砂级配对同步注浆浆材性能的影响研究

时间：2024-12-27

任梦博，魏新江，，徐麒雄，张定康，危奉和，吴熙

（1.浙江大学建筑工程学院，杭州 310058；2.浙大城市学院土木工程系，杭州 310015）

0 引言

注浆浆材能够填充隧道截面与开挖地层的间隙，减小地面沉降，浆材包裹在隧道管片外部，作为持力层不仅有利于隧道衬砌的均匀受力，也可增加隧道防渗性［1，2］。现有已有研究表明砂骨料的级配变化会影响砌筑砂浆的性能。陈友治等［3］研究了砂级配对机喷抹灰砂浆力学性能的影响，发现砂级配对砂浆的拉伸粘结强度影响较大，砂的细度模数应控制在2.1～2.5。周文娟等［4］研究了砂的不同级配对快硬高强砂浆强度的影响，提出了影响砂浆抗折强度砂的最优级配组合。王珩等［5］发现砂浆中砂的体积率对流变性的影响很大，存在临界值。Schutter［6］研究加入 1.44～2.70 细度模数砂对的水泥砂浆性能影响，结果表明砂粗细程度会影响水泥砂浆的硬化强度，水泥砂浆需水量与砂的表观干密度有联系。Reddy等［7］研究三种不同粗细颗粒砂对砂浆和易性、强度、收缩和应力应变等性能的影响，研究发现与同样稠度下，使用细砂的砂浆需水量要超过粗砂砂浆25%～30%，此外砂级配增大会减小砂浆的强度。Haach等［8］设计三种不同配合比、两种粗细不同砂的砂浆试验，研究结果表明砂级配只影响无石灰砂浆的稠度，对抗压强度没有影响，但会影响砂浆的变形、延性和弹性模量。Dehghan等［9］研究结果表明细砂水泥砂浆的抗压强度、抗弯强度和弹性模量均低于粗砂水泥砂浆。尽管以上文献在试验设计结果表明砂级配的变化会影响砂浆参考砂浆的强度、需水量等，试验并不针对注浆浆材，试验内容主要对应砌体所需的强度、模量等，而注浆工程重点关注浆材的泌水率、凝结时间等，仍需要补充研究砂级配对注浆浆材的研究，为注浆工程的配比和现场浆材优化提供文献依据和参考。

在注浆工程浆材配比研究中，有必要进一步研究砂的级配对浆材流动性能、凝结时间、泌水率、强度等性能的影响。文中研究了6种不同砂级配的浆材，砂的细度模数为0.8、1.2、1.5、1.8、2.2、2.6，试验分析相同配比下，掺加不同砂对浆材流动扩展度、稠度、泌水率、凝结时间，7d和28d抗压强度性能的影响，并采用外加剂剂优化试验，探索不同级配砂下，对比不同级配下浆材性能优化效果，提出相应级配的浆材所需最优掺加量，分析级配对浆材扩散距离的影响。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

试验采用的浆材原材料为水泥、砂、水、膨润土、粉煤灰。具体规格及参数见表1。

表1 注浆试验原材料

1.2 试验方案

研究采用的水泥浆材的配合比为：粉灰比6.7、水胶比1.0、胶砂比0.44、膨胶比0.20。实验分为两组，一组外加剂比例保持不变，其中减水剂为胶凝材料质量分数的4.675‰，缓凝剂占胶凝材料质量分数的0.156‰。另外一组改变外加剂掺加量来中和砂细度模数变化对流动性的影响。借此两组实验对比分析，砂细度模数变化对浆材流动性、强度等的影响，并考虑外加剂掺量对砂细度模数带来可泵性影响的中和作用程度调节范围。其中河砂采用6种不同细度模数的天然河砂，细度模数分别为 0.8、1.2、1.5、1.8、2.2、2.6，分别对应试验组1～6，其粒径分布见表2。

