機(jī)制砂在隧道噴砼中的應(yīng)用研究

張偉 ZHANG Wei

（中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司，成都 610000）

0 引言

環(huán)保問題一直是全球范圍內(nèi)的熱點話題。隨著人類對自然環(huán)境的過度開發(fā)和污染，環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，對人類和地球的未來造成了威脅。其中，河流資源的開采和利用也成為了一個重要的環(huán)保問題。隨著城市化進(jìn)程的加快，建筑工程的需求也越來越大，河砂作為建筑材料的重要組成部分，一直受到市場的青睞。然而，河砂開采和使用的過程中，不僅會對河流生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，而且會對周邊居民的生活和健康造成影響。因此，尋找替代品成為了解決這一問題的關(guān)鍵。機(jī)制砂的生產(chǎn)和使用可以避免對河流的破壞，同時可以減少對自然環(huán)境的污染。因此，采用機(jī)制砂代替河砂成為了一種環(huán)保的建筑材料選擇。

1 工程概況

在中國云貴川西南山區(qū)，由于地理位置的限制，該地區(qū)缺乏河砂資源。然而，在該地區(qū)公路、鐵路工程建設(shè)時，隧道往往在線路中占有很高的比例，隧道噴射砼需用砂的數(shù)量很大。因種種不利因素，很少將機(jī)制砂應(yīng)用于隧道噴射混凝土中，機(jī)制砂通常用作于結(jié)構(gòu)物低強(qiáng)度砼及砂漿中，故隧道噴射砼施工時還是需要大量使用河砂。本項目依托于貴州省劍河至黎平高速公路TJ-8 標(biāo)段的隧道施工，對機(jī)制砂拌制噴射混凝土存在級配不良、高回彈量、低強(qiáng)度和性能指標(biāo)波動幅度過大等問題進(jìn)行研究，以便設(shè)計出符合規(guī)范、施工要求的機(jī)制砂噴射砼配合比。

2 母材選用、機(jī)制砂生產(chǎn)工藝選擇及優(yōu)化

2.1 母材選用

合格機(jī)制砂首先得選用優(yōu)質(zhì)的巖石母材，才能確保生產(chǎn)的機(jī)制砂在物理及化學(xué)性能上符合規(guī)范要求。對負(fù)責(zé)供應(yīng)本項目機(jī)制砂的兩家砂石料供應(yīng)商（黎平縣高屯鎮(zhèn)宏興砂石有限公司、黎平宏圖砂石建材貿(mào)易有限公司）所用母巖進(jìn)行了對比。

①黎平縣高屯鎮(zhèn)宏興砂石有限公司的母巖具有較大的吸水率，拌制砼的坍落度損失過大，不利于施工，且該母巖為層理巖，易脫層風(fēng)化。

②黎平宏圖砂石建材貿(mào)易有限公司的母巖為石灰?guī)r。這種集料屬于非活性，具有良好的物理和化學(xué)性能。因此在砂漿和低標(biāo)號混凝土中廣泛應(yīng)用，此外，其施工配合比的設(shè)計技術(shù)也相對成熟。

綜上，選擇黎平宏圖砂石建材貿(mào)易有限公司作為噴射砼機(jī)制砂的供應(yīng)商。

2.2 破碎機(jī)選用及生產(chǎn)工藝優(yōu)化

由于原產(chǎn)機(jī)制砂級配不良，顆粒形狀中的針片狀含量過大，故對黎平宏圖砂石建材貿(mào)易有限公司現(xiàn)場機(jī)制砂生產(chǎn)破碎、篩分進(jìn)行工藝優(yōu)化和調(diào)整。

顎破式破碎機(jī)適合一級破碎，因為它有較大的破碎比和均勻的產(chǎn)品粒度，同時結(jié)構(gòu)簡單。反擊式破碎機(jī)是通過沖擊作用使巖石沿著其脆弱層裂開破碎，該工藝生產(chǎn)的碎石呈立方體的比率最高，且針片狀顆粒含量的百分比不超過10%，砂粒的形態(tài)較優(yōu)。相比之下，顎式、圓錐和輥式破碎機(jī)的破碎比很難超過20%，并且它們產(chǎn)生的針片狀顆粒的百分比含量往往高于15%[1]。故要求生產(chǎn)現(xiàn)場的一級破碎采用鄂破式破碎機(jī)，二次破碎則采用反擊式破碎機(jī)實施。

