隧道洞渣加工碎石剩余石屑用于鐵路混凝土的可行性研究

摘 要：基于天然河砂日益短缺的困境，為有效利用隧道洞渣加工碎石副產(chǎn)品石屑，從原材料控制、配合比設(shè)計(jì)、性能檢測等方面對石屑用于鐵路混凝土進(jìn)行了可行性研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：石屑在C30及以下普通混凝土中可作為膠凝材料的補(bǔ)充，改善混凝土的整體和易性，有利于界面的改善。各項(xiàng)性能符合設(shè)計(jì)及施工性能要求，石屑混凝土二次利用洞渣，減少了環(huán)境污染，為項(xiàng)目降本增效，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

關(guān)鍵詞：隧道洞渣；混凝土；鐵路

中圖分類號：TU755" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）10-0085-03

0 引言

目前鐵路工程混凝土用砂主要以天然河砂為主，而天然河砂是一種不可再生的自然資源[1]，正在日益減少。石屑代替砂使用既可解決污染問題，又可以避免過度開采帶來的生態(tài)破壞，解決機(jī)制砂的高成本問題。

在JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定：石屑是指采石場加工碎石時(shí)通過最小篩孔（通常為2.3 mm或者4.75 mm）的篩下部分[2]。在本項(xiàng)目洞渣石料廠生產(chǎn)碎石過程中產(chǎn)生大量石屑廢料，隨著工程的進(jìn)展，石料廠堆積的石屑越來越多，不僅占用大量土地，還會帶來嚴(yán)重環(huán)境污染，開展石屑在鐵路混凝土中應(yīng)用的可行性具有重大意義[3]。

1 工程概況

新建蘭州至合作鐵路全線位于甘肅省境內(nèi)，行經(jīng)蘭州市、臨夏回族自治州和甘南藏族自治州，地處甘肅南部黃土高原與青藏高原的過渡地帶。本標(biāo)段位于臨夏回族自治州境內(nèi)，正線長度23.978 km，其中隧道（含單線）6座共長30 294 m，占比97.01%，隧道洞身地層以加里東中期閃巖為主。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料選用

水泥選用中材甘肅水泥有限責(zé)任任公司（賽馬牌）P.O42.5（低堿），28d平均抗壓強(qiáng)49.9 MPa，比表面積329m2/㎏。

粉煤灰選用范坪電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級，燒失量3.3%，需水量103%，活性指數(shù)84%。

天然河砂選用白銀鵬翔河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量2.1%，泥塊含量0.3%，表觀密度2 640 kg/m3。

石屑選用細(xì)度模數(shù)2.9，泥塊含量0.3%，壓碎指標(biāo)24%，MB值0.8 g/kg，石粉含量16.3%，硫化物及硫酸鹽含量（以SO3計(jì)）0.3%，氯化物含量（以cl-計(jì)）0.005%。巖相法試驗(yàn)結(jié)果：主要成份斜長石43%，角閃石占20%，石英石占16%，鉀長石占13%，綠簾石占3%，該礦物中強(qiáng)烈波狀消光的石英為可疑堿活性礦物，含量大于2%，該礦物屬于可疑的硅酸鹽類堿活性骨料，砂漿棒法試驗(yàn)結(jié)果顯示膨脹率＜0.09。

碎石選用洞渣破碎自產(chǎn)碎石，母巖抗壓強(qiáng)度99 MPa，含泥量0.6%，泥塊含量0.1%，表觀密度2 740 kg/m3，壓碎指標(biāo)值8%。

減水劑選用山西不凍泉建材有限公司生產(chǎn)的HA-HPC型聚羧酸高性能減水劑，減水率38%，28d抗壓強(qiáng)度比155%，硫酸鈉含量0.83%（按折固含量計(jì)），氯離子含量0.02%（按折固含量計(jì)），堿含量1.75%（按折固含量計(jì)）。

引氣劑選用山西鵬程建筑科技有限公司生產(chǎn)的PC-YQ型引氣劑，減水率8%，28 d抗壓強(qiáng)度比94%。

拌合水選用劉家峽水庫拌合用水，pH值7.09，氯離子含量95.64 mg/L，堿含量147.37 mg/L，硫酸根含量44.24 mg/L，28 d抗壓強(qiáng)度比100%。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 C20混凝土配合比

細(xì)骨料選用石屑，減水劑摻量選用1.1%進(jìn)行試驗(yàn)，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細(xì)骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：水=237：101：816：216：432：432：3.72：169。適配強(qiáng)度為3d強(qiáng)度17.6 MPa，7d強(qiáng)度22.6 MPa，28d強(qiáng)度30.2 MPa，56d強(qiáng)度33.9 MPa。通過試驗(yàn)表明用石屑完全代替天然河砂能夠滿足C20混凝強(qiáng)度要求[4]，養(yǎng)護(hù)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖1。

2.2.2 C25噴射混凝土

細(xì)骨料選用石屑，選用1.2%減水劑摻量進(jìn)行試驗(yàn)，1 m3各材料用量為水泥：細(xì)骨料：粗骨料（5～10 mm）：減水劑：水=460：803：906：5.52：194。適配強(qiáng)度為1d強(qiáng)度10.2 MPa，3d強(qiáng)度20.4 MPa，7d強(qiáng)度24.7 MPa，28d強(qiáng)度36.0 MPa。通過試驗(yàn)表明用石屑完全代替天然河砂能夠滿足C25噴射混凝強(qiáng)度要求，養(yǎng)護(hù)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖2。

