张 武，刘 微，吕 淼

(1.广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广东 510635；2.重庆交通大学，重庆 400074；3.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

盾构技术，因有施工安全、快速、劳动强度低和对环境影响小等优点，越来越广泛地应用于城市地铁和输水隧洞地施工。壁后注浆属于盾构施工法的主动控制地层沉降减少对周围环境影响的重要措施之一，是盾构施工的一道关键工序，直接影响到注浆成本、注浆效果、注浆工艺等一系列问题[1]。一般而言，壁后注浆的主要目的有3点[2]：① 防止地层变形。及时填充盾尾空隙，减少地表的变形，以免因空隙的存在导致地层发生较大变形。② 提高隧洞的抗渗性。注浆浆液凝固后具有一定抗渗性能，可作为隧洞的第一道止水防线。③ 提高衬砌管片稳定性。浆液具备一定早期强度，能及时填充盾尾空隙，确保管片衬砌的早期和后期稳定性。然而，对于需要利用地层实现联合受力的高压输水盾构隧洞，壁后注浆还具有特殊的目的：壁后注浆浆液硬化后形成的注浆层能较好的提供地层抗力。

为了实现上述壁后注浆的目的，注浆材料必须迅速、准确地充填盾尾空隙，这便要求注浆材料性能必须满足[3]：① 充填性好，在施工过程中不会流窜到盾尾空隙以外的其他领域，不漏失到掘削面及围岩土体中去。② 浆液流动性好、离析少，在一定时间范围内，流动性经时损失较小。③ 浆液硬化后的渗透系数要小。④ 壁后注浆层强度较高，其数值与盾构隧洞周围地层相当。⑤ 浆液硬化后的体积收缩率要小。

如今，盾构隧洞注浆材料发展较为成熟，其种类数以百计，但要求盾构隧洞壁后注浆浆液硬化后强度较高，体积收缩率较小，依靠壁后注浆层，充分利用地层抗力实现联合受力的鲜有提及。砂浆的强度及体积收缩率等性能较好，但流动性差，将导致注浆泵压升高，使注浆出现困难。同时砂浆稳定性差，则易离析分层，在注浆过程中会导致堵管，不仅影响注浆效果，也会拖慢施工进度。可考虑选用流动性较好的自密实砂浆作为注浆材料。自密实砂浆因其较好的流动性，主要应用于特别狭窄无法振捣的工程部位[4]，其凝结时间因使用的外加剂的不同大多在2～4 h左右。工程中，对注浆材料凝结时间的要求因工程条件的不同而有所不同，一般为10～24 h。在设计使用自密实砂浆作为注浆材料使用时，可添加缓凝剂以达到延长凝结时间的目的。但是，自密实砂浆的工作性能对原材料的品种和用量十分敏感，原材料品种或添加量稍有不同，其工作性能变化便会很大。目前，市场上缓凝剂种类繁多，如何选择适宜的缓凝剂以达到保证其自密实性能并有效增大自密实砂浆凝结时间的目的成为一个关键问题。

本文通过试验对柠檬酸钠、柠檬酸钠与葡萄糖酸钠复合使用、柠檬酸钠与白糖复合使用的情况进行研究，着重对比几种缓凝剂的掺量对自密实砂浆流动度、稠度、流动度经时损失、稠度经时损失、初凝时间这几个指标的影响，为自密实砂浆的生产和应用提供参考。

1 试验原概况

1.1 试验原材料

水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰。砂为河砂，密度为2.62 g/mm3，细度模数为2.3，属中砂，其级配曲线如图1所示。减水剂为聚羧酸高性能减水剂，水为常温自来水。缓凝剂选用柠檬酸钠，并将柠檬酸钠分别与葡萄糖酸钠、白糖进行复配使用。试验中所使用的缓凝剂均为粉体原料(如图2所示)，在进行复配时，两种缓凝剂的质量比为1:1。文中掺量均指缓凝剂质量占胶凝材料质量的比例。

图1 河砂样本筛分曲线示意

(a)柠檬酸钠 (b)葡萄糖酸钠 (c)白糖

1.2 试验仪器与方法

采用JJ-5型砂浆搅拌机进行搅拌，自密实砂浆的流动度、稠度、凝结时间均按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)中的方法进行测定。设置1组未掺加缓凝剂的自密实砂浆作为对照，对于拌合出的自密实砂浆，分别在0 h、2 h、6 h时对其工作性能进行检测。除搅拌试验外，取相同质量的柠檬酸钠、柠檬酸钠与葡萄糖酸钠混合物、柠檬酸钠与白糖混合物分别溶于500 mL水中静置，观察各溶液稳定性。

1.3 配合比设计

未掺缓凝剂时，自密实砂浆原始配合比见表1所示。以此配合比所配制出的砂浆，3 d标准立方体抗压强度为23.40 MPa，7 d标准立方体抗压强度可达到32.97 MPa。

表1 自密实砂浆配合比 kg/m3

上述配合比的自密实砂浆，分别掺入柠檬酸钠(掺量为0.03%，0.05%，0.08%，0.10%，0.12%)、柠檬酸钠与葡萄糖酸钠复配使用(掺量为0.03%，0.05%，0.08%，0.10%，0.12%)、柠檬酸钠与白糖复配使用(掺量为0.03%，0.05%，0.08%，0.10%，0.12%)，并设计1组无缓凝剂的对照组，共进行了16组。

