摻合料在高速公路隧道工程混凝土中的應用研究

摘" 要：該文結合元溪高速公路路基施工的氣候、水文、地質條件，以隧道工程施工中的礦渣粉、粉煤灰、礦粉3種不同的摻合料為例，結合項目施工的特點，按照不同的摻配比例進行混凝土正交組合，通過對加入混合摻合料后的混凝土進行坍落度、擴展度、抗壓強度、電通量的試驗和結果處理，確定最優(yōu)礦渣粉、粉煤灰和礦粉的摻配比例。對于其他類似工程都有著非常好的借鑒意義。

關鍵詞：礦渣粉;高速公路;隧道工程;混凝土;應用;研究

中圖分類號：V445" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0051-07

Abstract： This paper combines the climatic， hydrological and geological conditions of Yuanxi Expressway subgrade construction， takes the three different admixtures of slag powder， fly ash and mineral powder in tunnel construction as examples， combines the characteristics of project construction， and carries out orthogonal combination of concrete according to different blending ratios. Through testing and processing the results of slump， expansion， compressive strength and electrical flux of the concrete added with the mixed admixtures， the optimal blending ratio of slag powder， fly ash and mineral powder is determined. It has very good reference significance for other similar projects.

Keywords： slag powder; highway; tunnel engineering; concrete; application; research

本文所指的礦渣粉的全稱是粒化高爐礦渣（granulated blast-furnace slag），是生產水泥的一種原材料，是由鋼鐵廠冶煉生鐵時產生的廢渣在高爐煉鐵熔融的礦渣驟冷時，來不及結晶而形成的大部分玻璃態(tài)物質，簡稱礦渣;礦渣中除玻璃態(tài)物質外，還有很少量硅酸二鈣、鈣黃長石、硅酸一鈣等礦物，因此，有很弱的自身水硬性。在堿性或硫酸鹽的激發(fā)劑作用下，可表現出較高的水硬性，產生和水泥相近的強度。常用激發(fā)劑有石灰、石膏、硅酸鹽水泥等。礦渣中二氧化硅多的為酸性礦渣，氧化鋁和氧化鈣多的為堿性礦渣。堿性礦渣的活性比酸性礦渣高。性狀呈細粒狀。熔融的礦渣直接流入水池中冷卻的又叫水淬礦渣，俗稱水渣。礦渣經干燥、粉磨磨細后加工而成的具有一定活性的粉末狀材料經磨細后，是水泥的活性混合材料，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求，并經干燥、粉磨達到相當細度且符合相應活性的粉體。

1" 工程概況

明溪胡坊至三元巖前高速公路項目起點（K0+000）位于明溪縣胡坊鎮(zhèn)，改建既有泉南高速明溪南互通為樞紐互通接泉南高速，路線整體呈西南—東北走向，經胡坊鎮(zhèn)南側設胡坊互通連接明溪連接線服務明溪火車站、胡坊鎮(zhèn)，經朱南坑、白葉坑后，上跨在建興泉鐵路后折向東北側，繞避規(guī)劃的三元區(qū)紅葉谷溫泉度假核心區(qū)及華興螢石礦后，從星橋村北側經過，設置星橋互通連接規(guī)劃路服務星橋村及眉山火車站，路線從鎮(zhèn)坊北側經過，設巖前樞紐互通接莆炎高速，終點樁號K25+480.485，路線全長25.481 km。全線設置明溪南（樞紐）、胡坊、星橋和巖前（樞紐）4處互通式立交，并設置主線服務區(qū)1處、出入口服務區(qū)2處，在K15+740和K17+945位置設置避險車道。同步建設必要的互通連接線、交通工程和服務設施。

全線采用雙向四車道的高速公路標準建設，設計速度100 km/h，路基寬度按照26 m控制，汽車荷載等級采用公路I級。

明溪胡坊至三元巖前高速公路項目的控制性工程、重難點工程重難點工程之一——丁家山隧道，作為重難點工程，丁家山隧道作為先行開工點，丁家山隧道區(qū)屬低山地貌，地形起伏大，下緩上陡，天然山坡坡度約15～35°，山脊（頂）陡峭。隧道進口段自然坡度30～35°，出口段自然坡度20～25°，隧道軸線最大海拔標高730 m，山體表層植被較發(fā)育。