表2 不同细度模数砂的粒径分布

考虑到浆材的流动性比砌筑砂浆大，参考文献［10］采用流动扩展度评价砂浆的流动性。浆材的其余性能试验方法主要参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能实验方法》［11］进行。

2 试验结果

2.1 砂级配对注浆浆材性能影响结果分析

同步注浆浆材的注浆填充效果以及注浆效率首要考虑浆液的流动性，流动性良好的浆液能够保证浆液在地层中的扩散较为均匀，不易产生空洞的现象。浆液流动性的参考实验室性能主要为流动扩展度和稠度，根据实验结果反映砂级配对浆材流动性能的影响［12，13］。根据试验结果，在保持无关参量保持不变的情况下，浆材中河砂细度模数在0.8～2.6变化时，浆材流动扩展度和稠度测试结果如图1和图2所示，可以看出浆材的流动度和稠度均随河砂细度模数的增大而逐渐变大。在河砂细度模数由0.8增长为2.6时，流动扩展度约增大177%，稠度约提高123%。究其机理可理解为河砂细度模数增大，相同质量的砂比表面积减小，浆材中自由水的比例增大，粒径间的摩擦力、咬合力逐渐减小，水、粉煤灰等对砂粒的润滑作用明显，导致浆材的流动扩展度和稠度增大［14］。

图1 浆材流动扩展度与砂细度模数关系

图2 砂对浆材稠度影响规律

由于砂浆在凝结过程中会出现泌水现象，在浆材注入隧道空隙后，过大的泌水率会使填充浆材出现体积回缩的现象，必须加以研究和控制。图3中显示浆材的泌水率与砂细度模数呈正向关系，与周麟等［15］结论相符。当砂的细度模数超过1.8时，浆材的泌水率突变，泌水率由1.36%增大为2.50%。这是由于粗砂中级配大，粗颗粒间自由水含量高，容易出现离析现象，自由水更容易泌出，导致泌水率增大。为减小级配对浆材稳定性的影响，建议河砂的细度模数控制在1.8以下。

图3 砂对浆材泌水率影响规律

新拌浆材到注入地层具有时间间隙，必须保证浆材在这段时间内必须可泵状态，防止注浆过程中浆材堵管；此外为保证浆液注入地层后的硬化速度，避免隧道上方土层发生较大的沉降，需要控制浆液的终凝时间。图4表示浆材凝结时间与砂细度模数间关系。从图4可以得到，浆液的初、终凝时间均随砂细度模量的增大而增大，这与Mao等［16］结论相符。但是终凝时间增大速率明显大于初凝时间增大速度。为保证终凝时间不超过15h，对应砂细度模数数不超过2.2；初凝时间为保证在4h左右，建议砂细度模数大于1.2。综合以上规律，为满足注浆工程的浆液凝结时间要求，浆材掺加砂细度模数应在1.2～2.2。

图4 砂级配对浆材凝结时间影响规律

浆材7d抗压强度和28d抗压强度与砂细度模数间关系如图5所示。河砂细度模数增大情况下，浆材试块标准养护下28d抗压强度波动不明显，但是浆材7d抗压强度逐渐减小，最大减小幅度为42.8%。说明浆材中砂的粒径分布对早期强度影响较大，且细度模数的增大会减小浆材早期强度，但对最终强度影响较小，可以忽略不计。水泥水化产物将砂包裹形成骨架，硬化水泥浆体和砂的强度较高，而水泥与砂的界面则是薄弱区，同样水灰比下，掺加粗砂的浆液的早期试块致密体不如细砂，因此粗砂对浆材的早期强度不利，为控制浆材早期强度，加入的河砂细度模数控制在1.8以内［17］。

