砂巖隧道洞渣集料在宜巴高速公路中的應(yīng)用＊

周長(zhǎng)泉 張 偉 周明凱 詹春波

（1.湖北宜巴高速公路建設(shè)指揮部 宜昌 443000；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070；3.湖北省路橋集團(tuán)有限公司 武漢 430056）

近些年來(lái)，由于天然河沙資源的短缺，山區(qū)高速公路外運(yùn)砂石料運(yùn)距和成本顯著增加；另一方面山區(qū)隧道工程的施工產(chǎn)生大量棄渣，占用大量土地資源，因此隧道洞渣的利用受到廣泛關(guān)注。我國(guó)地域廣闊，隧道開采巖石種類繁多、成分多變、品質(zhì)差異較大。砂巖洞渣是一種常見的隧道棄渣，在我國(guó)四川、湖南、廣東、江西等地均有一定分布。砂巖屬于沉積巖，是巖石經(jīng)風(fēng)化剝蝕下沉積于石床，在地殼運(yùn)動(dòng)中受到擠壓膠結(jié)等物理化學(xué)作用形成，通常為碎屑或者層狀結(jié)構(gòu)，具有密度較小，單軸抗壓強(qiáng)度相對(duì)較小，孔隙率和吸水率較大，易風(fēng)化等性質(zhì)。目前對(duì)于砂巖應(yīng)用最多的是用于路基填筑，研究重點(diǎn)是母巖強(qiáng)度較低的紅砂巖以及分化砂巖［1－3］；砂巖用于瀝青路面材料也有相關(guān)報(bào)道，研究主要集中在硬質(zhì)砂巖［4－5］；由于砂巖吸水率和抗壓強(qiáng)度等原因，砂巖作為集料用于混凝土的研究鮮有提及。

砂巖可分為鈣質(zhì)、硅質(zhì)、鐵質(zhì)、粘土質(zhì)砂巖，雖然砂巖總體強(qiáng)度較低，孔隙率大，吸水率大，但其中優(yōu)質(zhì)的硅質(zhì)、鈣質(zhì)砂巖母巖強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)致密，具有用于混凝土的前景。若采取合理的分選措施和加工工藝，將砂巖洞渣進(jìn)行分類處理，品質(zhì)合格的砂巖破碎成機(jī)制砂與碎石用于混凝土，不僅解決了遠(yuǎn)地調(diào)運(yùn)的成本，也緩解了洞渣堆放造成的土地負(fù)擔(dān)，將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。宜巴高速公路路段洞渣除渣量大，掘出的砂巖品質(zhì)高，將該砂巖作為集料配制混凝土應(yīng)用，有著重要的工程意義。

1 砂巖洞渣特性

宜巴太陽(yáng)嶺隧道砂巖母巖單側(cè)飽和抗壓強(qiáng)度均超過(guò)60MPa，平均強(qiáng)度更是達(dá)到了70MPa（見表1），為硬質(zhì)砂巖。經(jīng)XRD及XRF分析（見表2，圖1），其主要礦物組成為石英和鈉長(zhǎng)石，為長(zhǎng)石類砂巖；有害成分如SO3含量?jī)H為0.032%，尚未檢測(cè)出Cl，可滿足建筑用砂、石中對(duì)SO3和Cl有害成分的限制要求。但經(jīng)巖相分析（見表3，圖2），砂巖中含有少量（約1%）的堿活性成分——燧石。為此進(jìn)一步采用砂漿長(zhǎng)度法來(lái)評(píng)判砂巖碎石是否為堿活性集料（見表4），檢測(cè)結(jié)果表明，砂漿棒14d膨脹率小于0.1%，該砂巖不具堿－硅酸反應(yīng)活性。