巖石破碎之后，對機(jī)制砂的質(zhì)量有著重要影響的是破碎料篩分工序，其決定了機(jī)制砂級配、顆粒形態(tài)和壓碎值。圓孔篩與方孔篩的試驗比較表明，采用圓孔進(jìn)行集料篩分較方孔篩分可使?fàn)钇w粒含量降低10%左右，且圓孔篩對于橢圓形顆粒的篩選更為有利，故要求制砂現(xiàn)場采用圓孔篩，以便更好地控制機(jī)制砂顆粒形狀及級配。

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

采用生產(chǎn)的機(jī)制砂進(jìn)行常規(guī)噴射混凝土的試配，各材料用量如表1 所示，其拌和物力學(xué)性能和工作性能如表2所示。

表1 常規(guī)配合比各材料用量

表2 常規(guī)配合比的砼性能檢測結(jié)果

試配過程表明，砼易性差，泵送效果不佳，需要大量用水，用水過大對砼強(qiáng)度及砼的速凝效果造成影響，回彈量過高，增加了施工成本，同時，也使得噴射砼初支的承載能力和外觀質(zhì)量降低。進(jìn)行了常規(guī)配合比的現(xiàn)場試噴，結(jié)果表明砼附著性較差，呈現(xiàn)松散狀，并導(dǎo)致高達(dá)23%的回彈量。表明常規(guī)配合比的設(shè)計不合理，需進(jìn)行調(diào)整。

4 配合比的調(diào)整

根據(jù)試噴砼產(chǎn)生的問題，為了了解機(jī)制砂各性能指標(biāo)對噴砼特性的影響程度及規(guī)律，擬通過分別改變配合比的某一設(shè)計參數(shù)，以檢驗噴砼強(qiáng)度、回彈量及工作性能的變化情況。根據(jù)變形情況找出規(guī)律，進(jìn)行噴砼配合的調(diào)整及優(yōu)化，以期設(shè)計出滿足施工要求的配合比。

4.1 砂率對混凝土性能的影響研究

分析認(rèn)為，砂率對噴射砼的工作性能具有重要的影響。因為機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)超過了3.0，且級配較差，如果配合比的砂率與天然砂近似時，機(jī)制砂對拌和物粗集料間的間隙的填筑效果和產(chǎn)生的潤滑作用較天然砂要低得多[2]，故需要增加機(jī)制砂的用量，以改善砼的黏聚性和減少回彈量。在改變配合比的砂率情況下，回彈量、強(qiáng)度與砂率關(guān)系曲線見圖1。

圖1 回彈量、強(qiáng)度與砂率關(guān)系曲線

從試驗看來，隨著砂率的提高，砼拌和物在黏聚性、保水性方面得到明顯的改善，甚至強(qiáng)度也稍有提高。現(xiàn)場噴射試驗表明，隨著砂率的提高，起初回彈量整體呈下降的趨勢，且噴射砼面平整度也得到改善，但砂率超過0.65 時，砼性能指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢。由圖1 中可看出，砂率在0.60～0.65 之間較為適宜。

4.2 水泥用量對噴射砼性能的影響研究

為了研究水泥用量對噴射砼性能的影響，在改變配合比水泥用量情況下，回彈量、強(qiáng)度與水泥用量關(guān)系曲線見圖2。

圖2 回彈量、強(qiáng)度與水泥用量關(guān)系曲線

從試驗看來，隨著水泥用量的提高，砼拌和物在黏聚性、保水性方面得到明顯的改善。現(xiàn)場噴射試驗表明，隨著水泥用量的提高，回彈量整體呈下降的趨勢，且噴射砼面平整度也逐漸得到改善。由圖2 可知，當(dāng)水泥用量為530kg/m3時，可得較好的效果。

4.3 水膠比對混凝土性能的影響研究

在改變配合比水膠比情況下，砼強(qiáng)度、回彈量間與水膠比的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 回彈量、試件強(qiáng)度與水膠比關(guān)系曲線

試驗表明：水膠比對噴射砼的回彈量有著顯著的影響。通常情況下，水膠比越低砼的流動性越差，粘聚性越強(qiáng)，回彈量也就越高。然而，如果水膠比過高，砼的強(qiáng)度和密實性將會受到影響，也會導(dǎo)致回彈量的升高。因此，需要選擇適當(dāng)?shù)乃z比，以獲得較低的回彈量和良好的砼性能。本項目適宜的水灰為0.45～0.50。

