物化性质Table 1 Main physical and chemical properties of bentonite

3)矿渣微粉(SL)。由武汉绿色冶金渣公司生产，密度为2.96 g/cm3，比表面积为500 m2/kg。水泥和掺合料的化学成分如表2所示。

表2 水泥和掺合料的化学组成Table 2 Chemical composition of cement and admixtures %

1.1.1.3 砂

巴河中砂，细度模数为2.0～2.8，表观密度为2 700 kg/m3，堆积密度为1 510 kg/m3，含泥量小于1.8%，颗粒最大直径为4.75 mm。砂的颗粒级配如表3所示。

表3 砂的颗粒级配Table 3 Grain-size grading of sand

1.1.1.4 外加剂

1)减水剂PC。上海三瑞外加剂厂生产的聚羧酸减水剂，减水率为20%～25%，由A(甲基丙烯酸)和B(甲氧基聚乙二醇)2种单体聚合而成。

2)早强剂TEA。本试验使用三乙醇胺早强剂，为透明液体，相对分子量为149。

1.1.2 实验仪器

有JJ－5型水泥胶砂搅拌机、NLD－3型水泥胶砂流动度测定仪、ZKS－100砂浆凝结时间测定仪、砂浆稠度仪、PHS－25C型pH值测定仪及压力试验机。

1.2 试验方法

1)抗压强度参照GB 177—1985《水泥胶砂强度检测方法》进行。

2)快硬同步注浆材料的流动度、坍落度、稠度和凝结时间参考JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行试验。

3)同步注浆材料泌水率的测定参照GB/T 3183—1997《砌筑水泥》的附录A方法进行。

4)浆液抗水分散试验参照DL/T 5177—2000《水下不分散混凝土实验规程》进行。

2 试验结果与分析

2.1 膨润土及其掺量对快硬同步注浆材料泵送性的影响

试验中固定水灰比为0.45，胶砂比为0.5，胶凝材料中R.SAC42.5∶FA∶SL为1∶3∶1，PC掺量为胶凝材料总量的0.6%，TEA掺量为胶凝材料总量的0.16‰，改变BE掺量为胶凝材料总量的0%～20%，对同步注浆材料的泵送性进行研究。流动度、稠度和泌水率实验数据如图1和图2所示。

图1 不同膨润土掺量下同步注浆材料的流动度经时变化Fig.1 Fluidity of simultaneous grouting material under different bentonite dosage

图2 不同膨润土掺量下同步注浆材料的稠度和泌水率Fig.2 Consistence and bleeding rate of simultaneous grouting material under different bentonite dosage

快硬同步注浆材料必须具有良好的泵送性，泵送性与流动度、稠度及泌水率有密切的关系。一般来说，浆液的流动度大于180 mm、泌水率小于1%、稠度达到9～12 cm，可以认为浆液流动性好、稳定性强、较黏稠，适宜泵送。

由图1可知:1)膨润土的加入会使快硬同步注浆材料的流动性降低，且流动度随膨润土掺量的增加而降低，流动度经时损失也逐渐增大。2)当膨润土掺量在10%以下时，流动度的降低不明显，1 h流动度超过180 mm，浆液依然处于流动性好的状态。3)当膨润土掺量增加至15%时，浆液的初始流动度明显降低，流动度经时损失明显加快，不利于泵送。

由图2可知:1)快硬同步注浆材料的泌水率都小于0.3%，且掺入膨润土能进一步减小泌水率，浆液的稳定性好。2)在不掺膨润土及膨润土掺量较小(5%)时，快硬同步注浆材料的稠度大于13 cm，浆液的黏稠性差，易分层。3)当膨润土掺量大于10%时，浆液的稠度小于12 cm，浆液的黏稠性好，易于泵送。

膨润土属于蒙脱石族矿物，具有柱状结构，是一种具有吸水溶胀性的材料，在溶胀过程中将吸收的大量自由水转变成为层间的束缚水，在快硬同步注浆材料中形成卡屋结构，因此会导致浆液流动性降低，但稳定性增大。同时其特有的滑动效应能在一定程度上提高快硬同步注浆材料的滑动性能，增强泵送性，能有效防止堵泵和堵管现象的发生。

值得注意的是，虽然不掺膨润土的快硬同步注浆材料的初始流动度大于220 mm，但由于浆液黏稠性差，浆液不能从容器中完全自由流出，而膨润土掺量为10%时，浆液稠化，黏稠性好，即使初始流动度降低至210 mm左右，1 h流动度降低至180 mm左右，浆液仍可从容器中自由流出，说明膨润土掺量为10%时，快硬同步注浆材料具有良好的泵送性能。

2.2 减水剂掺量与粉煤灰及矿渣掺量对快硬同步注浆材料抗压强度的影响

试验中固定水灰比为 0.45，胶砂比为 0.5，R.SAC42.5占胶凝材料质量分数的20%，BE掺量为胶凝材料总量的10%，TEA掺量为胶凝材料总量的0.16‰，改变PC掺量(0.4%，0.6%，0.8%，1.0%)，FA掺量(%)∶SL掺量(%)(1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1)，对同步注浆材料的抗压强度进行研究，试验结果如图3所示。

