沙漠砂噴射混凝土在隧道施工中的應用

馮艷娜

（中鐵二十局集團南方工程有限公司，西安 710016）

隨著我國基礎設施建設規模的增大，天然砂石資源不足的問題日益顯現。另一方面，我國沙漠資源豐富，沙漠總面積約70萬km2，中國西北干旱區是中國沙漠最為集中的地區，約占全國沙漠總面積的80%，可利用砂約有2100億m3。沙漠砂又稱風積砂，來源于沙漠，自然生成，經人工開發和篩分的粒徑小于4.75 mm的風積沙，但不包括軟質的巖石顆粒。與目前生產混凝土常用的天然砂相比，沙漠砂比特細砂更細，細度模數在0.3～0.9之間，粒級集中在0.30 mm和0.15 mm，占累計篩余95%左右，雖顆粒級配單一，但含泥量僅為0.5%左右，遠小于江河流域含泥量在5%～12%的天然特細砂。基于沙漠砂的上述特點，通過優化混凝土配合比，配合前期充分的實驗室試驗，可以將沙漠砂用于隧道噴射混凝土，這樣既可以有效利用沙漠砂資源，又能降低混凝土的生產成本，具有較好的經濟、社會和環保效益。

1 工程概況

吳華高速（吳起至華池）公路TJ-1標位于延安吳起縣與志丹縣之間，起訖樁號K0+511.726～K10+673.277，全長10.165 km，合同總金額9.4億，由中鐵二十局集團市政工程公司承建，計劃工期26個月，2019年6月開工。項目主要工程量：橋梁14座，互通立交1座，其中特大橋1座、大橋7座、中橋6座。預制箱梁1590片，現澆箱梁188.3 m，共2聯；涵洞1個，40.8 m；隧道3座，單洞長度4472 m。混凝土強度為C15～C50的7個等級。混凝土施工總方量為38.2萬m3，其中C25隧道噴射混凝土4.50萬m3。

2 原材料

2.1 水泥

寧夏青銅峽水泥股份有限公司生產的P·O42.5水泥，其各項技術指標符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中的規定要求。

2.2 細骨料

沙漠砂：取自陜西省靖邊縣城西約10 km處毛烏素沙漠，細度模數為0.58，含水率0.2%。其他技術指標符合GB/T 14684—2011《建設用砂》標準要求。

2.3 粗骨料

寧夏吳忠市太陽山舍爾山的石灰巖碎石，壓碎值為9.6%，針片狀顆粒含量為5.6%，含泥量為0.6%，泥塊含量為0.2%。其他技術指標符合GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》標準要求。

2.4 粉煤灰

試驗所用粉煤灰的細度為9.4%，燒失量為4.5%，需水量比為91.0%，其他技術指標符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準的要求。

2.5 外加劑

高性能減水劑：減水率為26.2%，其他技術指標符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》標準中高性能減水劑的技術要求。

速凝劑：無堿液體速凝劑，摻量8.0%，其他技術指標符合GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》標準要求。

2.6 拌合水

采用生活用水拌制混凝土，水的pH、不溶物、可溶物、氯離子和硫酸鹽等含量均符合JGJ 63—2006《混凝土用水標準》要求。

3 沙漠砂噴射混凝土配合比設計

3.1 基本要求

設計混凝土強度等級為C25，1d強度不小于10MPa。采用機械手濕噴工藝。

3.2 沙漠砂噴射混凝土設計注意事項

3.2.1 砂率

同條件下，沙漠砂混凝土的砂率選擇宜較河砂（細度為中砂）的砂率降低10%～15%，根據試驗研究成果，C25沙漠砂噴射混凝土的砂率在35%～40%為宜。

3.2.2 用水量

河砂中含有一定量的泥土和泥塊，影響混凝土用水量。沙漠砂雖然很細，但不含泥塊，且小于0.075 mm的含量非常少，基本在1.0%以下，非常干凈，因此沙漠砂混凝土的單方用水量基本與普通河砂混凝土相當。

3.2.3 速凝劑的使用

隧道內環境溫度低于10℃時要加熱至10℃以上，防止低溫液體速凝劑黏度增大堵管。混凝土卸入噴射機料斗內的溫度不宜低于10℃，若達不到要求溫度時，可適當增加摻量，一般控制在0.5%～1.0%，無堿速凝劑的總摻量不宜超過水泥用量的9.0%，有堿速凝劑的總摻量不宜超過水泥用量的6.0%。

3.2.4 混凝土和易性

沙漠砂混凝土的黏聚性、保水性要比河砂和機制砂混凝土優越。盡管沙漠砂的比表面積比天然河砂大，理論上單位用水量應該比河砂大，但沙漠砂基本不含泥，在高性能減水劑的作用下，適當調整砂率，用水量的增加可以忽略不計。經優化設計，沙漠混凝土的容重比傳統的河砂混凝土高約50 kg/m3。在實際操作過程中，應充分考慮環境溫度、運輸距離等因素導致的坍落度損失，一般情況下按出機坍落度比設計坍落度增加10～20 mm進行調整。

在前期大量的試驗研究基礎上，給出適合隧道施工用的C25沙漠砂噴射混凝土配合比見表1。

表1 C25沙漠砂噴射混凝土配合比

4 沙漠砂噴射混凝土施工

4.1 施工工藝及注意事項

沙漠砂混凝土的攪拌必須采用自動計量強制式攪拌機拌合，集料計量誤差必須在允許范圍內，拌合時間與普通混凝土基本一致。沙漠砂的含水量應控制在1%以內，防止含水量過高造成下料口堵塞。運輸設備應采取保溫或隔熱措施，嚴禁隨意加水，當現場混凝土工作性不能滿足要求時，可通過二次摻加減水劑的方式解決，嚴禁浪費混凝土。采用濕噴機械手進行作業，噴射操作工藝按下列要求進行：

