關于機制砂在隧道噴射混凝土中的應用研究

唐富學

摘要：在進行渝黔項目隧道施工時，為了降低施工成本及減少隧道棄碴對當地環境的影響，擬采用隧道掘進的巖石自制機制砂配備隧道初支的噴射混凝土。因機制砂與天然砂在性能方面存在很大差異，天然砂噴射混凝土的配合比設計理論和經驗在進行機制砂噴射混凝土配合比設計時難以起到借鑒作用。本文通過一系列的試驗研究，分析總結了配合比中各參數變化對機制砂噴射混凝土性能的影響規律，從而設計出了符合規范及施工要求的施工現場機制砂噴射混凝土的配合比，對機制砂在噴射混凝土中的推廣和使用起到一定的借鑒作用。

Abstract： In the construction of tunnel in Yu-Qian project， in order to reduce the construction cost and reduce the impact of tunnel ballast on the local environment， it is proposed to use tunnel self-made sand for tunneling with the shotcrete of the first branch of the tunnel. Due to the great difference in the performance between the machine-made and the natural sand， the design theory and experience of the mix design of the natural sand shotcrete hardly play a role in reference when designing the mix proportion of the sand-fired shotcrete. In this paper， a series of experimental studies were conducted to analyze and summarize the influence of various parameters in the mix ratio on the performance of shotcrete. The mix proportion of machine shotcrete in construction site that meets the specifications and construction requirements was designed， which can provide reference for promotion and use of mechanical sand in shotcrete.

關鍵詞：機制砂；噴射混凝土；配合比設計；試驗；規律

Key words： machine-made sand；shotcrete；mix proportion design；test；law

中圖分類號：U454 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0136-03

0 引言

目前，隨著我國在基礎建設方面迅猛發展，對于建筑用砂的需求量與日俱增，我國施工所用砂通常為天然砂，天然砂作為不可再生的資源，且地域分布非常不均，在以往的大范圍、高強度基礎建設時被大量的開采利用，不少地域的天然砂資源已近枯竭，為了滿足建設需要，只能通過遠距離采購及運輸，大幅增加了施工成本，制約了基礎建設項目的進行。

同時，天然砂源的大量采用，對自然生態環境造成了嚴重的破壞，因此，尋求天然砂的替代品，以緩解建筑砂源缺乏的壓力、降低項目造價、保護環境，成為目前迫切需要解決的問題。路塹開挖及隧道掘進時，產生的大量優質石材的棄碴，故廣泛使用機制砂進行各種類型混凝土的生產無疑是解決問題的方向。

1 工程簡介

渝黔項目施工位于貴州遵義山區，環境作用等級為T2環境，當地天然砂資源匱乏，但本項目隧道噴射C25混凝土的用砂量巨大。合格天然砂需從160公里外采購，用自卸汽車運輸至工地，因運距遠及運輸道路狀況差，較其它地區而言，噴射混凝土的成本大幅提高。

本項目隧道掘進出碴除了小部分用于路基填筑外，大部需運至棄土場丟棄。隧道圍巖多為石灰質巖石，為了降低噴射混凝土的成本，同時減少棄碴，保護環境，項目經理部經評估后，決定采用合格材質的隧道棄碴產成機制砂配制噴射混凝土。

2 機制砂的性能特點及機制砂噴射混凝土配合比的設計

機制砂的母材通常為白云巖和石灰巖，屬于非活性集料，其物理性能和化學性能優良，機制砂在砂漿及較低標號的混凝土中得到廣泛了應用，其施工配合比的設計技術也相對成熟。

但將機制砂用于拌制隧道初支的噴射混凝土的施工實踐較少，在配合比設計及施工操作方面可借鑒的經驗缺乏，而噴射混凝土在技術性能要求上與混凝土存在非常大的差異，機制砂混凝土施工方面的經驗也不能簡單地套用于機制砂噴射混凝土。為了確保施工質量，本項目需在試驗的基礎上驗證機制砂用于拌制噴射混凝土的可行性，及研究機制砂顆粒多棱角，表面粗糙及高石粉含量等特征對噴射混凝土性能的影響規律，并最終制定出指標參數滿足規范要求的機制砂噴射混凝土配合比。

3 原材料的選用及試驗方案的制定

3.1 原材料的選用

①水泥。

地勘資料及環境水測試均表明當地環境作用等級為T2環境，故水泥選用普通硅鹽水泥即可。綜合技術及經濟方面考慮，采用了中綏牌P.O42.5普通硅鹽水泥，其性能物理指標見表1。

②砂子的選料及檢驗。

通常噴射混凝土采用中砂粗，如使用細度模數太小的砂，噴射混凝土的干縮大，在混凝土表面產生較多裂縫；砂太粗，則噴射混凝土的回彈量增大。以往施工經驗是砂子的細度模數在2.5～3.2之間效果最佳。本項目自制機制砂，經對生產工藝及設備參數進行了調整，生產出符合要求的機制砂，屬于Ⅰ區粗砂。其試驗檢測結果見表2。

③粗骨料。

粗骨料采用碎石，碎石粒徑不宜大于16mm，亦不宜小于5mm，所采用本項目部自行加工生產的5～10mm碎石，經檢測各項指標符合要求。

④速凝劑。

采用HJ-2型液體速凝劑，其滿足初凝時間≯5min，終凝時間≯10min。

3.2 基準配合比確定

按照《JGJ55-2000普通混凝土配合比設計規程》規定，并結合施工規范對于噴射混凝土的性能指標要求進行基準配合比的設計。最終計算所得基準備配合比為：

水泥：機制砂：碎石：水：減水劑：速凝劑=365：892：892：183：4.38：14.6

3.3 基準配合比試配和試噴

按基準配合比進行試配，其性能參數試驗值如表3所示，坍落度、初凝時間、終凝時間、強度值等滿足設計要求。但按基準配合比進行了現場試噴，試驗結果表明混凝土附著性較差，顯松散狀，導致達到28%的高回彈率。噴射好的混凝土表面干濕不均勻，部分部位有干斑現象。證明基準配合比的參數不合理，需進行調整。