2.2.1 粉煤灰与矿渣掺量对快硬同步注浆材料抗压强度的影响

由图3(a)可知:1)当PC掺量为胶凝材料总量的0.4%时，1 d抗压强度随FA与SL掺量比值的增加而增大，FA掺量(%)∶SL掺量(%)=5∶1时，1 d抗压强度达到2.4 MPa。2)当PC掺量为胶凝材料总量的0.6%时，1 d抗压强度出现最大值2.5 MPa，且随FA与SL掺量比值的增加先增大后减小，拐点出现在FA掺量(%)∶SL掺量(%)=3∶1时。3)当PC掺量为胶凝材料总量的0.8%和1.0%时，1 d抗压强度随FA与SL掺量比值的增加而减小，FA掺量(%)∶SL掺量(%)=5∶1时抗压强度最低，不足1 MPa。

图3 不同PC掺量下粉煤灰与矿渣掺量对同步注浆材料抗压强度的影响Fig.3 Influence of dosages of fly ash and slag on compressive strength of simultaneous grouting material under different PC dosages

由图3(b)可知:1)当PC掺量为胶凝材料总量的0.6%和0.4%时，3 d抗压强度随FA与SL掺量比值的增加先增大后减小，拐点出现在FA掺量(%)∶SL掺量(%)=3∶1时;且当PC掺量为胶凝材料总量的0.6%时，3 d抗压强度出现最大值6.9 MPa。2)当PC掺量为胶凝材料总量的0.8%和1.0%时，3 d抗压强度随FA与SL掺量比值的增加而减小，FA掺量(%)∶SL掺量(%)=5∶1时抗压强度最低，不足3 MPa。

由图3(c)可知:1)当PC掺量为胶凝材料总量的0.6%和0.4%时，28 d抗压强度随FA与SL掺量比值的增加先增大后减小，拐点出现在FA掺量(%)∶SL掺量(%)=3∶1时;且当PC掺量为胶凝材料总量的0.6%时，28 d抗压强度出现最大值14.8 MPa。2)当PC掺量为胶凝材料总量的0.8%和1.0%时，28 d抗压强度随FA与SL掺量比值的增加而减小，FA掺量(%)∶SL掺量(%)=5∶1时抗压强度最低，不足12.5 MPa。

2.2.2 PC掺量对快硬同步注浆材料抗压强度的影响

由图3可知，PC的掺量对快硬同步注浆材料1，3，28 d抗压强度都有直接影响，当FA掺量(%)∶SL掺量(%)=1∶1时，1，3，28 d抗压强度随PC掺量的增加而增大。而当FA掺量(%)∶SL掺量(%)=2∶1～5∶1时，存在PC的最佳掺量，即0.6%，此时1，3，28 d抗压强度基本都能取得最大值，继续增大PC掺量会导致各龄期抗压强度的减小。这是因为在PC掺量适量时，减水剂中的羧酸基团R－COOH和甲氧乙二醇基R－COO－(CH2CH2O)m－CH3能作为吸附基团，它们能在胶凝材料粒子间提供极强的电斥力，抑制浆体的凝聚和分层倾向，增大水泥颗粒与水的接触面积，使水泥水化过程更加充分，故而有效地增加了浆体的强度;而当减水剂掺量过大时，抗压强度下降明显，这有可能是因为PC减水剂具有一定的引气性，掺量过大会在注浆材料中产生过多的气泡，降低浆体的密实度，从而导致强度降低。

对盾构隧道普通同步注浆材料来说，由于其主要作用是填充盾构管片与衬砌之间的间隙，起到减少地表沉降和作为第1道防水的功能，而天然土体本身就具有较强的自稳定能力，故对注浆材料的强度要求不高，一般要求28 d抗压强度大于2.5 MPa。但盾构隧道快硬同步注浆材料主要应用在需要浆体快速硬化的特殊工程状况，如武汉地铁工程隧道进站口、出站口的注浆工程，地下水流大、断面水压高、冲刷力强的注浆工程及抢修和补注工程，故需要注浆材料具有一定的早期强度，以1 d抗压强度大于2 MPa为佳。

根据实验结果分析，可将快硬同步注浆材料的最佳PC减水剂掺量确定为胶凝材料总量的0.6%，FA与SL的最佳掺量比值确定为3∶1。

2.3 TEA早强剂对快硬同步注浆材料力学性能的影响

试验中固定水灰比为0.45，胶砂比为0.5，胶凝材料中R.SAC42.5∶FA∶SL为1∶3∶1，BE掺量为胶凝材料总量的10%，PC掺量为胶凝材料总量的0.6%，研究不掺TEA早强剂与TEA掺量为胶凝材料总量的0.16‰时对同步注浆材料性能的影响。TEA早强剂对快硬同步注浆材料性能的影响如表4所示。

