一种低碳型固废基盾构砂浆及其制备方法和应用与流程

本发明涉及盾构砂浆，尤其涉及一种低碳型固废基盾构砂浆及其制备方法和应用。

背景技术：

1、盾构法由于其具有技术成熟、安全、环保和对地面交通影响小等优点是目前城市地下轨道交通工程最为常用的一种施工方法。但由于盾构机的刀盘直径大于盾尾直径，导致管片衬砌的外直径小于开挖土体隧道的直径，在盾尾形成一个厚度约50mm的空隙，该空隙会导致周围土体与管片衬砌之间处于悬空状态，如果处置不当，将导致周围土体产生沉降变形或者塌方。为解决这个问题，目前工程上采取在盾尾处管片壁后同步注浆的方式，简称盾构壁后注浆，这是盾构施工必备和关键的工序。

2、传统的注浆材料在制备时主要采用水泥、砂石、膨润土以及添加剂作为原料，不仅会消耗大量不可再生资源，且碳排放较高，又由于使用较多添加剂而使成本增加；现今，利用各种建筑或工业固体废弃物作为原料制备的注浆料越来越多，但其固废利用率往往较低，且材料的性能仍很大程度上取决于膨润土或外加剂成分。例如：

3、申请号为202210289711.x的专利公开了一种盾构注浆材料，其采用了一些常规原料，包括水泥、粉煤灰、砂、膨润土、增稠剂、膨胀剂和减水剂，最终制得的盾构注浆材料凝结速度有所提高，适用于渗透系数大的富水地层；但其固废利用率较低，同时普通硅酸盐水泥占比较高，由此得到的单液浆料的碳排放较高；另外该方案也要消耗大量的砂石、膨润土等有限资源，且添加的功能助剂也较多，导致成本较高，限制了其大量推广。

4、申请号为202111574977.0的专利公开了一种低碳抗渗型全固废注浆材料，其基体材料包含脱硫石膏、炉渣、矿粉、粉煤灰这些固废材料，另外还有膨润土、细骨料等；这种注浆材料通过向其中加入复合碱性激发剂，来激发出基体材料的潜在胶凝活性，赋予基体材料工程应用的条件；其虽然用固废完全取代了水泥，但需要指出的是碱激发胶凝材料目前尚存在一些问题，如凝结时间过短、收缩大、易开裂等，因此在实际盾构注浆施工中会存在一些弊端。

5、另外，据中国建筑节能协会统计，2020年全国建筑全过程碳排放总量为50.8亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为50.9％。在国家提出的“双碳战略”以及建设“资源节约型、环境友好型”社会的背景下，怎么样在保证材料性能的前提下降低碳排放以及提高建筑固废的有效利用率是材料工作者应该解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种固结率高、保水性强、抗水分散性能好、凝结时间可控、施工性能优良的低碳型固废基盾构砂浆，其解决了怎么样在提高材料性能的前提下降低碳排放以及提高建筑固废的有效利用率的问题。

2、根据本发明的实施例，一种低碳型固废基盾构砂浆，砂浆所用原料，按质量占比计，包括工业固废基胶凝材料8-14％、水泥6-10％、建筑固废基掺合料18-22％、建筑垃圾再生骨料26-30％、轻砂10-14％和废浆水15-20％，余量为减水剂；

3、建筑固废基掺合料包括轻质砖废渣粉，所述轻质砖废渣粉的原料为加气混凝土废渣、泡沫混凝土废渣或烧结砖废渣中的至少一种，且其比表面积为300-340m2/kg；

4、轻砂所用原料为加气混凝土废渣、泡沫混凝土废渣中的至少一种，且其粒径不大于4.75mm。

5、本发明的技术原理为：

6、本发明的盾构砂浆由水硬性胶凝材料(水泥和工业固废基胶凝材料)、建筑固废基掺合料、细骨料(轻砂和建筑垃圾再生骨料)、减水剂和废浆水制成。

7、其中，水泥具有自身水硬性，其发生水化反应后凝结硬化为一定的空间结构，其水化产物包括氢氧化钙；工业固废基胶凝材料全部来源于工业固体废弃物，所述工业固废具有潜在的水硬胶凝活性，其在激发作用(比如其自身各种成分间的互相激发作用，或由水泥的水化产物氢氧化钙带来的碱性激发作用)下可表现出较高的水硬性，产生和水泥相近的强度；另外，盾构砂浆对强度没有太高要求，以工业固废基胶凝材料代替部分水泥，其本身的活性加上被水泥或其自身成分激发出的活性已足够满足盾构施工需要。

