關(guān)于機(jī)制砂在隧道噴射混凝土中的應(yīng)用研究

唐富學(xué)

摘要：在進(jìn)行渝黔項(xiàng)目隧道施工時，為了降低施工成本及減少隧道棄碴對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響，擬采用隧道掘進(jìn)的巖石自制機(jī)制砂配備隧道初支的噴射混凝土。因機(jī)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(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)在進(jìn)行機(jī)制砂噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)時難以起到借鑒作用。本文通過一系列的試驗(yàn)研究，分析總結(jié)了配合比中各參數(shù)變化對機(jī)制砂噴射混凝土性能的影響規(guī)律，從而設(shè)計(jì)出了符合規(guī)范及施工要求的施工現(xiàn)場機(jī)制砂噴射混凝土的配合比，對機(jī)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(guān)鍵詞：機(jī)制砂；噴射混凝土；配合比設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；規(guī)律

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

中圖分類號：U454 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǔ)建設(shè)方面迅猛發(fā)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(qiáng)度基礎(chǔ)建設(shè)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(shè)需要，只能通過遠(yuǎn)距離采購及運(yùn)輸，大幅增加了施工成本，制約了基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的進(jìn)行。

同時，天然砂源的大量采用，對自然生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)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(xiàng)目造價、保護(hù)環(huán)境，成為目前迫切需要解決的問題。路塹開挖及隧道掘進(jìn)時，產(chǎn)生的大量優(yōu)質(zhì)石材的棄碴，故廣泛使用機(jī)制砂進(jìn)行各種類型混凝土的生產(chǎn)無疑是解決問題的方向。

1 工程簡介

渝黔項(xiàng)目施工位于貴州遵義山區(qū)，環(huán)境作用等級為T2環(huán)境，當(dāng)?shù)靥烊簧百Y源匱乏，但本項(xiàng)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(yùn)輸至工地，因運(yùn)距遠(yuǎn)及運(yùn)輸?shù)缆窢顩r差，較其它地區(qū)而言，噴射混凝土的成本大幅提高。

本項(xiàng)目隧道掘進(jìn)出碴除了小部分用于路基填筑外，大部需運(yùn)至棄土場丟棄。隧道圍巖多為石灰質(zhì)巖石，為了降低噴射混凝土的成本，同時減少棄碴，保護(hù)環(huán)境，項(xiàng)目經(jīng)理部經(jīng)評估后，決定采用合格材質(zhì)的隧道棄碴產(chǎn)成機(jī)制砂配制噴射混凝土。

2 機(jī)制砂的性能特點(diǎn)及機(jī)制砂噴射混凝土配合比的設(shè)計(jì)

機(jī)制砂的母材通常為白云巖和石灰?guī)r，屬于非活性集料，其物理性能和化學(xué)性能優(yōu)良，機(jī)制砂在砂漿及較低標(biāo)號的混凝土中得到廣泛了應(yīng)用，其施工配合比的設(shè)計(jì)技術(shù)也相對成熟。

但將機(jī)制砂用于拌制隧道初支的噴射混凝土的施工實(shí)踐較少，在配合比設(shè)計(jì)及施工操作方面可借鑒的經(jīng)驗(yàn)缺乏，而噴射混凝土在技術(shù)性能要求上與混凝土存在非常大的差異，機(jī)制砂混凝土施工方面的經(jīng)驗(yàn)也不能簡單地套用于機(jī)制砂噴射混凝土。為了確保施工質(zhì)量，本項(xiàng)目需在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證機(jī)制砂用于拌制噴射混凝土的可行性，及研究機(jī)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(guī)律，并最終制定出指標(biāo)參數(shù)滿足規(guī)范要求的機(jī)制砂噴射混凝土配合比。

3 原材料的選用及試驗(yàn)方案的制定

3.1 原材料的選用

①水泥。

地勘資料及環(huán)境水測試均表明當(dāng)?shù)丨h(huán)境作用等級為T2環(huán)境，故水泥選用普通硅鹽水泥即可。綜合技術(shù)及經(jīng)濟(jì)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(biāo)見表1。

②砂子的選料及檢驗(yàn)。

通常噴射混凝土采用中砂粗，如使用細(xì)度模數(shù)太小的砂，噴射混凝土的干縮大，在混凝土表面產(chǎn)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(jīng)驗(yàn)是砂子的細(xì)度模數(shù)在2.5～3.2之間效果最佳。本項(xiàng)目自制機(jī)制砂，經(jīng)對生產(chǎn)工藝及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，生產(chǎn)出符合要求的機(jī)制砂，屬于Ⅰ區(qū)粗砂。其試驗(yàn)檢測結(jié)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(xiàng)目部自行加工生產(chǎn)的5～10mm碎石，經(jīng)檢測各項(xiàng)指標(biāo)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(zhǔn)配合比確定

按照《JGJ55-2000普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定，并結(jié)合施工規(guī)范對于噴射混凝土的性能指標(biāo)要求進(jìn)行基準(zhǔn)配合比的設(shè)計(jì)。最終計(jì)算所得基準(zhǔn)備配合比為：

水泥：機(jī)制砂：碎石：水：減水劑：速凝劑=365：892：892：183：4.38：14.6

3.3 基準(zhǔn)配合比試配和試噴

按基準(zhǔn)配合比進(jìn)行試配，其性能參數(shù)試驗(yàn)值如表3所示，坍落度、初凝時間、終凝時間、強(qiáng)度值等滿足設(shè)計(jì)要求。但按基準(zhǔn)配合比進(jìn)行了現(xiàn)場試噴，試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土附著性較差，顯松散狀，導(dǎo)致達(dá)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(xiàn)象。證明基準(zhǔn)配合比的參數(shù)不合理，需進(jìn)行調(diào)整。

