CN110835258A - 一种盾构接收钢套管回填材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种盾构接收钢套管回填材料及其制备方法，该回填材料按重量份包含以下原料制备而成：砂1200份、粉煤灰200份～500份、膨润土20份～80份、水150份～300份。其中，粉煤灰和膨润土的重量比是1～10:1。本发明提供的盾构接收套管回填材料，以砂为骨料，粉煤灰和膨润土为辅料，通过控制骨料和辅料的用量、粉煤灰和膨润土的比例，制备出的回填材料具有一定的整体性、较低的泌水性和较低强度，避免了盾构掘进过程中出现回填材料喷涌或渗漏的问题，提高了盾构接收施工的安全系数。

Description

一种盾构接收钢套管回填材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及了盾构接收施工技术领域，特别涉及了一种盾构接收钢套管回填材料及其制备方法。
背景技术
随着经济与科技的迅速发展，城市发展的空间不再局限于地面，地下空间以它能更好的提高土地利用率、缓解中心城市密度等优势在现代城市建设中得到大力扩展，与此同时，盾构法作为地下空间开发的重要手段也获得了飞速发展。
然而，在盾构法隧道施工过程中，盾构接收风险极高，也是事故频发阶段，较之以往的施工方式，套筒法盾构整体接收新技术，可创建一种完全密闭的施工环境，保障临近建筑物与隧道结构的安全，该技术通过往钢套管内灌注回填料，使盾构在工作井内外地层水土压力平衡的条件下整体接收，规避了洞门圈喷沙涌水的风险。
在套筒法盾构接收工程施工过程中，钢套管回填材料一般采用填充豆砾石、河砂、粘性土等材料，当接收端地层为砂层或接收端地层含水比较丰富时，采用该材料存在一定安全风险，因为该回填材料整体性差，空隙率大，具有一定的流动性，盾构掘进过程中容易出现喷涌或渗漏现象，造成土仓失压、回填材料泄漏等风险，所以探索一种保证泌水性和低强度的可形成整体性的回填材料引起了越来越多人的关注。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的盾构接收钢套管回填材料具有整体性差，空隙率大的缺点，会造成盾构掘进过程中容易出现喷涌或渗漏，土仓失压、回填材料泄漏等风险的技术问题。
提供了一种盾构接收钢套管回填材料及其制备方法，该回填材料具有一定的整体性，空隙率较小，保证了较低的泌水性和较低强度，其制备方法简单。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种盾构接收钢套管回填材料，按重量份包含以下原料制备而成：
砂1200份；粉煤灰200份～500份；膨润土20份～80份；水150份～300 份。
其中所述粉煤灰和所述膨润土的重量比是1～10:1。
本发明采用砂、粉煤灰、膨润土和水作为主要原料制备盾构接收套管回填材料，以砂为骨料，粉煤灰和膨润土为辅料，通过控制骨料和辅料的用量、粉煤灰和膨润土的比例，制备出的回填材料具有一定的整体性、较低的泌水性和较低强度，避免了盾构掘进过程中出现回填材料喷涌或渗漏的问题。
其中粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。粉煤灰当以粉状及水存在时可成为具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料，通过在回填材料中加入粉煤灰可以提高回填材料的和易性，有效避免回填材料的收缩和开裂。
