王凯

（北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司，北京 100070）

0 引言

近年来，我国地铁轨道交通得到了大力发展，由于地铁建设的逐步推进，所遇到的特殊地质也越来越多，越来越复杂[1-2]。盾构施工是地铁建设的重要环节[3-4]，而壁后注浆则是盾构隧道施工的关键工序。地下富水地区是盾构施工危险性较大的工程地质之一，对壁后注浆加固质量提出了更高的要求[5]。目前，常用的壁后注浆料包括单液惰性注浆料、单液硬性注浆料、水泥-水玻璃双液注浆料等。单液惰性注浆料价格便宜、不存在堵管问题、充填性好，但强度低、易流失、加固效果并不好；单液硬性注浆料强度高、充填性较好、价格适中，但易堵管，也存在流失现象；水泥-水玻璃双液注浆料强度高、不易流失、充填性较好，但极易堵管、工程造价也高，是目前最常用的注浆加固材料[6-8]。因此，有必要研制一种新型的注浆材料。工业生产会产生大量的工业废渣，如粉煤灰、高炉矿渣、钢渣等，这些物质如果处理不当，会造成环境污染与破坏，同时占用大量土地，以工业废渣为胶凝材料，辅以碱激发剂，可制备强度高、低水化热、耐久性好的新型材料[9-10]。

针对传统水泥基注浆料高能耗、工程性能和耐久性不足的缺点，以粉煤灰、S95级高炉矿渣微粉以及钢渣微粉等工业废渣为胶凝材料，并添加Na2SiO3激发剂，配制一种低能耗、高抗分散性、耐久性好的环保型碱激发剂注浆料，探讨不同液固比下碱激发剂注浆料的性能，并与传统水泥基注浆料进行对比，以期能为地铁盾构隧道衬砌工程建设提供参考。

1 试验

1.1 原材料

碱激发注浆材料：主要包括工业废渣、激发剂溶液、砂、减水剂等。工业废渣：粉煤灰、S95级高炉矿渣微粉以及钢渣微粉，三者的密度分别为1.16、1.35、1.63 g/cm3，主要化学成分为SiO2、Al2O3、CaO（总含量＞80%）。激发剂溶液：由氢氧化钠和水玻璃混合制成。水玻璃：模数为3.28，固含量为34.9%，波美度39.4，氢氧化钠：纯度98%；砂：天然河砂，细度模数1.8，平均堆积密度1.66 g/cm3，平均含泥量2%。减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率30%，固含量13.2%。

普通水泥基单液硬性注浆料：主要包括水泥、粉煤灰、膨润土、砂、减水剂等。粉煤灰、砂、减水剂与碱激发注浆材料相同；水泥：P·O42.5R，密度3.1 g/cm3，烧失量1.2%，初凝时间40 min，标准稠度用水量100%。膨润土：复合型钠基、钙基盾构专用膨润土，湿筛分析筛余量为2.3%，30 min滤失量8 mL，屈服值/塑性黏度=2.5，600 r/min时黏度为38 mPa·s。

1.2 试验方案

碱激发注浆材料中工业废渣材料按照m（粉煤灰）∶m（S95级高炉矿渣微粉）∶m（钢渣微粉）=3∶1∶1进行配制，砂胶比（砂/工业废渣）=1.5，激发剂的浓度为50%，减水剂掺量为工业废渣质量的1%，探讨液固比（激发剂/工业废渣）分别为0.8、0.9、1.0、1.1下注浆浆液性能与传统普通水泥基单液硬性注浆料性能对比。碱激发注浆料与普通水泥基单液硬性注浆料的配合比设计方案分别见表1、表2。

表1 碱激发注浆料配合比

表2 普通水泥基单液硬性注浆料配合比 g

1.3 浆液制备

浆液制备主要步骤：（1）准确称取工业废渣和减水剂（碱激发注浆料），水泥、粉煤灰、膨润土和减水剂（水泥基注浆料）倒入行星式搅拌机中搅拌5 min，使胶凝材料和减水剂等充分混合；（2）向混合料中继续掺入细砂，然后继续搅拌3 min；（3）按照m（氢氧化钠）∶m（水玻璃）=1∶1配制激发剂溶液；（4）称取对应质量的激发剂溶液倒入搅拌机中（水泥基注浆料直接掺入水），再次搅拌3 min，得到注浆浆液。