4 配合比的調(diào)整及試驗(yàn)成果

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

因?qū)τ趪娚浠炷炼?，?qiáng)度與回彈率為最為重要的兩個指標(biāo)。本項(xiàng)目擬分別研究不同砂率、水泥用量、水灰比對噴射混凝土強(qiáng)度與回彈率的影響規(guī)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(rèn)為：本項(xiàng)目使用的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)超過3.16，劃分為Ⅰ區(qū)粗砂，機(jī)制砂與天然河砂相比，棱角性好，空隙率也較大。因機(jī)制砂顆粒呈棱角性，沒有河砂圓潤，砂的細(xì)度模數(shù)也偏粗，故較低砂率的情況下，機(jī)制砂的中石粉及細(xì)小顆粒部分不能完全填充混凝土空隙，導(dǎo)致噴射混凝土的和易性差，從而噴射混凝土?xí)r的回彈率也高。當(dāng)提高砂率后，相應(yīng)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(shù)量后，反而降低的混凝土的性能，導(dǎo)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(qiáng)度呈持續(xù)增長的趨勢，那是因?yàn)槭蹧]有活性，微細(xì)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(shí)度得以提高，進(jìn)而混凝土強(qiáng)度得到提升。很多工程技術(shù)人員認(rèn)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(qiáng)度，本次試驗(yàn)證明，在合理石粉含量內(nèi)對混凝土強(qiáng)度是起到增強(qiáng)的作用的，故要對石粉的作用有正確的認(rèn)識，方能設(shè)計(jì)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(jī)制砂噴射混凝土強(qiáng)度及回彈率有著關(guān)鍵性的影響，故就不同單位水泥用量情況下進(jìn)行噴射混凝土的強(qiáng)度及回彈率影響的試驗(yàn)研究。

不同單位水泥用量情況下噴射混凝土的強(qiáng)度及回彈率試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(dāng)單位水泥用量為480kg時達(dá)到較低的回彈率為8.3%；當(dāng)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?？梢娫诒卷?xiàng)目所采用的材質(zhì)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(yàn)的水泥用量，混凝土強(qiáng)度隨著單位水泥用量的增長基本呈正比例關(guān)系。

4.3 水灰比對噴射砼的影響

混凝土水灰比同樣對機(jī)制噴射混凝土強(qiáng)度及回彈率有著重要影響，由于機(jī)制砂與天然砂的物理及化學(xué)性能存在很大的差異性，故不能利用天然砂的配合比設(shè)計(jì)理論及經(jīng)驗(yàn)，故本項(xiàng)目進(jìn)行不同水灰比情況對混凝土強(qiáng)度及回彈率影響規(guī)律的研究試驗(yàn)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示，關(guān)系曲線見圖3。

由圖3曲線可知，水灰比處0.45～0.50區(qū)間，噴射混凝土回彈率最低，當(dāng)水灰比減少或是增加時，回彈率均呈增加趨勢。分析認(rèn)為。當(dāng)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(dāng)水灰比過高時，混凝土呈流動的塑性狀態(tài)，噴射的混凝土在重力作用下流淌，而提高了回彈率。

當(dāng)水灰比為0.4時有最高的抗壓強(qiáng)度37.9MPa，當(dāng)水灰比增大或減小時，強(qiáng)度均有小幅降低，水灰比在0.35～0.50范圍內(nèi)，均能達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度。

4.4 選定的施工配合比

經(jīng)對上述的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，總結(jié)了各參數(shù)試噴射混凝土性能指標(biāo)的影響規(guī)律，綜合考慮了噴射混凝土各項(xiàng)指標(biāo)的要求，調(diào)整了施工配合比，并經(jīng)多次試配及試噴，經(jīng)優(yōu)化的最終施工配合比及試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(qiáng)度平均39.2MPa，噴射的混凝土表面光滑，呈現(xiàn)水亮光澤，表明機(jī)制砂噴射混凝土的施工配合比是科學(xué)合理的，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié)語

機(jī)制砂的石粉含量很容易超過規(guī)范的要求，生產(chǎn)出的成品，要嚴(yán)格控制石粉含量，控制石粉通常從料源方面進(jìn)行控制，根據(jù)有關(guān)資料及上述試驗(yàn)結(jié)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(guī)范的要求（根據(jù)混凝土的強(qiáng)度等級）。

機(jī)制砂由于生產(chǎn)加工機(jī)制砂的設(shè)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(zhì)量缺陷。單純使用機(jī)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(jī)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(jī)制砂的和易性。也可以摻加減水劑，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，合理降低水泥用量，節(jié)約工程成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)寶樹.隧道施工要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2011（01）.

[2]姚亞靈，楊金龍.客專機(jī)制砂噴射混凝土配比優(yōu)化[J].城市建設(shè)理論研究，2013（11）.

[3]王朝東，徐光苗，陳建平.人工砂在隧道噴射混凝土支護(hù)中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009（10）.

[4]張惠玲，彭蕙蕙，陳友治，黃緒泉.降低機(jī)制砂噴射混凝土回彈率的技術(shù)措施[J].混凝土，2007（3）.