（1）混凝土噴射作業前應檢查設備液壓、氣壓系統，將風壓調至工作狀態，少量打入速凝劑試噴，確認液體速凝劑管路暢通。

（2）噴射時，機械手噴口與被噴面成40～60°角，距離被噴面1.5 m左右，初次噴射厚度應控制在5～8 cm，后續復噴一般控制在5～10 cm。噴射順序應從開始端一個方向噴完后再回到開始端進行噴射作業。從開始端噴射到收尾端的時間應控制在5～10 min，此時速凝劑剛好達到終凝，可以防止一次性噴得太厚掉塊，減少混凝土的回彈量。

4.2 噴射混凝土隧道工作面的施工環境檢測

在隧道內工作區域，通常現場空氣環境較為惡劣，粉塵顆粒對人體呼吸系統造成危害，需要對其進行控制，以達到健康安全的工作環境。為了評價噴射沙漠砂混凝土施工現場的作業環境，采用暗鷹9600型粉塵粒子計數器測定噴射混凝土工作面的PM1.0、PM2.5、PM10值，獲得噴射沙漠砂混凝土作業過程中粉塵顆粒的變化，并與普通噴射混凝土對比，將2種配合比的噴射混凝土進行環境對比檢。

分別對施工前和施工過程中工作面環境粉塵粒子數進行了檢測。噴嘴與10個塵埃粒子計數器之間的距離為5～8 m，每次測試的重復次數為10次，并設置自動檢測。施工過程中測試時間點為噴射混凝土達到穩定狀態后，記錄PM1.0、PM2.5、PM10的電流讀數。通過測試可以獲得不同隧道下噴射沙漠砂混凝土與普通噴射混凝土的粉塵顆粒數濃度的差異，二者差值為噴射混凝土作業時的塵埃粒子值，沙漠砂與河砂混凝土噴射時隧道工作面塵埃粒子數據見表2。

從表2可以看出，沙漠砂混凝土與河砂混凝土在隧道噴射作業相比較，工作面的粉塵含量明顯減少，隧道噴射沙漠砂混凝土與噴射河砂混凝土塵埃粒子檢測相比較，20 m內環境PM1.0粉塵降低15%，PM2.5粉塵降低31%，PM10粉塵降低46%，作業環境得到較大改善。結果表明就工作環境而言，沙漠砂混凝土用于隧道噴射混凝土具有優越性。

表2 河砂混凝土與沙漠砂混凝土噴射時塵埃粒子測定值

5 沙漠砂噴射混凝土強度檢測

5.1 試驗段沙漠砂混凝土抗壓強度

強度是混凝土的重要性能指標，因此，在大范圍應用沙漠砂混凝土進行隧道噴射施工前進行了試驗段研究。試驗段噴射完成后24±1 h，采用射釘法檢測噴射混凝土實體強度（圖1）。實測強度為13.6 MPa，滿足隧道噴射混凝土1 d設計強度不低于10 MPa的要求。在進行實際噴射施工時，同時噴射沙漠砂混凝土大板進行同條件養護，養護1 d后取芯測試1 d強度，實測結果為14.1 MPa。實體強度測試和大板取芯強度試驗均表明沙漠砂噴射混凝土抗壓強度可以滿足設計和使用要求。

圖1 射釘法檢測噴射混凝土實體強度

5.2 實際工程沙漠砂混凝土抗壓強度

鑒于沙漠砂混凝土的1 d強度可滿足隧道用噴射混凝土的要求，在實際施工中進行了大范圍推廣使用，其中宋梁隧道共施工了590 m3，莊科卯隧道施工了3980 m3，廟溝梁隧道施工了11190 m3，3座隧道合計施工C25隧道噴射混凝土15760 m3。施工結束后，對沙漠砂噴射混凝土的28 d強度進行了跟蹤研究，其中宋梁隧道抽取試件6組，莊科卯隧道抽取試件40組，廟溝梁隧道抽取試件114組，合計160組。上述試件28 d平均抗壓強度為29.4 MPa，試件強度滿足設計標準要求。

6 結束語

通過沙漠混凝土配合比的優化設計及在隧道施工中的應用表明，利用沙漠砂替代天然砂制備噴射混凝土是完全可行的，其各項性能指標均能夠滿足設計要求。通過沙漠砂混凝土在隧道施工中的應用可知，沙漠砂混凝土具有如下優勢：

（1）與河砂（中砂）噴射混凝土相比，沙漠砂噴射混凝土的砂率可降低8%～15%，即同等條件下可適當減少單位用水量。

（2）沙漠砂顆粒較細，在噴射混凝土中一部分起到微細集料的填充作用，使混凝土粘聚性更好，結構更密實，強度能得到很好的提升，1 d和28 d強度均高于河砂噴射混凝土。

（3）沙漠砂混凝土的保水性、黏聚性優于河砂混凝土，噴射回彈量小，回彈量約減少20%～50%。

（4）與河砂噴射混凝土相比，沙漠砂混凝土粉塵含量明顯降低，隧道內工作環境得到較大改善。

綜上所述，沙漠砂噴射混凝土在提高混凝土質量、降低成本、改善隧道內工作環境和保護作業人員健康等方面具有明顯的優勢。