滨海盐渍土地区盾构隧道用高性能注浆材料的推广应用1026.docx
- 文档编号:4610340
- 上传时间:2022-12-07
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:1.28MB
滨海盐渍土地区盾构隧道用高性能注浆材料的推广应用1026.docx
《滨海盐渍土地区盾构隧道用高性能注浆材料的推广应用1026.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《滨海盐渍土地区盾构隧道用高性能注浆材料的推广应用1026.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
滨海盐渍土地区盾构隧道用高性能注浆材料的推广应用1026
滨海盐渍土地区盾构隧道用高性能注浆材料的推广应用
中国建筑科学研究院
建筑材料研究所
目录
一、传统注浆材料的作用及特点1
1.1传统注浆材料作用1
1.2传统盾构注浆材料的特点1
二、高性能注浆材料的产品开发思路及研发基础2
2.1产品开发思路2
2.2研发基础2
三、高性能注浆材料与传统注浆材料性能对比3
3.1注浆材料配合比3
3.2高性能注浆材料与传统注浆材料基本性能对比4
3.3高性能注浆材料与传统注浆材料耐久性能对比7
3.4水陆强度比(抗水分散性能)8
3.5固结收缩率(收缩性能)8
3.6高性能注浆材料与传统注浆材料成本对比8
3.7高性能注浆材料与传统注浆材料各项性能指标对比9
四、结论10
一、传统注浆材料的作用及特点
1.1传统注浆材料作用
注浆材料为地铁工程中常用的功能性材料,是在地层裂隙和孔隙中起充填和固结作用的主要物质,它是实现堵水、加固或填充作用的关键。
盾构地铁工程中注浆材料,主要用于填充管片与岩层之间、管片与盾尾壳体之间空隙,起到防止管片错位、减少地表沉降的作用。
1.2传统盾构注浆材料的特点
传统盾构注浆材料多以普通硅酸盐水泥、复合水泥、二级粉煤灰、膨润土、砂、水为主要组分,为保证注浆材料浆体的流动性、防止浆液堵管,通常采用高水胶比,高胶砂比,并掺用大量掺加膨润土。
传统注浆材料主要注重浆体的填充作用,对浆体抗渗、防腐蚀性能关注不高,传统注浆材料中较大的水胶比、较高的胶砂比,大量的膨润土掺入使得传统注浆材料存在强度低(略高于周边土体强度)、密实性不高、几乎无抗水渗及防腐蚀作用的特点。
图1.1为国内某盾构地铁工程用传统注浆材料的浆液放置后的情况。
图1.1国内某盾构地铁工程用传统注浆材料
由图1.1中可知,某盾构地铁工程用注浆材料放置后泌水严重,此类浆液注入盾构管片背后容易形成空洞,从而引起填充不够而产生的地表沉降和渗水、漏水等问题。
尤其在滨海盐渍土地区,地下水及地下水中的有害侵蚀介质将对管片等混凝土结构造成直接的物理、化学性侵蚀。
二、高性能注浆材料的产品开发思路及研发基础
2.1产品开发思路
通过优选烧成超细粉体材料,结合采用高性能外加剂以及具有氯离子、硫酸根离子吸附、固化作用的离子固化剂,并通过配合比优化技术,改善注浆材料浆体的施工性能、抗水分散性能、填充性能、强度及抗渗防腐蚀性能。
烧成超细粉体材料(UFA)性能优异,可显著提高盾构注浆材料浆体的流动性、和易性、可施工性,提高注浆材料的强度、抗渗性及抗腐蚀性能;离子固化剂为一种具有氯离子、硫酸根离子吸附和离子交换、固化作用的复合型添加剂,可吸附、固化已经存在的可溶性氯离子、硫酸根离子数量;高性能复合外加剂(PCE)的使用及配合比的优化可进一步提高浆体的强度、密实性,减少浆体的体积收缩,提高浆体的抗渗性及耐久性。
以上改性措施综合利用,可以配制出流动性、和易性更好,凝结时间更合理,抗压强度更高、具有抗水分散、抗渗、抗腐蚀性能的高性能注浆材料,从而改善盾构隧道的渗水、腐蚀破坏等问题。