8、建筑固废基掺合料主要由建筑固体废弃物制成，所述建筑固体废弃物中含有大量的加气混凝土废渣、泡沫混凝土废渣或烧结砖废渣，这种轻质多孔建筑固废材料内部气孔(微细孔)较多，破碎粉磨成一定细度粉体后，由于微细孔的存在使得磨细后的粉粒表面凹凸不平，粗糙度大大增加，比表面积也大大增加，继而需水量大大增加，从而大幅提升了材料的吸水性和保水性，使得本发明的盾构砂浆具有较好的抗水分散性能和抗泌水性能；同时，所述掺合料的吸水率高，保水性强，自身收缩小，故建筑固废基掺合料对砂浆固结率的增加也有一定益处。

9、细骨料也全部由建筑固废制成，其中含有一定量的轻砂，轻砂也是由轻质多孔建筑固废，即加气混凝土废渣或泡沫混凝土废渣制成的；所述轻质多孔建筑固废破碎成细骨料后，保留了大量的气孔，其中含有充足的通孔来吸水和蓄水，可调节砂浆内部湿度，从而起到较好的内养护作用，显著降低盾构砂浆的收缩，提高盾构砂浆的固结率，同时与建筑固废基掺合料协同提升盾构砂浆的抗水分散性能和抗泌水性能。

10、本发明的盾构砂浆各原料拌合后，在水泥和工业固废基胶凝材料的水化作用下，将所述掺合料和所述细骨料胶结在一起；其中水硬性胶凝材料提供了主要的骨架和强度；细骨料起到支撑作用；建筑固废基掺合料粉体的表面粗糙度很大，保证了盾构砂浆具有较好的保水性和抗水分散性能；细骨料中的轻砂，其内部大量通孔吸水后起到较好的内养护作用，保证了盾构砂浆具有较高的固结率；而减水剂提供了一定的流动性，提高了盾构砂浆的施工性能，使其更易均匀填充在盾尾空隙；另外，可通过调节水灰比、各原料粉体粉磨细度、掺入比例等，灵活控制盾构砂浆的凝结时间，使其更适应盾构施工的需要；故通过各原料的配合作用，最终制得了一种固结率高、保水性强、抗水分散性能好、凝结时间可控、施工性能优良的低碳型固废基盾构砂浆。

11、相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

12、(1)以固废为主，且固废利用率高，节约资源，绿色低碳。传统的水泥基建材，在生产过程中需消耗大量能量，同时会产生大量碳排放；另外，现有技术中，多采用膨润土这种不可再生的矿土资源来改善砂浆性能；而本发明的固废基盾构砂浆所使用的原料中，水泥占比不超过10％，其余基本全部来自于工业或建筑固体废弃物，尤其以建筑固废为主，相较传统建材在具有低碳排放以及节约资源的同时，也部分缓解了建筑固废堆放带来的环境污染问题，为建筑固废的资源化利用提供了一条新途径；而且，本发明利用的建筑固废并不依赖于少数几种，而是将多种多样的建筑固废通过粉磨细度的控制以及不同配比进行综合利用，各种固废相互促进，协同提升了盾构砂浆的性能，从而大大提高了固废利用率。

13、(2)固结率高，施工性能好。轻砂内部含有大量气孔，具有较好的储水性能，吸水后可起到较好的内养护作用；并且轻砂本身也是硬化材料，其不会在自干燥的情况下产生收缩；故加入的轻砂可显著降低盾构砂浆的收缩，提高盾构砂浆的固结率，同时协同提升盾构砂浆的抗水分散性能和抗泌水性能。另外，本发明的盾构砂浆，其3h稠度经时损失和3h流动度经时损失均小于10mm，因此能够长时间保持较佳的施工性能。

14、(3)保水性强，抗水分散性能和抗泌水性能较好。建筑固废基掺合料主要由轻质砖废渣粉磨制而成，其粉粒表面粗糙度很高，比表面积很大，需水量高，保水性强，在不添加任何功能助剂的情况下盾构砂浆也具有较好的抗水分散性能和抗泌水性能，同时协同提升盾构砂浆的固结率；其保水率在99％以上，分层度小于10mm，在盾构掘进过程中可以较好的抵抗地下水的侵蚀，保证工程质量。

15、(4)性能可控。通过控制原料配比、颗粒粒径或粉体细度，即可有效控制盾构砂浆的凝结时间、保水性、固结率、活性系数、需水量比等关键技术指标。

16、(5)原料简单易得、成本低、砂浆性能好。所用原料以固废为主，且外加剂少，仅添加了少量减水剂，原料简单易得，降低成本的同时，同样达到了较好的保水性、较小的干燥收缩以及不错的流动性、强度等，施工性能优良，在盾构注浆施工中具有较好的推广应用价值。