4.4 根據(jù)上述研究結(jié)果優(yōu)化施工配合比

綜合分析上述試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果，進(jìn)行配合比的調(diào)整和優(yōu)化。得出如表3 所示配合比再進(jìn)行試驗。

表3 配合比各材料用量

按上述配合比拌制的砼黏聚性、保水性方面均較好，28d 強(qiáng)度為32.6MPa，但是回彈量還是較高，達(dá)到12%，不是很理想。且該配合比水泥用量較大，經(jīng)濟(jì)成本過高，故還需進(jìn)行配合比的改善與優(yōu)化。

5 機(jī)制砂噴射砼摻粉煤灰配合比性能試驗

為了解決上述問題，采用摻入粉煤灰的試驗研究方法[3]。在表3 所示配合比的基礎(chǔ)上，采用分別摻入20%、30%、40%、50%粉煤灰對水泥進(jìn)行等質(zhì)量替換試驗。

5.1 未摻粉煤灰噴砼配合比與摻入粉煤灰噴砼配合比的性能對比

①噴射砼用水量。當(dāng)噴射砼中添加粉煤灰后，在確保坍落度一樣的情況下，砼的用水量均明顯減少，且隨著粉煤灰摻入量的增大減少更多，證明粉煤灰的減水作用明顯，有利于提高砼密實度和強(qiáng)度。

②噴射砼工作性能。相對于沒有添加粉煤灰的噴射砼，添加了粉煤灰的噴射砼在黏聚性、保水性方面均得到了明顯的提高和改善。且隨著粉煤灰摻量的增加而得到更進(jìn)一步的改善。

③噴射砼的強(qiáng)度。相對于沒有添加粉煤灰的噴射砼，添加了粉煤灰的噴射砼在7d 齡期前的強(qiáng)度要偏低，且隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸降低。但在7d 齡期以后，添加了粉煤灰的噴射砼強(qiáng)度得到迅速提高，28d 齡期強(qiáng)度超過未添加粉煤灰的噴射砼，且強(qiáng)度超過值隨著粉煤灰摻量的增加而增大。

5.2 現(xiàn)場施工對比

在現(xiàn)場進(jìn)行了砼噴射的對比試驗，主要是對所拌制的噴射砼的可泵性、回彈量、凝結(jié)（硬化）時間、推算強(qiáng)度（采用現(xiàn)場回彈法測定）、噴砼的外觀質(zhì)量等進(jìn)行對比。

回彈量、強(qiáng)度與粉煤灰摻量關(guān)系曲線如圖4 所示。

圖4 回彈量、強(qiáng)度與粉煤灰摻量關(guān)系曲線

未摻粉煤灰的噴射砼外觀粗糙，回彈量高，可泵性較差。摻入粉煤灰的噴射砼外觀平整，且隨著粉煤灰摻量的增加，外觀改善效果更加明顯。因為，粉煤灰的添加能夠有效減少拌合用水量，使噴射砼和易性得到很好的改善，減少了噴射的回彈量，同時，也對噴射砼的外觀效果起到了很好的改善作用。由于粉煤灰需要二次水化反應(yīng)，故早期強(qiáng)度較低[4]，且隨著粉煤灰量增加而減少，但7d 齡期以后噴射砼得到快速提搞，28d 齡期強(qiáng)度均超過未摻粉煤灰噴射砼。（表4、表5）

表4 最終施工配合比各材料用量

表5 最終施工配合比的砼性能檢測結(jié)果

按最終選定的摻入比例粉煤灰的配合比進(jìn)行現(xiàn)場實噴檢驗。噴射砼具有良好的黏聚性、保水性，回彈量為7%，噴面平整，呈一定光澤狀，經(jīng)推斷，28d 齡期砼強(qiáng)度為33.9MPa，表明所設(shè)計的機(jī)制砂制備隧道噴砼配合比達(dá)到規(guī)范及設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

機(jī)制砂作為一種新型的環(huán)保型建筑材料，具有許多優(yōu)點和應(yīng)用范圍，可以有效地解決河砂開采和利用的問題，減少對自然環(huán)境的污染，同時也可以節(jié)約能源和減少廢氣排放。但是，機(jī)制砂在隧道噴射砼中的推廣和應(yīng)用還需要一定的時間和努力，需要加強(qiáng)技術(shù)研究等方面的工作，才能夠讓人工砂真正成為一種環(huán)保型的新型建筑材料。