濱海鹽漬土地區(qū)盾構(gòu)隧道用高性能注漿材料的推廣應(yīng)用10.26

1、濱海鹽漬土地區(qū)盾構(gòu)隧道用高性能注漿材料的推廣應(yīng)用中國建筑科學(xué)研究院建筑材料研究所目錄一、傳統(tǒng)注漿材料的作用及特點11.1傳統(tǒng)注漿材料作用11.2傳統(tǒng)盾構(gòu)注漿材料的特點1二、高性能注漿材料的產(chǎn)品開發(fā)思路及研發(fā)基礎(chǔ)22.1產(chǎn)品開發(fā)思路22.2研發(fā)基礎(chǔ)2三、高性能注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料性能對比33.1注漿材料配合比33.2高性能注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料基本性能對比43.3高性能注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料耐久性能對比73.4水陸強度比（抗水分散性能）83.5固結(jié)收縮率（收縮性能）83.6高性能注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料成本對比83.7高性能注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料各項性能指標對比9四、結(jié)論10i一、傳統(tǒng)注漿材料的

2、作用及特點1.1傳統(tǒng)注漿材料作用注漿材料為地鐵工程中常用的功能性材料，是在地層裂隙和孔隙中起充填和固結(jié)作用的主要物質(zhì)，它是實現(xiàn)堵水、加固或填充作用的關(guān)鍵。盾構(gòu)地鐵工程中注漿材料，主要用于填充管片與巖層之間、管片與盾尾殼體之間空隙，起到防止管片錯位、減少地表沉降的作用。1.2傳統(tǒng)盾構(gòu)注漿材料的特點傳統(tǒng)盾構(gòu)注漿材料多以普通硅酸鹽水泥、復(fù)合水泥、二級粉煤灰、膨潤土、砂、水為主要組分，為保證注漿材料漿體的流動性、防止?jié){液堵管，通常采用高水膠比，高膠砂比，并摻用大量摻加膨潤土。傳統(tǒng)注漿材料主要注重漿體的填充作用，對漿體抗?jié)B、防腐蝕性能關(guān)注不高，傳統(tǒng)注漿材料中較大的水膠比、較高的膠砂比，大量的膨潤土摻入使

3、得傳統(tǒng)注漿材料存在強度低（略高于周邊土體強度）、密實性不高、幾乎無抗水滲及防腐蝕作用的特點。圖1.1為國內(nèi)某盾構(gòu)地鐵工程用傳統(tǒng)注漿材料的漿液放置后的情況。泌水空洞 圖1.1 國內(nèi)某盾構(gòu)地鐵工程用傳統(tǒng)注漿材料由圖1.1中可知，某盾構(gòu)地鐵工程用注漿材料放置后泌水嚴重，此類漿液注入盾構(gòu)管片背后容易形成空洞，從而引起填充不夠而產(chǎn)生的地表沉降和滲水、漏水等問題。尤其在濱海鹽漬土地區(qū)，地下水及地下水中的有害侵蝕介質(zhì)將對管片等混凝土結(jié)構(gòu)造成直接的物理、化學(xué)性侵蝕。二、高性能注漿材料的產(chǎn)品開發(fā)思路及研發(fā)基礎(chǔ)2.1產(chǎn)品開發(fā)思路通過優(yōu)選燒成超細粉體材料，結(jié)合采用高性能外加劑以及具有氯離子、硫酸根離子吸附、固化作用

4、的離子固化劑，并通過配合比優(yōu)化技術(shù)，改善注漿材料漿體的施工性能、抗水分散性能、填充性能、強度及抗?jié)B防腐蝕性能。燒成超細粉體材料（UFA）性能優(yōu)異，可顯著提高盾構(gòu)注漿材料漿體的流動性、和易性、可施工性，提高注漿材料的強度、抗?jié)B性及抗腐蝕性能；離子固化劑為一種具有氯離子、硫酸根離子吸附和離子交換、固化作用的復(fù)合型添加劑，可吸附、固化已經(jīng)存在的可溶性氯離子、硫酸根離子數(shù)量；高性能復(fù)合外加劑（PCE）的使用及配合比的優(yōu)化可進一步提高漿體的強度、密實性，減少漿體的體積收縮，提高漿體的抗?jié)B性及耐久性。以上改性措施綜合利用，可以配制出流動性、和易性更好，凝結(jié)時間更合理，抗壓強度更高、具有抗水分散、抗?jié)B、抗腐

