聚丙烯纤维改性盾构渣土强度特性研究_张建勇.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023聚丙烯纤维改性盾构渣土强度特性研究张建勇(中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 43400)摘要:隧道建设越来越多，盾构渣土产生量将不断上升，盾构渣土逐渐成为发达城市固体废弃物的主要来源。纤维能够有效地提高土体强度，通过纤维对盾构渣土进行改良，以期解决其再利用问题。本文以北京某大直径盾构隧道盾构渣土为研究对象，采用自主研发的固化剂和聚丙烯纤维进行改良，在室内制作聚丙烯纤维改性土试块与纯固化剂改性土试块进行强度特性对比分析，并用扫描电镜对试样的微观结构进行了研究。结果表明:当聚丙烯纤维改良盾构渣土纤维含量为 05%时，无侧限抗压强度值最大为 1 026 kPa，比纯固化剂改性土无侧限抗压强度提高了 775%;纤维改性土粘聚力为 304 kPa，比纯固化剂改性土粘聚力提高了369%;纤维改性土内摩擦角受纤维含量影响较小;且纤维改性土中聚丙烯纤维与改性土形成了非常强的物理连接，提高了土体的整体性、强度和稳定性。关键词:盾构渣土;聚丙烯纤维;纤维改性土;力学特性;微观结构中图分类号:U455文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0400-10Study on the Strength Characteristics of Polypropylene FiberModified SmuckZhang Jianyong(China ailway 14th Bureau Group Big Shield Engineering Co，Ltd，Nanjing 43400，P China)Abstract:With the construction of more and more tunnels，the amount of shield muck will continue to rise，and the shield muck gradually becomes the main source of solid waste in developed cities The fiber can effectivelyimprove the strength of soil，so the shield muck can be utilized by the fiber to improve the shield muck Thispaper takes the shield muck of a large diameter shield tunnel project in Beijing was taken as the research object，theindependent development of curing agent and polypropylene fiber improvement were used for soil improvementThestrength characteristics of polypropylene fiber modified soil blocks and pure curing agent modified soil blockswere compared and analyzed indoors，and the microstructure of the samples was studied by SEM The resultsshow that:When the polypropylene fiber content of the modified shield muck fiber is 0 5%，the maximumlateral confined compressive strength value is 1 026 kPa，which is 77 5%higher than the lateral unrestrictedcompressive strength of the soil modified with pure curing agentThe cohesive force of fiber modified soil is 304 kPa，which is 369%higher than that of pure curing agentThe friction angle in the fiber modified soil is less affected by thefiber contentAnd the polypropylene fiber forms a very strong physical connection with the modified soil，whichimproves the integrity，strength and stability of the soilKeywords:shield muck;polypropylene fiber;fiber improved soil;mechanical properties;microstructure0引言随着城市轨道交通的快速发展，地下空间资源亟需开发，而盾构法施工凭借施工速度快、扰动小、安全系数高等特点，已成为地铁等地下工程的主要施工工法1-3。据统计，截至 2020 年底城轨交通运收稿日期:2022-10-13(修改稿)作者简介:张建勇(1982)，男，山东德州人，高级工程师，主要从事机械工程及自动化、地下工程等领域的研究工作。E-mail:1007637219 qqcom营线路总长度为 7 9697 km，2020 年当年新增运营线路长度为 1 2335 km，隧道修建的规模达到了新的高度4-6。