丁家山隧道是高速公路分離式/小凈距隧道，左右洞進口位于直線段，出口位于曲線段，左線平曲線半徑為∞/4 300 m，右線平曲線半徑為∞/4 000 m。左線起點樁號為ZK7+590，出口樁號為ZK9+168，長1 578 m，縱坡為-1.2%;右線起點樁號為YK7+590，出口樁號為YK9+175，長1 585 m，縱坡為-1.2%，屬長隧道，最大埋深約196 m，深部圍巖為中—微風化花崗巖，為較硬巖，巖體多呈塊體狀，局部節(jié)理裂隙發(fā)育。本隧道屬于低應力區(qū)，發(fā)生巖爆的可能性小。

隧道進口側自然山坡坡度15～30°，地表植被較發(fā)育。圍巖為坡積土層及全風化—砂土狀強風化花崗巖，坡積層中零星分布有有滾（孤）石，結構較松散，開挖后穩(wěn)定性較差，在暴雨、爆破震動等作用下，坡體易坍塌。洞口邊坡及仰坡開挖較高，最高達48 m，坡體主要為坡積土層及全風化—砂土狀強風化花崗巖，屬土質邊坡，結構較松散，穩(wěn)定性較差，坡體易失穩(wěn)坍塌。洞口邊坡采取放坡開挖，開挖坡率1∶1.00～1∶1.25，并結合砌石護面墻、預應力錨索框架、三維網植草護面等支護措施。由于開挖后坡體穩(wěn)定性較差，進洞較困難。

出口側自然山坡坡度約25～35°，地表植被發(fā)育，現狀自然山坡穩(wěn)定。洞口圍巖為坡殘積土層及強風化花崗巖。左右線隧道出口開挖邊坡高約9～10 m，坡體主要為坡積粉質黏土及強風化巖，坡積層中零星分布有滾（孤）石，結構較松散，開挖后穩(wěn)定性較差，在暴雨、爆破震動等作用下，坡體易坍塌。洞口邊坡采取放坡開挖，開控坡率1∶0.75～1∶1.25，并結合砌石護面墻、三維網植草護面等支護措施。由于坡體主要為坡積粉質黏土及強風化巖，厚度大，且局部分布有孤滾石，坡體易坍塌，進洞較困難，進洞口應加強防護。

根據地質調繪及鉆探結果，隧道洞身圍巖為中—微風化花崗巖，屬較硬—堅硬巖，但受多條構造破碎帶影響，隧址區(qū)巖體總體較破碎，洞身圍巖級別以Ⅱ—Ⅳ為主，構造破碎帶附近圍巖級別以V—V級為主。對圍巖穩(wěn)定不利，應加強地質監(jiān)測和支護，防止開挖出現涌水、崩塌冒頂等地質災害。

隧道進出口有較長的路段存在偏壓，且圍巖以強風化花崗巖為主，該圍巖為類土狀圍巖，結構松散，泡水易軟化，受擾動后強度將明顯降低，對隧道圍巖穩(wěn)定極其不利，而且該路段地下水位受降雨影響大，水位年最大變幅大于15 m。依據合同約定隧道施工采用機械化成套技術，機械化配置要求高，施工難度大，故本隧道列為項目重難點工程。