5、蝕性能的高性能注漿材料，從而改善盾構(gòu)隧道的滲水、腐蝕破壞等問題。2.2研發(fā)基礎(chǔ)在混凝土耐久性研究領(lǐng)域，本單位申請并承擔了多個相關(guān)研究項目：科研院所技術(shù)開發(fā)專項資金項目“綠色高性能混凝土關(guān)鍵技術(shù)研究”、科技部科研院所社會公益研究專項項目“混凝土耐久性標準化試驗及評價方法研究”、“十一五”國家科技支撐計劃課題“海砂在建設(shè)工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)”、“十一五”國家科技支撐計劃課題“高強高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)研究”、“十二五”國家科技支撐計劃課題“固體廢棄物本地化再生建材利用成套技術(shù)”、院自籌基金標準規(guī)范類項目“極限配合比混凝土基本想能和長期性能試驗研究”，在礦物摻合料利用方面，有院自籌項目“復(fù)合摻

6、合料的綜合利用”等。以上的研究項目對混凝土耐久性技術(shù)、工業(yè)廢渣在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)以及濱海侵蝕環(huán)境高性能混凝土耐久性技術(shù)等應(yīng)用技術(shù)進行了深入系統(tǒng)的研究，研究成果已經(jīng)應(yīng)用于工程實踐，并取得了良好的社會響應(yīng)。近年來，本單位在混凝土耐久性、礦物摻合料利用及灌漿材料方面還開展了大量的標準、技術(shù)服務(wù)、產(chǎn)品開發(fā)工作，并且編制完成一系列混凝土及灌漿材料方面的重要標準規(guī)范，混凝土耐久性方面的規(guī)范有混凝土質(zhì)量控制標準、普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法標準、混凝土耐久性檢驗評定標準；與礦物摻合料利用相關(guān)的標準有復(fù)合礦物摻合料、混凝土和砂漿用天然沸石粉、用于混凝土的?；姞t磷渣、用于混凝土的?；姞t磷渣、水泥砂

7、漿和混凝土用天然火山灰質(zhì)材料、石灰石粉在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)規(guī)程、石灰石粉混凝土等；灌漿劑方面編制的標準有預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑、鋼筋連接用套筒灌漿劑等。本單位在混凝土耐久性領(lǐng)域、礦物摻合料領(lǐng)域及注漿、灌漿材料領(lǐng)域的科研、標準制定及產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用基礎(chǔ)，為濱海鹽漬土地區(qū)盾構(gòu)隧道用特種改進注漿材料的開發(fā)提供了大量的理論、研究、技術(shù)與應(yīng)用支撐；單位的國家重點試驗室為產(chǎn)品研發(fā)提供了良好的試驗研究平臺；單位老一代資深專家及中青年技術(shù)骨干專家也為產(chǎn)品開發(fā)工作積極的獻言獻策，提供了極具前瞻性和實用性的指導(dǎo)意見。在各方的努力推動下，開發(fā)出了一系列的高性能注漿材料，新產(chǎn)品具有良好的施工性能，最重要的是，產(chǎn)品在抗?jié)B型、抗水

8、分散方面性能突出，產(chǎn)品還具有低收縮、結(jié)石體強度高、固化有害環(huán)境介質(zhì)的性能，可顯著改善傳統(tǒng)注漿材料使用后滲水、開裂、銹蝕等問題。三、高性能注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料性能對比3.1注漿材料配合比注漿材料配合比參數(shù)見表3.1，其中傳統(tǒng)注漿材料膠砂比為1/0.67，特種改性注漿材料膠砂比為1/2。表3.1配合比編號水膠比占膠材比例%水泥+摻合料膨潤土UFA+離子固化劑PCE傳統(tǒng)0.8901000高性能10.6100000.0720.5600400.1530.4600400.2340.3400600.850.35700300.8注：1）離子固化劑為具有氯離子等侵蝕性介質(zhì)固化作用的一種添加劑；2）PCE為復(fù)合

