CN112723823A - 一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆及其制备方法，该同步砂浆按重量份，包括以下原料：盾构渣土浆液40～60份、消泡剂0.02～0.07份、增粘剂0.5～1份、抑泡剂0.03～0.05份、快膨化型膨润土2～6份、水泥5～15份、粉煤灰5～15份、中细砂10～20份、吸附牺牲剂0.02～0.05份、早强剂0.2～0.5份、水3～10份。本发明克服了盾构渣土中泡沫剂含量高、搅拌后易起泡的技术难题，创造性地将硬岩类盾构渣土中的浆液作为同步砂浆的主要组成部分，制备出凝结时间适中、抗水侵蚀性能良好、工作性能稳定和成本合理的盾构施工用同步砂浆，减少了天然河砂和粉煤灰的使用量，同时可大量消耗盾构渣土中的浆液，实现了盾构渣土的高价值资源化利用，环保和经济效益显著。

Description

一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆及制备方法
技术领域
本发明涉及盾构工程材料技术领域，具体地说涉及一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆及制备方法。
背景技术
盾构施工方法在地铁工程中广泛使用，随着中国各大中型城市轨道交通基础设施建设提速，大量的盾构渣土亟需安全、环保和高效处理，传统处理方式多为外运回填，处理方式粗犷且运输量大。特别是在我国华南、西南区域，多为硬岩类地质的盾构渣土，盾构施工常选用土压平衡盾构施工工艺，为保证正常施工需采用大量泡沫剂对渣土进行改良，渣土富含大量的浆液，外运、回填处理技术难度和成本进一步提高。然而，这些盾构渣土浆液中富含的大量细小颗粒，正好是盾构同步砂浆中的主要成分，同步砂浆主要用于填充盾构管片和地层间的空隙，初步估算采用科学有效的技术手段，同一施工标段，制备同步砂浆在场地内约可消耗本标段1/3的盾构渣土浆液，环保和经济效益均可观。实现盾构渣土浆液在同步砂浆中的应用需要解决以下几个技术问题：一、盾构渣土浆液含有大量泡沫剂，机械搅拌易起泡，需采用有效技术手段消除同步砂浆制备过程起泡的产生；二、盾构渣土中的泡沫剂会导致同步砂浆中的水泥缓凝，需消除其影响，获得凝结时间合适的同步砂浆产品；三、盾构渣土浆液中的颗粒形状不规则，浆液稳定性和流动性较差，需采用科学技术方法获得工作性能稳定和抗水侵蚀性能良好的同步砂浆。
专利CN109734395A公开了一种含泥水盾构废弃泥浆的同步砂浆及其制备方法，以盾构废弃泥浆和筛分渣土作为同步砂浆主要组分，解决了泥水平衡盾构渣土废弃浆液制备同步砂浆的技术问题，本发明专利与对比专利解决的技术难点存在以下明显差异：一、泥水盾构废浆不含泡沫剂，而本发明专利关注的土压平衡盾构渣土富含泡沫剂，需解决泡沫剂搅拌起泡和凝结时间负面影响等问题；二、泥水平衡盾构泥浆中已引入较多增粘组分，其废弃泥浆的粘度依然较高，同步砂浆的制备过程无需较多考虑增粘稳定体系问题，而土压平衡盾构渣土自身粘度极低，为保证其制得的同步砂浆工作性能稳定和抗水侵蚀性能优异，需着重考增粘技术手段。
专利CN101928122A公开了一种隧道用同步注浆材料及其制备方法，其是将盾构渣土中的粘土、粉细砂和泥水作为同步砂浆的主要成分，但未涉及如何解决泡沫剂起泡和缓凝技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种凝结时间适中、抗水侵蚀性能良好、工作性能稳定和经济成本合理的采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，按重量份，包括以下原料：盾构渣土浆液40～60份、消泡剂0.02～0.07份、增粘剂0.5～1份、抑泡剂0.03～0.05份、快膨化型膨润土2～6份、水泥5～15份、粉煤灰5～15份、中细砂10～20份、吸附牺牲剂0.02～0.05份、早强剂0.2～0.5份、水3～10份。
进一步地，所述盾构渣土浆液为硬岩类地质盾构渣土经2.36mm方孔筛筛分的筛底物，含水量不低于50％。自身含水量不足时，可以另外添加水。
进一步地，所述消泡剂为聚醚型消泡剂，溶液质量浓度为万分之三至千分之一。
进一步地，所述增粘剂为羧甲基淀粉钠和黄原胶按照质量比1:1的比例混合的混合物，羧甲基淀粉钠的2％水溶液粘度(25℃)不低于500mPa·s，黄原胶的1％水溶液粘度(25℃)不低于600mPa·s。