本項目所在地福建三明地區(qū)受地域限制和環(huán)境保護影響，傳統(tǒng)礦物摻合料粉煤灰、礦粉已經出現資源短缺、價格上漲、質量參差不齊的現象。而三明地區(qū)擁有大型鋼鐵廠，鋼鐵廠尾渣資源相對比較豐富、容易獲取、品質容易控制、價格相對低廉等優(yōu)勢，從經濟性、可操作性和混凝土穩(wěn)定性方面考慮，在混凝土中摻加鋼鐵廠尾渣加工而形成的礦渣粉有著巨大的應用前景。本文以礦渣粉、粉煤灰、礦粉3種不同摻配比例進行混凝土正交組合，通過對混凝土的耐久性、力學性、工作性能的多次試驗，確定最優(yōu)礦渣粉、粉煤灰和礦粉的摻料配合比例，以滿足隧道工程施工對混凝土坍落度、流動性、和易性的指標，從而滿足強度、耐久性能。

2" 原材料的選擇

2.1" 水泥

按照JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術規(guī)范》、JTG F80/1—2017《公路工程質量檢驗評定標準 第一冊 土建工程》等相關規(guī)范的要求，福建建福牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要技術指標見表1，水泥主要力學、物理等技術指標滿足施工要求。

2.2" 粉煤灰

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》中對拌制混凝土和砂漿用粉煤灰技術要求，福建省永安市生產、提供的F類Ⅱ級粉煤灰，經過試驗室的分析，其主要技術指標見表2，也是符合規(guī)范要求的。

2.3" 礦粉

礦粉來自于福建省鋼源粉體材料有限公司，經過試驗室的分析，其主要技術指標見表3，也是符合規(guī)范要求的。

2.4" 礦渣粉

福建省三鋼（集團）有限責任公司提供的礦渣粉，經過試驗室的分析，其主要技術指標見表4，也是符合規(guī)范要求的。

2.5" 機制砂

機制砂由三明市交通發(fā)展集團有限公司的下屬碎石場提供，經過試驗室的分析，其主要技術指標見表5，也是符合規(guī)范要求的。

2.6" 碎石

碎石由三明市交通發(fā)展集團有限公司的下屬碎石場提供，經過試驗室的分析，其主要技術指標見表6，也是符合規(guī)范要求的。

2.7" 減水劑

廈門君科聚羧酸高性能減水劑提供的減水劑，經過外委試驗室的分析，其主要技術指標見表7，是符合規(guī)范要求的。

2.8" 拌合水

明溪胡坊至三元巖前高速公路項目部2號拌合站提供的施工生產用水，經過試驗室的分析，其主要技術指標見表8，是符合規(guī)范要求的。

3" 正交配合比設計

混凝土配合比正交試驗設計（Orthogonalexperimental design）是研究多因素多水平的一種設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，正交試驗設計是分析因式設計的主要方法，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。

試驗按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》的相關規(guī)定進行設計，以明溪胡坊至三元巖前高速公路項目部C30隧道工程用泵送混凝土為基準，膠凝材料摻合料采用內摻法，等量替代水泥，內摻總比例為30%，礦物摻合料采用粉煤灰、礦粉和礦渣粉以不同比例進行摻配。為保證正交試驗的準確性，所有配合比的砂率規(guī)定為45%，水灰比規(guī)定為0.38，減水劑摻量規(guī)定為1.2%，單位用水量規(guī)定為168 kg/m3。正交配合比見表9。

4" 混凝土工作性能分析

依據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》對正交試驗配合比進行拌制，依次對新拌混凝土拌合物工作性能（即拌合物坍落度和擴展度）進行試驗，試驗結果見表10。

通過A-1、A-2、A-3和A-4這4組混凝土拌合物工作性能的對比，可知礦渣粉和粉煤灰雙摻的組合中，新拌混凝土的坍落度隨礦渣粉摻量的增加而增大，但擴展度變化很小。在礦渣粉摻量為30%時，混凝土出現明顯的泌水現象，并且氣泡數量明顯增加。

由編號為A-4、B-4、C-4和D-4混凝土拌合物工作性能，可知細度很大的礦粉導致用水量增加，隨著礦粉摻量的增加，新拌混凝土的擴展度和坍落度急劇減小，礦粉還可以提高混凝土的黏結力和保水性。

