超硫水泥基灌浆材料的触变特性及其流变优化研究——应用于TBM衬砌后方海底隧道回填层

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Thixotropic properties and rheological optimization of supersulfated cement-based grouting materials for the backfill layer in submarine tunnel behind TBM linings

本研究探究了碱激发剂（水泥熟料CC和钙 carbide渣CS）含量对超硫酸盐水泥（SSC）浆体触变性和流变参数的影响，通过流变测试和H-B模型拟合发现触变性随CC/CS含量先增后减，并建立剂量相关流变模型，现场验证显示含3%CC的SSC浆体渗透性和抗压强度分别提高15.2%和28.7%，为海底隧道回填提供理论支撑。

　　

邵长治|张青松|唐浩天|黄长新|梁段

山东大学岩土与地下工程研究所，济南250061，中国

摘要

在隧道掘进机（TBM）施工中，衬砌与围岩之间的环形间隙通常通过填充豌豆石然后灌浆来填充。灌浆在豌豆石中的扩散及其在长距离运输过程中的稳定性研究，其流变特性和触变行为至关重要。超硫水泥（SSC）是一种环保的水泥基材料，与传统普通波特兰水泥（OPC）相比，具有更强的抗海水侵蚀能力和更好的体积稳定性。然而，SSC灌浆的流变特性和触变行为仍不甚明了，这限制了其在海底隧道中的应用。本研究通过流变试验，探讨了水泥熟料（CC）和碳化钙渣（CS）含量对SSC灌浆触变性和流变参数的影响。试验结果表明，随着CC或CS含量的增加，SSC灌浆的触变性先增加后减小。与Bingham模型和改良Bingham模型相比，Herschel–Bulkley（H–B）模型具有更高的拟合精度（R2 > 0.99），并能更好地捕捉SSC灌浆的非线性行为。流变曲线分析显示，SSC灌浆表现出典型的剪切稀化特性，且这种特性随着激活剂含量的增加而变得更加明显。此外，屈服应力、塑性粘度和稠度系数也随着激活剂含量的增加而增加。基于实验数据，建立了考虑激活剂含量的流变本构方程，以定量预测SSC灌浆的流变特性。现场试验表明，含有3 wt% CC的SSC灌浆在豌豆石中的渗透性更好，并形成了更坚固的水泥结合体，28天抗压强度比OPC高28.7%。本研究为推进SSC在TBM隧道填充工程中的应用提供了理论指导，并促进了填充灌浆材料的可持续和高性能发展。

引言

自21世纪以来，海底隧道建设进入了快速发展阶段。由于对地层的干扰最小、安全性高以及掘进效率高，隧道掘进机（TBM）已被广泛用于海底隧道建设（Wang等人，2025年；Zhang等人，2024b年）。由于管节的外径小于TBM掘进面的直径，管节衬砌与围岩之间会形成环形间隙（Huang等人，2018年；Ye等人，2019年）。因此，需要先注入豌豆石，再灌入水泥浆来填充这一间隙（Li等人，2020年；Yang等人，2024年），这是确保隧道结构稳定性和密封性的重要步骤（Liu等人，2021a年；Sung等人，2024年）。

目前，TBM隧道中最常用的填充灌浆材料是普通波特兰水泥（OPC）（Mao等人，2020年；Yang等人，2022年）。然而，在实际应用中，OPC存在两个主要问题：抗海水侵蚀能力差和碳排放量高。例如，Li等人（2017年）发现，经过90天的海水浸泡后，水泥浆的抗压强度显著下降。虽然外加剂和补充材料在一定程度上提高了OPC的抗海水侵蚀能力（Wang等人，2021年；Wang等人，2023a年；Wang等人，2023b年），但它们未能从根本上解决这一问题。这是因为OPC的水化产物与海水中的离子发生反应，导致体积膨胀、裂缝形成，最终材料失效（Ghafoori等人，2008年）。一旦填充层失效，可能会导致隧道结构损坏，造成重大经济损失和潜在的人员伤亡，且修复工作极其困难。此外，由于石灰石的煅烧和化石燃料的消耗，每生产一吨水泥会释放0.83–1.08吨二氧化碳（Cavalett等人，2024年）。据统计，水泥生产占全球年碳排放量的约7%（Cao等人，2020年）。因此，迫切需要开发一种新型灌浆材料，既具有优异的抗海水侵蚀能力，又具有低碳特性，这对于确保海底隧道的长期安全性和促进可持续基础设施建设至关重要。

超硫水泥（SSC）是一种低碳的水泥基材料，主要由高炉矿渣（BFS）、石膏和碱性激活剂组成（Gruskovnjak等人，2008年；Juenger等人，2011年）。与传统OPC相比，其二氧化碳排放量减少了67–91%（Cabrera-Luna等人，2021年；Sun等人，2022年），从而显示出显著的环境效益。在性能方面，SSC具有较高的抗硫酸盐和氯化物能力（Chang等人，2024年；Pinto等人，2020年），以及优异的体积稳定性和不透水性（Blotevogel等人，2024年；Liu等人，2019年；Wu等人，2024年）。SSC的水化反应依赖于碱性激活剂提供的碱性环境，这有助于BFS的分解及其随后与石膏的反应，形成水泥质产物（Cabrera-Luna等人，2023年；Zhou等人，2021年）。近年来，红泥、钢渣和碳化钙渣（CS）等碱性固体废物已成功用作激活剂，替代了传统的水泥熟料（CC），进一步降低了SSC的碳排放（Luo等人，2025a年；Ouyang等人，2024年；Wang，2024年）。尽管SSC的初凝时间较长（约12小时）和早期抗压强度相对较低（3天时约为6 MPa）（Wu等人，2021年），但由于豌豆石对管节衬砌的有效早期支撑，它仍然适用于填充应用（Liu等人，2020年），这降低了对快速凝固和高早期抗压强度的需求。总之，SSC特别适合用于海底隧道环境的填充灌浆项目。

