張 恒， 譚信榮， 馬 輝， 陳壽根

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031； 3. 中鐵二局集團(tuán)公司， 四川 成都 610032)

機(jī)制砂在隧道噴射混凝土及二次襯砌中的應(yīng)用

張 恒1， 譚信榮2， 馬 輝3， 陳壽根1

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031； 3. 中鐵二局集團(tuán)公司， 四川 成都 610032)

為解決機(jī)制砂混凝土應(yīng)用中存在級(jí)配不良、性能指標(biāo)波動(dòng)幅度較大、回彈率高及強(qiáng)度低等缺陷，以貴廣高速鐵路隧道施工為依托，采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)對機(jī)制砂加工系統(tǒng)的設(shè)備選型與在噴射混凝土及二次襯砌中的應(yīng)用進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明: 1)粉煤灰摻量為40%、水膠質(zhì)量比為0.37的大摻量粉煤灰機(jī)制砂噴射混凝土能夠滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求; 2)選擇噴射混凝土配合比時(shí)，可加大粉煤灰摻入量，降低單位用水量和水膠質(zhì)量比，提高混凝土的工作性; 3)施工現(xiàn)場噴射工藝成熟時(shí)，還可適當(dāng)降低坍落度值，以確?；炷恋膰娚湫Ч蛯?shí)體質(zhì)量; 4)水洗機(jī)制砂石粉含量并非越低越好，在8%～12%時(shí)混凝土的物理性能、力學(xué)性能以及耐久性能達(dá)到最佳。

隧道工程； 機(jī)制砂； 二次襯砌

0 引言

以河砂為主的天然砂越來越無法滿足日益增長的混凝土用量的需求，尤其在我國西南地區(qū)。合理利用當(dāng)?shù)刎S富的資源，用機(jī)制砂取代天然砂，將是解決天然砂短缺非常經(jīng)濟(jì)的方法，也是形勢所需[1-3]。王朝東等[4]對人工砂的物理力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并對人工砂代替天然砂在隧道噴射混凝土支護(hù)中的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性和實(shí)施可行性等進(jìn)行了分析。陳書平等[5]應(yīng)用三級(jí)破碎和布袋除塵相結(jié)合工藝，采用源頭優(yōu)選、晾曬洞渣、建立質(zhì)量控制系統(tǒng)等方法加強(qiáng)質(zhì)量控制，用隧道洞渣加工出滿足Ⅱ類建設(shè)用砂要求的機(jī)制砂。渝黔鐵路天坪隧道機(jī)制砂生產(chǎn)中采取增設(shè)FG500螺旋洗砂機(jī)和迂回式過濾水艙，并安裝多檔調(diào)節(jié)電氣開關(guān)控制轉(zhuǎn)速和加壓過濾設(shè)備的方式，將0.075～ 0.15 mm檔流失的砂子回收利用，使機(jī)制砂顆粒級(jí)配斷檔得到彌補(bǔ)[6-7]。但是，機(jī)制砂及機(jī)制砂混凝土應(yīng)用中存在諸如級(jí)配不良、性能指標(biāo)波動(dòng)幅度較大及機(jī)制砂混凝土的和易性難以控制等問題[8-9]，需要在機(jī)制砂加工系統(tǒng)的設(shè)備選型、工藝優(yōu)化及產(chǎn)品利用技術(shù)方面進(jìn)行更深入的研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對大摻量粉煤灰機(jī)制砂噴射混凝土的工作性能和力學(xué)性能進(jìn)行研究，并對最佳石粉含量進(jìn)行探討。

1 鐵路隧道中機(jī)制砂的應(yīng)用前景

在我國云貴川西南山區(qū)，受地域限制，河砂資源缺乏。但這些地區(qū)的道路工程中隧道在線路中所占比例往往較大，開挖隧道會(huì)產(chǎn)生大量優(yōu)質(zhì)棄渣。因地制宜地采用隧道開挖的棄渣為石料加工機(jī)制砂，既可保障施工需求，又可降低成本、節(jié)約棄渣用地。機(jī)制砂是由機(jī)械破碎，篩分制成的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，但不包含軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖的顆粒。機(jī)制砂在隧道工程中的應(yīng)用具有如下優(yōu)勢： 1)原材料資源豐富。2)質(zhì)量可控性強(qiáng)，能保障混凝土強(qiáng)度。3)降低混凝土水化熱和提高和易性的作用。4)機(jī)制砂表面粗糙、易于黏結(jié)，在混凝土中起到填充、傳遞應(yīng)力和骨架作用，對混凝土提高強(qiáng)度、抗收縮和防開裂有利[10-13]。

2 機(jī)制砂加工設(shè)備選型及工藝優(yōu)化

2.1 母材選用

不同類別的巖石生產(chǎn)出的機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)有較大的差別[14]。對標(biāo)段內(nèi)胡家寨隧道、團(tuán)寨隧道以及斗篷山隧道開挖采集的母巖進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。可以看出： 1)團(tuán)寨隧道母巖吸水率小、軟化系數(shù)大并且不含堿活性物質(zhì)，但它的強(qiáng)度太大，機(jī)械損耗大； 2)斗篷山斜井的母巖吸水率較大，拌制混凝土的坍落度損失大不利于施工，并且該巖石為層理巖強(qiáng)度較高、易脫層風(fēng)化。綜上，選擇斗篷山隧道進(jìn)口與胡家寨隧道出口的巖石作為機(jī)制砂母材。