膨润土是一种黏土岩、亦称蒙脱石黏土岩，膨润土具有强的吸湿性和膨胀性，可吸附8～15倍于自身体积的水量，体积膨胀可达数倍至30倍；在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状，这种介质溶液具有一定的黏滞性、触变性和润滑性；有较强的阳离子交换能力。通过在回填材料中加入膨润土，可以吸收大量的水，使砂浆中自由水减少，可以极大地提高浆液的稠度，增大整个回填材料的稳定性，使其保持一定的整体性。
进一步的，所述粉煤灰和所述膨润土的重量比是5～10:1。通过发明人大量的实验得出的结论，在粉煤灰和膨润土的重量比在这个范围内时，得到的回填材料在泌水性和强度方面具有较佳的性能。优选地，所述粉煤灰和所述膨润土的重量比是5～8:1。通过实验，优选出最佳比例，回填材料在此比例范围中，性能表现最佳。
进一步的，盾构接收钢套管回填材料，按重量份还包括水泥30份～60份，其中所述粉煤灰和所述水泥的重量比是3～9:1。水泥是一种常用的建筑胶凝材料，在回填材料中加人适量的水泥，加快回填材料的凝固效率，增大回填材料的整体稳定性。
进一步的，所述粉煤灰和所述水泥的重量比是5～7:1，优选地，所述粉煤灰和所述水泥的重量比是5.8～6.4:1。发明人经过大量的实验测试，通过控制粉煤灰和水泥在合适的比例范围没，可以保证回填材料的凝结效果和凝结效率，同时也可以进一步的保证回填材料的泌水性和低强度。
进一步的，盾构接收钢套管回填材料，按重量份还包括缓凝剂8份～15份。所述缓凝剂是木质磺酸盐、萘磺酸盐甲醛聚合物、聚羧酸基化合物中的一种或多种。
优选地，所述缓凝剂是WS-PS型聚羧酸系缓凝剂。在回填材料中加入一定量的缓凝剂，可以延长回填材料的水化硬化时间，使新拌回填材料能在较长时间内保持塑性，缓解凝固时间，防止在运输过程和回填过程中就开始顶固、起团，尤其遇到长距离运输这种情况时，会产生明显的效果。
进一步的，所述砂是河砂和机械砂中的一种或两种混合物，优选的，所述砂是机械砂或机械砂与河砂的混合物。砂是重要的建筑材料，在工程建设领域应用的砂主要是河砂或机械砂，但是河砂主要分布在河流的流域范围内，随着大量无节制的开采，目前资源不断减少，而且有的河砂由于含泥量较高，质量较差，反而影响了混泥土的强度和稳定性。机制砂是指经过碎石机破碎加工以及筛选处理，得到粒径在5mm以下的碎石微粒。采用机制砂或机制砂与河砂的混合物可以解决河砂匮乏及成本过高的问题。
本发明还提供了上述盾构接收钢套管回填材料的制备方法，包括以下步骤：
按比例将原料混合，然后搅拌均匀。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明采用砂、粉煤灰、膨润土和水作为主要原料制备盾构接收套管回填材料，以砂为骨料，粉煤灰和膨润土为辅料，通过控制骨料和辅料的用量、粉煤灰和膨润土的比例，制备出的回填材料具有一定的整体性、较低的泌水性和较低强度，避免了盾构掘进过程中出现回填材料喷涌或渗漏的问题，而且盾构处理刀盘可以轻易切削。
2、本发明在回填材料中加人适量的水泥，加快回填材料的凝固效率，增大回填材料的整体稳定性。
3、本发明在回填材料中加入一定量的缓凝剂，可以延长水泥的水化硬化时间，使新拌回填材料能在较长时间内保持塑性，缓解凝固时间，防止在运输过程和回填过程中就开始顶固、起团。
4、本发明提供的盾构接收钢套管回填材料的强度可以达到3MPa以下，泌水性可到达3％以下。
说明书附图
图1本发明提供的盾构接收钢套管回填料初凝样品。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种盾构接收钢套管回填材料，按质量包含以下原料制备而成：
河砂1200g、粉煤灰200g、膨润土50g、水200g。
实施例2
一种盾构接收钢套管回填材料，按质量包含以下原料制备而成：
机械砂1200g、粉煤灰80g、膨润土80g、水160g。
实施例3
一种盾构接收钢套管回填材料，按质量包含以下原料制备而成：
河砂600g、机械砂600g、粉煤灰200g、膨润土20g、水150g、水泥40g。
