工业废渣-盾构泥砂注浆材料的研制与应用

何良玉，肖铭钊，邓利明，梁远博，丁庆军

(1.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070；2.武汉市市政建设集团有限公司，武汉 430023)

工业废渣-盾构泥砂注浆材料的研制与应用

何良玉1，肖铭钊2，邓利明2，梁远博1，丁庆军1

(1.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070；
2.武汉市市政建设集团有限公司，武汉 430023)

以水玻璃作激发剂，磷石膏、粉煤灰、钢渣与矿粉作胶凝材料，盾构泥砂为细集料，并用聚羧酸系抗泥型高效减水剂和抗水分散剂改善浆料性能；通过对粉料比例、激发剂掺量等的研究，制得工作性能好(初始流动度27 cm、6 h后23.5 cm，3 h泌水率<1%)，凝结时间长(>60 h)，抗水分散(水陆强度比>85%)，可防止管片上浮(稠度值11.3 cm)的高性能工业废渣-盾构泥砂同步注浆材料，并在武汉轨道交通3号线八B标段双王区间站取得了成功应用。

工业废渣； 盾构泥砂； 碱激发； 同步注浆

为促进城市地下空间的充分利用和地下交通的大力发展，改善城市交通的拥挤状况和居民的生活环境，城市地铁凭借其运输量大、快速、便捷，并且能够缓解常规地面交通拥堵的优点，在世界各地得到了迅猛的发展[1,2]。在地铁隧道盾构施工掘进过程中，会开挖出大量泥砂。这些盾构掘削砂土不仅占用施工场地、处理困难，而且影响施工进度，已成为隧道施工和环境保护的一大负担[3]。如何对盾构掘削砂土进行合理化资源化利用将成为未来隧道施工的重点。与此同时，我国的磷肥产量与炼钢产量一直处于世界第一，每年会排放大量的磷石膏、钢渣、粉煤灰、矿渣等废渣，这些工业废渣的处理问题一直是广大学者致力解决的重点问题[4,5]。

武汉地铁3号线是首条过汉江地铁线路，起于蔡甸区的文岭，经全力三路转向武汉经济开发区；其一期工程由沌阳大道站至市民中心站，线路长27.9公里，设车站23座[6]。该文以磷石膏与水玻璃作激发剂，激发钢渣、粉煤灰与矿渣等工业废渣的潜在活性，用取自武汉地铁3号线双墩站～王家墩中心站区间线路的盾构泥砂作细集料，制备出环保型的工业废渣-盾构泥砂高性能单液同步注浆材料，并在武汉轨道交通3号线一期工程八B标段双王区间站取得了成功应用。

1 试 验

1.1 原材料

粉煤灰(FA)：阳逻电厂Ⅱ级灰，其化学组成见表1。

粒化高炉矿渣(BFS)：武钢绿色冶金渣公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉，比表面积为450 m2/kg，其化学组成见表1。

磨细钢渣粉(SS)：武汉冶金渣环保工程有限责任公司生产，存放期为三个月，其碱度为1.9，比表面积600 m2/kg，其化学组成见表1。

磷石膏：来源于宜昌磷化工场，浅灰色，其化学组成见表1，XRD见图1。

砂：武汉地铁3号线八B标段双王站盾构泥砂，细度模数1.88。

表1 工业废渣的化学组成 /%

水玻璃：模数为3.2，波美度为20，主要技术指标参数见表2。

表2 水玻璃主要技术参数

氢氧化钠：市售分析纯白色粉末；氢氧化钙：市售工业纯白色粉末。

外加剂：上海三瑞化学有限公司生产的抗泥VIVID-500(C)型聚羧酸减水剂，液体，减水率20%～30%；抗水分散剂：羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)，白色粉末，分子量为20×104。

1.2 方法

参考GB/T_2419—2005进行流动性能、坍落度的测试；泌水率测试参考GB/T 3183—1997；稠度、粘度和凝结时间等参考JGJ 70—90；抗压强度参照GB 177—85进行，抗渗性参考JGJ/T 70—2009；浆液自由膨胀率试验参考SL 237—024—1999。