2.2研发基础
在混凝土耐久性研究领域,本单位申请并承担了多个相关研究项目:
科研院所技术开发专项资金项目“绿色高性能混凝土关键技术研究”、科技部科研院所社会公益研究专项项目“混凝土耐久性标准化试验及评价方法研究”、“十一五”国家科技支撑计划课题“海砂在建设工程应用的关键技术及产品开发”、“十一五”国家科技支撑计划课题“高强高性能混凝土应用技术研究”、“十二五”国家科技支撑计划课题“固体废弃物本地化再生建材利用成套技术”、院自筹基金标准规范类项目“极限配合比混凝土基本想能和长期性能试验研究”,在矿物掺合料利用方面,有院自筹项目“复合掺合料的综合利用”等。
以上的研究项目对混凝土耐久性技术、工业废渣在混凝土中的应用技术以及滨海侵蚀环境高性能混凝土耐久性技术等应用技术进行了深入系统的研究,研究成果已经应用于工程实践,并取得了良好的社会响应。
近年来,本单位在混凝土耐久性、矿物掺合料利用及灌浆材料方面还开展了大量的标准、技术服务、产品开发工作,并且编制完成一系列混凝土及灌浆材料方面的重要标准规范,混凝土耐久性方面的规范有《混凝土质量控制标准》、《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》、《混凝土耐久性检验评定标准》;与矿物掺合料利用相关的标准有《复合矿物掺合料》、《混凝土和砂浆用天然沸石粉》、《用于混凝土的粒化电炉磷渣》、《用于混凝土的粒化电炉磷渣》、《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》、《石灰石粉在混凝土中的应用技术规程》、《石灰石粉混凝土》等;灌浆剂方面编制的标准有《预应力孔道灌浆剂》、《钢筋连接用套筒灌浆剂》等。
本单位在混凝土耐久性领域、矿物掺合料领域及注浆、灌浆材料领域的科研、标准制定及产品研发应用基础,为滨海盐渍土地区盾构隧道用特种改进注浆材料的开发提供了大量的理论、研究、技术与应用支撑;单位的国家重点试验室为产品研发提供了良好的试验研究平台;单位老一代资深专家及中青年技术骨干专家也为产品开发工作积极的献言献策,提供了极具前瞻性和实用性的指导意见。
在各方的努力推动下,开发出了一系列的高性能注浆材料,新产品具有良好的施工性能,最重要的是,产品在抗渗型、抗水分散方面性能突出,产品还具有低收缩、结石体强度高、固化有害环境介质的性能,可显著改善传统注浆材料使用后渗水、开裂、锈蚀等问题。
三、高性能注浆材料与传统注浆材料性能对比
3.1注浆材料配合比
注浆材料配合比参数见表3.1,其中传统注浆材料胶砂比为1/0.67,特种改性注浆材料胶砂比为1/2。
表3.1配合比
编号
水胶比
占胶材比例%
水泥+掺合料
膨润土
UFA+
离子固化剂
PCE
传统
0.8
90
10
0
0
高
性
能
1
0.6
100
0
0
0.07
2
0.5
60
0
40
0.15
3
0.4
60
0
40
0.23
4
0.3
40
0
60
0.8
5
0.35
70
0
30
0.8
注:
1)离子固化剂为具有氯离子等侵蚀性介质固化作用的一种添加剂;
2)PCE为复合型外加剂,具有减水、增稠、保塑等功能;
3)UFA为烧成超细粉体材料,具有减水、微增强、防腐蚀等功能;
4)传统注浆材料配比及传统注浆原材料均来自国内某盾构地铁工程。
3.2高性能注浆材料与传统注浆材料基本性能对比
3.2.1流动度
表3.2流动度
项目
流动度/mm
0h
1h
2h
3h
4h
5h
传统
330
325
285
285
260
-
高
性
能
1
310
260
-
-
-
-
2
320
260
-
-
-
-
3
320
300
260
-
-
-
4
330
