隧道洞渣加工機(jī)制砂在預(yù)制T梁中的應(yīng)用研究*

張立人 王 巖 張仲權(quán) 張凌強(qiáng) 李北星

(1.中交二公局第四工程有限公司 洛陽 471000； 2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

三峽翻壩江北高速公路位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)境內(nèi)山嶺重丘區(qū)，路線全長35.78 km，橋隧比例高，其中橋梁30座，總長約9 644 m，隧道10座，總長約11 665 m。隧道開挖產(chǎn)生大量洞渣需要處置，與此同時，項目的橋涵與隧道修建需要消耗大量砂石集料來配制混凝土，而項目周邊河砂和優(yōu)質(zhì)碎石資源匱乏，環(huán)境保護(hù)要求又高。因此，將隧道洞渣加工成機(jī)制砂石用于公路工程混凝土施工中，對于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。近年來，我國有少數(shù)高速公路、鐵路工程中開展了利用隧道洞渣加工成機(jī)制砂石集料應(yīng)用于混凝土工程的探索[1-4]。

近年來，國內(nèi)外圍繞機(jī)制砂混凝土的配制與性能及應(yīng)用技術(shù)開展了大量相關(guān)研究，但這些研究多以石灰?guī)r機(jī)制砂為對象[5-7]?；◢弾r由于用于裝飾石材價值更高，故很少加工成砂石集料配制混凝土，導(dǎo)致國內(nèi)外對花崗巖機(jī)制砂混凝土的研究與應(yīng)用較少[8-10]，應(yīng)用主要是在C40及以下混凝土工程中。由于對花崗巖機(jī)制砂混凝土的長期收縮徐變性能、荷載疲勞性能和耐久性能認(rèn)識還不足，導(dǎo)致目前還不敢用于C50及以上的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，對于利用隧道花崗巖洞渣加工機(jī)制砂的品質(zhì)及制備預(yù)制T梁的使用性能更是心存疑慮。針對上述問題，本文依托三峽翻壩江北高速公路項目，研究隧道花崗巖洞渣加工的機(jī)制砂特性，優(yōu)化預(yù)制T梁用C50機(jī)制砂混凝土的配合比并對其強(qiáng)度、彈性模量，以及耐久性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過靜載試驗(yàn)測試了該花崗巖機(jī)制砂混凝土預(yù)制T梁的承載能力，以期為花崗巖洞渣機(jī)制砂在混凝土預(yù)制T梁工程中的應(yīng)用提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1) 水泥。為葛洲壩當(dāng)陽水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥和P·O 52.5水泥，其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

2) 粉煤灰。為華能岳陽發(fā)電有限責(zé)任公司F類I級粉煤灰，主要性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

3) 花崗巖機(jī)制砂。該機(jī)制砂與碎石采用砂石聯(lián)產(chǎn)濕法工藝進(jìn)行生產(chǎn)，隧道花崗巖洞渣經(jīng)人工初選后，喂入振動給料機(jī)，通過顎式破碎機(jī)粗碎、圓錐式破碎機(jī)中碎、立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)細(xì)碎三段破碎工藝制成砂，再經(jīng)輪式洗砂機(jī)除粉制得所需石粉含量的成品砂。試驗(yàn)所用機(jī)制砂的級配曲線見圖1，其主要性能指標(biāo)見表3。

圖1 花崗巖機(jī)制砂級配曲線

表3 花崗巖機(jī)制砂性能指標(biāo)

由表3和圖1可以看出，該機(jī)制砂屬于2區(qū)級配，各項指標(biāo)均符合JTG/T F50-2011 《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》I類砂規(guī)定。

4) 花崗巖碎石：5～20 mm連續(xù)級配，由4.75～9.5 mm與9.5～19 mm粒級按質(zhì)量比20∶80搭配而成，主要性能指標(biāo)見表4。

表4 花崗巖碎石性能指標(biāo)

5) 外加劑：湖北天安聚羧酸高性能減水劑，含固量23%，減水率27%，含氣量3.1%。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土工作性能測試依據(jù)GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；力學(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，彈性模量試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。

