水温及2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸对双液浆浆体稳定性的影响研究

水温及 2-膦酸丁烷 -1,2,4-三羧酸对双液浆浆体稳定性的影响研究

杨绪成 高龙 安占宇

铁正检测科技有限公司

摘要：在隧道盾构机掘进过程中，壁后同步注浆是较重要的一道工序，目前大多数壁后注浆用浆液为双液浆浆液，性能较好的浆液除能够满足现场施工要求，同时也能保证结构安全，但由于现场施工因素如水温、水玻璃温度及原材料性能致使现场浆液的性能时常不稳定，给现场施工带来了较多麻烦。本文的研究是在现场施工的配合比上，模拟现场施工的温度，探讨水温对双液浆浆体稳定性的影响以及通过添加2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸与日本TAC安定剂作比较，探讨2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸对双液浆浆体性能的影响。

0 引言

近年来，随着科技及经济的发展，城市道路及轨道得到了大力发展，随之带来的影响是城市内的地面上交通压力越来越大，地面发展空间越来越少，地下空间资源开发和利用成为解决交通压力的方向之一；地下隧道建设，不可避免的会影响地面结构物，在此情况下，盾构机应运而生，凭其智能化程度高，对周围环境沉降影响小，施工便捷，安全环保等特点，迅速在地下空间得到广泛的应用及发展。在盾构掘进过程中，会对周围土体产生扰动，易造成地层变形；另一方便，管片外环与土体之间有一定的缝隙，容易产生错台、造成管片损坏，因此必须通过壁后同步注浆技术充填间隙 , 控制地表沉降，改善隧道管片的受力状态；壁后同步注双液浆较单液浆有其更好的工作性能， 其稳定性好，化学胶凝时间可控，防水性能优越，早期强度高等优点，广泛应用于盾构法同步注浆。

作为盾构施工同步注浆用浆液问题，国内外学者对此进行了一些研究。

Peila和Pelizz^[1]总结出双液浆密实性好、不易在水中流失，抗渗性能好，而且拥有较好的早期强度。Sharghi^[2]通过室内试验测定时对双液浆的注浆材料的抗压强度、泊松比、弹性模量等参数，证明了双液浆对地表沉降的控制具有良好效果。Reschke和Noppenberger^[3]通过总结双液浆在修建澳大利亚布里斯班机场连接线公路隧道的应用，提出在超大直径盾构施工中双液浆早期强度要快、流动性能要好、泌水率要低。

安妮等（2011）^[4]依托地铁施工中的盾构壁后注浆问题，通过室内试验研究水泥-水玻璃浆材胶凝时间和抗压强度的影响因素，认为水泥-水玻璃双液更适于地铁壁后注浆，对于减少地面沉降，控制开挖面稳定有良好的效果。季昌等^[5]通过管片施工期上

浮影响因素的现场试验研究，提出在非胶凝材料掺量不变的基础上，随着粉灰比、水灰比的减小，浆液抗压强度、黏聚力提高，初凝时间缩短，管片上浮量减小; 闫勇等(2004) ^[6]通过室内试验，探讨水泥型号、水灰比、水玻璃模数、波美度以及木钙、氯化钙等添加剂，对水泥-水玻璃浆液的凝胶时间、抗压强度和安定性的影响规律。结合试验结果，为实际工程提出各配比最优选配比范围。许茜(2010) ^[7]对单液水泥浆、水泥-水玻璃双液浆和水玻璃-工业废渣双液浆等注浆材料的固化机理与抗水溶蚀性能进行对比研究，认为水玻璃-工业废渣双液浆材的抗水性能最优，并对能够具有良好抗水性能的浆材提出理想模型。王胜等(2012)^[8]在分析水泥-水玻璃固结硬化机理的基础上，在浆液中添加了柠檬酸、多聚磷酸钠、FDN、SM、NF、UNF-5、酒石酸钾钠、酒石酸、磷酸氢二钠等外加剂，对浆液的凝固特性进行了对比试验。重点分析了磷酸氢二钠对水泥-水坡璃浆液凝固性能的影响规律。宋雪飞^[9]研究粉煤灰改性水泥-水玻璃双液浆的特性，发现掺入粉煤灰后，双液浆的胶凝时间延长，粉煤灰掺量为30%~50%时，结石体28d抗压强度下降趋于缓慢，粉煤灰的活性作用有利于后期结石体抗压强度的发展。张聪等^[10]针对岩溶地区水下隧道施工，提出一种以膨润土和水泥为基料，外加固化剂的注浆材料，试验表明该注浆材料具有良好的流动性、稳定性和抗冲刷性能，不仅能满足工程要求，而且具有良好的经济效益和生态效益。

虽然国内外对双液浆的研究较多，但多数研究主要是在试验室以水泥、膨润土、稳定剂以及掺入一定量的助磨剂或矿物外加剂混合搅拌形成的不同A液体为主，测定其相关性能；很少研究现场施工因外部因素（水温、原材料、设备设施、人为因素 ）导致浆液不稳定，本文主要通过研究现场施工时在不同水温下，会对双液浆的泌水率、稠度、强度等性能产生怎样的影响以及通过添加2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸与原材料当中日本TAC安定剂作比较，是否能够替代日本TAC安定剂并且达到对双液浆浆体性能一致的效果。