320
320
310
310
300
5
>350
350
310
注:
可操作时间:
浆液注浆施工前满足注浆施工性能要求的最短时间,注浆材料注浆前稠度一般满足8~12mm,流动度一般不小于260mm。
由流动度试验结果可知,传统型注浆材料4h流动度大于260mm,可操作时间为4h;高性能1与高性能2可操作时间为1h,高性能3可操作时间为2h,高性能4及高性能5可操作时间大于5h。
流动度试验测试如图3.1~3.6所示。
图3.1传统注浆材料初期图3.2高性能1初期
图3.3高性能2初期图3.4高性能4初期
图3.5高性能54h后图3.6高性能55h后
由图3.1~3.6可知,传统注浆材料离析,泌水;高性能和易性良好。
3.2.2稠度
表3.3稠度
项目
传统
高性能
1
2
3
4
5
稠度/cm
(初期)
13
12
12
12
12
13
1h
12
10
11
11
12
-
2h
11
-
-
10
12
-
3h
11
-
-
-
11
-
4h
11
-
-
-
11
12
5h
-
-
-
-
10
11
稠度试验结果表明,高性能与传统型注浆材料初始稠度相当,均大于12cm;与流动度结果对比可知,流动度减小为260mm时,传统注浆材料稠度降低为11cm,高性能注浆材料稠度降低为10~11cm。
3.2.3泌水率
表3.4泌水率
项目
传统
高性能
1
2
3
4
5
泌水率(2h)/%
15
4
3
1
4
5
泌水率试验结果表明,高性能注浆材料浆体泌水率均满足小于5%的要求,泌水率最低为1%,传统型注浆材料泌水率达15%。
3.2.4凝结时间
表3.5凝结时间
项目
传统
高性能
1
2
3
4
5
h:
min
16:
20
5:
30
6:
20
4:
40
10:
15
11:
50
凝结时间试验结果可知,传统型注浆材料凝结时间长,凝结时间超过16h,长时间不凝结容易引起管片偏移、浮动、地表沉降等问题。
高性能注浆材料凝结时间分布于4~12h,能在较短的时间内发挥填充、固结作用。
实际施工中,凝结时间可通过增减调凝剂,调整用水量等手段控制浆体的凝结时间。
3.2.5抗压强度
表3.6抗压强度
项目
传统
高性能
1
2
3
4
5
抗压强度(MPa)
3d
1.33
4.79
6.21
7.83
17.10
-
7d
2.24
13.00
17.77
22.23
-
31.20
28d
4.89
20.48
28.00
34.21
-
49.51
抗压强度试验结果表明,高性能注浆材料具有更高的初期和后期强度。
改进型注浆材料3d抗压强度均大于4.79MPa,28d抗压强度均大于20MPa。
改进型注浆材料抗压强度达传统型的3倍以上。
3.3高性能注浆材料与传统注浆材料耐久性能对比
3.3.1砂浆抗渗等级(抗水渗透性能)
抗水渗试验结果如表3.7所示。
表3.7抗渗等级
项目
传统
高性能
1
2
3
4
5
抗渗压力(MPa)
P8 >P12 >P12 >P12 >P12 注: 砂浆抗水渗透试验参照JGJ-T70《建筑砂浆基本性能试验方法》进行,砂浆抗渗压力的划分参照GB/T50082《普通混凝土长期性能及耐久性能试验方法标准》。 由表3.7试验结果可知,传统型注浆材料抗渗等级不足P1,基本起不到防水、防水作用;高性能注浆材料抗水渗透性能很好,抗渗等级均在P8以上。 高性能注浆材料能够有效的阻止盾构隧道内地下水中有害矿物质的入侵。 3.4水陆强度比(抗水分散性能) 水陆强度比试验结果如表3.8所示。 表3.8水陆强度比 项目 传统 高性能 1 2 3 4 5 水陆强度比(28d)/% 75 92 94 99 105 109 注: 水陆强度比参照DLT5117-2000《水下不分散混凝土试验规程》进行。 