觀音閣水庫輸水工程隧洞襯砌人工砂混凝土技術(shù)探討

馬 路

(本溪泓源供水有限責(zé)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(jīng)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(qū)，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(shè)，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(shè)區(qū)域存在豐富的人工砂資源，本溪市內(nèi)的天然河沙細度模數(shù)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(diào)研，對主要料場的產(chǎn)品進行理化試驗和配合比試配，對人工砂應(yīng)用給出了解決方案和經(jīng)濟評價。人工砂應(yīng)用不當易造成混凝土開裂，由于觀音閣水庫輸水工程建設(shè)所在區(qū)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(yīng)用進行分析探討。

1 人工砂市場調(diào)研

1.1 調(diào)查內(nèi)容

機制砂，又稱人工砂。機制砂、混合砂主要應(yīng)用于建筑、市政、交通等建設(shè)工程中的C60 及以下強度等級的混凝土。在滿足相應(yīng)的技術(shù)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(shù)2.4～2.8，表面含水率＜6%，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖的顆粒。

建設(shè)單位質(zhì)量負責(zé)人組織了設(shè)計單位現(xiàn)場代表、建設(shè)單位技術(shù)負責(zé)人、監(jiān)理單位副總監(jiān)和施工單位技術(shù)代表，利用一周的時間對本溪市地區(qū)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(chǎn)工藝、產(chǎn)成品等進行詳細的調(diào)研，對關(guān)鍵環(huán)節(jié)的母材、中間產(chǎn)品和產(chǎn)成品全部取樣送檢，對主要碎石場生產(chǎn)的人工砂進行抽樣檢測。

1.2 產(chǎn)地

本溪市為山區(qū)城市，市內(nèi)石灰石礦、鐵礦分部廣泛，規(guī)模以上生產(chǎn)廠家眾多，一般施工工地距最近產(chǎn)地距離均小于20 km，近者可達1 km～5 km。

1.3 母材供應(yīng)

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

1.4 產(chǎn)能

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

顎式破碎機一臺搭配小型制砂機一臺的產(chǎn)能為：碎石10000 m3/月，副產(chǎn)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(shè)備及生產(chǎn)工藝限制，該型生產(chǎn)線不具備批量生產(chǎn)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(jù)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(diào)研結(jié)果見表1。

表1 人工砂市場調(diào)研信息

1.6 質(zhì)量情況

目前市場上各企業(yè)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(chǎn)的成品人工砂均為破碎碎石產(chǎn)生的廢棄副產(chǎn)品石粉，不是正規(guī)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?xí)乐赜绊懩z凝材料與粗細骨料的握裹力，導(dǎo)致混凝土強度降低、耐久性差、和易性差，且會從混凝土內(nèi)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(qū)分。根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006），人工砂石粉含量在6%～18%為合格，但并未規(guī)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(xiàn)象時有發(fā)生。然而在國標和電力系統(tǒng)水工混凝土等規(guī)范中明確規(guī)定了石粉中不能含有膨脹性黏土即泥的成分， 例如《建設(shè)用砂》（GBT_14684-2011）、《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》（DL/T 5151-2014），有關(guān)行業(yè)也早在2002 年便規(guī)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(jù)《建設(shè)用砂》GBT_14684-2011 對主要料場的人工砂進行檢測，結(jié)果表明：本溪市內(nèi)主要料場人工砂MB 值均值為5.1。已有資料和相關(guān)實驗表明：MB 值越大，石粉中含泥量越大，在此不再敷述相關(guān)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(yīng)符合表2 的規(guī)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(yīng)符合表3 的規(guī)定。

在遼寧省某大型引調(diào)水水利工程建設(shè)期間，在配制水工混凝土配合比實驗時發(fā)現(xiàn)，盲目的用水洗去石粉中細顆粒物質(zhì)，會導(dǎo)致人工細骨料級配不良，細顆粒減少，比表面積降低，導(dǎo)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(chǎn)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(huán)保部門的相關(guān)規(guī)定，也與習(xí)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(chǎn)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(chǎn)工藝，引進了一臺12 t/h～520 t/h 型專用制砂設(shè)備，將初次破碎產(chǎn)生的潔凈碎石進行二次破碎，二次破碎產(chǎn)生的機制砂則為潔凈的不含泥的優(yōu)質(zhì)機制砂，經(jīng)亞甲藍實驗檢測MB 值和石粉含量能夠滿足人工細骨料質(zhì)量標準的，可進行適配。最終確定使用偏嶺河沙和西湖區(qū)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(jié)果見表4。

表4 檢測結(jié)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(yōu)選天然砂與人工砂混合最優(yōu)摻配比例；

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

2.2 實驗內(nèi)容

依據(jù)相關(guān)標準和工程設(shè)計要求對主要原材料性能和質(zhì)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(guī)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(yōu)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(nèi)容

依據(jù)優(yōu)選出的混凝土配合比，每組配合比制作樣板，同時測試對應(yīng)混凝土拌和物性能，制作硬化混凝土的抗壓強度、抗?jié)B試件，并測試對應(yīng)齡期硬化混凝土性能指標?；炷僚浜媳戎袑嶒炈鲈噳K養(yǎng)護條件為在隧洞中自然養(yǎng)護，隨時觀測樣板的外觀質(zhì)量以及裂縫情況。

2.3 實驗結(jié)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(zhì)量情況見表7。

表7 同水膠比不同混合比例混凝土質(zhì)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(zhì)量情況見表9。

表9 同和易性不同混合比例混凝土質(zhì)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(zhì)和泥質(zhì)，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(jié)合度，使強度和耐久性顯著提升，但是使用人工砂多數(shù)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(jīng)過試驗對比確定50%的人工砂參量對混凝土性能影響和經(jīng)濟效益評價最優(yōu)。

3 經(jīng)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(jié)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(jié)語

二次破碎產(chǎn)生的機制砂潔凈、不含泥，經(jīng)亞甲藍實驗檢測MB值和石粉含量能夠滿足人工細骨料質(zhì)量標準的，可進行試配。根據(jù)實驗結(jié)果選擇質(zhì)量合格、經(jīng)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(jīng)濟效益明顯。工程于2018 年7 月1 日正式建成通水，工程質(zhì)量驗收合格，達到水利工程優(yōu)良標準，外觀質(zhì)量優(yōu)良。隨著本地區(qū)天然砂資源的枯竭，機制砂不管是從經(jīng)濟合理性還是儲量替代天然砂都勢在必行、也應(yīng)盡早提上日程。