实施例4
一种盾构接收钢套管回填材料，按质量包含以下原料制备而成：
机械砂1200g、粉煤灰300g、膨润土100g、水200g、水泥50g、WS-PS 型聚羧酸系缓凝剂10g。将上述原料混合，搅拌10分钟，得到质地均匀的回填材料，所得初凝样品如图1所示。制得的材料具有一定的整体性，测得样品材料强度为5.2MPa。
实施例5
盾构接收钢套管回填材料
称取以下原料：机械砂1200g、粉煤灰280g、膨润土120g、水200g、水泥 40g、WS-PS型聚羧酸系缓凝剂8g。将上述原料混合，然后搅拌均匀，得到回填材料。制得的材料具有一定的整体性，测得样品材料强度为4.0MPa。
实施例6-11
按配比将原料混合，然后搅拌均匀，得到回填材料。
实施例6-11的原料及其质量配比如表1所示。
表1实施例6-11原料及原料配比
Figure RE-GDA0002344711420000061
Figure RE-GDA0002344711420000071
对实施例6-11制备的回填材料进行强度和泌水性测试以及凝固时间测试。
测试结果如表2所示。
表2实施例6-11制备的回填材料的性能测试结果
从表2可以看出，随着粉煤灰和膨润土重量比的增加，制备的回填材料的强度和泌水性先减小后增大，在粉煤灰和膨润土的重量比为5～10:1时，回填材料的强度在5MPa以下，有利于刀盘对回填材料的切削。在粉煤灰和膨润土的重量比在1～5:1的时候，可能由于膨润土的量比较少，使得粉煤灰和膨润土没有发挥最佳协同作用，回填材料的强度和泌水性均较高。
实施例12-14
按配比将原料混合，然后搅拌均匀，得到回填材料。实施例12-14的原料及其质量配比如表3所示。
基于对实施例6-11制备的回填材料进行的性能测试，可以看出在粉煤灰和膨润土的重量比为5～10:1时，制备的回填材料具有较佳性能，为此，又进行了进一步的探究，实施例12-14制备的回填材料中粉煤灰和膨润土的重量比分别为4:1、6:1、8:1，并对实施例12-14制备的回填材料做了性能测试，实施例 8、9、12-14制备的回填材料的性能测试结果结果如表4所示。
表3实施例12-14原料及原料配比
Figure RE-GDA0002344711420000081
表4实施例8、9、12-14制备的回填材料的性能测试结果
Figure RE-GDA0002344711420000082
从表4所示结果可以看出，在粉煤灰和膨润土的重量比在5～8:1的时候制备的回填材料具有较好的性能，此时的回填材料的强度均达到4.0MPa以下，泌水性达到了4％以下，在粉煤灰和膨润土的重量比在6:1的时候的回填材料性能达到了最佳。
实施例15-18
按配比将原料混合，然后搅拌均匀，得到回填材料。
实施例15-18的原料及其质量配比如表5所示。
表5实施例15-18原料及原料配比
Figure RE-GDA0002344711420000091
水泥是一种常用的建筑胶凝材料，在回填材料中加人适量的水泥，加快回填材料的凝固效率，增大回填材料的整体稳定性。为此发明人又在实施例13 原料配比上添加量少量的水泥，研究了粉煤灰和水泥的不同重量比对凝固时间和回填材料的强度的影响。实施例15-18制备的回填材料中粉煤灰和水泥的重量比分别为3:1、5:1、7:1、9:1。对实施例15-19制备的回填材料的性能测试结果如表6所示。
表6实施例15-18制备的回填材料的性能测试结果
实施例 粉煤灰和水泥的重量比 强度(MPa) 凝固时间(min)
实施例15 3：1 3.4 20
实施例16 5：1 3.0 25
实施例17 7：1 3.1 33
实施例18 9：1 4.5 38