进一步地，所述抑泡剂为醇类抑泡剂，溶液质量浓度为千分之一至千分之五。
进一步地，所述快膨化型膨润土为MgO改性钠基膨润土，MgO在MgO改性钠基膨润土中的含量为0.3％，MgO改性钠基膨润土的0.5h粘度计600r/min读数不低于30，制备方法为：将钠基膨润土和MgO加入到水溶液中，搅拌处理形成悬浊液，向该悬浊液中加入尿素溶液，搅拌处理后，进行静置、过滤、研磨、450℃煅烧30min处理。
进一步地，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥中的一种，强度等级不低于42.5；所述粉煤灰为Ⅰ或Ⅱ级粉煤灰；所述中细砂为河砂、机制砂中的一种。
进一步地，所述吸附牺牲剂为二膦酸、三膦酸、四膦酸和五膦酸中的任意一种或两种以上的按任意比例混合的混合物。
进一步地，所述早强剂为甲酸钙、碳酸钠和石膏中的任意一种或两种以上的按任意比例混合的混合物。
上述采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)盾构排出的渣土在预拌池中搅拌均匀形成待筛分渣土，然后采用螺旋输送或挖机翻倒的方式将待筛分渣土输送至2.36mm方孔振动筛进行筛分，筛分时按比例同步均匀喷淋消泡剂溶液，筛底物即为待使用的含有消泡剂的盾构渣土浆液；
(2)将步骤(1)获得的盾构渣土浆液排入匀化稳定池，匀化稳定池配置转速为100r/min的搅拌装置，持续搅拌，保持池内盾构渣土浆液均匀不分层；
(3)采用泵送方式将匀化稳定池中的盾构渣土浆液送至强制式搅拌设备，按比例加入抑泡剂、增粘剂和快膨化型膨润土，搅拌60s，获得预处理的渣土浆液混合液，混合液集中静置时间不少于0.5h；
(4)采用强制式搅拌设备，先按比例称取水泥、粉煤灰、中细砂、吸附牺牲剂和早强剂，匀混搅拌15s，然后再投入步骤(3)获得的混合液和水，搅拌120s，得到所述采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆。
本发明将重点解决土压平衡盾构渣土中泡沫剂起泡和凝结时间负面影响技术难题，辅助合理的技术手段提升同步砂浆的工作性能稳定性和抗水侵蚀性能，提供土压平衡盾构渣土浆液制备同步砂浆的科学技术方案，主要技术原理为：
(1)硬岩类地质采用土压平衡盾构方法施工，盾构过程刀盘会与掌子面土层摩擦产生大量的连续级配的细颗粒，采用2.36mm方孔筛筛分获得的盾构渣土浆液中，细颗粒的含量为50％～70％。其中，20％左右的颗粒粒径低于100目，颗粒细度与粉煤灰相近，可代替部分粉煤灰作为同步砂浆的填充颗粒；剩余较粗粒径颗粒粒径分布与中细砂相似，可代替中细砂作为同步砂浆的堆积骨架。而将盾构渣土浆液的颗粒粒径控制在2.36mm以下，是为降低同步砂浆施工过程中的堵管风险。
(2)本发明采用的聚醚型消泡剂可有效消除阴离子型泡沫剂产生的气泡(国内盾构泡沫剂发泡组分多为阴离子型表面活性剂)，盾构渣土筛分过程均匀喷射消泡剂，可有效消除渣土扰动产生的气泡，保证之前过程产生的气泡获得较好的消除；同时，在混合液制备过程添加抑泡剂可有效抑制机械搅拌气泡的产生。通过先消泡和再抑泡技术手段的分阶段使用，有效地降低了盾构渣土浆液后续使用过程气泡的含量，较好地解决了盾构渣土泡沫剂含量大导致的机械搅拌极易气泡技术问题。
(3)阴离子表面活性剂分子极易在水泥颗粒表面吸附，延缓水泥水化，导致同步砂浆凝结时间过长，降低同步砂浆抗水侵蚀性能，本发明利用吸附牺牲剂在水泥颗粒表面产生竞争性吸附的基本原理，降低表面活性剂在水泥颗粒表面的吸附量，减小了泡沫剂的缓凝效应。进一步地，添加适量的早强组分，可更为精确控制同步砂浆的凝结时间，使其工作时间满足施工要求，且可具备较好的抗水侵蚀性能。
(4)选用快膨化型膨润土是因充分考虑施工现场现实条件，盾构施工场地均很狭小，无多余空间配置大量膨化池，要求膨润土具备快速膨化效应，最大限度实现同步砂浆的即拌即用。
(5)采用羧甲基淀粉钠和黄原胶复合增粘体系，首先，是因羧甲基淀粉钠和黄原胶溶胀增粘过程引气量较小，可保证同步砂浆的密实充盈；其次，羧甲基淀粉钠具备早期快速溶胀稳定体系的功效，使极不稳定的盾构渣土浆液体系快速稳定匀化，保证同步砂浆质量的均一性和工作性能的稳定性；再有，黄原胶溶胀后获得增粘体系具备一定的触变特性，使注入管片***空隙的同步砂浆具有快速失去流动性惰化的特性，显著增强其凝结硬化前的抗水侵蚀性能。