17、优选地，工业固废基胶凝材料所用原料，按质量百分比计，包括粒化高炉矿渣42％-48％、钢渣38-46％、粉煤灰0-8％、铁尾矿6-10％和工业副产石膏2-6％；且其比表面积为390-440m2/kg。

18、有益效果：这些工业固废在激发作用下都具有很好的水硬胶凝活性；用这些工业固废代替部分水泥，一方面极大的节约了水泥用量以及减少了碳排放，另一方面这些矿物成分之间以及矿物成分与水泥之间互相激发使得其水硬性都得到了提高，从而也大幅提高了砂浆的强度。

19、优选地，工业固废基胶凝材料所用原料，按质量百分比计，包括粒化高炉矿渣44％、钢渣39％、粉煤灰6-8％、铁尾矿6-10％和工业副产石膏2-4％；且其比表面积为390-410m2/kg。

20、优选地，工业固废基胶凝材料所用原料，按质量百分比计，包括粒化高炉矿渣42％、钢渣46％、粉煤灰2-6％、铁尾矿6-8％和工业副产石膏2-3％；且其比表面积为390-410m2/kg。

21、优选地，建筑固废基掺合料所用原料，按质量百分比计，包括轻质砖废渣粉46-52％、再生微粉28-36％和陶粒粉16-26％；且其比表面积为280-320m2/kg。

22、有益效果：掺合料主要由建筑固废组成，加入盾构砂浆中一方面可大大节约水泥或砂石用量，降低成本；另一方面，以上建筑固废磨成细粉后其吸水性和保水性大大增加，在提高盾构砂浆的抗水分散性能和抗泌水性能的同时，也能协同提高砂浆的强度。

23、优选地，建筑固废基掺合料所用原料，按质量百分比计，包括轻质砖废渣粉50％、再生微粉33％和陶粒粉17％；且其比表面积为280m2/kg。

24、优选地，再生微粉的原料为混凝土废渣，且其比表面积为240-280m2/kg；陶粒粉的比表面积为300-340m2/kg。

25、有益效果：一方面，所述掺合料中除了轻质砖废渣粉，另外一个占比较多的再生微粉也是由建筑固废制成，即所述掺合料中除了陶粒粉以外，其他成分全部由建筑固废制成，建筑固废占比较高，降低碳排放的同时，也降低了成本；另一方面，控制再生微粉和陶粒粉在一定细度，使得其比表面积较大，需水量较大，从而保水性较好，与轻质砖废渣粉一起协同提升盾构砂浆的抗水分散性能和抗泌水性能。

26、优选地，建筑垃圾再生骨料所用原料为废混凝土块，且其粒径不大于4.75mm，细度模数为2.3-2.6。

27、有益效果：建筑垃圾再生骨料为将废混凝土块取出钢筋后经破碎、筛分而制成的细骨料，且其粒径和细度控制在合适范围，既实现了建筑垃圾的有效利用，又使得盾构砂浆的性能最佳。

28、另一方面，根据本发明实施例，还提供了一种所述的低碳型固废基盾构砂浆的制备方法，其包括如下步骤：

29、(1)工业固废基胶凝材料的制备：将工业固废材料烘干后混合均匀，再粉磨至一定细度后，得到工业固废基胶凝材料；

30、(2)建筑固废基掺合料的制备：将轻质砖废渣等建筑固废材料烘干，后分别进行破碎至粒径为0.075-4.75mm的颗粒，再分别粉磨至一定细度后混合均匀即可；

31、(3)建筑垃圾再生骨料的制备：将建筑垃圾中的钢筋剔除，后进行破碎至粒径为0.075-4.75mm的颗粒，再筛出多余粉体后制成所述建筑垃圾再生骨料；

32、(4)轻砂的制备：将轻砂所用原料烘干，后进行破碎至粒径为0.075-4.75mm的颗粒，再筛出多余粉体后制成所述轻砂；

33、(5)将制得的工业固废基胶凝材料、建筑固废基掺合料、建筑垃圾再生骨料和轻砂，与水泥、减水剂和废浆水按一定比例混合并搅拌均匀，即得低碳型固废基盾构砂浆。

34、再一方面，根据本发明实施例，还提供了一种所述的制备方法制备的低碳型固废基盾构砂浆在盾构壁后注浆中的应用。

35、有益效果：本发明的盾构砂浆，抗水分散性能和抗泌水性能较好，能够抵抗地下水的侵蚀；固结率高，收缩小，能够较好的填充盾尾空隙；凝结时间可控，能在规定的时间内固化，适应施工的需要；具有较高的流动度和较好的强度；所以本发明的盾构砂浆具有良好的施工性能以及较好的填充性能，在盾构注浆施工中具有较好的推广应用价值。