从表6中可以看出随着粉煤灰和水泥重量比的增加，凝固时间开始减小，回填材料的强度先减少后增加，水泥可以增大回填材料的凝固效率，增大整个回填材料的整体稳定性，但是水泥的量增加太多的时候，使得回填材料的强度够而影响刀具切削的速率。从表6的测试结果可以看出在5～7:1的性能表现最佳，凝固速度较快，强度也较低。
实施例19-23
按配比将原料混合，然后搅拌均匀，得到回填材料。实施例19-23的原料及其质量配比如表7所示。
基于对实施例15-18制备的回填材料进行的性能测试，可以看出在粉煤灰和水的重量比为5～7:1时，制备的回填材料具有较佳性能，为此，又进行了进一步的探究，实施例19-23制备的回填材料中粉煤灰和水泥的重量比分别为 5.4:1、5.8:1、6:1、6.4:1、6.8:1，并对实施例19-23制备的回填材料做了性能测试，实施例19-23制备的回填材料的性能测试结果结果如表8所示。
表7实施例19-23原料及原料配比
Figure RE-GDA0002344711420000101
表8实施例19-23制备的回填材料的性能测试结果
实施例 粉煤灰和水泥的重量比 强度(MPa) 凝固时间(h)
实施例19 5.4：1 2.9 26
实施例20 5.8：1 2.4 26
实施例21 6：1 2.3 27
实施例22 6.4：1 2.5 27
实施例23 6.8：1 2.7 29
由表8所示的对实施例19-23进行的强度和凝固时间测试结果可以看出，在粉煤灰和水泥的重量比在5.4～6.4:1的时候制备的回填材料的性能较佳，在粉煤灰和水泥重量比在6:1的时候，回填材料的性能最好，强度可达到2.3MPa，同时也具有较佳的凝固性。
实施例24
一种盾构接收钢套管回填材料，按质量包含以下原料制备而成：
河砂1200g、粉煤灰300g、膨润土50g、水180g、水泥50g、WS-PS型聚羧酸系缓凝剂10g。
按配比将原料混合，然后搅拌均匀，得到回填材料。
相比实施例21制备的回填材料，实施例24另外加入了10g的缓凝剂，缓凝剂的加入可以减缓回填材料的凝固，使得回填材料在运输过程中保持一定的流动性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构接收钢套管回填材料，其特征在于，按重量份包含以下原料制备而成：
砂1200份、粉煤灰200份～500份、膨润土20份～80份、水150份～300份；
其中所述粉煤灰和所述膨润土的重量比是1～10:1。
2.根据权利要求1所述的盾构接收钢套管回填材料，其特征在于，所述砂是河砂和机械砂中的一种或两种混合物。
3.根据权利要求1所述的盾构接收钢套管回填材料，其特征在于，所述粉煤灰和所述膨润土的重量比是5～10:1。
4.根据权利要求2所述的盾构接收钢套管回填材料，其特征在于，所述粉煤灰和所述膨润土的重量比是5～8:1。
5.根据权利要求1所述的盾构接收钢套管回填材料，其特征在于，还包括水泥30份～60份，所述粉煤灰和所述水泥的重量比是3～9:1。
6.根据权利要求5所述的盾构接收钢套管回填材料，其特征在于，所述粉煤灰和所述水泥的重量比是5～7:1。
7.根据权利要求6所述的盾构接收钢套管回填材料，其特征在于，所述粉煤灰和所述水泥的重量比是5.8～6.4:1。
8.根据权利要求1或5所述的盾构接收钢套管回填材料，其特征在于，还包括缓凝剂5份～30份。
9.根据权利要求8所述的盾构接收钢套管回填材料，其特征在于，所述缓凝剂是木质磺酸盐、萘磺酸盐甲醛聚合物、聚羧酸基化合物中的一种或几种。
10.一种权利要求1-9任意一项所述盾构接收钢套管回填材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按比例将原料混合，然后搅拌均匀。
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