混凝土抗?jié)B性能、抗凍性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行?？?jié)B性能采用快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)試驗(yàn)，試件直徑×高度=100 mm×50 mm短圓柱體，養(yǎng)護(hù)齡期28，84 d?？箖鲂栽囼?yàn)按快凍法進(jìn)行，試件為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體，養(yǎng)護(hù)28 d齡期后開始凍融試驗(yàn)，每凍融循環(huán)50次測定1次試件的動彈模量，共凍融循環(huán)300次。

混凝土T梁靜載試驗(yàn)依據(jù)JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》和JTG/T J21-01-2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 T梁C50機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》和JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計了12個C50機(jī)制砂混凝土配合比供T梁預(yù)制優(yōu)選，主要考察水泥強(qiáng)度等級、膠凝材料用量、粉煤灰摻量、砂率等因素的影響。其混凝土配合比設(shè)計及工作性和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 T梁C50混凝土配合比設(shè)計及工作性和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表5

由表5試驗(yàn)結(jié)果可知：

1) 1號～8號配比為采用42.5 P·O水泥摻入10%～15%粉煤灰配制的C50機(jī)制砂混凝土，9號～12號為采用52.5 P·O水泥摻入13%～18%粉煤灰配制的C50機(jī)制砂混凝土，上述12個配比混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度均大于設(shè)計強(qiáng)度值(50 MPa)，滿足7 d張拉強(qiáng)度要求，28 d抗壓強(qiáng)度均大于59.9 MPa，滿足28 d試配強(qiáng)度要求。因此，42.5 P·O和52.5 P·O水泥都可以用于該C50 T梁混凝土的配制。

與52.5 P·O水泥相比，42.5 P·O水泥的水化熱低、比表面積小，因此采用42.5 P·O水泥配制的C50混凝土早期水化熱溫升和收縮率低于52.5 P·O水泥的混凝土，且42.5 P·O水泥配制的混凝土材料成本更低，因此選定42.5 P·O水泥進(jìn)行C50機(jī)制砂混凝土預(yù)制T梁的施工。

2) 在膠凝材料用量、水膠比和砂率等配合比參數(shù)相同情況下，摻有粉煤灰10%～15%的2號、3號和4號配比，其流動性優(yōu)于純水泥混凝土1號配比，7 d強(qiáng)度略高或相差不大，28 d強(qiáng)度高于純水泥混凝土2.2～3.9 MPa；當(dāng)粉煤灰摻量10%時，混凝土28 d強(qiáng)度最高，達(dá)到64.1 MPa。

3) 在粉煤灰摻量同為10%、水膠比同為0.31情況下，與膠凝材料用量483 kg/m3的2號配比相比，膠凝材料用量497 kg/m3的5號配比混凝土流動性有所增大，強(qiáng)度略有提高?？紤]到實(shí)際施工中機(jī)制砂質(zhì)量波動較大，推薦了膠凝材料用量497 kg/m3，其配制的混凝土工作性和強(qiáng)度富余更大。

4) 在固定水膠比和單位用水量下，砂率對混凝土強(qiáng)度的影響相對較小，而對混凝土工作性影響較大。當(dāng)砂率由39%提高到41%，混凝土坍落度和擴(kuò)展度均下降，這是因?yàn)樯奥实脑黾訉?dǎo)致集料總比表面積增加且由機(jī)制砂帶入的石粉數(shù)量增大，引起混凝土拌合物黏滯性增大而降低混凝土的流動性。考慮混凝土的各項性能，本試驗(yàn)砂率選定40%。

通過上述機(jī)制砂T梁混凝土工作性能和強(qiáng)度試驗(yàn)，優(yōu)選出7號配合比供C50混凝土預(yù)制T梁施工使用，即：42.5 P·O水泥∶粉煤灰∶機(jī)制砂∶碎石∶水∶減水劑=437∶60∶720∶1 080∶154∶6.71(質(zhì)量比)。

2.2 T梁C50機(jī)制砂混凝土耐久性能

對優(yōu)選的7號機(jī)制砂混凝土配合比進(jìn)一步進(jìn)行彈性模量和耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果見表6。

表6 C50機(jī)制砂混凝土優(yōu)化配比的彈性模量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和抗凍性測試結(jié)果

由表6可知，混凝土7，28 d彈性模量均大于規(guī)范要求的3.45×104MPa指標(biāo)值；84 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為1.89×10-12m2/s，小于2.5×10-12m2/s，抗氯離子滲透性達(dá)到GB 50164-2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》中的RCM-IV級，抗氯離子滲透性好；經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，混凝土相對動彈性模量大于90%，表明利用該隧道花崗巖洞渣機(jī)制砂制備的C50混凝土抗凍等級遠(yuǎn)大于F300級，具有很高的抗凍性。

