機(jī)制砂級(jí)配對(duì)盾構(gòu)管片機(jī)制砂混凝土性能的影響研究

吳 江 陳晉棟 祝 雯

（1 廣州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司；2 廣州建筑股份有限公司）

0 前言

城市軌道交通建設(shè)是提升城市公共交通服務(wù)能力、優(yōu)化城市空間布局、實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展與增長(zhǎng)的有效手段。為滿足城市發(fā)展的迫切需要，我國越江跨海隧道和城市軌道交通正進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)。目前在隧道施工過程中多采用具有施工快速、對(duì)周圍環(huán)境影響小、可適應(yīng)復(fù)雜地層等優(yōu)點(diǎn)的盾構(gòu)施工技術(shù)，以替代原來落后的開槽明挖或淺埋暗挖等勞動(dòng)密集型施工方法。盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)管片是最重要和最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，管片性能的優(yōu)劣對(duì)盾構(gòu)隧道工程的質(zhì)量和服役壽命具有決定性的影響。

隨著“砂荒”蔓延，發(fā)展機(jī)制砂、推廣機(jī)制砂應(yīng)用已呈燎原之勢(shì)，隨著對(duì)其物理力學(xué)性能研究的深入，機(jī)制砂在工程中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。機(jī)制砂是采用巖石經(jīng)過人工破碎制成，與天然砂在外觀、化學(xué)成分、顆粒形狀、顆粒機(jī)配以及特細(xì)顆粒含量（＜75μm）等特性上有很大的不同，對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能等都會(huì)產(chǎn)生影響，尤其是在軌道交通工程中，機(jī)制砂對(duì)盾構(gòu)管片混凝土的影響尤其重要。

良好的骨料級(jí)配應(yīng)當(dāng)具有較小的空隙率和較穩(wěn)定的堆聚結(jié)構(gòu)，從而最大限度地發(fā)揮骨料的骨架作用和穩(wěn)定作用。較小的空隙率能夠起到降低膠凝材料用量，保證混凝土體積穩(wěn)定性的作用。研究表明[3-4]，相較于空隙率較大的間斷分布的骨料，采用粒徑連續(xù)分布的骨料得到的拌合物會(huì)具有更好的工作性能，骨料中某段粒級(jí)顆粒過多或過少都會(huì)使混凝土的工作性變差，從而導(dǎo)致耐久性變差。因此，調(diào)整骨料的級(jí)配以使其堆積空隙率最小成為研究熱點(diǎn)，本研究就級(jí)配對(duì)盾構(gòu)管片機(jī)制砂混凝土性能的影響規(guī)律進(jìn)行研究，為機(jī)制砂在軌道交通工程中的應(yīng)用推廣提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥：華潤(rùn)水泥（封開）有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），其物理力學(xué)性能指標(biāo)及化學(xué)成分分別見表1 與表2。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 水泥的化學(xué)組成 （%）

⑵粗骨料：云浮市恒豐石場(chǎng)所產(chǎn)的5～10mm 碎石和10～20mm 碎石，其主要性能指標(biāo)見表3。

表3 粗骨料的主要性能指標(biāo)

⑶花崗巖機(jī)制砂：來源于順興石場(chǎng)，表觀密度為2630 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.6，石粉含量為3.6%，，其級(jí)配分布見表4。

表4 機(jī)制砂的級(jí)配

⑷礦粉和粉煤灰：本實(shí)驗(yàn)采用S95 級(jí)礦粉和F 類二級(jí)粉煤灰，主要性能指標(biāo)見表5 和表6。

表5 礦粉主要性能指標(biāo)

表6 粉煤灰主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工作性能

混凝土的表觀密度和坍落度試驗(yàn)參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB 50080-2016 進(jìn)行測(cè)試。

1.2.2 抗壓強(qiáng)度

混凝土的抗壓強(qiáng)度參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB 50081-2019 進(jìn)行測(cè)試，所用壓力試驗(yàn)機(jī)為美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司的YAW4306 型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，其最大荷載為3000kN。

1.2.3 抗氯離子滲透性能

混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082-2009 進(jìn)行，試件采用φ100mm×100mm 模具制備，脫模后浸沒于溫度為（20±2）℃、濕度≥95%標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室的水池內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，到56d 養(yǎng)護(hù)齡期前取出，切取中間50mm 作為電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)試件。電通量試驗(yàn)采用北京耐爾得儀器設(shè)備有限公司的NEL-PEU 型混凝土電通量測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試，氯離子擴(kuò)散系數(shù)采用北京耐爾得儀器設(shè)備有限公司的RCM-NTB 型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 機(jī)制砂級(jí)配組成

將原砂烘干后，采用標(biāo)準(zhǔn)套篩對(duì)其進(jìn)行篩分，將篩分好的各級(jí)顆粒用水進(jìn)行清洗，將其表面附著的石粉去除后烘干備用。混凝土最常使用的砂為Ⅱ區(qū)砂，在Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)挑選五個(gè)級(jí)配組成，各級(jí)配組成的機(jī)制砂堆積空隙率間距約為1%。級(jí)配組成見表7，試驗(yàn)用配合比見表8。

