觀音閣水庫輸水工程隧洞襯砌人工砂混凝土技術探討

馬 路

(本溪泓源供水有限責任公司，遼寧 本溪117000)

0 前言

遼寧省觀音閣水庫輸水工程位于太子河干流上，是將已建的觀音閣水庫水經過輸水隧洞及管線自流輸入到本溪市的大(2)型Ⅱ等工程。工程位于在本溪市管轄區，主要由一座取水頭部、頭部壓力隧洞、輸水管線、一座電站、無壓隧洞、四座配水站及分支管線等幾部分組成。管道大部分沿河敷設，采用雙管同槽的方式，個別地段采用單根外包混凝土鋼管，工程輸水線路主干線長度41.5 km，分支管線長度49.8 km。

遼寧省觀音閣水庫輸水工程建設區域存在豐富的人工砂資源，本溪市內的天然河沙細度模數偏大，含泥量偏高，幾乎處于臨界值，且價格偏貴、儲量低。通過對人工砂襯砌進行實驗研究及人工砂市場調研，對主要料場的產品進行理化試驗和配合比試配，對人工砂應用給出了解決方案和經濟評價。人工砂應用不當易造成混凝土開裂，由于觀音閣水庫輸水工程建設所在區域，缺乏級配良好且滿足工程標準要求的天然砂，本文重點對該工程人工砂性能指標檢驗及應用進行分析探討。

1 人工砂市場調研

1.1 調查內容

機制砂，又稱人工砂。機制砂、混合砂主要應用于建筑、市政、交通等建設工程中的C60 及以下強度等級的混凝土。在滿足相應的技術要求時，亦可用于港口和水利等混凝土工程。機制砂：由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75 mm 的巖石顆粒，細度模數2.4～2.8，表面含水率＜6%，但不包括軟質巖、風化巖的顆粒。

建設單位質量負責人組織了設計單位現場代表、建設單位技術負責人、監理單位副總監和施工單位技術代表，利用一周的時間對本溪市地區主要碎石場進行了專門的實地考察，通過料場實際踏勘，對母材、生產工藝、產成品等進行詳細的調研，對關鍵環節的母材、中間產品和產成品全部取樣送檢，對主要碎石場生產的人工砂進行抽樣檢測。

1.2 產地

本溪市為山區城市，市內石灰石礦、鐵礦分部廣泛，規模以上生產廠家眾多，一般施工工地距最近產地距離均小于20 km，近者可達1 km～5 km。

1.3 母材供應

各家碎石場母料來源大致分為兩種：一是石灰石礦專業生產碎石，母材供應充足；二是位于鐵礦開采區內，礦山排巖排渣料源供應充足。母材理化指標均符合相關標準。

1.4 產能

碎石場生產設備為顎式破碎機時，每條生產線產能為：碎石20000 m3/月，副產品為石粉，出粉率低，約為500 m3/月，由于受設備及生產工藝限制，該型生產線不具備批量生產能力。

顎式破碎機一臺搭配小型制砂機一臺的產能為：碎石10000 m3/月，副產品為石粉（可作為人工砂使用），出粉率低，約為1000 m3/月，由于受設備及生產工藝限制，該型生產線不具備批量生產能力。

1.5 價格信息

目前市場上運費約為0.6 元/（m3·km）～0.8 元/（m3·km）。人工砂成品約18 元/m3。天然河砂成品約80 元/m3～150 元/m3。

目前市場上運費根據車型不同，約為0.6 元/（m3·km）～0.8元/（m3·km）。人工砂成品約18 元/m3～40 元/m3。天然河砂成品約65 元/m3～120 元/m3。具體市場調研結果見表1。

表1 人工砂市場調研信息

1.6 質量情況

目前市場上各企業所使用的原材料均未采用純凈巖石作為母材，均為礦山排渣和排巖，夾帶大量山皮泥土，生產的成品人工砂均為破碎碎石產生的廢棄副產品石粉，不是正規的機制砂，石粉中含山皮土比例較高、膨脹性黏土比例較大，膨脹性黏土會嚴重影響膠凝材料與粗細骨料的握裹力，導致混凝土強度降低、耐久性差、和易性差，且會從混凝土內部造成膨脹漲裂破壞。

石粉和泥均為0.075 mm 以下粒徑，水工實驗無法進行區分。根據《水工混凝土試驗規程》（SL352-2006），人工砂石粉含量在6%～18%為合格，但并未規定石粉中含泥量指標，所以人工砂檢測合格而混凝土檢測不合格的現象時有發生。然而在國標和電力系統水工混凝土等規范中明確規定了石粉中不能含有膨脹性黏土即泥的成分， 例如《建設用砂》（GBT_14684-2011）、《水工混凝土砂石骨料試驗規程》（DL/T 5151-2014），有關行業也早在2002 年便規定使用亞甲藍實驗MB 值檢測石粉中含泥量指標為硬性指標。依據《建設用砂》GBT_14684-2011 對主要料場的人工砂進行檢測，結果表明：本溪市內主要料場人工砂MB 值均值為5.1。已有資料和相關實驗表明：MB 值越大，石粉中含泥量越大，在此不再敷述相關實驗原理。見表2、表3。