9、型外加劑，具有減水、增稠、保塑等功能；3）UFA為燒成超細粉體材料，具有減水、微增強、防腐蝕等功能；4）傳統(tǒng)注漿材料配比及傳統(tǒng)注漿原材料均來自國內(nèi)某盾構(gòu)地鐵工程。3.2高性能注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料基本性能對比3.2.1流動度表3.2流動度項目流動度/mm0h1h2h3h4h5h傳統(tǒng)330325285285260-高性能1310260-2320260-3320300260-43303203203103103005>350350310注：可操作時間：漿液注漿施工前滿足注漿施工性能要求的最短時間，注漿材料注漿前稠度一般滿足812mm，流動度一般不小于260mm。由流動度試驗結(jié)果可知，傳統(tǒng)型注漿

10、材料4h流動度大于260mm，可操作時間為4h；高性能1與高性能2可操作時間為1h，高性能3可操作時間為2h，高性能4及高性能5可操作時間大于5h。流動度試驗測試如圖3.13.6所示。圖3.1 傳統(tǒng)注漿材料初期 圖3.2高性能1 初期圖3.3 高性能2 初期 圖3.4 高性能4初期 圖3.5 高性能5 4h后 圖3.6 高性能5 5h后由圖3.13.6可知，傳統(tǒng)注漿材料離析，泌水；高性能和易性良好。3.2.2稠度表3.3稠度項目傳統(tǒng)高性能12345稠度/cm （初期）1312121212131h1210111112-2h11-1012-3h11-11-4h11-11125h-1011稠度試驗結(jié)

11、果表明，高性能與傳統(tǒng)型注漿材料初始稠度相當，均大于12cm；與流動度結(jié)果對比可知，流動度減小為260mm時，傳統(tǒng)注漿材料稠度降低為11cm，高性能注漿材料稠度降低為1011cm。3.2.3泌水率表3.4泌水率項目傳統(tǒng)高性能12345泌水率（2h） /%1543145泌水率試驗結(jié)果表明，高性能注漿材料漿體泌水率均滿足小于5%的要求，泌水率最低為1%，傳統(tǒng)型注漿材料泌水率達15%。3.2.4凝結(jié)時間表3.5凝結(jié)時間項目傳統(tǒng)高性能12345h:min16:205:306:204:4010:1511:50凝結(jié)時間試驗結(jié)果可知，傳統(tǒng)型注漿材料凝結(jié)時間長，凝結(jié)時間超過16h，長時間不凝結(jié)容易引起管片偏移、

12、浮動、地表沉降等問題。高性能注漿材料凝結(jié)時間分布于412h，能在較短的時間內(nèi)發(fā)揮填充、固結(jié)作用。實際施工中，凝結(jié)時間可通過增減調(diào)凝劑，調(diào)整用水量等手段控制漿體的凝結(jié)時間。3.2.5抗壓強度表3.6抗壓強度項目傳統(tǒng)高性能12345抗壓強度（MPa）3d1.334.796.217.8317.10-7d2.2413.0017.7722.23-31.2028d4.8920.4828.0034.21-49.51抗壓強度試驗結(jié)果表明，高性能注漿材料具有更高的初期和后期強度。改進型注漿材料3d抗壓強度均大于4.79MPa，28d抗壓強度均大于20MPa。改進型注漿材料抗壓強度達傳統(tǒng)型的3倍以上。3.3高性能