2.3 C50機(jī)制砂混凝土T梁靜載試驗(yàn)

按上述優(yōu)化的C50機(jī)制砂混凝土配合比，預(yù)制了一片25.5 m 預(yù)應(yīng)力混凝土T梁(三峽翻壩江北高速公路樂天溪互通主線橋左幅10-3號 T梁)，養(yǎng)護(hù)達(dá)到28 d齡期后對該T梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。加載方式采用加載梁移動集中荷載實(shí)行分級加載，在跨中堆載1.0 m寬度的配重塊方式進(jìn)行荷載。梁體應(yīng)變采用電阻式混凝土應(yīng)變進(jìn)行測定，撓度采用撓度計進(jìn)行測定。

試驗(yàn)荷載按該橋中梁跨中設(shè)計彎矩值2 860 kN·m控制，T梁靜載試驗(yàn)分6級加載、逐級卸載，荷載等級分別為573.8，978.8，1 464.8，2 038.5，2 443.5，2 929.5 kN·m 6級，現(xiàn)場實(shí)際加載試驗(yàn)彎矩為2 929.5 kN·m，荷載效率為1.02，滿足JTG/T J21-2011對試驗(yàn)效率介于0.95～1.05的要求。以T梁跨中截面作為主要應(yīng)變控制截面，沿高度方向布置5個應(yīng)變測點(diǎn)；T梁的撓度布置測試截面5個，分別位于跨中截面、四分跨截面、支座截面。加載過程中檢測應(yīng)變值、撓度值，同步對試驗(yàn)梁裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展進(jìn)行觀測，靜載試驗(yàn)相關(guān)結(jié)果見表7～表10。

表7 各級荷載作用下T梁跨中截面應(yīng)力檢測結(jié)果

表8 最大試驗(yàn)荷載下T梁跨中截面應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)和相對殘余應(yīng)變

表9 各級荷載作用下T梁跨中撓度檢測結(jié)果

表10 最大試驗(yàn)荷載下T梁跨中截面擾度校驗(yàn)系數(shù)和相對殘余撓度

由表7～表10檢測結(jié)果分析如下。

1) 由表7和表8可見，受檢T梁在試驗(yàn)荷載作用下各應(yīng)變測點(diǎn)的實(shí)測彈性應(yīng)變值均小于理論計算值；上緣和下緣應(yīng)變測點(diǎn)最大校驗(yàn)系數(shù)分別為0.73、0.72，均小于1，表明T梁強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

2) 由表9和表10可見，受檢T 梁跨中截面在試驗(yàn)荷載作用下的最大實(shí)測撓度值、彈性撓度值均小于相應(yīng)的理論計算值；撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.78，小于1，表明T梁的豎向剛度滿足設(shè)計要求。

3) 由表8和表10可見，受檢T梁完全卸載后，上緣和下緣的相對殘余應(yīng)變分別為11.1%、10.7%，相對殘余撓度為14.11%，均小于20%的允許值，表明該梁處于彈性工作狀態(tài)。

另外，受檢T 梁在加載試驗(yàn)前、試驗(yàn)過程中及加載試驗(yàn)后均未發(fā)現(xiàn)裂縫。綜上所述，該T梁的剛度、強(qiáng)度及抗裂性均滿足設(shè)計要求，抗彎承載能力滿足設(shè)計荷載公路-I級要求。

3 結(jié)論

1) 利用隧道開挖的花崗巖洞渣可以生產(chǎn)出滿足I類砂要求的機(jī)制砂，采用該機(jī)制砂配制出了工作性能、強(qiáng)度和彈性模量滿足高速公路預(yù)制T梁要求的C50混凝土，且該混凝土的抗氯離子滲透性好，抗凍等級超過F300。

2) 采用花崗巖洞渣機(jī)制砂試制的C50機(jī)制砂混凝土預(yù)應(yīng)力T梁的剛度、強(qiáng)度及抗裂性均滿足設(shè)計要求，在所施加載荷作用下始終處于彈性工作范圍，抗彎承載能力和抗變形性能良好。