表2 石粉含量和泥塊含量（MB 值≤1.4 或快速法試驗合格）

表3 石粉含量和泥塊含量（MB 值＞1.4 或快速法試驗不合格）

機制砂MB 值≤1.4 或快速法試驗合格時，石粉含量和泥塊含量應符合表2 的規定；機制砂MB 值＞1.4 或快速法試驗不合格時，石粉含量和泥塊含量應符合表3 的規定。

在遼寧省某大型引調水水利工程建設期間，在配制水工混凝土配合比實驗時發現，盲目的用水洗去石粉中細顆粒物質，會導致人工細骨料級配不良，細顆粒減少，比表面積降低，導致混凝土泌水率高、保水性差、和易性極差，滿足不了施工要求，使用水洗人工砂不能配置出合理的配合比。

水洗機制砂也會產生大量的污水，污水處理起來異常繁瑣；直接排放也不滿足環保部門的相關規定，也與習近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”的理念相違背。

1.7 改進措施

將初次破碎產生的石粉中含山皮土量、微膨脹性黏土量較大，完全廢棄。改進生產工藝，引進了一臺12 t/h～520 t/h 型專用制砂設備，將初次破碎產生的潔凈碎石進行二次破碎，二次破碎產生的機制砂則為潔凈的不含泥的優質機制砂，經亞甲藍實驗檢測MB 值和石粉含量能夠滿足人工細骨料質量標準的，可進行適配。最終確定使用偏嶺河沙和西湖區人工砂進行試配，算運費綜合單價為河沙105 元/m3，人工砂27 元/m3。檢測結果見表4。

表4 檢測結果

2 理化試驗和配合比試配

2.1 實驗思路

1）進行天然砂與人工砂混凝土對比試驗研究，優選天然砂與人工砂混合最優摻配比例；

2）依據以上試驗成果，提供5 組基準混凝土配合比，現場選取典型洞段開展驗證試驗，通過驗證試驗結果，最終確定人工砂混凝土施工配合比。

2.2 實驗內容

依據相關標準和工程設計要求對主要原材料性能和質量進行試驗檢測（具體項目見表3），包括：水泥（P.O42.5 級水泥）、外加劑（泵送劑）、粗骨料（規格為5 mm～20 mm、20 mm～40 mm）、細骨料（天然河砂、人工砂），原材料檢測合格后方可進行試配。

天然砂與人工砂混凝土性能對比試驗。對天然砂混凝土、人工砂與天然砂混合料（按不同比例摻配）混凝土、人工砂混凝土進行對比試驗，對混凝土性能指標進行檢驗和優選，試驗方案見表5。

表5 天然砂與人工砂進行對比試驗計劃及內容

依據優選出的混凝土配合比，每組配合比制作樣板，同時測試對應混凝土拌和物性能，制作硬化混凝土的抗壓強度、抗滲試件，并測試對應齡期硬化混凝土性能指標。混凝土配合比中實驗所做試塊養護條件為在隧洞中自然養護，隨時觀測樣板的外觀質量以及裂縫情況。

2.3 實驗結果分析

1）同水膠比不同混合比例混凝土試配情況見表6。

表6 同水膠比不同混合比例混凝土試配情況

2）同水膠比不同混合比例混凝土質量情況見表7。

表7 同水膠比不同混合比例混凝土質量情況

3）同和易性不同混合比例混凝土試配情況見表8。

表8 同和易性不同混合比例混凝土試配情況

4）同和易性不同混合比例混凝土質量情況見表9。

表9 同和易性不同混合比例混凝土質量情況

天然河砂受到水流沖刷，表面光滑無附著力，常伴隨有機質和泥質，不易清潔干凈，對拌合物性能不利。隨著人工砂比例的提高，混凝土的強度得到了有益的增長，人工砂表面粗糙針片狀含量較大，表面多棱角，且表面清潔無污染，能夠提高與膠凝材料和石子的結合度，使強度和耐久性顯著提升，但是使用人工砂多數情況下會使塌落度、和易性下降，需水量增加、泌水率增大，影響混凝土強度最重要的指標是水膠比，因而適當比例的人工砂混合比例尤為重要，經過試驗對比確定50%的人工砂參量對混凝土性能影響和經濟效益評價最優。

3 經濟效益評價

試驗研究項目及費用見表10。

表10 試驗項目及費用

觀音閣水庫輸水工程C30 混凝土總用量157400 m3，砂堆積密度取1450 kg/m3，混凝土單方用砂量890 kg，即0.61 m3，工程累計用砂量157400×0.61=96014 m3。共節約成本=96014 m3×（天然砂單價- 人工砂單價）×人工砂比例（50%）×（1+材料損耗率5%）- 試驗檢測費=3861968 元。

4 結語

二次破碎產生的機制砂潔凈、不含泥，經亞甲藍實驗檢測MB值和石粉含量能夠滿足人工細骨料質量標準的，可進行試配。根據實驗結果選擇質量合格、經濟合理的人工砂混凝土配合比。合理比例的人工砂混凝土和易性較好，耐久性有小幅提升，強度峰值有所提高，28 天強度標準差變小，工程投資照比單純使用天然砂大幅度減少，經濟效益明顯。工程于2018 年7 月1 日正式建成通水，工程質量驗收合格，達到水利工程優良標準，外觀質量優良。隨著本地區天然砂資源的枯竭，機制砂不管是從經濟合理性還是儲量替代天然砂都勢在必行、也應盡早提上日程。