浆体的流变特性是分析灌浆扩散的基础（Zhang等人，2022年）。关键参数包括屈服应力和塑性粘度以及触变性，这些参数共同决定了TBM灌浆的质量（Bohloli等人，2019年；Liu等人，2024年）。具体来说，屈服应力决定了最小的泵送压力（Mohan等人，2021年；Secrieru等人，2018年），塑性粘度影响管道中的泵送效率以及豌豆石颗粒之间的渗透性（Zhang等人，2024a年），而触变性确保了抗分离性和结构稳定性（Sha等人，2025年）。这三个参数的协同作用直接决定了灌浆体的密实度和机械性能，从而确保了隧道结构的长期稳定性。

目前，关于SSC流变机制的系统研究仍然有限。主要问题包括：（1）碱性激活剂含量对浆体触变性和流变参数的影响尚未完全了解（Cabrera-Luna等人，2023年；Gijbels等人，2020年）；（2）不同模型得到的拟合结果存在显著差异（Wallevik等人，2015年），导致屈服应力和塑性粘度等关键参数的值不一致。这些不一致性阻碍了施工参数的精确确定。缺乏基础研究限制了对SSC流变性的主动控制，使得浆体泵送性和抗分离性能的优化变得复杂，降低了结构施工的效率，最终限制了SSC在TBM灌浆项目中的大规模应用（Liu等人，2024年）。

总之，超硫水泥（SSC）的水化反应依赖于碱性激活剂提供的碱性环境，其流变特性直接影响其泵送性、扩散能力和在TBM填充灌浆过程中的抗分离能力。目前，水泥熟料（CC）是最常用的SSC激活剂，而碳化钙渣（CS）是一种新兴的碱性固体废物激活剂，近年来显示出广泛的应用潜力。这两种激活剂代表了当代工程实践中采用的两种最具代表性的碱性激活途径。研究CC和CS含量对SSC流变行为的影响，不仅有助于阐明不同激活机制下浆体特性的变化，还为开发可量化的优化设计方法提供了必要的理论支持。因此，了解CC和CS如何影响SSC的流变特性对于推动该材料从实验室研究向实际工程应用的转化至关重要。

本研究通过改变CC和CS的含量，研究了SSC灌浆的触变性和关键流变参数（剪切应力、屈服应力和塑性粘度）的变化。使用多种本构模型分析了流变行为，并建立了剂量依赖的流变关系，以便对浆体性能进行定量评估。此外，还提出了一种方法来确定平衡泵送效率和结构稳定性所需的表观粘度阈值，为灌浆参数的优化提供了指导。进一步进行了现场规模的灌浆试验，以评估SSC灌浆在TBM填充条件下的工程适用性。

章节摘录

原材料

在本研究中，超硫水泥（SSC）由普通波特兰水泥熟料（CC）、烟气脱硫石膏（FGDG）、高炉矿渣（BFS）和碳化钙渣（CS）制备而成。原材料的粒径分布如图1所示。BFS、FGDG、CC和CS的中位粒径分别为5.81 μm、9.21 μm、30.71 μm和29.61 μm。此外，使用X射线荧光光谱法分析了原材料的化学成分

触变性

图4(a)显示了不同水泥熟料（CC）含量的基于水泥熟料的超硫水泥（CC-SSC）灌浆的流变曲线。触变性是评估灌浆稳定性和可操作性的关键指标。在流变分析中，触变环面积（剪切应力上升曲线和下降曲线之间的积分）表征了灌浆的触变行为（Zhang等人，2021年）。如图4(b)所示，所有样品均表现出显著的触变性

结论

本研究研究了用于海底隧道填充的超硫水泥（SSC）灌浆的流变特性和触变性。基于实验室实验和现场验证，可以得出以下结论：

(1) 碱性激活剂类型和含量的变化会导致SSC灌浆的流变行为和触变特性的明显变化。适当的激活剂含量有助于形成和恢复其内部结构

局限性与未来工作

本研究的理论模型构建和验证可以在以下方面进一步改进。本研究中的所有实验均使用去离子水进行，这有效减少了不受控制的离子干扰，但未能考虑氯化物和硫酸盐对水化机制和流变行为的潜在影响。为了更准确地反映海底隧道中的实际条件，未来的研究应纳入环境因素

CRediT作者贡献声明

邵长治：撰写——初稿、正式分析、概念构思。张青松：资金获取、概念构思。唐浩天：撰写——审阅与编辑、研究。黄长新：监督、方法论。梁段：撰写——审阅与编辑、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者非常感谢国家自然科学基金 [NO.52478398]和泰山学者项目专项基金的财政支持。