表1 分選后可供加工的洞渣巖石單側(cè)飽和抗壓強(qiáng)度 MPa

表2 洞渣（砂巖）的XRF分析結(jié)果

圖1 洞渣（砂巖）XRD分析結(jié)果

表3 砂巖碎石的巖相分析

圖2 砂巖碎石巖相分析

表4 砂巖碎石快速堿－硅酸反應(yīng)活性檢測(cè)結(jié)果

2 砂巖集料分析

考慮到本工程主要是低標(biāo)號(hào)混凝土，可采用如下簡(jiǎn)化砂、石聯(lián)產(chǎn)工藝制備砂巖集料，見圖3。

圖3 砂巖集料生產(chǎn)工藝

在此工藝中，通過(guò)加寬振動(dòng)喂料機(jī)柵條寬度以除去泥土、碎屑和軟弱顆粒，并通過(guò)加強(qiáng)收塵器抽風(fēng)能力，調(diào)控機(jī)制砂中石粉含量。對(duì)生產(chǎn)出的砂、石集料需進(jìn)行試驗(yàn)分析，探討其用于混凝土集料的可行性。

2.1 砂巖碎石主要性能測(cè)試

參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42－2005）中T0308－2005粗集料密度和吸水率試驗(yàn)（容量瓶法）、T0314－2000粗集料堅(jiān)固性試驗(yàn)方法，對(duì)加工的碎石進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見5。GB／T 14685－2011將卵石、碎石分為I、II、III類，將各類的吸水率、表觀密度和壓碎值要求列于表5中與砂巖碎石進(jìn)行對(duì)比。

表5 砂巖碎石主要性能指標(biāo)及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求

砂巖通常吸水率較高，但從宜巴太陽(yáng)嶺料場(chǎng)加工生產(chǎn)的砂巖碎石吸水率較低，如表5所示可滿足I類碎石的吸水率要求，砂巖碎石其他各指標(biāo)也較為理想，表觀密度和堅(jiān)固性指標(biāo)均能滿足建筑用碎石規(guī)范中I類碎石的要求，含泥量稍高但也能滿足II類碎石要求。

砂巖碎石由4.75～9.5，9.5～16及16～26.5 3檔料組成，當(dāng)相應(yīng)摻配比例（質(zhì)量比）為：0.3∶0.45∶0.25時(shí)，摻配后級(jí)配符合規(guī)范要求，級(jí)配曲線見圖4。

綜合以上各數(shù)據(jù)來(lái)看，砂巖碎石各項(xiàng)指標(biāo)符合或接近I類碎石的要求，用于配制C60以下混凝土是可行的。

圖4 摻配碎石級(jí)配曲線

2.2 砂巖機(jī)制砂主要性能測(cè)試

參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42－2005）T0350－2005和GBT14684－2011《建筑用砂》，對(duì)太陽(yáng)嶺隧道砂巖生產(chǎn)干砂進(jìn)行抽樣檢測(cè)顯示，機(jī)制砂石粉含量為13.5%，最大壓碎值為18%，各粒徑顆粒分布均勻，針片狀顆粒含量少，級(jí)配曲線見圖5。

圖5 機(jī)制砂篩分曲線

GBT14684－2011《建筑用砂》將機(jī)制砂分為I，II，III 3個(gè)技術(shù)等級(jí)，I類砂性能優(yōu)良，是配制混凝土的首選。而利用隧道砂巖洞渣生產(chǎn)的22標(biāo)太陽(yáng)嶺料場(chǎng)機(jī)制砂的壓碎值指標(biāo)滿足了I類砂的要求；所產(chǎn)的砂巖機(jī)制砂為級(jí)配優(yōu)良的中砂，落在II區(qū)范圍內(nèi)，滿足I類機(jī)制砂的要求；所產(chǎn)砂巖機(jī)制砂的石粉含量指標(biāo)相對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT14684－2011《建筑用砂》略有超標(biāo)，但“適當(dāng)”的高石粉含量能克服高強(qiáng)度等級(jí)水泥（P.O42.5）配制C30及以下低強(qiáng)度等級(jí)混凝土所帶來(lái)的粉料不足、粘聚性差、易離析泌水等問(wèn)題［6－7］。