由表3.8试验结果可知,传统型注浆材料水陆强度比低,水陆强度比仅为75%,高性能注浆材料水陆强度比均大于92%。 高性能注浆材料在水流中成型后强度发展好,具有良好的抗水分散性能。 3.5固结收缩率(填充性能) 固结收缩率试验结果见表3.9。 表3.9固结收缩率 项目 传统 高性能 1 2 3 4 5 固结收缩率(28d)/% 12 0.20 0.22 0.26 0.27 0.34 由表3.9试验结果可知,传统型注浆材料固结收缩率为12%,收缩较大;高性能注浆材料固结收缩率均小于0.34。 高性能注浆材料注浆结束后具有更好的填充性能。 3.6高性能注浆材料与传统注浆材料成本对比 表3.10成本计算(体积法) 编号 密度g/L 成本(元/m3) 成本变化率(%) 传统 1854 181 0.00 高性能 1 2073 183 1.23 2 2148 290 59.89 3 2195 336 85.20 4 2205 450 148.26 5 2210 259 42.87 图3.7体积成本及成本相对增长率 为保证试验的科学合理性,采用体积法计算注浆材料的成本。 图表信息表明,高性能型注浆材料原材料成本略高于传统型注浆材料,与传统注浆材料相比高性能注浆材料最低成本增长率仅为1.23%。 注: 以上成本计算以北京本地材料成本计算,具体情况可根据实际应用地材料价格计算。 3.7高性能注浆材料与传统注浆材料各项性能指标对比 高性能注浆材料与传统型注浆材料各项性能指标对比见表3.11。 由下表可知,高性能注浆材料在满足合理施工时间的前提下泌水更小,抗水分散性能更好,具有良好的和易性,注浆完毕后浆体能凝结更迅速,结石体强度更高,固结收缩率更小(填充更密实),抗渗等级更高。 表3.11高性能注浆材料与传统型注浆材料性能对比 试验项目 性能指标结果 高性能 传统型 稠度(cm) 初始 注浆前 12~13 10~11 13 11 流动度(mm) 初始 ≥310 330 注浆前 ≥260 ≥260 凝结时间(h) 初凝4~12 初凝≥16 可操作时间(h) 1~6 4 泌水率(%) 2h ≤5% 15% 固结收缩率 28d <0.34% 10% 抗压强度(MPa) 3d ≥4 ≥1 28d ≥20 ≥3 水陆强度比(%) 28d ≥92 75 抗水渗性 28d ≥P8 <P1 抗SO42-侵蚀(%) 30次循环抗蚀系数 / / Cl-固化能力(%) 28d / / 电通量(C) 28d / / 注: 1、抗硫酸盐侵蚀性能及氯离子固化性能试验暂时没有相应的标准依据;目前,电通量、抗硫酸盐侵蚀性能参照现行标准GB/T50082《普通混凝土长期性能及耐久性能试验方法标准》进行; 2、氯离子固化能力试验参照现行标准JG/T322《混凝土中氯离子含量检测技术规程》进行,具体技术指标要求需在相关标准形成后提出。 四、结论 综上可知: 1)高性能型注浆材料基本性能满足施工要求,且和易性更好、泌水率更低、抗水分散性能更好。 2)高性能注浆材料具有更好的抗渗性能、抗氯离子渗透性能,其耐久性更优。 3)与传统型注浆材料相比,高性能注浆材料单位体积成本并没有大幅度增加,成本增长率最低仅为1.23%,但产品各项性能指标均得到很大幅度的提升。 四、效益分析 4.1经济效益 传统注浆材料注浆后,泌水率达15%,固结收缩率超10%,往往形成10%~15%的泌水空洞。 泌水空洞若不采取二次注浆施工,往往会引起施工后地表沉降、涌砂、涌水甚至管片变形等问题,严重影响地铁运行安全和运行寿命。 二次注浆材料不同与同步注浆材料,为保证注浆后浆液切实密实填充,往往需要掺入一定量的补偿收缩组分,且二次注浆材料浆体强度往往较大,材料配制中往往含有减水剂等。 