混合砂在隧道工程噴射混凝土中的應用研究

王永崗

（山西路橋集團試驗檢測中心有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

天然砂是經過長時間積累天然形成的砂，天然砂在質量方面是最好的，但較粗的天然砂在化學、礦物成分上比較復雜，其細度模數較小且砂礫級配相對單一，施工應用不易控制[1]。機制砂是目前應用最多的砂石骨料，它通過砂石生產線破碎出來，級配良好、性能穩定，沒有泥質或其他有害雜質。混合砂是天然砂和機制砂按照施工設計要求進行適當調配混合而成的砂，混合砂沒有相關技術指標限制，但要求按照機制砂的技術要求和試驗方法進行相關操作，在性能、細度模數等方面，混合砂保持了比較中立的狀態，在眾多工程內都可以看見它的身影。本文結合山西霍永高速官莊隧道混合砂噴射混凝土襯砌工程，探討使用混合砂作為噴射混凝土的可行性，研究混合砂在噴射混凝土中的性能狀態和實際應用效果，為黃土地區混合砂作為噴射混凝土的細集料提供理論基礎。

圖1 官莊隧道工程施工現場

1 混合砂的性能

天然砂較機制砂在自然環境風化、沖刷后密度下降，其表觀密度在2 600 kg/m3左右，較機制砂強度下降，綜合穩定性也相對降低[2]。霍永高速公路官莊隧道工程全長650 m，隧道內支護采用的是噴射混凝土施工完成。隧道內混凝土支護施工要求較多，主要包括混凝土的抗壓強度、耐久性和抗滲性。結合當地黃河河沙的物理化學指標，本項目采用當地石灰質機制砂進行調配混合砂，所選用機制砂部分代表性物理化學指標見表1，黃河砂與機制砂級配及摻配情況見表2。

表1 機制砂的物理化學指標

表2 黃河砂與機制砂摻配情況

2 混合砂噴射混凝土的配合比設計

2.1 混合砂噴射混凝土的砂率

噴射混凝土中各組分的變化對混凝土的應用性能均有不同程度的影響，混凝土中混合砂的砂率決定著現場拌合、噴射的難易程度和工作效率，對混凝土的稠度影響較大，對成型混凝土結構的強度有很大影響。根據混合砂噴射混凝土應用性能特點和施工設計要求，促進噴射混凝土的施工應用效率，降低二次噴射造成的浪費，應選用濕噴的工作方式進行，且應選用砂率在45%～55%之間的混合砂，且應往更高的區間移動。當混凝土中的砂率粒徑相對較大時，砂率可適當放寬至上限，當混凝土中的砂率粒徑相對較小時，砂率應適當降低。

2.2 混合砂噴射混凝土的水泥用量

水泥作為噴射混凝土的凝結材料在工程應用中起著重要的作用，水泥用量決定著襯砌的強度和穩定性。以水泥用量為主變量，對比檢測不同水泥含量噴射混凝土的抗壓性，見表3。通常水泥用量超過實際需求，在工程應用中表現為隧道內粉塵量較大，施工區間視線模糊不清，混凝土結構物在水泥硬化的過程中收縮較大。水泥用量低于實際需求，用量過少，則表現為噴射混凝土在施工過程中回彈量大，強度增長慢且易出現安全事故。在工程應用中，需控制水泥用量，防止水化反應不充分而造成的混凝土強度下降，通常用量不低于20%。

表3 不同水泥含量噴射混凝土的抗壓強度

2.3 水灰比

在制定水灰比時要考慮到砂石的含水量，它與噴射方式、噴射工藝、噴射料中集料粒徑等有關。砂石料粒徑大時，混凝土回彈較多，施工應用成本隨之增加，砂石料粒徑小時，混凝土中的水泥用量隨之增加，提高成本的同時，水化反應完畢后的收縮裂縫逐漸增多。目前，日本、歐美等均以15 mm的工程粒徑最大值視作隧道襯砌支護等相關工程噴射混凝土骨料粒徑的最大值。在本工程案例中，以濕噴為主要施工方式，最終噴射效果以不流淌，無明顯干斑且整體色澤基本一致。試驗測試過程中，混凝土的砂率值對噴射混凝土的工作稠度和整體黏聚性影響較大，抗壓強度也有一定程度的降低。噴射混凝土的水灰比和混合砂之間呈現線性關系，隨著砂率的增加，水灰比隨之增加，具體見表4，為了吸收二次噴射時的沖擊能，宜選擇較大的砂率，最終根據選定的砂率確定的水灰比為0.50～0.55。