2.3 砂巖集料用于混凝土的可行性

綜合砂巖洞渣母巖強(qiáng)度、成分以及由此生產(chǎn)的機(jī)制砂、碎石各類指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，宜巴砂巖隧道洞渣通過(guò)分類處理以及合適破碎工藝所產(chǎn)的碎石重要指標(biāo)符合建筑用碎石I、II類碎石技術(shù)要求，機(jī)制砂重要指標(biāo)滿足建筑用砂I、II類技術(shù)要求，因此用作集料配制混凝土是可行的。

3 砂巖洞渣集料在宜巴高速公路中的應(yīng)用

采用砂巖加工生產(chǎn)的碎石、機(jī)制砂作為粗細(xì)集料，配制了C15仰拱混凝土C20混凝土、C25二襯混凝土、C30普通及C30水下混凝土，膠凝材料采用華新堡壘牌P.O42.5水泥，具體參數(shù)見表6。各標(biāo)號(hào)混凝土配合比、工作性及強(qiáng)度結(jié)果見表7。

表6 水泥各項(xiàng)性能參數(shù)

表7 砂巖集料配制混凝土配合比

通過(guò)上述試驗(yàn)，水灰比與強(qiáng)度成較好的線性關(guān)系，不同水灰比的混凝土強(qiáng)度、工作性均能滿足C15～C30混凝土工程相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

依據(jù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙，C30及C30以下的混凝土主要用于隧道工程（二襯）及橋梁下部構(gòu)造（樁基、墩柱），經(jīng)室內(nèi)試配及優(yōu)化后，各相應(yīng)部位混凝土的工作性、強(qiáng)度及二襯混凝土的抗?jié)B性均滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求，并提出如下目標(biāo)配合比，見表8。

表8 砂巖集料配制的C25及C30混凝土配合比

宜巴高速22標(biāo)在工程初期利用洞渣6萬(wàn)m3，其中生產(chǎn)機(jī)制砂2.3萬(wàn)m3，生產(chǎn)碎石3.4萬(wàn)m3，既解決了廢棄洞渣堆場(chǎng)占地問(wèn)題，又為工程建設(shè)提供了急需的砂石料。在保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排的同時(shí)，節(jié)省了工程成本，為宜巴高速公路建設(shè)工程起到了良好的示范作用。

4 結(jié)語(yǔ)

宜巴太陽(yáng)嶺隧道砂巖母巖屬于硬質(zhì)長(zhǎng)石類砂巖，母巖單側(cè)飽和抗壓強(qiáng)度高，不含有害化學(xué)物質(zhì)，堿活性低。采用簡(jiǎn)化砂、石聯(lián)產(chǎn)工藝生產(chǎn)出砂巖碎石、機(jī)制砂可滿足混凝土集料要求，并成功將其用于C30、C25混凝土的配制，解決了廢棄洞渣堆場(chǎng)占地問(wèn)題，在保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排的同時(shí)，節(jié)省了工程成本，為隧道洞渣提供了新的利用途徑。

［1］鄧覲宇.高速公路紅硬質(zhì)砂巖的路用性能及施工工藝研究［J］.巖土工程技術(shù)，2003（5）：253－257.

［2］鄺衛(wèi)國(guó)，黎 晨.淺談紅砂巖填筑路基施工與質(zhì)量控制［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（29）：60.

［3］史剛雷.風(fēng)化砂巖填筑路基工程特性研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

［4］沈 鵑.砂巖在瀝青路面抗滑表層中的試驗(yàn)研究［D］.成都：西南科技大學(xué)，2008.

［5］閆紅光.硬質(zhì)砂巖在四川廣巴高速公路路面基層及底基層中的應(yīng)用研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

［6］鄧 濤.隧道洞渣制備機(jī)制砂及機(jī)制砂混凝土應(yīng)用技術(shù)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［7］王稷良，牛開民，劉 英，等.機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀［J］.公路交通科技，2008，25（9）：302－307.