因此,二次注浆材料成本往往明显高于同步注浆材料,大量统计结果表明传统二次材料成本往往达2倍以上。 采用传统注浆材料进行注浆,仅二次注浆材料成本就会增加20%~30%。 二次注浆施工同时使设备租赁(固有设备折旧)、人员工资等费用增加20%~30%,还会造成施工工期的延长。 相对于注浆材料成本来讲,机械租赁和人员工资等费用更高,二次注浆材料施工后综合成本超过同步注浆材料的60%~90%,在加上传统注浆材料本身的材料成本,传统注浆材料实际费用为基本费用的160%~190%。 然而,高性能注浆材料的材料费用仅为传统注浆材料基本费用的1.23%~148%,从综合经济成本考虑,高性能注浆材料性价比更高! 4.2盾构管片100年耐久性指标的高性能注浆材料外防护保证 大量研究证明,与大气中混凝土结构不同,盾构隧道管片混凝土服役环境非常恶劣,耐久性问题复杂而严重。 特别是盐渍土地区的盾构隧道工程,盾构管片遭受了碳化、硫酸盐侵蚀、氯盐侵蚀、镁盐破坏、干湿交替、冻融循环还有地铁杂散电流侵蚀,在各种侵蚀环境耦合作用下,在地铁运营动荷载扰动的状况下,盐渍土地区盾构隧道管片的耐久性状况异常恶劣。 大量工程案例表明,很多地铁工程因为隧道管片混凝土耐久性不够导致混凝土结构破坏,而不得不逐年追加维护及修护费用。 修建于上世纪70年代的打浦路越江隧道,运营不到20年便出现钢筋保护层剥落现象;上世纪70年代修建的香港地铁,很大部分区间隧道运营不足20年便出现管片钢筋严重锈蚀等问题;欧美、日本、俄罗斯等发达国家也存在杂散电流等引起的钢筋锈蚀问题;隧道管片耐久性问题非常突出,盐渍土地区混凝土管片100年的耐久性指标要求对各国混凝土工程领域专家都是极具挑战技术难题。 由于各国大规模的隧道工程建设仅有不足50年历史,高耐久性的高性能混凝土的推广应用也只是最近20年的事情。 高性能混凝土管片是否真正满足耐久100年的设计要求,只能通过混凝土快速寿命预测模型完成,没有实际工程案例可以切实证明高性能混凝土完全可以达到盐渍土地区管片100耐久性设计寿命要求。 然而,耐久性寿命预测模型很难对在诸多可知及不可知破坏侵蚀介质与破坏因素共同作用长达100年之久的管片混凝土进行准确的寿命预测。 因此,采用具有填充、加固、抗渗、防腐蚀作用的高性能注浆材料,可在传统注浆材料填充及加固作用的基础上,增加注浆材料的抗渗、防腐性能,能够在既有的高性能混凝土管片外部包裹一层较厚的外防护高性能注浆材料保护层,从而达到隔离、阻止盐渍土地区侵蚀介质入侵的作用,进一步保证了高性能盾构管片混凝土的长期耐久性能。 4.3社会效益 高性能注浆材料优异的和易性、填充性能、强度、抗渗性和抗腐蚀等性能,使得其容易进行注浆施工,且注浆完毕后在盾构管片周围形成致密的抗渗、防腐保护层,在填充空隙、稳固土体及管片的同时,具有良好的外防护作用,阻止了盾构隧道内各类盐侵蚀环境对管片等混凝土结果的直接侵蚀作用,提高了盾构地铁隧道内各混凝土结构的耐久性,更有力的保证了地铁混凝土结构设计寿命100年的指标要求。 高性能注浆材料良好的填充性能,可使注浆后泌水空洞问题得到遏制,优异的抗渗性能避免了地下水的渗漏。 因此,使用高性能注浆材料可以大大降低地铁盾构隧道施工后地表沉降、开裂、漏水、渗水等严重安全及质量问题的发生几率,从而使地铁运行质量与安全问题可能造成的人员丧亡等安全事故减少,既能避免安全质量事故带来的财产损失,又能避免安全质量事故给各相关单位现在及未来带来的不可预见的负面社会影响,其社会效益显著。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 滨海 盐渍 土地 盾构 隧道 性能 材料 推广 应用 1026
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)