(6)同步砂浆制备步骤中较早的将盾构渣土浆液和增粘剂混合是为使渣土浆液体系更为均匀，保证同步砂浆的制备质量；混合液静置0.5h是为实现膨润土的充分膨化，发挥其胶体效应。
本发明的有益效果体现在：
(1)通过复合式的消泡、抑泡，以及竞争性吸附等技术手段，解决了泡沫剂起泡和缓凝影响，使盾构渣土浆液可作为同步砂浆的主要成分，同一标段在施工场内制备同步砂浆即可消耗约1/3体量的盾构渣土浆液，减少了渣土脱水处理和外运量，为最难处理的浆体渣土提供了有效的资源化途径，环保益显著。
(2)将盾构渣土浆液直接作为同步砂浆的主要成分，本发明提供技术方案可操作性强，投入设备简单，所需场地少，相较于机械脱水处理模式，显著降低了盾构渣土浆液处理成本，经济合理，可推广性强。
(3)盾构渣土浆液的再利用，减少了中细砂的使用，避免了天然砂石资源的开采利用。
(4)制备出的同步砂浆具有凝结时间适中、抗水侵蚀性能良好、工作性能稳定和经济成本合理等特点，为其工程推广应用奠定了良好基础。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。以下实施例和对比例所使用的各种原料，如未作特别说明，均为本领域公知的市售产品：
本发明采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，按重量份，由以下原料制成：盾构渣土浆液40～60份、消泡剂0.02～0.07份、增粘剂0.5～1份、抑泡剂0.03～0.05份、快膨化型膨润土2～6份、水泥5～15份、粉煤灰5～15份、中细砂10～20份、吸附牺牲剂0.02～0.05份、早强剂0.2～0.5份、水3～10份。
为了便于理解本发明各原料对材料性能的影响，下面提供本发明的6个实施例与5个对比例进行效果对比，各实施例和各对比例的配方如表1所示，其中，在广州地铁7号线某标段开展实施例实验，盾构渣土浆液为硬岩类地质盾构渣土经2.36mm方孔筛筛分的筛底物，含水量为50％；消泡剂为聚醚型消泡剂，溶液质量浓度为万分之三；抑泡剂为醇类抑泡剂，溶液质量浓度为千分之一；增粘剂为羧甲基淀粉钠和黄原胶中按照质量比例1:1的混合物，羧甲基淀粉钠的2％水溶液粘度(25℃)为600mPa·s，黄原胶的1％水溶液粘度(25℃)为650mPa·s；快膨化型膨润土为MgO改性钠基膨润土，MgO在MgO改性钠基膨润土中的含量为0.3％，MgO改性钠基膨润土的0.5h粘度计600r/min读数不低于30，制备方法为：将钠基膨润土和MgO加入到水溶液中，搅拌处理形成悬浊液，向该悬浊液中加入尿素溶液，搅拌处理后，进行静置、过滤、研磨、450℃煅烧30min处理；水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级42.5；粉煤灰为Ⅱ级；中细砂为河砂；吸附牺牲剂为三膦酸；早强剂为甲酸钙；
制备方法相同(对比例中，若原料没有则不添加，步骤仍旧操作)，具体如下：
(1)盾构排出的渣土在预拌池中采用挖机搅拌均匀形成待筛分渣土，然后采用螺旋输送或挖机翻倒的方式将待筛分渣土输送至2.36mm方孔振动筛进行筛分，筛分时按照比例在渣土表面同步均匀喷淋质量浓度为万分之三之至千分之一的消泡剂溶液，筛底物即为待使用的盾构渣土浆液；
(2)将步骤(1)获得的盾构渣土浆液排入匀化稳定池，匀化稳定池配置转速为100r/min的搅拌装置，持续搅拌，保持池内盾构渣土浆液均匀不分层；
(3)采用泵送方式将稳定池中的盾构渣土浆液送至强制式搅拌设备，按比例计量加入抑泡剂、增粘剂和快膨化型膨润土，搅拌60s，获得预处理的渣土浆液混合液，混合液集中静置时间不少于0.5h；
(4)采用强制式搅拌设备，先按比例计量取水泥、粉煤灰、中细砂、吸附牺牲剂和早强剂，匀混搅拌15s，然后再投入步骤(3)获得的混合液和水，搅拌120s，得到同步砂浆。
表1实施例和对比例的组成(单位：重量份)
Figure BDA0002874502890000061
实施例1-6和对比例1-5土压平衡盾构渣土浆液制备的同步砂浆的性能测试结果如表2所示：
表2实施例和对比例的性能测试结果
Figure BDA0002874502890000062
表2备注说明：1、盾构同步砂浆适用稠度范围为不大于140mm；2、盾构同步砂浆适宜的初凝时间为6～12h；3、同步砂浆抗水侵蚀通常采用30min滤失量表征，以不大于15mL为宜；4、盾构同步砂浆结石率通常以不低于95％为宜；5、盾构同步砂浆硬化后的抗压强度通常以不低于2.5MPa为宜。