2.2.3 C30混凝土

用石屑取代天然河砂100%、30%、40%、50%，在膠凝材料不變、坍落度等工作性能相同的情況下配置C30混凝土配合比進(jìn)行試驗(yàn)。

石屑取代量100%時(shí)，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細(xì)骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：水=257：110：767：220：442：442：4.04：162。適配強(qiáng)度如下：3d強(qiáng)度18.4 MPa，7d強(qiáng)度23.9 MPa，28d強(qiáng)度31.5 MPa，56d強(qiáng)度35.1 MPa。

石屑取代量30%時(shí)，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細(xì)骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：水=257：110：767：220：442：442：2.94：155。適配強(qiáng)度如下：3d強(qiáng)度24.6 MPa，7d強(qiáng)度32.2 MPa，28d強(qiáng)度34.2 MPa，56d強(qiáng)度36.2 MPa。

石屑取代量40%時(shí)，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細(xì)骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：水=257：110：767：220：442：442：3.30：160。適配強(qiáng)度如下：3d強(qiáng)度23.6 MPa，7d強(qiáng)度28.4 MPa，28d強(qiáng)度34.3 MPa，56d強(qiáng)度39.2 MPa。

石屑取代量50%時(shí)，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細(xì)骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：水=257：110：767：220：442：442：3.49：158。適配強(qiáng)度如下：3d強(qiáng)度23.9 MPa，7d強(qiáng)度26.7 MPa，28d強(qiáng)度33.8 MPa，56d強(qiáng)度37.2 MPa。

通過試驗(yàn)表明取代量在40%的情況下強(qiáng)度值最理想，石屑完全代替天然河砂同時(shí)也能滿足C30混凝強(qiáng)度要求，養(yǎng)護(hù)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖3。

2.2.4 C45混凝土

用石屑取代天然河砂100%、30%、40%、50%，在膠凝材料不變、坍落度等工作性能相同的情況下配置C45混凝土配合比進(jìn)行試驗(yàn)，最終適配配合比、強(qiáng)度及養(yǎng)護(hù)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖4。

石屑取代量100%時(shí)，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細(xì)骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：引氣劑：水=313：134：681：222：444：444：4.69：4.47：149。適配強(qiáng)度如下：3d強(qiáng)度26.9 MPa，7d強(qiáng)度35.0 MPa，28d強(qiáng)度42.2 MPa，56強(qiáng)度37.0 MPa。

石屑取代量30%時(shí)，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細(xì)骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：引氣劑：水=313：134：681：222：444：444：3.35：4.47：149。適配強(qiáng)度如下：3d強(qiáng)度31.2 MPa，7d強(qiáng)度39.7 MPa，28d強(qiáng)度44.8 MPa，56d強(qiáng)度35.0 MPa。

石屑取代量40%時(shí)，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細(xì)骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：引氣劑：水=313：134：681：222：444：444：3.58：4.47：144。適配強(qiáng)度：3d強(qiáng)度29.6 MPa，7d強(qiáng)度36.3 MPa，28d強(qiáng)度36.7 MPa，56d強(qiáng)度39.2.0 MPa。

石屑取代量50%時(shí)，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細(xì)骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：引氣劑：水=313：134：681：222：444：444：4.02：4.47：144。適配強(qiáng)度如下：3d強(qiáng)度29.4 MPa，7d強(qiáng)度38.0 MPa，28d強(qiáng)度38.9 MPa，56d強(qiáng)度40.4 MPa。

通過試驗(yàn)表明該種石屑取代量天然河砂無法滿足C45混凝強(qiáng)度要求，養(yǎng)護(hù)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖4。

3 結(jié)束語

通過對C20、C25噴射、C30、C45混凝土進(jìn)行適配，單一就混凝土和易性而言，石屑比天然砂更能改善混凝土的和易性能，包裹性、粘聚性能均優(yōu)于天然砂[5]。對摻石屑混凝土各齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測，結(jié)果顯示該種石屑的應(yīng)用，除C45混凝土強(qiáng)度不能滿足外，C30及以下混凝土強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)及施工要求，在技術(shù)上是可行的。

由于場地受限等原因生產(chǎn)工藝流程沒有充分優(yōu)化，石屑石粉含量超標(biāo)，需增加有效的除塵設(shè)備進(jìn)一步降低石粉含量，將石粉含量控制在7%以下[6]，有效降低混凝土拌合需水量，再次對C45混凝土重新配置驗(yàn)證，在進(jìn)一步保證混凝土強(qiáng)度的能使效益更大化?，F(xiàn)場石屑由于是粗加工后（鄂破）直接篩選，石屑粒形較差，需增加整形設(shè)備對石屑進(jìn)行二次加工，更好地滿足混凝土適配要求。加強(qiáng)對用于生產(chǎn)碎石的洞渣進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，隧道掌子面圍巖超過三級、圍巖整體性差或有泥巖夾層的洞渣要棄除[7]。加強(qiáng)過程中對母巖材料及混凝土耐久性的檢測，通過充分的分析各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為推動實(shí)際工程使用石屑提供有力的依據(jù)。

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