13、注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料耐久性能對比3.3.1 砂漿抗?jié)B等級（抗水滲透性能）抗水滲試驗結(jié)果如表3.7所示。表3.7抗?jié)B等級項目傳統(tǒng)高性能12345抗?jié)B壓力（MPa）<P1P8>P12>P12> P12> P12注：砂漿抗水滲透試驗參照JGJ-T70建筑砂漿基本性能試驗方法進行，砂漿抗?jié)B壓力的劃分參照GB/T50082 普通混凝土長期性能及耐久性能試驗方法標準。由表3.7試驗結(jié)果可知，傳統(tǒng)型注漿材料抗?jié)B等級不足P1，基本起不到防水、防水作用；高性能注漿材料抗水滲透性能很好，抗?jié)B等級均在P8以上。高性能注漿材料能夠有效的阻止盾構(gòu)隧道內(nèi)地下水中有害礦物質(zhì)的入侵。3.4水陸

14、強度比（抗水分散性能）水陸強度比試驗結(jié)果如表3.8所示。表3.8水陸強度比項目傳統(tǒng)高性能12345水陸強度比（28d） /%75929499105109注：水陸強度比參照DLT5117-2000 水下不分散混凝土試驗規(guī)程進行。由表3.8試驗結(jié)果可知，傳統(tǒng)型注漿材料水陸強度比低，水陸強度比僅為75%，高性能注漿材料水陸強度比均大于92%。高性能注漿材料在水流中成型后強度發(fā)展好，具有良好的抗水分散性能。3.5固結(jié)收縮率（填充性能）固結(jié)收縮率試驗結(jié)果見表3.9。表3.9固結(jié)收縮率項目傳統(tǒng)高性能12345固結(jié)收縮率（28d） /%120.200.220.260.270.34由表3.9試驗結(jié)果可知，傳統(tǒng)

15、型注漿材料固結(jié)收縮率為12%，收縮較大；高性能注漿材料固結(jié)收縮率均小于0.34。高性能注漿材料注漿結(jié)束后具有更好的填充性能。3.6高性能注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料成本對比表3.10成本計算（體積法）編號密度g/L成本（元/m3)成本變化率（%）傳統(tǒng)18541810.00 高性能120731831.23 2214829059.89 3219533685.20 42205450148.265221025942.87圖3.7體積成本及成本相對增長率為保證試驗的科學(xué)合理性，采用體積法計算注漿材料的成本。圖表信息表明，高性能型注漿材料原材料成本略高于傳統(tǒng)型注漿材料，與傳統(tǒng)注漿材料相比高性能注漿材料最低成本增

16、長率僅為1.23%。注：以上成本計算以北京本地材料成本計算，具體情況可根據(jù)實際應(yīng)用地材料價格計算。3.7高性能注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料各項性能指標對比高性能注漿材料與傳統(tǒng)型注漿材料各項性能指標對比見表3.11。由下表可知，高性能注漿材料在滿足合理施工時間的前提下泌水更小，抗水分散性能更好，具有良好的和易性，注漿完畢后漿體能凝結(jié)更迅速，結(jié)石體強度更高，固結(jié)收縮率更?。ㄌ畛涓軐崳?，抗?jié)B等級更高。表3.11高性能注漿材料與傳統(tǒng)型注漿材料性能對比試驗項目性能指標結(jié)果高性能傳統(tǒng)型稠度(cm)初始注漿前121310111311流動度(mm)初始310330注漿前260260凝結(jié)時間（h）初凝412初凝16

17、可操作時間（h）164泌水率(%)2h5%15%固結(jié)收縮率28d0.34%10%抗壓強度（MPa）3d4128d203水陸強度比（%）28d9275抗水滲性28dP8P1抗SO42-侵蝕（%）30次循環(huán)抗蝕系數(shù)/Cl-固化能力（%）28d/電通量（C）28d/注：1、抗硫酸鹽侵蝕性能及氯離子固化性能試驗暫時沒有相應(yīng)的標準依據(jù)；目前，電通量、抗硫酸鹽侵蝕性能參照現(xiàn)行標準GB/T50082 普通混凝土長期性能及耐久性能試驗方法標準進行； 2、氯離子固化能力試驗參照現(xiàn)行標準JG/T 322混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程進行，具體技術(shù)指標要求需在相關(guān)標準形成后提出。四、結(jié)論綜上可知：1）高性能型注漿材

