機(jī)制砂在隧道噴射混凝土支護(hù)中的性能影響分析

王正華，王在杭，王建倉(cāng)，李慶達(dá)，于詠妍

（1. 云南云嶺高速公路建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650224；2. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088）

0 引言

中國(guó)鐵路運(yùn)輸建設(shè)的快速發(fā)展取得了輝煌的成就，截至 2018年末，中國(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)總里程達(dá) 13.1 萬(wàn) km，僅計(jì)入到運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道就達(dá) 15117 座，總里程達(dá)16331km；中國(guó)目前投入到運(yùn)營(yíng)的高速鐵路運(yùn)輸總里程為 2.9 萬(wàn) km，共建成總長(zhǎng) 4896km 總計(jì) 3028 座高速鐵路隧道[1]。隨著中國(guó)鐵路設(shè)施建設(shè)工程的高速發(fā)展，建筑用料的需求與日劇增，天然砂作為一種不可再生資源日漸匱乏，機(jī)制砂在建材市場(chǎng)替代天然砂用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的使用日益廣泛。

優(yōu)于天然砂的運(yùn)輸成本劣勢(shì)，機(jī)制砂大幅降低了基建中材料的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本，減少了過(guò)度開(kāi)采天然砂所帶的巨大環(huán)境壓力。同時(shí)，在隧道開(kāi)挖中產(chǎn)生的棄渣，往往需要占用大量土地資源以及消耗巨額資金進(jìn)行處理，通過(guò)制砂機(jī)等設(shè)備對(duì)優(yōu)質(zhì)的隧道棄渣進(jìn)行加工生產(chǎn)，并將生產(chǎn)的機(jī)制砂用于隧道混凝土生產(chǎn)可達(dá)到一舉兩得的效果。

1 隧道噴射混凝土中的用砂要求

機(jī)制砂主要是經(jīng)制砂機(jī)破碎而成，顆粒形貌尖銳、表面粗糙度大，與水泥等膠凝材料易于粘結(jié)，有利于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，普遍用于土木建筑行業(yè)。我國(guó)按技術(shù)要求將機(jī)制砂分為 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三個(gè)等級(jí)：Ⅰ 類用于強(qiáng)度等級(jí) C60 以上的混凝土；Ⅱ 類用于強(qiáng)度等級(jí) C30～C60 以及有抗凍、抗?jié)B或其它性能要求的混凝土；Ⅲ 類主要用于強(qiáng)度等級(jí)小于 C30 的混凝土和建筑砂漿。噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)一般設(shè)計(jì)為 C15 至C25 之間，參考 JTG F 60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[2]對(duì)砂的要求，混凝土應(yīng)采用級(jí)配良好、材質(zhì)堅(jiān)硬、顆粒表面清潔的河砂，當(dāng)河砂在建設(shè)中不易得到時(shí)，也可用山砂或硬質(zhì)巖石加工的機(jī)制砂。作為一種特殊的混凝土施工工藝，隧道支護(hù)噴射混凝土對(duì)用砂還有特定的工藝要求。試驗(yàn)證明，用于噴射混凝土中的砂最好選用細(xì)度模數(shù)大于 2.5、含泥量小于 5%、含水量按質(zhì)量計(jì)為 5%～7% 的中粗砂［3］。

參照規(guī)范 GB 14684—2011《建設(shè)用砂》[4]對(duì)機(jī)制砂技術(shù)要求的相關(guān)規(guī)定，建設(shè)用機(jī)制砂的顆粒級(jí)配需滿足表 1～3 的相關(guān)規(guī)定。

表1 顆粒級(jí)配

表2 石粉含量和泥塊含量（MB 值≤1.4 或快速法試驗(yàn)合格）

表3 石粉含量和泥塊含量（MB 值＞1.4 或快速法試驗(yàn)不合格）

2 隧道噴射混凝土中的機(jī)制砂和天然砂性能對(duì)比

（1）天然砂是經(jīng)長(zhǎng)久風(fēng)化而成的一種自然資源，其分布因地形差異原因產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻性且具有不可再生性，在我國(guó)公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展下，長(zhǎng)期不加節(jié)制的開(kāi)采礦石必然導(dǎo)致天然砂的枯竭，而機(jī)制砂是采用制砂機(jī)破碎而成的建筑材料，在顆粒形貌、顆粒級(jí)配等方面必然與天然砂存在著不同的性能特點(diǎn)。

