隧道洞渣加工機(jī)制砂在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用研究

李炎飛

摘 要：高速公路隧道洞渣常常作為廢渣丟棄，既占用土地又影響環(huán)境，合理利用隧道洞渣是建設(shè)綠色公路的必然要求。池祁項(xiàng)目通過(guò)在隧道口附近路基上布設(shè)加工設(shè)備，綜合應(yīng)用三級(jí)破碎工藝和布袋除塵工藝，采用源頭優(yōu)選、晾曬洞渣、建立質(zhì)量控制系統(tǒng)等方法加強(qiáng)質(zhì)量控制，用隧道洞渣加工出滿足Ⅱ類建設(shè)用砂要求的機(jī)制砂，并成功應(yīng)用于高速公路建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了隧道洞渣的資源化利用。研究表明，用隧道洞渣加工機(jī)制砂技術(shù)可行，將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于高速公路建設(shè)可節(jié)約投資、減少占地、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：洞渣;機(jī)制砂;石粉

中圖分類號(hào)：U454 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隧道施工中產(chǎn)生大量的洞渣是不可避免的，處理這些洞渣，需要征用大量的永久用地，棄渣過(guò)程中將產(chǎn)生大量的運(yùn)輸費(fèi)用。隧道施工中，混凝土需求量大。目前全國(guó)范圍內(nèi)砂石料逐漸枯竭，在地材資源不豐富的地方，混凝土砂石料將大大提高工程成本。在洞渣質(zhì)量滿足制備砂石料的前提下，采用洞渣制備砂石料將產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益。洞渣的綜合利用，也符合當(dāng)前國(guó)家推行的綠色工程的政策。

1 項(xiàng)目研究背景

G3W德州至上饒高速公路池州至祁門段是國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目，是京臺(tái)高速（G3）西側(cè)并行線，也是安徽省“五縱九橫”高速公路網(wǎng)規(guī)劃中“縱三”高速公路的一段。項(xiàng)目全長(zhǎng)91.656 km，全線隧道共長(zhǎng)31.46 km，橋梁共長(zhǎng)23.2 km，橋隧比高達(dá)60%，為安徽省之最。其中和龍山隧道、釣魚(yú)臺(tái)3號(hào)隧道圍巖以灰?guī)r為主，重陽(yáng)1號(hào)隧道、寶石嶺隧道圍巖以花崗巖為主，重陽(yáng)2號(hào)隧道圍巖以花崗巖和灰?guī)r為主，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，花崗巖和灰?guī)r的飽水抗壓強(qiáng)度均大于80 MPa，對(duì)應(yīng)加工而成的集料堅(jiān)固性、云母含量、硫化物及硫酸鹽含量等指標(biāo)均能符合要求，具備加工機(jī)制砂的基本條件。

2 機(jī)制砂生產(chǎn)工藝研究

2.1 母材甄選分類

用于生產(chǎn)機(jī)制砂的母巖為石灰?guī)r、花崗巖等潔凈、質(zhì)地堅(jiān)硬、無(wú)軟弱顆粒及無(wú)風(fēng)化石的巖石，不應(yīng)具有潛在的堿集料反應(yīng)活性，母巖抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于所配置混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的2倍。隧道洞渣加工前，進(jìn)行巖性分析檢測(cè)，洞渣巖性發(fā)生明顯變化時(shí)，及時(shí)取樣進(jìn)行巖性分析及飽水抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)。采用由母巖加工后生產(chǎn)的10 mm～20 mm粒徑的碎石加工機(jī)制砂（用于高性能混凝土?xí)r，此碎石的壓碎值滿足≤20%）。

2.2 生產(chǎn)設(shè)備選型

根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模確定，考慮母巖種類及性能，選用生產(chǎn)機(jī)制砂的專用設(shè)備技術(shù)需滿足可靠、經(jīng)濟(jì)合理、兼顧環(huán)保要求。