1.4 性能测试

性能测试分为2个部分：（1）浆液的基本性能测试，主要包括物理力学性能（密度、pH值）、工作性能（稠度、流动度、凝结时间、泌水率）、硬化特性（28 d强度、抗水分散性、抗渗性）、孔隙结构特征（吸水系数、可渗透孔隙率）等，通过性能测试确定最佳的液固比。（2）最佳液固比下碱激发注浆材料与普通水泥基注浆材料耐久性对比试验，主要对比两者的干燥收缩特性、抗水溶蚀性以及抗硫酸盐侵蚀性。

1.5 基本性能试验结果

对不同液固比碱激发注浆料和普通水泥基单液硬性注浆料的基本性能进行测试，结果见表3。

表3 碱激发注浆料和水泥基单液硬性注浆料的基本性能测试结果

从表3可见：

（1）随着液固比的增大，碱激发注浆料的密度、抗压强度、抗折强度、水/陆抗压强度比、抗渗压力逐渐减小，这是因为随着液固比的增大，碱激发剂的含量越多，粉料之间的距离增大，相互之间的联结力减弱，密实度降低，造成密度和力学性能降低。其中当液固比大于0.9时，碱激发注浆料的密度小于水泥基单液硬性注浆料（5#），碱激发注浆材料的抗压强度、抗折强度、水/陆抗压强度比、抗渗压力等明显高于普通水泥基注浆材料，特别是在抗渗性方面表现出更优异的性能，当液固比为0.8～0.9时，抗渗等级达到P12；当液固比为1.0时，抗渗等级为P10；当液固比为1.1时，抗渗等级也可以达到P8，而普通水泥基注浆料的抗渗等级仅为P6。

（2）pH值、稠度、流动度、凝结时间、泌水率、吸水系数、孔隙度等随着液固比的增大而逐渐增大。pH值增大，表明碱激发注浆料的碱性越强，且明显大于水泥基单液硬性注浆料，经过化学反应生成的Ca/Si胶凝产物较水泥基的C-S-H产物稳定性更好，具有更强的固化碱金属离子的能力，对环境造成的污染较小。当液固比大于1.0时，碱激发注浆料的稠度和流动度将大于普通水泥基注浆料，在低液固比时，浆液的可灌性可能不如水泥基注浆材料；碱激发注浆料的凝结时间、泌水率、吸水系数、孔隙度均小于水泥基注浆料，这说明碱激发剂注浆料更适合在富水隧道使用，缩短凝结时间，可以减小注浆料的损失，提高注浆质量；泌水率越小，说明碱激发注浆料的稳定性越好，不容易发生离析和分层；吸水系数和孔隙度均小于水泥基注浆料，说明碱激发注浆料的密实度优于水泥基注浆料。但液固比增大，浆液内部连通孔隙孔径会随之增大，因而液固比不宜过大。

1.6 最佳液固比

注浆料的工作性能和硬化性能往往存在一定的矛盾，要保持良好的工作性能，就必须牺牲一定的硬化性能，因此必须综合考虑各个参数情况。当液固比为0.8～0.9时，碱激发注浆料的稠度、流动度和凝结时间过小，可注性较差，不利于现场施工；当液固比为1.1时，虽然注浆料具有良好的工作性能，但强度、抗水分散性和抗渗性较差，对于富水地区注浆加固效果而言不是很理想，因此，综合考虑，最佳液固比为1.0。

2 注浆料的耐久性

2.1 干燥收缩性能

碱激发注浆料与水泥基单液硬性注浆料的干缩应变曲线见图1。

从图1可见：随着龄期的不断延长，注浆料的干缩应变经历了初期快速增长阶段和后期缓慢变形阶段。在龄期0～28 d初期快速增长阶段，内注浆料的干缩应变增长速度很快，这是因为早期注浆料试样中含有较多的水分，且早期试样强度还未充分发展，变形模量较小，导致在水分消耗过程中因干缩而引起的变形增大；后期试样内部水分基本消耗完毕，且强度经过充分发展，有足够能力抵抗干缩变形。在0～7 d内，碱激发注浆料的干缩变形与水泥基注浆料的干缩变形基本相同；随着龄期的延长，两者的干缩变形逐渐出现差异，且相同龄期下，碱激发注浆料的干缩变形略大于水泥基注浆料，经过90 d后，碱激发注浆料、水泥基注浆料的干缩应变分别为1800 με、1650 με，碱激发注浆料在体积稳定性方面略低于水泥基注浆料，但差距并不明显。

