隧道洞渣機制砂混凝土和易性與強度特性研究

薛艷杰

(中鐵三局集團第四工程有限公司，北京 102300)

0 引言

砂土是混凝土填充骨料的一種，傳統的河砂由于石粉含量低等優點，配制的混凝土有良好的工作性能，被廣泛應用于隧道、橋梁等工程建設中。然而，隨著基礎建設的發展，河砂被過度開采，相關資源枯竭，生態環境惡化嚴重，天然河砂已經遠不能滿足國家大型工程建設的需求，因此，機制砂代替河砂配制混凝土技術迅速發展且具有廣泛前景[1]。機制砂是碎石生產線與制砂機相結合，將巖石破碎、收集、篩洗，制成的粒徑小于5 mm、級配合理[2]、含泥量滿足施工要求的人工砂。與天然河砂相比，機制砂棱角鮮明，顆粒粗糙，內摩擦力大，有著較大的機械咬合力[3]，所制成的混凝土強度更高。但機制砂含泥量高，配置的混凝土黏性很大，更易發生離析泌水現象，不利于混凝土長距離泵送施工[4]。機制砂粒徑粉碎控制困難，相較之下河砂的級配更優，且機制砂在破碎時易受到損傷，顆粒硬度不及河砂。

中鐵五局成渝高速公路指揮部最早研究機制砂并實現應用。重慶市建筑科學研究院利用長江鵝卵石制成的機制砂制備C50高強混凝土，并成功應用于項目。宋偉明等[5]研究外摻料對機制砂混凝土的性能影響，配制了具有重慶特色的高性能機制砂混凝土。葉俊能等[6]研究了機制砂影響混凝土性能，優化了C50機制砂混凝土配合比設計。羅思欣[7]將機制砂混凝土技術應用于汕揭高速公路工程，獲得一定經濟效益。這些都為區域性機制砂混凝土配置提供了有益借鑒。

結合人工機制砂特點調制機制砂混凝土，從混凝土和易性與強度特性著手，與已在工程中成功應用的外購黃砂混凝土進行對比，分析隧道洞渣機制砂混凝土的物理性能與工程應用性[8]，為其配合比優化與工程應用問題提供一定的參考。

1 試驗原料與特性

1)水泥：采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為P.O42.5。

2)碎石粗集料：根據碎石粒徑大小，分為5 mm～10 mm，10 mm～20 mm，20 mm～40 mm三個梯度碎石粗集料，如圖1所示，碎石粗骨料性能數據列于表1。

表1 碎石粗骨料性能

3)細集料：試驗采用的細集料為隧道洞渣機制砂(如圖2所示)，與已成功在工程中應用的外購黃砂(如圖3所示)進行對比分析。研制隧道洞渣機制砂所用的是隧道開挖硐室產生的廢石料。試驗制備隧道洞渣機制砂采用專用制砂機，有效改善了級配，得到滿足工程要求的機制砂。

建筑用砂篩分級配規范值如表2所示。通過專用制砂機碾制、調配了隧道洞渣機制砂。隧道洞渣機制砂的篩分級配如表3所示，外購黃砂的篩分級配列于表4，砂土篩分對比圖如圖4所示，機制砂的部分性能列于表5。

表2 建筑用砂篩分級配規范值

表3 隧道洞渣機制砂篩分級配

表4 外購黃砂篩分級配

表5 機制砂性能

4)減水劑：采用聚羧酸系高性能減水劑。

5)防水劑：采用水泥滲透結晶型防水劑。

6)礦物摻合料：試驗采用粉煤灰的需水量比為101%，細度為15%。

7) 水：自來水。

2 試驗方案

配合比設計要求如下：

1)水灰比合理，工程要求混凝土設計強度等級為C30，保證28 d混凝土強度不小于38 MPa。

2)砂率合理，骨料級配合理，保證混凝土制備完成后的工作性能，具有良好可泵性[9]，不易堵管。

3)外加劑摻量合理，調節混凝土和易性，保證混凝土噴射效果良好。

根據以上要求對隧道洞渣機制砂混凝土進行了7組試配，與5組外購黃砂混凝土的試配試驗進行對比分析，研究隧道洞渣機制砂能否代替外購黃砂應用到混凝土作業中。

隧道洞渣機制砂混凝土配合比列于表6。黃砂混凝土配合比列于表7，其中2-1組為已在實際工程進行應用的對照組。

表6 隧道洞渣機制砂混凝土配合比

表7 黃砂混凝土配合比

3 機制砂混凝土和易性研究

3.1 和易性測試方法

要想實現工程應用，使機制砂混凝土具有良好的可泵性，避免堵管現象，要求混凝土材料有較好的混合和適宜的流動性[10]，因此聯合考慮坍落度和擴展度測試結果作為混凝土和易性指標。

1)坍落度測試。使用標準圓錐坍落度筒(上口100 mm、下口200 mm、高300 mm)，分三次灌入混凝土填裝，每次灌入后用搗錘均勻敲擊桶壁25下左右，將混凝土搗實抹平。垂直向上將桶提起，混凝土因自重產生坍落現象，桶高減去坍落后混凝土最高點高度，得到坍落度(見圖5)，尺寸單位mm，作為流動性指標，坍落度越大表示流動性越好。