2 工业废渣-盾构泥砂高性能同步注浆材料的制备

所用盾构泥砂含泥量高达13.4%。泥砂中的泥质与水混合后会形成卡屋结构，使大量的自由水转变为卡屋结构中的束缚水，既增加颗粒间的滑动效应又增大其稳定性，进而防止离析分层造成的堵泵、堵管现象。合适组成泥砂的加入，完全可以取代传统同步注浆材料中的膨润土和河砂[3]。但是，这也会大大降低浆料的工作性能，不易泵送，给施工带来很大不便。此外，武汉地区地下水丰富，普通浆料易受水分散，胶砂分离，造成强度、抗渗性能和耐久性达不到设计要求，故掺入胶凝材料质量0.7%和0.03%的聚羧酸抗泥VIVID-500(C)型高效减水剂和抗水分散剂(HPMC)。

2.1 粉料比例对同步注浆材料性能的影响

不同工业废渣体系中，以FA、SS、SL 3种单一粉料系列的固结性能最差，FA+SS+SL 3种粉料等比例复掺固结强度最强[7]，故选3种粉料复掺体系。控制水胶比为0.8，胶砂比为0.42，聚羧酸减水剂掺量为胶凝材料的0.7%，抗水分散剂掺量为0.3‰，外掺磷石膏和5%的钠水玻璃(NS)，在胶材总量不变的条件下，调节粉料比例，测试其工作性能和抗压强度，见表3。

表3 粉料比例对注浆材料性能的影响

由表3可得，随着矿粉和钢渣掺量的增大，浆体的粘度和强度增大，而流动度和稠度减小。浆体的凝结时间长，远不同于传统的碱激发双液注浆材料的快凝，可能是两者的碱激发体系不同造成的。未密封保存的试块表面会明显泛碱，主要是因为毛细孔中碱浓度较高，在形成水化物之前，碱容易随水分蒸发而在表面析出，并与空气中的CO2反应，在试块表面形成一层R2CO3、R2SO4等的白霜[8]。

虽然矿粉和钢渣的掺量越大，强度越高，但两者的成本高于粉煤灰和磷石膏，而磷石膏成分复杂且不稳定，不宜多掺，故综合考虑各方面的因素，选用(FA 30%+SS 20%+BFS 20%+PG 30%)的粉料比例。

2.2 钠水玻璃掺量对同步注浆材料性能的影响

为改善注浆材料的工作性能，控制粉料比例FA 30%+SS 20%+BFS 20%+PG 30%，胶砂比0.42，水胶比0.8，聚羧酸减水剂掺量为0.7%，抗水分散剂掺量为0.03%，降低NS掺量，进行试验，结果如表4所示。

表4 钠水玻璃掺量对注浆材料工作性能的影响

如表4和图2所示，随着水玻璃掺量的减小，浆液的流动性能、泌水率和凝结时间逐渐增大，粘度、强度和水陆强度比逐渐减小，而稠度值略有增大。当水玻璃掺量小于2%时，浆液的泌水率和凝结时间大幅增大，强度大幅减小；水玻璃掺量为4%时，初始流动度仅为15 cm且经时损失大。故综合考虑浆材的工作性能、力学性能、抗水分散性能及成本，水玻璃掺量宜控制在2%～3%。

2.3 配合比的优化

综合上述试验研究，确定了工业废渣-盾构泥砂高性能同步注浆材料的较优配合比为：粉料比例FA 30%、PG 30%、SS 20%、BFS 20%，钠水玻璃2.5%，水胶比0.8，胶砂比0.42，聚羧酸减水剂掺量为0.7%，抗水分散剂掺量为0.03%。因浆液的振前流动度在16～17 cm之间，仍未达到设计要求(18～20 cm),故调整外加剂掺量进行优化，实验配合比见表5，性能结果见表6和表7。