（2）天然砂分布不均且處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，在一些山區(qū)較為集中，對(duì)于平原地區(qū)則相對(duì)稀缺，資源的不平衡限制了天然砂在工程建設(shè)中的應(yīng)用，而機(jī)制砂采用機(jī)械破碎從而緩解天然砂分布不均的問(wèn)題。

（3）天然砂各檔粒徑均有分布，而機(jī)制砂粒徑分布則比較集中于某檔粒組之中，明顯不及天然砂的級(jí)配性能，生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法較好地掌握顆粒大小，但機(jī)制砂顆粒形貌較好，相比于天然砂顆粒具有少量的細(xì)長(zhǎng)針尖狀，含泥量低、強(qiáng)度高，使用在混凝土中不會(huì)造成外觀質(zhì)量上的缺陷，還有益于提高混凝土的和易性能。

3 機(jī)制砂混凝土性能影響因素

3.1 巖性的影響

在隧道礦山法施工過(guò)程中，噴射混凝土是隧道支護(hù)的常用手段。噴射混凝土的性能直接影響著初期支護(hù)的質(zhì)量和施工效果。噴射混凝土是用噴射法施工的混凝土，要求砂及石子最大粒徑不大于 25mm，機(jī)制砂顆粒形貌存在較多尖銳狀，而天然砂在粒徑和粒形方面都明顯優(yōu)于機(jī)制砂。此外，機(jī)制砂的砂巖性也對(duì)混凝土具有不可忽略的影響。唐凱靖等[5]研究了機(jī)制砂石英質(zhì)和玄武巖質(zhì)兩種巖性對(duì)混凝土性能的不同影響；朱華勝等[6]研究了石灰石質(zhì)機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響。結(jié)果表明機(jī)制砂不同巖性對(duì)噴射混凝土性能影響也大為不同，如表 4 所示，石英質(zhì)機(jī)制砂因表面附著有較多石粉，導(dǎo)致混凝土坍落度和擴(kuò)展度性能較差；玄武巖質(zhì)機(jī)制砂含有鋁、鈣等金屬氧化物活性礦物成分，在水中可以部分溶出，再次發(fā)生具有火山灰作用的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物顆粒細(xì)小，可部分或完全填充于混凝土骨料孔隙之中，使得混凝土致密性提高；石灰石質(zhì)機(jī)制砂石粉含量普遍較多，但較高的石粉含量對(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生負(fù)面作用使其和易性大幅下降。

表4 不同巖性機(jī)制砂的性能對(duì)比

3.2 石粉的影響

機(jī)制砂中普遍含有一定量的石粉，石粉對(duì)混凝土的性能存在著明顯的影響。

一方面機(jī)制砂混凝土中不可避免地含有一定量的石粉；另一方面較高石粉含量對(duì)混凝土產(chǎn)生不利影響。朱華勝等[6]研究了機(jī)制砂 0%～20% 石粉含量對(duì)混凝土性能的影響，表明 12% 石粉含量的混凝土表現(xiàn)出較好的坍落度和擴(kuò)展度，而 20% 石粉含量的混凝土特別黏稠，和易性大幅減低。

石粉可一定程度填充混凝土中骨料顆粒間的空隙，使骨料間原本點(diǎn)與點(diǎn)的接觸通過(guò)石粉的填充作用轉(zhuǎn)變?yōu)槊媾c面接觸，增大了骨料間的接觸面積和摩擦作用，使混凝土骨架顆粒作用得更為穩(wěn)固，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度；但石粉含量過(guò)高則表現(xiàn)出性能差的特點(diǎn)，石粉含量過(guò)高導(dǎo)致石粉不能完全填充于混凝土砂石骨架顆?？障吨g，多余的石粉只能分散于骨架之外，與水分子接觸吸收水份，使混凝土缺水而粘稠導(dǎo)致流動(dòng)度變差，影響混凝土水化硬化作用。

3.3 級(jí)配的影響

砂石級(jí)配是混凝土技術(shù)要求中的關(guān)鍵性指標(biāo)，直接影響著混凝土的力學(xué)性能表現(xiàn)和工作效果，不同級(jí)配的機(jī)制砂其混凝土性能也各不相同，一般要求機(jī)制砂各檔粒徑含量要控制在一定范圍之內(nèi)，級(jí)配曲線呈“S”形時(shí)的機(jī)制砂級(jí)配良好，其混凝土性能也較好。