从以上可以看出，实施例1-6为采用本发明获得的同步砂浆，其各项性能均满足同步砂浆基本使用要求，而各对比例中同步砂浆某些性能并未达到使用基本要求，本技术方案提供的同步砂浆已在广州地铁7号线和贵阳地铁3号线等盾构施工工程中获得成功应用。
应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，其特征在于：按重量份，包括以下原料：盾构渣土浆液40～60份、消泡剂0.02～0.07份、增粘剂0.5～1份、抑泡剂0.03～0.05份、快膨化型膨润土2～6份、水泥5～15份、粉煤灰5～15份、中细砂10～20份、吸附牺牲剂0.02～0.05份、早强剂0.2～0.5份、水3～10份。
2.如权利要求1所述的一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，其特征在于：所述盾构渣土浆液为硬岩类地质盾构渣土经2.36mm方孔筛筛分的筛底物，含水量不低于50％。
3.如权利要求1所述的一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，其特征在于：所述消泡剂为聚醚型消泡剂，溶液质量浓度为万分之三至千分之一。
4.如权利要求1所述的一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，其特征在于：所述增粘剂为羧甲基淀粉钠和黄原胶按照质量比1:1的比例混合的混合物，羧甲基淀粉钠的2％水溶液粘度(25℃)不低于500mPa·s，黄原胶的1％水溶液粘度(25℃)不低于600mPa·s。
5.如权利要求1所述的一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，其特征在于：所述抑泡剂为醇类抑泡剂，溶液质量浓度为千分之一至千分之五。
6.如权利要求1所述的一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，其特征在于：所述快膨化型膨润土为MgO改性钠基膨润土，MgO在MgO改性钠基膨润土中的含量为0.3％，MgO改性钠基膨润土的0.5h粘度计600r/min读数不低于30，制备方法为：将钠基膨润土和MgO加入到水溶液中，搅拌处理形成悬浊液，向该悬浊液中加入尿素溶液，搅拌处理后，进行静置、过滤、研磨、450℃煅烧30min处理。
7.如权利要求1所述的一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥中的一种，强度等级不低于42.5；所述粉煤灰为Ⅰ或Ⅱ级粉煤灰；所述中细砂为河砂、机制砂中的一种。
8.如权利要求1所述的一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，其特征在于：所述吸附牺牲剂为二膦酸、三膦酸、四膦酸和五膦酸中的任意一种或两种以上的按任意比例混合的混合物。
9.如权利要求1所述的一种采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆，其特征在于：所述早强剂为甲酸钙、碳酸钠和石膏中的任意一种或两种以上的按任意比例混合的混合物。
10.如权利要求1至9中任一项所述的采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)盾构排出的渣土在预拌池中搅拌均匀形成待筛分渣土，然后采用螺旋输送或挖机翻倒的方式将待筛分渣土输送至2.36mm方孔振动筛进行筛分，筛分时按比例同步均匀喷淋消泡剂溶液，筛底物即为待使用的含有消泡剂的盾构渣土浆液；
(2)将步骤(1)获得的盾构渣土浆液排入匀化稳定池，匀化稳定池配置转速为100r/min的搅拌装置，持续搅拌，保持池内盾构渣土浆液均匀不分层；
(3)采用泵送方式将匀化稳定池中的盾构渣土浆液送至强制式搅拌设备，按比例加入抑泡剂、增粘剂和快膨化型膨润土，搅拌60s，获得预处理的渣土浆液混合液，混合液集中静置时间不少于0.5h；
(4)采用强制式搅拌设备，先按比例称取水泥、粉煤灰、中细砂、吸附牺牲剂和早强剂，匀混搅拌15s，然后再投入步骤(3)获得的混合液和水，搅拌120s，得到所述采用盾构渣土浆液制备的同步砂浆。
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