表5 实验配合比 /(kg·m-3)

表6 注浆材料性能(一)

表7 注浆材料性能(二)

由上述实验结果可得，增大减水剂或减少抗水分散剂的量可以改善浆液的流动性能，而对其他性能影响不大，但抗水分散剂的减少会对注浆材料的水陆强度比产生较大影响。组4同时增大减水剂和抗水分散剂掺量，其流动性能和抗水分散性能均较好。对它进行进一步的测试，结果表明该组浆料具有微膨胀性，能够补偿浆体的收缩，使结构更加密实，且抗渗和抗水溶蚀性好，能够很好地起到防水抗渗的效果。这是因为钢渣中含有一定量的f-CaO与f-MgO，在胶材水化过程中会产生一定量的Ca(OH)2、Mg(OH)2以及钙矾石，导致相对体积的增加，不仅能补偿注浆材料浆体的收缩，还会进一步引发体积膨胀。

故实验确定的较优配比为：FA 30%、PG 30%、SS 20%、BFS 20%，钠水玻璃2.5%，水胶比0.8，胶砂比0.42，聚羧酸系抗泥型高效减水剂1%，抗水分散剂掺量0.3‰。其状态如图3所示。

3 工程应用

实验研制的工业废渣-盾构泥沙高性能同步注浆材料，在武汉轨道交通3号线一期工程第八B标段的双墩-王家墩区间站进行了应用，效果良好。表8和图4分别为同步注浆材料的配比和施工图。

表8 工业废渣-盾构泥沙高性能同步注浆配比 /(kg·m-3)

4 结 论

a.随着矿粉和钢渣掺量的增大，浆体的粘度和强度增大，而流动度和稠度减小；钠水玻璃掺量为2.5%时，浆料的各项性能均能达到设计要求，效果较好。

b.确定的最优配比为：FA 30%、PG 30%、SS 20%、BFS 20%，钠水玻璃2.5%，水胶比0.8，胶砂比0.42，聚羧酸抗泥型高效减水剂掺量为1%，抗水分散剂掺量为0.3‰。

c.制得的工业废渣-盾构泥沙同步注浆材料：流动性好(初始流动度27 cm、6 h后23.5 cm)，泌水率小(3 h泌水率<1%)，凝结时间长(>60 h)，抗水分散性能优(水陆强度比>85%)，可防止管片上浮(稠度值11.3 cm)，很好地满足了隧道盾构施工对注浆材料的性能要求，并在武汉轨道交通3号线双王区间站取得了成功的应用。

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[2] 徐 锐.地铁建设项目经济评价研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[3] 许 可.盾构泥砂高性能注浆材料的研究与应用[D].武汉：武汉理工大学，2011.

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Development and Application of Grouting Material with Shielded Sediment and Industrial Residue

HE Liang-yu1,XIAO Ming-zhao2,DENG Li-ming2,LIANG Yuan-bo1,DING Qing-jun1

(1.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；
2.Wuhan Municipal Construction Group Co, Ltd，Wuhan 430023，China)

Using water-glass as the activator, phosphorus gypsum, fly ash, steel slag and blast furnace slag as cementitious materials,shielded sediment as fine aggregate, anti-mud polycarboxylate superplasticizer and water-resistant dispersant were used to improve pulp properties.Through the study of powder material ratio and species and content of activator, a high performance industrial residue and shield-sand synchronous grouting material was made with good workability (initial fluidity of 27 cm,6 h after 23.5 cm, 3 h bleeding rate<1%), long setting time (> 60 h), excellent water-resistant dispersion performance (amphibious strength ratio > 85%), can prevent the segment floating (consistency value 11.3 cm) and has successfully applied in Wuhan rail transit line 3 eight section B double king intervalstation.

industrial residue; shielded sediment; alkali activation; synchronized grouting

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.001

2014-12-26.

何良玉(1991-)，硕士生.E-mail:1182963126@qq.com