不良級(jí)配的機(jī)制砂其級(jí)配曲線變化率大，表示顆粒分布的均勻性和連續(xù)性不足，顆粒在某檔粒組中存在斷檔現(xiàn)象而造成級(jí)配不連續(xù)，顆粒粒徑均勻、粒間嵌接性差、骨架孔隙率大，承受荷載易產(chǎn)生較大變形，混凝土強(qiáng)度也處在較低水平。

艾志勇等[7]基于 6 種不同級(jí)配的機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明級(jí)配不良的機(jī)制砂混凝土在各齡期內(nèi)均表現(xiàn)出強(qiáng)度偏低；即使混凝土工作性能較好，但在機(jī)制砂各檔粒組百分比含量不適當(dāng)?shù)那闆r下，其混凝土強(qiáng)度仍略有偏低。機(jī)制砂相關(guān)文獻(xiàn)[8]研究表明，S 形顆粒級(jí)配曲線有利于混凝土內(nèi)部骨架形成懸浮—密實(shí)結(jié)構(gòu)，有利于提高混凝土的強(qiáng)度和工作性能。

4 機(jī)制砂噴射混凝土性能優(yōu)化

機(jī)制砂噴射混凝土工作性能直接關(guān)系著隧道的整體施工安全和質(zhì)量，初期支護(hù)是隧道施工中的重要安全防護(hù)。長(zhǎng)期以來(lái)，為保障隧道的安全圍繞初期支護(hù)噴射混凝土展開(kāi)了大量研究，對(duì)隧道噴射混凝土的性能進(jìn)行優(yōu)化可以提高整體工作性能。

（1）外加劑：在進(jìn)行隧道支護(hù)噴射混凝土施工時(shí)，加入少量外加劑可以改善混凝土的性能。加入減水劑可以短時(shí)間內(nèi)提升混凝土的強(qiáng)度；加入速凝劑可以使混凝土在短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)硬化。王兆[9]研究了聚丙烯纖維—纖維素纖維對(duì)襯砌混凝土性能的影響，結(jié)果表明在噴射混凝土中加入一定量的聚丙烯纖維可與圍巖表面產(chǎn)生粘結(jié)從而使混凝土與粘結(jié)面產(chǎn)生了抗拉強(qiáng)度，使噴射混凝土的抗?jié)B能力與抗氯離子侵蝕能力顯著提高。

（2）石粉含量：機(jī)制砂中石粉含量是影響混凝土性能的重要因素，適量石粉可以填充砂石顆?？障?，發(fā)揮級(jí)配效應(yīng)，增強(qiáng)混凝土骨料的密實(shí)性，使砂石顆粒間產(chǎn)生強(qiáng)有力的咬合力，提高了混凝土的黏聚性從而使混凝土具有較高的強(qiáng)度。丁浩[10]研究了機(jī)制砂混凝土中石粉的適宜含量，發(fā)現(xiàn)石粉含量與水膠比密切相關(guān)，在 0.35 水膠比下，石灰?guī)r機(jī)制砂石粉適宜含量為 7% 左右。

（3）級(jí)配優(yōu)化：機(jī)制砂配合比設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合顆粒篩分試驗(yàn)和工程實(shí)際情況而異做針對(duì)性的配合比設(shè)計(jì)。所選用的機(jī)制砂必須滿足我國(guó)規(guī)定的機(jī)制砂各粒級(jí)含量的范圍，通過(guò)篩分試驗(yàn)繪制級(jí)配曲線，根據(jù)富勒曲線和泰波公式對(duì)機(jī)制砂配合比進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)級(jí)配曲線接近級(jí)配中值時(shí)可認(rèn)為級(jí)配良好。

5 結(jié)語(yǔ)

在隧道支護(hù)混凝土施工中，機(jī)制砂的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，影響隧道初期支護(hù)機(jī)制砂噴射混凝土性能的因素眾多。合理認(rèn)識(shí)機(jī)制砂在隧道施工中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，全面認(rèn)識(shí)機(jī)制砂和天然砂不同的特點(diǎn)，充分利用機(jī)制砂的潛在價(jià)值，從機(jī)制砂的原材料、生產(chǎn)工藝、施工水平等加強(qiáng)機(jī)制砂的性能研究，對(duì)于促進(jìn)機(jī)制砂在建設(shè)行業(yè)中持續(xù)健康利用具有重要意義。