表4 TEA早强剂对快硬同步注浆材料性能的影响Table 4 Effect of TEA on performance of rapid-hardening simultaneous grouting material

由表4可知，TEA早强剂的掺入会导致快硬同步注浆材料的流动度有小幅度降低，对浆液的稠度、泌水率及抗水分散性影响不明显，对浆液的凝结时间和早期强度影响比较大。掺入TEA早强剂后快硬同步注浆材料凝结时间明显缩短，初凝和终凝时间均缩短约1/3;1，3，28 d抗压强度随TEA早强剂的掺入而增强，特别是TEA早强剂掺量为0.16‰与不掺相比，1 d的抗压强度提高约1倍，3 d抗压强度提高约0.5倍，而28 d抗压强度提高不明显。所配制浆液的密度为1 500～1 600 kg/m3。

图4为不掺TEA和掺0.16‰TEA的水化3 d的SEM图。由图可知:1)不掺TEA的试样水化3 d有较多絮状C－S－H凝胶生成，几乎很难看到钙钒石，结构不密实，有很多细小的空隙。这可能是由于在水化的过程中，C－S－H凝胶的量逐渐增多，包裹住钙钒石的晶核，导致钙钒石无法顺利生成。2)掺0.16‰的TEA的试样 3 d时结构已十分致密，除大量的C－S－H凝胶生成之外，还可看到一些针状的钙钒石晶体，钙钒石穿插在C－S－H凝胶之中，被C－S－H凝胶包裹，细小空隙被填满。因此，掺0.16‰TEA的试样3 d抗压强度要高于不掺TEA的快硬同步注浆材料，这与表4的实验数据相一致。

TEA早强剂对快硬同步注浆材料的影响是因为其具有非常大的表面活性作用，掺入到快硬同步注浆材料中，在水泥水化过程中起催化剂的作用，它能够加速C3A的水化和钙钒石的形成，早强效果好，可使水泥快速凝固，同时对快硬同步注浆材料后期强度也有比较明显的改善。

3 应用实例与经济性分析

研究开发的快硬同步注浆材料在武汉地铁4号线杨春湖、工业四路及岳家嘴等标段进行了试验段的施工，其施工配合比为R.SAC42.5∶FA∶SL∶BE∶砂∶水∶PC∶TEA=1∶3∶1∶0.5∶10∶2.25∶0.03∶0.08%，实际应用效果良好。快硬同步注浆材料各组分用量及价格统计如表5所示。

图4 快硬同步注浆材料3 d龄期的SEM图Fig.4 3-day SEM photo of rapid-hardening simultaneous grouting material

表5 快硬同步注浆材料各组分用量及价格统计Table 5 Components and their prices of rapid-hardening simultaneous grouting material

通过表5数据可计算出快硬同步注浆材料的平均价格为170～190元/m3，与常用普通同步注浆材料价格基本一致。

4 结论与讨论

1)利用42.5快硬硫铝酸盐水泥(R.SAC42.5)、粉煤灰(FA)、矿渣微粉(SL)和砂做基体材料，通过优化聚羧酸减水剂(PC)－膨润土(BE)－三乙醇胺早强剂(TEA)的复合保水、稳定、早强外加组分，优选配合比为R.SAC42.5∶FA∶SL∶BE∶砂∶水∶PC∶TEA=1∶3∶1∶0.5∶10∶2.25∶0.03∶0.08%，制备出初始流动度为210 mm、泌水率为0.14%、浆液pH值为9.6、1 d抗压强度为2.5 MPa的盾构隧道快硬高性能同步注浆材料。

2)膨润土的加入在一定程度上会降低快硬同步注浆材料的流动性，并加快流动性经时损失，但可以提高浆液的黏稠性和稳定性，从而改善砂浆泵送性能。膨润土掺量为10%时快硬同步注浆材料的流动性、黏稠性和稳定性都达到优良，泵送性好。

3)聚羧酸减水剂(PC)、粉煤灰(FA)的掺量与矿渣(SL)的掺量对快硬同步注浆材料的抗压强度有较大影响。当减水剂掺量为0.6%时，随掺入FA的质量分数的增加，浆液的1，3，28 d抗压强度有先增大后减小的趋势，当FA(%)∶SL(%)=3∶1时各龄期的抗压强度最大。

4)TEA的掺入能有效缩短快硬同步注浆材料的初凝和终凝时间，且能显著增强快硬同步注浆材料的1 d和3 d的抗压强度，对28 d强度影响不大。

所制备的盾构隧道快硬高性能同步注浆材料，生产成本低，能满足注浆设备的要求，施工管理方便，可防止环纵缝渗漏，拥有广阔的应用前景。当然，仍可深入进行高性能同步注浆材料的胶凝体系、增稠剂和早强剂的选择和研究，从而进一步改善其各项性能并降低经济成本。

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