2)擴展度測試。混凝土因自重從標準圓錐坍落度筒里坍落后，開始向周圍流動擴展，在相互垂直的兩個方向上，用鋼尺測量混凝土最終的擴展直徑，并計算兩個所測直徑的平均值。

3.2 和易性測試結果分析

隧道洞渣機制砂混凝土和易性指標測試結果如表8所示，黃砂混凝土和易性指標測試結果如表9所示。

表8 隧道洞渣機制砂混凝土和易性指標 mm

表9 黃砂混凝土和易性指標 mm

根據擴展度和坍落度測試結果進行分析。隧道洞渣機制砂試配試驗品總體呈現擴展度高而坍落度低的特點，問題的原因在于隧道洞渣機制砂配成的混凝土和易性較差，有水石分離，離析滲水的現象，混凝土內部液體擴散速度快，形成面積大，而砂石與混凝土內部水泥漿液黏聚力不夠，無法隨之擴散，如圖6所示。隧道洞渣機制砂含泥量相對較高，影響混凝土內部的黏聚狀態，導致混凝土和易性較差。含泥量過大，泥塊在骨料界面間進行著無效黏結，降低了混凝土內部結構的黏結力，從而影響混凝土的強度，降低水泥漿液對大粒徑骨料的黏聚握裹力，影響混凝土早期強度，過大的含泥量降低了水泥和砂石間的內摩擦作用，致使其產生相對加速度，最終滑動開裂，給混凝土后期的養護過程也造成極大困難。且泥粉還有腐蝕鋼筋的潛在風險，影響鋼筋強度。

此外，隧道洞渣機制砂細度模數略大，無法充分填充混凝土內部結構孔隙，導致混凝土膠凝效果差，和易性不良，砂石成團結塊，在混凝土罐車中常發生堵管問題[11]，難以進一步施工。

外購黃砂級配良好，含泥量相對較低，制成混凝土的和易性較好，粉煤灰活性礦物摻合料粒度均勻，能很好的潤滑和填充水泥漿體與骨料間的接觸空間，應用在機制砂混凝土攪拌中，與減水劑一同起到減水作用[12]，從而可以適當減少水泥用量，減弱機制砂混凝土的離析現象。

4 機制砂混凝土強度特性研究

4.1 強度測試方法

噴射混凝土大板(如圖7所示)，將其切割成100 mm×100 mm×100 mm試塊(如圖8所示)，測試混凝土試塊抗壓強度。要求強度等級為C30混凝土，則其配制強度需要達到38 MPa。

4.2 強度測試結果分析

隧道洞渣機制砂混凝土各組的力學強度測試結果列于表10，強度對比曲線如圖9所示，黃砂混凝土各組的力學強度測試結果列于表11，強度對比曲線如圖10所示。

表10 隧道洞渣機制砂混凝土強度 MPa

表11 黃砂混凝土強度 MPa

根據強度測試結果進行分析，在水灰比適宜的情況下，隧道洞渣機制砂混凝土強度與外購黃砂混凝土強度相差不大，養護28 d后，1-2,2-5強度未達到38 MPa不符合設計要求，其余混凝土強度均可滿足C30設計要求，合理的水泥與粉煤灰摻量對混凝土強度起主要作用。2-4,2-5水泥和粉煤灰摻量相對較少，水泥漿內部黏結力不足以支持骨料重量，早期強度較低，2-5水灰比過大，造成28 d養護強度不達標。隧道洞渣機制砂混凝土的強度比較穩定，混凝土內部的粗細骨料構成混凝土的骨架，起到充填與抵抗混凝土干減收縮的作用，隧道洞渣機制砂粒徑相較黃砂略大，一定程度上增強了砂顆粒硬度，更好地發揮其支撐平衡的作用，使制成混凝土的早期強度良好。

含泥量與骨料級配影響著機制砂混凝土強度特性，泥不可代替水泥漿液黏結骨料結構，在混凝土中進行著無效填充，使得骨料與水泥漿液黏聚力小，造成所有試配機制砂混凝土的強度偏低。骨料級配不合適有同樣影響。

5 結論

1)機制砂含泥量與細度模數對混凝土狀態產生較大影響，含泥量過大，降低骨料界面間與水泥漿液的黏結力，細度模數過大，無法充分填充混凝土結構孔隙，都將導致配置的混凝土和易性較差，引起骨料間抱團成塊，堵管混凝土罐車，影響施工進程。粉煤灰有良好的減水效果，與減水劑合理搭配調控混凝土狀態，提高水泥漿液黏聚力。

2)水灰比對機制砂混凝土強度起主要作用，隧道洞渣機制砂混凝土強度有較強的穩定性，混凝土早期強度高，力學性能好，砂石硬度大，支撐能力強，可更好地發揮其防止干減收縮的功能。含泥量過大造成混凝土材料間無效黏結，降低機制砂混凝土強度，影響工程使用的安全。

3)要想將機制砂混凝土應用到工程中，首先要解決罐車堵管現象，減少砂石含泥量，改善骨料級配，優化配合比。