機(jī)制砂生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)由給料設(shè)備、破碎設(shè)備、制砂設(shè)備、篩分設(shè)備、洗砂設(shè)備或除塵設(shè)備、輸送設(shè)備等組成，按需要增加整形設(shè)備、攪拌混合設(shè)備等。

機(jī)制砂生產(chǎn)工藝根據(jù)制砂過(guò)程中的除塵方式，可分為干法制砂、濕法制砂。優(yōu)先選用干法生產(chǎn)，因?yàn)闈穹ㄉa(chǎn)的水頭、水壓難以調(diào)控，機(jī)制砂石粉含量偏小，且需要進(jìn)行污水處理。濕法生產(chǎn)的機(jī)制砂用于生產(chǎn)混凝土?xí)r，料倉(cāng)堆積導(dǎo)致機(jī)制砂含水率差別較大，給施工控制帶來(lái)困難。對(duì)于石英含量較多的花崗巖等，滿足水源及環(huán)保條件下也可采用濕法制砂。

2.3 機(jī)械組合形式

機(jī)制砂加工采用粗碎（原料破碎）、細(xì)碎（規(guī)格碎石破碎）和制砂的三級(jí)破碎工藝。機(jī)制砂的破碎設(shè)備按下列配置：

一級(jí)破碎選用顎式破碎機(jī)。

二級(jí)破碎選用反擊破碎機(jī)、圓錐式破碎機(jī)或立式?jīng)_擊破碎機(jī)。

三級(jí)破碎選用立軸式?jīng)_擊制砂機(jī)，不使用單純的錘式制砂機(jī)，有條件的情況下，可以使用能夠?qū)崿F(xiàn)“制砂+整形+細(xì)度模數(shù)調(diào)整”的單破碎制砂機(jī)。

干法生產(chǎn)采用多級(jí)袋式除塵系統(tǒng)除塵，除去的0.075 mm以上的顆粒回收。

水洗設(shè)備主要有輪式洗砂機(jī)和螺旋洗砂機(jī)。

2.4 石粉含量控制

經(jīng)混凝土配合比驗(yàn)證結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合理的石粉含量可以起到很好的潤(rùn)滑和填充作用。石粉可以看成一種惰性的摻合料，混凝土中總體的膠凝材料用量應(yīng)考慮控制在570 kg/m3。所以石粉含量應(yīng)當(dāng)在3%至15%范圍內(nèi)，最佳在8%左右（根據(jù)母巖材質(zhì)不同，最佳石粉含量會(huì)有波動(dòng)）。但石粉含量3%的機(jī)制砂因要滿足混凝土和易性，就需要通過(guò)添加水泥用量或水泥漿用量、增加外加劑用量加以調(diào)整，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮比較困難，而且外加劑用量增加，混凝土黏聚力比較大，給施工帶來(lái)困難。石粉含量15%的機(jī)制砂拌和混凝土，因砂漿量較大，容易出現(xiàn)泌水等現(xiàn)象，給結(jié)構(gòu)物外觀帶來(lái)缺陷。

3 機(jī)制砂混凝土質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）加強(qiáng)機(jī)制砂成品質(zhì)量檢測(cè)。按《建設(shè)用砂》（GB/T 14684-2011）方法，以同一料源、同一規(guī)格、同一生產(chǎn)設(shè)備每400 m3或600 t為一檢測(cè)批。加工產(chǎn)品每批必檢項(xiàng)目：顆粒級(jí)配、堆積密度、石粉含量、壓碎值。每個(gè)料源增加一次氯離子含量檢測(cè)和堅(jiān)固性檢測(cè)、堿活性檢測(cè)。

（2）機(jī)制砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)原材料性能以及混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、耐久性、工作性等相關(guān)技術(shù)要求，按《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）的有關(guān)規(guī)定，通過(guò)計(jì)算、試配、調(diào)整等步驟進(jìn)行。

由于機(jī)制砂棱角較多、表面較為粗糙且石粉含量較高，易導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土出現(xiàn)和易性差、離析、泌水等問(wèn)題。因此，混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)、顆粒級(jí)配、石粉含量，按所選水灰比及碎石最大粒徑通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選確定砂率，并可通過(guò)摻配緩凝高效減水劑、粉煤灰等外摻料，在低水灰比條件下，配制出坍落度損失小、和易性好、強(qiáng)度和耐久性高的混凝土。