2 试验结果与分析

2.1 缓凝剂与水的相溶性

柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、白糖均易溶于水，将柠檬酸钠、柠檬酸钠与葡萄糖酸钠混合物、柠檬酸钠与白糖混合物放入水中后，很快形成无色透明溶液。在2 h、6 h、24 h后分别观察各溶液性状，各溶液稳定性良好。在48 h后，柠檬酸钠与白糖溶液中出现少许絮状沉淀物，另两组溶液未有变化。

2.2 对流动度的影响

从图3可以看出，随着缓凝剂的用量增加，在柠檬酸钠、柠檬酸钠与葡萄糖酸钠混合物作用下，新拌自密实砂浆的流动度呈下降趋势，而柠檬酸钠与白糖混合物在少量掺加的情况下，新拌自密实砂浆流动度略有增大，但随后也呈现出下降趋势。

图3 不同掺量缓凝剂对新拌自密实砂浆流动度的影响

在2 h后，未掺加缓凝剂的对照组流动度明显减小，而掺加缓凝剂的几组自密实砂浆流动度均增大。如图4所示，柠檬酸钠、柠檬酸钠与葡萄糖酸钠混合物的掺量对自密实砂浆2 h流动度的影响规律基本相同，但掺加柠檬酸钠与葡萄糖酸钠混合物的各组自密实砂浆2 h流动度均大于掺加柠檬酸钠的各组自密实砂浆。掺加柠檬酸钠与白糖混合物的几组流动度虽大于其他各组，但稳定性较差，浆体出现离析现象。

图4 不同掺量缓凝剂对自密实砂浆2 h流动度的影响

在6 h后，未掺加缓凝剂的对照组已失去流动性能。掺加柠檬酸钠、柠檬酸钠与葡萄糖酸钠混合物的各组仍有较好的流动性，从图5中可以看出，在掺量大于0.05%时，掺加相同缓凝剂的各组流动度已基本相同。而掺加柠檬酸钠与白糖混合物的各组虽流动度相对较大，浆体仍然有离析现象。

图5 不同掺量缓凝剂对自密实砂浆6 h流动度的影响

2.3 对稠度的影响

表2为不同缓凝剂掺量下自密实砂浆的0 h稠度、2 h稠度、6 h稠度，在试验中试配的掺量下，柠檬酸钠、柠檬酸钠与葡萄糖酸钠混合物、柠檬酸钠与白糖混合物对自密实砂浆的稠度略有影响，但影响不大。从表2中可以看出，掺加缓凝剂的各组自密实砂浆在6 h后均还保有较大的稠度值，这使自密实砂浆在较长的时间范围内具有可施工性。

表2 不同缓凝剂掺量对自密实砂浆稠度的影响 mm

2.4 对初凝时间的影响

从图6可以看出，柠檬酸钠对自密实砂浆的凝结时间有一定的影响，且并非掺量越大缓凝效果越佳，其缓凝效果在掺量为0.08%时达到峰值。柠檬酸钠与葡萄糖混合物能有效延长自密实砂浆的初凝时间，随着掺量的增大，凝结时间曲线呈总体上升趋势，但在超过0.08%后略有下降。柠檬酸钠与葡萄糖混合物也有较好的缓凝效果，且在本次试验中，呈现出掺量越大缓凝效果越佳的趋势。

图6 不同掺量缓凝剂对自密实砂浆凝结时间的影响

3 结语

1) 对于需要充分利用地层抗力实现联合受力的高压输水盾构隧洞，壁后注浆材料有了更高的要求。除了要满足充填性好，浆液流动性好、离析少，浆液硬化后的渗透系数要小的要求之外，还需满足浆液硬化后强度较高、体积收缩率小的要求。本文考虑选用流动性较好的自密实砂浆作为注浆材料，通过试验对柠檬酸钠、柠檬酸钠与葡萄糖酸钠复合使用、柠檬酸钠与白糖复合使用的情况进行研究，为类似壁后注浆材料的生产和应用提供重要参考。

2) 柠檬酸钠会使新拌砂浆的流动度变小，2 h后，自密实砂浆流动度略有提升，且在6 h后也能保有较好的流动性。柠檬酸钠的掺量并非越多越好，掺量过大会造成自密实砂浆流动性变差，缓凝效果也会变差，其流动度与初凝时间都在掺量为0.08%达到峰值。

3) 柠檬酸钠与葡萄糖酸钠复配使用会使新拌自密实砂浆流动度减小，但在2 h后，自密实砂浆的流动度会有所提升，且在6 h后自密实砂浆仍能保有较好的工作性能。在一定掺量范围内，柠檬酸钠与葡萄糖酸钠复配使用可以延长自密实砂浆的初凝时间。

4) 柠檬酸钠与白糖复配使用能有效增大自密实砂浆的流动度，并能有效延长自密实砂浆的初凝时间，但掺量较大时，拌合出的自密实砂浆稳定性较差、易离析，工程适用性差。