2.2 抗水溶蚀性能

对两种注浆料的抗水溶蚀性能进行测试，测得浸渍水pH值、浸渍水溶液的电导率（EC）以及浸渍水溶液中溶解固形物含量（TDS）随浸泡时间的变化规律，结果见图2。

从图2可见：（1）随着浸泡时间的延长，浸渍水pH值、EC和TDS均呈2个阶段变化特征，即前期快速增长阶段和后期缓慢稳定变化阶段，碱激发注浆料相比水泥基注浆料较先进入稳定变形期，在浸泡初期，赋存于试样表面的Na2SiO3快速溶解到水中，因而碱激发注浆料会率先进入稳定期。而水泥基注浆料需要进行水化反应后再经历溶蚀作用，当残留的Na2SiO3或者可溶蚀的水化产物溶解完之后，才进入相对稳定期。相同浸泡时间下，碱激发注浆料的浸渍水pH值、EC和TDS均大于水泥基注浆料，这主要是因为碱激发注浆料以Na2SiO3溶液为激发剂，初始碱性就比水泥基浆液高，Na2SiO3溶液对浸渍水pH、EC和TDS增长居主导地位，自身凝胶产物为低Ca/Si比的C-（A）-S-H凝胶和N-A-S-H地聚合物凝胶，这些物质相比C-S-H的稳定性更好，不易受水溶蚀作用影响，但是由于碱激发注浆料中存在部分未能完全固化的离子和微物质，导致其EC、TDS均高于水泥基注浆材料。但是，从整体上来讲，碱激发注浆料的抗水溶蚀性优于水泥基注浆料，受水溶蚀作用的影响较小。

2.3 抗硫酸盐侵蚀

将2种注浆料试样标准养护28 d后，放入质量浓度为5%的Na2SO4溶液（pH值=7.92）中浸泡，分别测试不同浸泡时间下试样的质量损失率和强度溶蚀系数，结果见图3。

从图3可见，随着浸泡时间的延长，试样的质量损失率逐渐增大，而抗压、抗折强度溶蚀系数逐渐减小；在经过112 d硫酸盐侵蚀之后，碱激发注浆料的质量损失率仅为1.4%，而水泥基注浆料的质量损失率达3.45%；碱激发注浆料的抗压强度溶蚀系数和抗折强度溶蚀系数分别为0.937和0.915，而水泥基注浆料的抗压、抗折强度溶蚀系数分别为0.783、0.739，表明碱激发注浆料的抗硫酸盐侵蚀性能明显优于水泥基注浆料，这主要是因为水泥基注浆料在硫酸盐溶液中生成钙矾石和石膏，这2种物质具有膨胀性，易导致试样结构主体遭到破坏，从而强度降低，而碱激发注浆料的凝胶产物主要为低Ca/Si比的C-（A）-S-H凝胶和N-A-S-H地聚合物凝胶，这些物质不易与硫酸根离子发生反应，因而生成的石膏和钙矾石量较少，产生的膨胀破坏力较小，因而结构完整性较好。

3 结论

（1）碱激发注浆料的硬化特性和孔隙结构特征均优于普通水泥基注浆材料，同时可以缩短浆液的凝结时间，更适用于富水地区地铁防渗注浆加固。当液固比小于1.0时，碱激发注浆料的工作性能较差。当液固比大于1.0时，抗渗性能和强度又会显著降低，故碱激发注浆料的最佳液固比为1.0。

（2）注浆料的干缩应变呈2个阶段变化特征，在0～28 d时，干缩应变增长速率较快，28 d以后，干缩应变变化速率放缓；碱激发注浆料的体积稳定性略低于传统水泥基注浆料。

（3）碱激发注浆料的浸渍水pH值、EC和TDS相比水泥基注浆料较早进入稳定期，生成的低Ca/Si比C-（A）-S-H凝胶和N-A-S-H地聚合物凝胶相比C-S-H胶凝产物，稳定性较好，受水溶蚀作用的影响较小。

（4）在硫酸盐侵蚀112 d后，碱激发注浆料的质量损失率为1.4%，抗压、抗折强度溶蚀系数分别为0.937、0.915；水泥基注浆料的质量损失率为3.45%，抗压、抗折强度溶蚀系数分别为0.783、0.739，碱激发注浆料的抗盐侵蚀性能优于水泥基注浆料。