（3）加強(qiáng)機(jī)制砂混凝土拌和物的攪拌。機(jī)制砂含有較多石粉，在拌制過(guò)程中不易攪拌均勻。必須采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，若為較天然砂混凝土，可適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，以改善機(jī)制砂混凝土的和易性。

（4）加強(qiáng)機(jī)制砂混凝土拌和物的質(zhì)量控制。機(jī)制砂混凝土的工作性對(duì)用水量和減水劑的改變以及砂的細(xì)度模數(shù)、級(jí)配、石粉含量和砂率的變化較為敏感。要密切觀察混凝土的拌和質(zhì)量，適當(dāng)加大坍落度的檢測(cè)頻率?；炷辽a(chǎn)過(guò)程中，必須加強(qiáng)機(jī)制砂和外加劑的質(zhì)量檢驗(yàn)，并定期對(duì)拌和設(shè)備的配料計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，嚴(yán)格控制計(jì)量精度。

（5）施工時(shí)應(yīng)注意機(jī)制砂混凝土的合理振搗。振搗時(shí)應(yīng)以混凝土不再沉落、不冒氣泡、表面平坦呈現(xiàn)浮漿為度，防止漏振、欠振和過(guò)振。機(jī)制砂混凝土比天然砂混凝土易于液化，尤要避免過(guò)振，以防止出現(xiàn)蜂窩、麻面或表面形成疏松層。摻礦物摻合料混凝土振搗時(shí)，振搗后的混凝土表面不應(yīng)出現(xiàn)明顯的摻合料浮漿層。

（6）加強(qiáng)機(jī)制砂混凝土的養(yǎng)護(hù)。機(jī)制砂混凝土中粉體含量較高，早期收縮較大。要特別加強(qiáng)早期保濕養(yǎng)護(hù)，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)比天然砂混凝土適當(dāng)延長(zhǎng)（2天～3天），以防止混凝土出現(xiàn)收縮裂縫，影響結(jié)構(gòu)使用耐久性。

4 預(yù)計(jì)達(dá)到的效益

首先，經(jīng)濟(jì)效益。利用隧道洞渣加工成混凝土用砂石料，可節(jié)約外購(gòu)運(yùn)輸費(fèi)和購(gòu)買費(fèi)用，節(jié)約棄渣堆放用地征地費(fèi)用、外運(yùn)砂石料便道修筑費(fèi)等，從而降低工程成本，呈現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益勢(shì)必?zé)o法忽視。

其次，社會(huì)效益。能夠大幅緩解皖南山區(qū)高速公路砂石原材料需求量大與獲取困難、價(jià)高、質(zhì)量差等之間的矛盾，提高生產(chǎn)建設(shè)效率。同時(shí)也減輕了因長(zhǎng)距離調(diào)運(yùn)砂石而造成的社會(huì)交通壓力，對(duì)安徽省境內(nèi)以及全國(guó)公路建設(shè)均能產(chǎn)生良好效益。

最后，環(huán)境效益。實(shí)現(xiàn)隧道棄渣的有效利用，減少了固體廢棄物排放量，降低了棄渣對(duì)農(nóng)田、河道等的影響，緩解了因采集砂石料對(duì)山體和水域的破壞，保持了生態(tài)景觀的完整性。

5 結(jié)束語(yǔ)

此方面的研究能提升洞渣附加值，彌補(bǔ)天然砂石量不足的同時(shí)，也解決棄渣處理的問(wèn)題。同時(shí)，由于對(duì)天然砂石需求量的有效減少，無(wú)需因?yàn)殚_(kāi)采而破壞生態(tài)平衡，緩解因外購(gòu)而引發(fā)的交通壓力。所以，該課題研究應(yīng)當(dāng)逐漸衍生至鐵路軌道、水利、建筑等項(xiàng)目中。

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