图5 砂对浆材抗压强度影响规律

浆材的密度会影响浆材在注浆地层中的扩散过程，严重会造成隧道管片的上浮，也是影响注浆效果的一个重要因素［18］。浆材的密度随砂细度模数的变化关系，如图6所示。同样砂掺量下，掺加级配大的砂会明显减小浆材的密度。说明浆材的自重受河砂级配变化波动较大，为反向关系。在注浆工程中，增大或减小浆材自重，在保证配合比不变情况下，可直接增大或减小砂细度模数，效果较为显著。

图6 砂级配对浆材密度影响规律

2.2 级配影响下浆材的优化试验结果分析

文中研究是在只改变砂级配基础上的研究试验，但是在实际注浆工程中，砂的粗细程度是不容易严格控制的，显著影响浆材性能，甚至出现超出注浆性能要求区间的状况。为了增大浆材的和易性，控制浆材的泌水量和保证浆材强度，通过改变外加剂掺量，研究浆材中砂不同级配下对应的外加剂优化掺量，来尽可能满足注浆工程对浆材的要求。

文中主要针对减水剂来优化浆材可泵期性能。图7给出了不同砂细度模数与浆材掺加减水剂的掺量关系，纵坐标为减水剂占胶凝材料的质量分数。图中显示浆材中加入砂的细度模数越小，要达到合适注浆浆材性能参数所需要掺加的减水剂就越多，最大相差0.88%。每组试验加入相应掺量减水剂后，浆材的性能如表3所示。

图7 砂细度模数与减水剂掺量关系

表3中数据与文中数据作为对比，可以看出适量减水剂的加入，可以补偿砂细度模数对浆材流动性能的影响，当砂细度模数为0.8时，需补偿4.15%的减水剂，稠度增加2cm，流动扩展度增加18cm，且补偿至相同稠度和流动度，浆材中砂细度模数越小，需补偿的减水剂量越大。此时浆材泌水率也增大，也从侧面说明减水剂能增大浆材泌水量［19］。但是浆材的密度几乎不受外加剂的影响。

表3 各试验组浆材性能参数

在浆材中补偿减水剂后，减水剂可延长浆材的终凝时间，且随细度模数增大，延长效率越小。另外浆材的早期强度和28d强度也受影响，补偿外加剂会减小原浆材的强度。

综合上述试验分析结果，保持浆材配合比和缓凝剂不变的前提下，通过拟合减水剂掺量和砂细度模数之间的关系，得到公式（1）。

式中，x为注浆材料中所掺加河砂的细度模数值；y为x对应浆材中须参加的减水剂掺量，%。

2.3 砂级配对浆材扩散的影响

为了更加明确对比浆材中砂级配变化对注浆的影响，文中基于广义达西定律和流体力学相关理论基础，以Bingham浆液流体为研究对象，忽略浆液黏度时变性，对比分析砂级配对浆材在隧道空隙扩散的影响规律，推导公式如式（2）～式（5）所示。

式中，α为注入率，即实际注浆量与理论量之比，取1.50；μ0为浆液的初始黏度；τ0为剪切力；r0为注浆管半径；n0为隧道空隙的折算孔隙率；n为注浆土层的原始孔隙率；Kw为水在施工土层的浆液渗流速度；T为注浆时间。ΔP为注浆压力P0和地下水压Pw之差。

文中以算例分析为基础，应用上述提出的扩散模型，对比刘健等［20］的注浆扩散推导公式，计算过程中，注浆管半径取2.5cm，原土体孔隙率为20%，α=1.5，注浆处地下水压Pw=0，注浆压力P0=0.3MPa，注浆时间取40min，Kw=0.05cm/s，注浆时间2400s［21，22］。浆材扩散距离的计算结果如图8所示。砂细度模量的增大会明显增大浆材的扩散距离，细度模数的增大表明浆液在扩散中的颗粒间黏度减小，在同样泵送压力下，浆液颗粒有利于在隧道间隙的扩散，但是粗砂颗粒的增大会降低浆液分子在土层中的渗透速度，故细度模数对注浆扩散有利，但应控制模数过大而导致窜浆。

图8 砂细度模量对浆材扩散影响