1 试验原材料及设备

水泥：采用燕新控股集团有限公司水泥，其性能符合 GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》。

水：采用地下水，其性能符合JGJ 63-2011《混凝土用水标准》。

膨润土：采用北京久研新材料科技有限公司，其性能符合GB/T 20973-2020《膨润土》要求。

水玻璃：采用宜兴市建东环保材料有限公司，其性能符合GB/T4209-2008《工业硅酸钠》要求。

如表1-1，为试验主要设备。

表1-1 主要设备

2 试验方案及结果分析

目前现场施工用双液浆多数主要以水泥、掺合料、膨润土、安定剂、水等其他助剂等配制A液，再通过压力管道混合水玻璃（B液）形成双液浆，如图1-1为双液浆配制流程图。双液浆各项指标要求国内暂时没有统一规范规定，通过查阅相关文献及国外规定，结合现场实际应用效果，主要考虑5项检测参数，分别为A液浆体的初始稠度、静置1小时泌水率、双液浆的化学胶凝时间、1小时强度、28天的强度。A液初始稠度的性能测定主要目的是确保施工管道传输性；静置1小时泌水率的检测目的确保浆体在失去搅拌下的稳定性；双液浆的化学胶凝时间检测目的确保浆体快速形成封闭牙膏状止水隔水；检测1小时强度的目的是为了快速形成一定强度，能够自稳及承受一定荷载保证管片稳定性；28天的强度的检测为了确保在使用生命周期内不被分解和结构破坏。

图1-1 双液浆配制流程图

2.1不同水温下对浆液性能的研究

本文根据现场施工用双液浆实际配合比及性能参数，通过模拟现场施工在不同水温下，研究水温对各项性能的影响，对现场施工提出指导意见。如下表1-2为A液体试验拟定方案。

表1-2 双液浆A液配比设计方案

通过对不同水温拌制的A液，其试验结果如下表1-3所示。

表1-3 双液浆A液检测结果

通过对以上数据结果分析可以得出：为了保证初始A液浆体满足盾构管道注浆，要求稠度在20-25s，随着水温的增加，初始稠度先缓慢增长后降低，由试验得知不同水温对初始稠度影响不是很大；对于静置1小时泌水率，现场施工要求为≤5%，在温度越低的情况下，泌水率越大，远远达不到现场施工的要求，而随着温度的升高，泌水率逐渐下降，在水温25℃下，泌水率最小；综上所述，在10℃-30℃之间，初始稠度以及静置1小时泌水率均符合要求，考虑到泌水率情况下，水温在25℃时，效果最好。

在通过测定不同水温对A液性能的检测下，在此基础上进行A液和B液的混合，测定化学胶凝时间及1h强度和28d强度，如表1-4为双液浆检测结果，其中水玻璃用量按每方60L。

表1-4 双液浆检测结果

通过表1-4可以得出：随着温度的升高，化学胶凝时间越来越短，且在30℃时最低； 1小时强度、28天强度也随着水温的增高而增高，在30℃达到最高；除此之外，在化学胶凝时间太短的时间下，现场施工较易堵管，且现场水温也不易达到30℃，由此得知，在满足现场施工的情况下，水温达到20℃-25℃时即可，且此温度在夏季施工或冬季施工都可控制。

综上所述，在水温达到20℃情况下，已满足现场施工要求及泌水率≤5%、化学胶凝时间≤15s，1h强度≥0.8Mpa，28d强度≥3Mpa等性能，且夏天施工中，地下水温基本上也是在20℃-25℃；而在冬天施工过程中，地下水温达不到此水温，需要对水温进行一些保温措施，如对水管进行包裹保温材料或进行水温加热。

2.2添加2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸对浆液性能的研究

在配置双液浆原材料当中安定剂作用至关重要，它是能够保证浆液稳定并且在一段时间内可以保持浆液的流动性；但国内的安定剂作用效果并不是很理想，目前常用的安定剂大多数为日本的TAC产品，价格昂贵，且从国外运输到国内，此过程隐形中提高了经济成本以及带来了诸多不便，所以在研究不同水温的基础上，选择水温20℃、配合比不变的情况下，试图通过添加2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸能够达到替代安定剂的效果。流程及配合比如下。

图1-2 双液浆配制流程图

表1-5 双液浆A液配比设计方案

通过添加上述表1-5配合比拌制的A液及与水玻璃B液形成的双液浆，其性能试验结果如下表1-6所示。

表1-6 A液及双液浆检测结果

由试验得知：在添加日本TAC安定剂与2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸的对比过程中发现初始稠度、静置1h泌水率、化学胶凝时间、1h强度、28天强度变化不是很大，其性能较为接近；但在凝结时间结果中发现，日本TAC安定剂凝结时间保持在23天左右，而2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸在6天左右便凝固；

综上所述，根据现场施工情况，在掘进过程中，拌制好的浆液会及时注入管片缝隙中，不会在盾构机浆液存储罐中存放很长时间，除非在长时间生产停滞中，当在生产停滞不超过120小时，加入2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸可以替代日本TAC安定剂。

4结论及展望

1. 通过试验分析总结：不同水温对双液浆性能会产生一定的影响，水温越低，浆液的性能会越差，不满足现场施工；在20℃-25℃时，浆液各项性能及强度较好且满足现场施工。

2. 在试验过程中，只是对水温进行了单一研究，其他材料保持恒温，后续会继续对B液在不同温度下对化学胶凝时间及强度性能影响进行研究探讨。

3. 试验研究发现通过添加2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸可以替代日本TAC安定剂，且效果与日本TAC安定剂在初始稠度、静置1h泌水率、化学胶凝时间、1h强度、28天强度上性能变化不大，但凝结时间不如日本TAC安定剂，这也是后续继续研究的方向之一，延长浆体静置存储时间。

4. 在满足现场施工的情况下，浆体的稳定性至关重要，不稳定因素主要包括水温、原材料、设备设施等因素，水温在人为控制在一定温度内，波动范围较小，而原材料、设备设施不易控制，下一步将对双液浆配合比进行优化，减少原材料及设备设施因素的干扰，探索更加经济、实用性强的配合比。。

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