由編號為B-2、B-3、C-2、C-3、D-2和D-3混凝土拌合物工作性能，可知礦粉和礦渣粉的摻量對混凝土工作性能的影響有2種。礦粉含量的增加導致擴展度和坍落度的降低，而礦渣粉含量的增加導致擴展度和坍落度的增加。

5" 混凝土力學性能分析

混凝土試件的成型依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》執(zhí)行，試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，每個配合比成型5組試件，在標準養(yǎng)護室（溫度20±2 ℃，濕度大于95%）中養(yǎng)護，并測定其7、14、28、56、90 d抗壓強度，各組混凝土試件抗壓強度見表11。

編號為A-1、A-2、A-3和A-4組成的粉煤灰和礦渣粉組合，其不同齡期混凝土抗壓強度如圖1所示。由圖1可知，加入摻量為10%的礦渣粉并不會影響混凝土的強度，當礦渣粉摻量大于10%時，混凝土強度降低。礦渣粉摻量在20%時，混凝土56 d抗壓強度已不能滿足試配強度要求，90 d抗壓強度略高于試配強度;礦渣粉摻量在30%時，混凝土56 d抗壓強度和90 d抗壓強度已不能滿足試配強度要求。

編號為A-4、B-4、C-4和D-4組成的礦粉和礦渣粉組合，其不同齡期混凝土抗壓強度如圖2所示。從圖2可以看出，礦粉的加入會增強混凝土的強度，且會大大增加混凝土后期強度。礦粉摻量在3%，礦渣粉摻量在27%時，混凝土56 d抗壓強度不能滿足試配強度要求，90 d抗壓強度略高于試配強度;礦粉摻量在6%，礦渣粉摻量在24%時，混凝土56 d和90 d抗壓強度均能達到試配強度的要求。

由編號為B-2、B-3、C-2、C-3、D-2和D-3組成的粉煤灰、礦粉和礦渣粉組合，其不同齡期混凝土抗壓強度如圖3所示。由圖3可知，隨著養(yǎng)護齡期的增加，混凝土抗壓強度穩(wěn)步提升，在7、14、28 d齡期時混凝土抗壓強度離散性較大，到56 d和90 d齡期時混凝土抗壓強度離散性收窄，上述各配合比56 d和90 d混凝土抗壓強度均能達到試配強度要求。

6" 混凝土耐久性能分析

依據規(guī)范GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》成型混凝土試件，試件尺寸Φ100 mm×50 mm，在粉煤灰和礦渣粉的組合中每個配合比成型1組試件，在標準養(yǎng)護室（溫度20±2 ℃，濕度大于95%）中養(yǎng)護，測定其90 d電通量，混凝土電通量測試值見表12，電通量測試值折線圖如圖4所示。

由圖4可知，礦渣粉摻量的增加會導致混凝土的電通量增大，在編號為A-1、A-2和A-3的配合比中，不同比例的粉煤灰發(fā)生二次水化使混凝土結構變密實;在編號為A-4的配合比中，由于沒有摻入粉煤灰，混凝土電通量陡然增加。

7" 結論

通過對礦渣粉、粉煤灰、礦粉3種不同摻配比例的混凝土配合比正交試驗，以及對混凝土拌合物性能試驗、抗壓強度、電通量的試驗，結合以上試驗數據的分析，可以得到以下結論。

1）礦渣粉是不能完全代替水泥，單獨使用在大摻量礦物摻合料的混凝土中。

2）在粉煤灰和礦渣粉組成的礦物摻合料中，當粉煤灰和礦渣粉的比例在1∶1時，對混凝土的各方面性能來說比較合適的。

3）由礦粉—礦渣粉組成的改良礦渣粉中，礦粉與礦渣粉的比例在1∶7～1∶5較為合適，是可以滿足C30混凝土的隧道工程施工。

4）由粉煤灰—礦粉—礦渣粉混合組成的礦物摻合料中，粉煤灰、礦粉和礦渣粉的比例為3∶1∶6是比較合適的，可以達到混凝土的各項性能指標。

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第一作者簡介：錢治國（1975-），男，碩士，高級工程師。研究方向為道路與鐵道工程。