18、料基本性能滿足施工要求，且和易性更好、泌水率更低、抗水分散性能更好。2）高性能注漿材料具有更好的抗?jié)B性能、抗氯離子滲透性能，其耐久性更優(yōu)。3）與傳統(tǒng)型注漿材料相比，高性能注漿材料單位體積成本并沒有大幅度增加，成本增長率最低僅為1.23%，但產(chǎn)品各項性能指標均得到很大幅度的提升。四、效益分析4.1經(jīng)濟效益?zhèn)鹘y(tǒng)注漿材料注漿后，泌水率達15%，固結(jié)收縮率超10%，往往形成10%15%的泌水空洞。泌水空洞若不采取二次注漿施工，往往會引起施工后地表沉降、涌砂、涌水甚至管片變形等問題，嚴重影響地鐵運行安全和運行壽命。二次注漿材料不同與同步注漿材料，為保證注漿后漿液切實密實填充，往往需要摻入一定量的補償收縮

19、組分，且二次注漿材料漿體強度往往較大，材料配制中往往含有減水劑等。因此，二次注漿材料成本往往明顯高于同步注漿材料，大量統(tǒng)計結(jié)果表明傳統(tǒng)二次材料成本往往達2倍以上。采用傳統(tǒng)注漿材料進行注漿，僅二次注漿材料成本就會增加20%30%。二次注漿施工同時使設(shè)備租賃（固有設(shè)備折舊）、人員工資等費用增加20%30%，還會造成施工工期的延長。相對于注漿材料成本來講，機械租賃和人員工資等費用更高，二次注漿材料施工后綜合成本超過同步注漿材料的60%90%，在加上傳統(tǒng)注漿材料本身的材料成本，傳統(tǒng)注漿材料實際費用為基本費用的160%190%。然而，高性能注漿材料的材料費用僅為傳統(tǒng)注漿材料基本費用的1.23%148%，

20、從綜合經(jīng)濟成本考慮，高性能注漿材料性價比更高！4.2盾構(gòu)管片100年耐久性指標的高性能注漿材料外防護保證大量研究證明，與大氣中混凝土結(jié)構(gòu)不同，盾構(gòu)隧道管片混凝土服役環(huán)境非常惡劣，耐久性問題復(fù)雜而嚴重。特別是鹽漬土地區(qū)的盾構(gòu)隧道工程，盾構(gòu)管片遭受了碳化、硫酸鹽侵蝕、氯鹽侵蝕、鎂鹽破壞、干濕交替、凍融循環(huán)還有地鐵雜散電流侵蝕，在各種侵蝕環(huán)境耦合作用下，在地鐵運營動荷載擾動的狀況下，鹽漬土地區(qū)盾構(gòu)隧道管片的耐久性狀況異常惡劣。大量工程案例表明，很多地鐵工程因為隧道管片混凝土耐久性不夠?qū)е禄炷两Y(jié)構(gòu)破壞，而不得不逐年追加維護及修護費用。修建于上世紀70年代的打浦路越江隧道，運營不到20年便出現(xiàn)鋼筋保護層剝落現(xiàn)象；上世紀70年代修建的香港地鐵，很大部分區(qū)間隧道運營不足20年便出現(xiàn)管片鋼筋嚴重銹蝕等問題；歐美、日本、俄羅斯等發(fā)達國家也存在雜散電流等引起的鋼筋銹蝕問題；隧道管片耐久性問題非常突出，鹽漬土地區(qū)混凝土管片100年的耐久性指標要求對各國混凝土工程領(lǐng)域?qū)＜叶际菢O具挑戰(zhàn)技術(shù)難題。由于各國大規(guī)模的隧道工程建設(shè)僅有不足50年歷史，高耐久性的高性能混凝土的推廣應(yīng)用也只是最近20年的事情。高性