4 配合比的調整及試驗成果

為了解決基準配合比試噴揭示的問題。需對機制砂不同于河砂的特性進行分析研究，以了解機制砂各特征對噴射混凝土性能的影響規律及原因，以便獲得滿足規范及施工要求的機制砂噴射混凝土配合比。

因對于噴射混凝土而言，強度與回彈率為最為重要的兩個指標。本項目擬分別研究不同砂率、水泥用量、水灰比對噴射混凝土強度與回彈率的影響規律。

4.1 砂率對噴射砼的影響

從圖1中不同砂率情況下回彈率曲線可看出，起初回彈率總體是隨砂率的提高而明顯降低的，但砂率超過0.55后，回彈率不僅沒有降低，而是稍有提高，表明砂率為0.55時有最低回彈率。

分析認為：本項目使用的機制砂細度模數超過3.16，劃分為Ⅰ區粗砂，機制砂與天然河砂相比，棱角性好，空隙率也較大。因機制砂顆粒呈棱角性，沒有河砂圓潤，砂的細度模數也偏粗，故較低砂率的情況下，機制砂的中石粉及細小顆粒部分不能完全填充混凝土空隙，導致噴射混凝土的和易性差，從而噴射混凝土時的回彈率也高。當提高砂率后，相應地降低了粗集料的使用，混凝土中石粉含量的提高改善了混凝土的和易性及粘聚力，故回彈率得到降低。但砂率過大時，石粉含量超過填充空隙所需數量后，反而降低的混凝土的性能，導致回彈率上升。

從圖1可看出，隨著砂率的增大，混凝土試件的抗壓強度呈持續增長的趨勢，那是因為石粉沒有活性，微細的石粉在水泥水化物中起到良好的填充效果，使得混凝土的密實度得以提高，進而混凝土強度得到提升。很多工程技術人員認為石粉與集料中的含泥量相類似，其含量的提高是有損混凝土強度，本次試驗證明，在合理石粉含量內對混凝土強度是起到增強的作用的，故要對石粉的作用有正確的認識，方能設計出合理的配合比。

4.2 水泥用量對噴射砼的影響

單位水泥用量無疑對機制砂噴射混凝土強度及回彈率有著關鍵性的影響，故就不同單位水泥用量情況下進行噴射混凝土的強度及回彈率影響的試驗研究。

不同單位水泥用量情況下噴射混凝土的強度及回彈率試驗數據見表5所示。

從圖2曲線可看出，隨著水泥用量的加大，回彈率得到降低，當單位水泥用量為480kg時達到較低的回彈率為8.3%；當單位水泥用量超過480kg后，回彈率降低值趨緩，表明此時水泥用量的增加對回彈率的改善起不到明顯作用。可見在本項目所采用的材質性能情況下，降低回彈率的最佳單位水泥用量510kg之間。

在本試驗的水泥用量，混凝土強度隨著單位水泥用量的增長基本呈正比例關系。

4.3 水灰比對噴射砼的影響

混凝土水灰比同樣對機制噴射混凝土強度及回彈率有著重要影響，由于機制砂與天然砂的物理及化學性能存在很大的差異性，故不能利用天然砂的配合比設計理論及經驗，故本項目進行不同水灰比情況對混凝土強度及回彈率影響規律的研究試驗。

試驗數據如表6所示，關系曲線見圖3。

由圖3曲線可知，水灰比處0.45～0.50區間，噴射混凝土回彈率最低，當水灰比減少或是增加時，回彈率均呈增加趨勢。分析認為。當水灰比低時，拌和用水不足，混凝土呈松散的干狀，粘附力差，故回彈率高，當水灰比過高時，混凝土呈流動的塑性狀態，噴射的混凝土在重力作用下流淌，而提高了回彈率。

當水灰比為0.4時有最高的抗壓強度37.9MPa，當水灰比增大或減小時，強度均有小幅降低，水灰比在0.35～0.50范圍內，均能達到較高的抗壓強度。

4.4 選定的施工配合比

經對上述的試驗數據進行分析研究，總結了各參數試噴射混凝土性能指標的影響規律，綜合考慮了噴射混凝土各項指標的要求，調整了施工配合比，并經多次試配及試噴，經優化的最終施工配合比及試驗數據如表7所示。

以上配合比的噴射混凝土平均回彈率為9.8%，28d強度平均39.2MPa，噴射的混凝土表面光滑，呈現水亮光澤，表明機制砂噴射混凝土的施工配合比是科學合理的，達到設計目的。

5 結語

機制砂的石粉含量很容易超過規范的要求，生產出的成品，要嚴格控制石粉含量，控制石粉通常從料源方面進行控制，根據有關資料及上述試驗結果表明，適量參加石粉可以改善混凝土的性能，但是不能超過規范的要求（根據混凝土的強度等級）。

機制砂由于生產加工機制砂的設備和工藝不同，其顆粒級配比較差，尤其是大于2.5mm和小于0.08mm的顆粒明顯多于天然砂，且級配波動較大。其配制的混凝土和易性差，并容易造成混凝土外觀質量缺陷。單純使用機制砂配制水泥混凝土還會造成水泥用量的增加。在條件允許的情況下可以考慮機制砂與天然砂的合理摻配，并可以考慮在混凝土中摻入外摻劑，如粉煤灰等，改善機制砂的和易性。也可以摻加減水劑，優化配合比設計，合理降低水泥用量，節約工程成本。

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