表7 機(jī)制砂的級(jí)配組成

表8 混凝土試驗(yàn)配合比

2.2 混凝土的工作性能

不同級(jí)配條件下盾構(gòu)管片混凝土的工作性如圖1所示。由圖可知，隨著機(jī)制砂級(jí)配由G1～G5，混凝土的坍落度逐漸降低。分析其原因，機(jī)制砂級(jí)配G1～G5 的堆積空隙率不斷增大，填充機(jī)制砂空隙所需漿體含量增加，包裹在機(jī)制砂顆粒表面的富余漿體層變薄，漿體層之間的接觸面積變小，漿體起到的潤(rùn)滑作用減弱，對(duì)混凝土的流動(dòng)性不利。

圖1 不同級(jí)配下混凝土的坍落度

同時(shí)機(jī)制砂級(jí)配從G1～G5，其0.600～0.300mm 和0.300～0.150mm 段顆粒含量不斷增多，機(jī)制砂的總體比表面積增大，其對(duì)水分和外加劑的吸附性增加，導(dǎo)致混凝土中自由水含量降低，對(duì)混凝土的流動(dòng)性不利，兩者共同作用導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土的坍落度由G1～G5 逐漸降低。同時(shí)由該試驗(yàn)結(jié)果可以看出，機(jī)制砂中0.600～0.300mm 和0.300～0.150mm 段顆粒含量對(duì)混凝土的工作性影響顯著，在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中應(yīng)著重關(guān)注該兩段機(jī)制砂顆粒的含量。

2.3 混凝土的力學(xué)性能

不同級(jí)配條件下盾構(gòu)管片混凝土的抗壓強(qiáng)度如圖2 所示。由圖可以看出，隨著機(jī)制砂級(jí)配由G1～G5，混凝土的7d 抗壓強(qiáng)度和28d 抗壓強(qiáng)度在G1～G3 時(shí)保持穩(wěn)定，由G3～G5，抗壓強(qiáng)度則緩慢降低。分析其原因，機(jī)制砂的堆積空隙率由級(jí)配G1～G5 不斷增大，填充機(jī)制砂顆粒之間所需的漿體含量增加，富余漿體含量減少，漿體之間的粘結(jié)面積減小，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度不利；同時(shí) 機(jī) 制 砂 級(jí) 配 從G1 ～G5，其0.600 ～0.300mm 和0.300～0.150mm 段顆粒含量不斷增多，機(jī)制砂的總體比表面積增大，其對(duì)水分和外加劑的吸附性增加，機(jī)制砂混凝土的實(shí)質(zhì)水膠比降低，對(duì)混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)有利。當(dāng)機(jī)制砂級(jí)配由G1～G3 時(shí)，兩種效應(yīng)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響作用相當(dāng)，所以混凝土的抗壓強(qiáng)度比較接近；當(dāng)機(jī)制砂級(jí)配由G3～G5 時(shí)，機(jī)制砂顆粒的吸水性增大同時(shí)混凝土拌合物流動(dòng)性變差，相同振實(shí)作用下，混凝土的密實(shí)性降低，導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷降低。

圖2 不同級(jí)配下混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.4 混凝土的抗氯離子滲透性能

不同級(jí)配條件下盾構(gòu)管片混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量分別如圖3 和圖4 所示。由圖可知，隨著機(jī)制砂級(jí)配由G1～G5，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量不斷增大。分析其原因，機(jī)制砂的堆積空隙率由G1～G5 不斷增大，填充機(jī)制砂顆粒之間所需的漿體含量增多，富余漿體量減少，骨料之間的連接區(qū)域更易形成孔隙；同時(shí)隨著級(jí)配由G1～G5，機(jī)制砂顆粒中的細(xì)顆粒含量顯著增加而粗顆粒含量減少，導(dǎo)致混凝土中引入的界面過渡區(qū)含量增多，而界面過渡區(qū)相對(duì)較為疏松，諸多界面過渡區(qū)連接在一起，為氯離子滲透提供了傳輸通道，導(dǎo)致混凝土的抗氯離子滲透性能降低。同時(shí)由圖3和圖4 可以看出，G5 級(jí)配的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量較G4 增長(zhǎng)顯著，氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量分別增長(zhǎng)27.5%和25.4%。是因?yàn)镚5 級(jí)配條件下混凝土的流動(dòng)性較低，導(dǎo)致在成型過程中形成了一定含量的連通孔隙，為氯離子的傳輸創(chuàng)造了條件。

圖3 不同級(jí)配下混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

圖4 不同級(jí)配下混凝土的電通量

綜合來看，機(jī)制砂中0.600 ～0.300mm 級(jí)和0.300～0.150mm 級(jí)顆粒占比對(duì)盾構(gòu)管片混凝土的性能影響較為顯著，建議在選用機(jī)制砂時(shí)，對(duì)其分計(jì)篩余也進(jìn)行相應(yīng)控制，尤其需重點(diǎn)關(guān)注0.600～0.300mm 級(jí)和0.300～0.150mm 級(jí)的顆粒占比情況。

3 結(jié)論

⑴混凝土的坍落度隨著0.600 ～0.300mm 和0.300～0.150mm 段顆粒含量的不斷增多而逐漸降低；

⑵抗壓強(qiáng)度隨著0.600 ～0.300mm 和0.300 ～0.150mm 段顆粒含量的不斷增多呈現(xiàn)為先保持穩(wěn)定而后緩慢降低的趨勢(shì)；

⑶抗氯離子滲透性能則不斷降低。建議在選用機(jī)制砂時(shí)，對(duì)機(jī)制砂的分計(jì)篩余進(jìn)行控制，尤其需重點(diǎn)關(guān)注0.600～0.300mm 級(jí)和0.300～0.150mm 級(jí)的顆粒占比情況。