3 混合砂噴射混凝土的回彈率

表4 濕噴混凝土砂率的水灰比

在混合砂噴射混凝土隧道襯砌支護施工應用中，混凝土回彈是造成支護工程成本增加的重要影響因素。施工過程中混凝土回彈物主要是砂礫和石子，減少砂石料的回彈是建設施工中一重要技術問題。混凝土的回彈實際上是砂石料與隧道巖壁及混凝土之間的碰撞問題。在噴射初期，混凝土砂石料與隧道巖壁發生第一次碰撞，第一次碰撞的界面在巖壁表面，因巖壁表面剛性大，表面黏結力差，碰撞發生過程中沒有吸收沖擊能量，混凝土回彈量較大。回彈發生后會造成成型混凝土中漿液的不均勻，造成結構性能的不穩定。因此，應嚴格控制混合料的級配和用水量，嚴格控制大粒徑粗砂的用量。第二次碰撞發生在混凝土界面之間，因先噴射的混凝土可移動變形吸收二次沖擊能，回彈量相對較小，工程上第二次回彈表現為黏性回彈。為了計算回彈量，同時考察混合砂對噴射混凝土回彈的影響，以砂率作為變量，工程中對邊墻和拱頂的混凝土回彈率做回彈量分析試驗。回彈率Mi的計算公式如式（1）：

式中：Mi為回彈率；Ki為測定的回彈物重量；K0為根據配合比推測的噴射混凝土重量。

在官莊隧道噴射混凝土工程中篩選9個測試區域，邊墻和拱頂分別9個。按照施工要求的配合比進行噴射試驗，計算噴射混凝土重量，采集混凝土回彈物的重量，以上述回彈率計算公式為依據，計算回彈量，表5。砂率在40%～50%范圍內的回彈率變化不大，超過50%以后混合砂回彈率上升。

表5 濕噴混凝土回彈率統計表

4 混合砂噴射混凝土的性能

4.1 抗壓強度

采用相同級配的天然砂和混合砂制備噴射混凝土，測試不同砂率下噴射混凝土抗壓強度如圖2，從圖中可知，較比純天然砂噴射混凝土的性能，混合砂噴射混凝土在摻加機制所形成砂后，由于機制砂的表面密度更高，閉合性能好且更為堅硬牢固，機制砂改善了混合砂與基體混凝土材料的界面性能，機制砂的化學性能更容易被控制，使得水泥水化效果更好，強度提高相對更快，提高了混凝土的密實程度。水泥混凝土在水膠比較高的情況下，水化反應不徹底，內部孔隙較多，存在很多沒有充分水化的顆粒縫隙，造成部分混凝土試件抗壓強度的降低。

圖2 不同砂率下噴射混凝土抗壓強度

但相對來說，噴射混凝土在高速噴射過程中混凝土受到連續高壓沖擊，混凝土在成型的過程中不斷受壓力而變得密實和牢固，孔隙率高的現象在工程應用中出現的概率并不多。工程中，噴射混凝土在一次施工完成后的2 h內即可形成強度，且在1 d時最高能達到13 MPa，28 d齡期的混凝土抗壓強度在35 MPa以上，表6是霍永高速官莊隧道混合砂噴射混凝土的28 d抗壓強度測試值。

表6 混合砂噴射混凝土的抗壓強度 MPa

4.2 滲透性能

對比相同砂率下的天然砂混凝土和本工程的混合砂混凝土的滲透性，實驗室采用全自動滲透性測試儀，使用邊長為100 mm的試塊進行測試，對Cl離子遷移系數和透氣性指標K綜合判定[3]。其中透氣性指標K的取樣是加壓標取10 min后的混凝土試件的穩定氣壓作為取樣值，根據氣壓值的曲線圖擬合得到直線斜率K，K值為噴射混凝土的透氣性指標。

表7是噴射混凝土齡期60 d的透氣性指數K值和Cl離子滲透實驗遷徙系數D。從表7中可以看出，隨著水膠比的增大和砂率的降低，噴射混凝土試塊的滲透性指數在逐漸降低。混凝土試塊內的水泥水化物總體含量在逐漸增加，試塊內的孔隙結構被不斷填滿且孔隙結構曲折率不斷上升，滲透性加速下降，混凝土試塊的滲透性整體下降。

表7 噴射混凝土滲透性指數

4.3 抗凍性

由于混合砂噴射混凝土的水泥和砂石料在高速沖擊下所留下的孔隙率相對較小，在摻加引氣劑的情況下其空氣含量在3.1%～6.4%之間，在不摻加引氣劑的情況下其空氣含量不足1%。這些空氣所在的結構孔隙在高速沖擊澆筑的過程中會自行分布均勻，所以這些結構孔隙內的氣泡間是不連通的，在這種情況下混合砂噴射混凝土擁有優良的抗冰凍效果，符合混合砂噴射混凝土的抗凍性指標。

5 結語

試驗結果表明，在天然砂中摻入機制砂的混合砂在官莊隧道襯砌工程中的應用效果良好，混凝土強度不受影響。該種類型的混合砂在抗壓、防滲等方面較天然砂混凝土效果更好。本試驗方案采用機制砂部分代替天然砂在隧道工程中的施工效果，其物化指標滿足施工設計要求，試驗方案可行，綜合所有試驗數據，砂率在50%左右時是混合砂噴射混凝土襯砌支護工程應用的最佳含量。