但同时盾构法施工产生的渣土也屡创新高，取松散系数值为 15，每千米盾构施工至少产生 45万 m3的盾构渣土，而全国产生盾构渣土量将达几亿 m37-9。如若单纯用传统填土场堆填的方法，假设以 100 m 的高度计算，将需要 555 万 km2的国土资源，且将对填埋区的环境产生重大影响，因此，盾构浆渣的资源化利用技术研究迫在眉睫。石振明等10、Oggeri 等11、Tokgz12 和 Bellopede13 通过研究把盾构渣土多样化利用，使其用作填充、浮雕的材料，混凝土、沥青和水泥的骨料，工业生产的原材料和路堤材料。Lieb 等14 以戈特哈德隧道为研究对象，通过原材料连续测试以及碎石分级，将尽可能多的弃土材料用于生产混凝土，使渣土资源再利用，重新用在隧道施工中。曹豪荣等15、孙树林等16、刘清秉等17 和 Sariosseiri 等18 通过土壤固化剂的不同配比试验对对膨胀土改良后土体物理力学特性进行分析。目前国内外专家学者对于盾构渣浆的资源化利用进行了不少研究，但使用纤维改良盾构渣土研究较少。基于此现状，本文以北京某大直径盾构隧道改造工程第 2 标段区间段为工程依托，聚焦于纤维对于盾构渣土的改良作用，通过承载比试验、无侧限抗压强度试验等考察纤维改性盾构渣浆的路用性能指标，并结合试验进行应用，测试纤维改性盾构渣土的强度。1试验材料与方法11试验材料111盾构渣土本试验所用的盾构渣土取自于北京某大直径盾构隧道改造工程第 2 标段区间段，里 程 为LYK8+800LYK13+840，区段长度为 5 040 m，隧道直径约 155 m，泥水平衡盾构。地层主要包括杂填土、粉细砂、中砂、粗砂、粉土、粉质黏土等。试验所取盾构渣土的物理性质指标测定方法参照国家行业标准公路土工试验规程(JTG34302020)，粒度分布采用 Winner3003 型干法激光粒度分析仪测定，液塑限采用液塑限测定仪测定。盾构渣土的颗粒级配曲线如图 1 所示，测得基本物理性质指标如表 1 所示。根据观察和测试，试验所用盾构渣土具有呈黄色、无味等特性，如图2(a)所示。图 1颗粒级配曲线Fig1Grading curve表 1盾构渣土的基本物理性质指标Table 1Basic physical properties of the shield muck含水率w/%密度/(gcm3)液限wp/%塑限wL/%塑性指数 Ip液性指数 IL95241853914604112固化剂材料试验采用的固化剂自主研发，其中主要包括水泥、半水石膏、明矾、生石灰、硅粉、铝酸钙几种材料，常温下为灰白色固体，使用前应按固化剂配方搅拌均匀。(1)水泥本试验使用的水泥是 PO 425 级水泥，主要化学成分如表 2 所示，相关性能指标如表 3 所示，实物如图 2(b)所示。表 2水泥主要化学成分(单位:%)Table 2Main chemical composition of cement(unit:%)SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgONa2OK2O21955783541429237012059表 3水泥相关性能指标Table 3Cement related performance index技术要求计量单位国家标准值实测值细度m2kg1300361凝结时间初凝min45137终凝min600306抗压强度3 dMPa1727428 dMPa425531抗折强度3 dMPa354928 dMPa65811042023 年第 2 期张建勇，:聚丙烯纤维改性盾构渣土强度特性研究本试验使用的半水石膏(CaSO41/2H2O)为山东优索化工科技有限公司生产，常温下呈白色粉末，如图 2(c)所示。(3)明矾本试验使用的明矾(KAl(SO4)212H2O)为浙江一诺生物科技有限公司生产，常温下呈白色颗粒状，如图 2(d)所示。(4)生石灰本试验使用的生石灰为甘肃正洋钙业有限公司生产，主要成分为氧化钙(CaO)，在建筑材料中广泛应用。生石灰常温下呈白色粉末状，如图2(e)所示。(5)硅粉本试验所使用的硅粉为郑州吉兴硅粉销售有限公司生产，常温下硅粉为白色粉末，实物如图2(f)所示，主要成分如表 4 所示。(6)铝酸钙本试验所使用的铝酸钙为巩义市万源净水材料贸易有限公司生产，主要成分为二铝酸 钙(CaO2Al2O3)和一铝酸钙(CaOAl2O3)的混合物，微溶于水，碱性，常温下为灰白色粉末，实物如图 2(g)所示。表 4硅粉主要化学成分(单位:%)Table 4Main chemical components of silicon powder(unit:%)SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2O903327196041089047119113聚丙烯纤维聚丙烯纤维是一种由聚丙烯生产工艺生产的高强度束状单丝纤维，具有较高的抗拉强度和弹性模量，物理力学参数如表 5 所示，主要用于道路工程、屋面防水工程、地下工程等。聚丙烯纤维是一种结构规整的结晶型聚合物，外观为乳白色透明丝状，无味无毒，质轻，具有较好的分散性，不易聚团，性能稳定，如图 2(h)所示。表 5聚丙烯纤维物理力学参数Table 5Physico-mechanical parameters of polypropylene fiber纤维类型密度/(gcm3)单丝直径/m长度/mm抗拉强度/MPa弹性模量/GPa熔点/极限延伸率/%耐酸碱性束状单丝0922512300600354516517530极强图 2试验材料实物图Fig2Test materials12试样制备及养护参考公 路 土 工 试 验 规 程(JTG 34302020)，根据试验方案在试验前计算好各个材料的掺入质量，每组试验制作不少于 3 个平行试样。将称量好的盾构渣土、固化剂、聚丙烯纤维一起慢慢加入搅拌机中，搅拌 4 次，每次搅拌 6 min，保证每个部分搅拌均匀充分。因为聚丙烯纤维质量轻，为了保证试验过程中的精度，所以采用高精电子称(精确至 0001 g)。制样完成后，进行