表1 隧道母巖特性對比

2.2 破碎機(jī)械選用

顎破式破碎機(jī)破碎比大、產(chǎn)品粒度均勻、結(jié)構(gòu)簡單，是一級(jí)破碎的首選設(shè)備，如圖1(a)所示； 反擊式破碎機(jī)的破碎比可達(dá)到50%以上，反擊式破碎機(jī)在沖擊作用下使被破碎物料沿著其最脆弱層面碎裂的選擇性破碎法所產(chǎn)機(jī)制砂顆粒含立方體形態(tài)的機(jī)率較高，針片狀顆粒的百分比含量可低于10%，產(chǎn)品顆粒形態(tài)好，如圖1(b)所示；顎式、圓錐和輥式破碎機(jī)的破碎比很難超過20%，且顎式、圓錐和輥式等破碎機(jī)產(chǎn)品的針片狀百分比含量往往高于15%?，F(xiàn)場機(jī)制砂系統(tǒng)采用鄂破式破碎機(jī)進(jìn)行一級(jí)破碎，然后再用反擊式破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎的方式。

2.3 篩分工藝

破碎料的篩分過程是機(jī)制砂石料生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，它直接決定了機(jī)制砂石料的產(chǎn)品質(zhì)量(級(jí)配、顆粒形態(tài)、壓碎值等)和產(chǎn)品比例(細(xì)砂、中粗砂、5～10 mm碎石、10～25 mm碎石、超粒徑碎石等)控制水平。通過對方孔篩與圓孔篩的試驗(yàn)比較可知： 在其他設(shè)備與母料不變的情況下，使用圓孔篩時(shí)所產(chǎn)碎石針片狀顆粒含量較方孔篩可減少10%，并且圓孔篩有利于各粒徑橢圓形顆粒的篩取，故砂石廠使用各粒徑的圓孔篩，能更有效地控制機(jī)制砂顆粒級(jí)配。不同的篩孔形狀如圖2所示。

(a) 鄂破式破碎機(jī)

(b) 反擊式破碎機(jī)

(a) 方孔篩

(b) 圓孔篩

2.4 石粉清洗工藝

一般情況下，不經(jīng)清洗、由生產(chǎn)線直接篩分獲取的機(jī)制砂中石粉含量為12%～18%，不能滿足規(guī)范中石粉含量不大于7%(MB<1.40)的要求[15]。合格的機(jī)制砂生產(chǎn)線均需增加水洗或風(fēng)洗設(shè)備(見圖3)，以降低石粉含量。受環(huán)保要求的限制，現(xiàn)場以水洗工藝為主。未經(jīng)水洗的機(jī)制砂石粉含量超標(biāo)，而水洗機(jī)制砂中細(xì)顆粒含量偏少，細(xì)度模數(shù)偏高，這一矛盾可以通過二者摻合利用來解決。

(a) 風(fēng)洗除塵

(b) 水洗除塵

3 機(jī)制砂在噴射混凝土中的應(yīng)用

噴射混凝土廣泛用于隧道初期支護(hù)施工中，其所用細(xì)骨料一般采用級(jí)配良好的Ⅱ區(qū)天然中砂，細(xì)度模數(shù)≥2.5。由于貴廣鐵路GGTJ-1標(biāo)工程所在地區(qū)天然砂缺乏，隧道初期支護(hù)噴射混凝土采用的細(xì)骨料普遍為水洗機(jī)制砂。水洗機(jī)制砂的級(jí)配不良，拌制的混凝土和易性差，泵送效果差，必然導(dǎo)致混凝土單位用水量大幅度提高，不但嚴(yán)重影響了混凝土的速凝效果和強(qiáng)度，混凝土回彈量也不斷增加，施工成本加大，噴射混凝土工藝得不到貫徹執(zhí)行?；炷撂涠鹊脑黾?，也降低了噴射混凝土整體支護(hù)能力及外觀質(zhì)量。

為了解決機(jī)制砂濕噴混凝土工作性差、回彈率高及強(qiáng)度低等問題，在噴射混凝土中采用大摻量粉煤灰進(jìn)行試驗(yàn)研究，目的如下： 1)改善混凝土拌合物性能，提高混凝土工作性，降低混凝土單位用水量； 2)提高混凝土密實(shí)性及速凝效果，減少噴射混凝土回彈量； 3)提高噴射混凝土噴射成型效果，降低回彈率； 4)提高初期支護(hù)的外觀質(zhì)量； 5)提高噴射混凝土的耐久性、施工性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

3.1 常規(guī)噴混凝土配合比及性能試驗(yàn)

常規(guī)噴混凝土配合比各材料單位用量如表2所示。常規(guī)噴混凝土配合比拌合物工作性能及力學(xué)性能如表3所示。

表2 常規(guī)配合比各材料用量

表3 常規(guī)配合比性能檢測結(jié)果

3.2 大摻量粉煤灰噴混凝土配合比及性能試驗(yàn)

試驗(yàn)采用摻50%、40%、30%粉煤灰等量代換水泥，每種粉煤灰摻量設(shè)計(jì)出3種不同水膠質(zhì)量比的配合比，如表4所示。大摻量粉煤灰噴混凝土配合比設(shè)計(jì)室內(nèi)、室外工作性能及力學(xué)性能指標(biāo)檢測匯總?cè)绫?所示。

表4 大摻量粉煤灰噴混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.3 常規(guī)噴混凝土配合比與大摻量粉煤灰噴混凝土配合比性能對比

3.3.1 混凝土單方用水量

在坍落度保持不變的情況下，混凝土中摻入粉煤灰后，混凝土單方用水量明顯降低，且隨粉煤灰摻量的增加逐漸降低，摻入粉煤灰后減水效果明顯。

3.3.2 拌合物工作性能

摻有粉煤灰的混凝土拌合料在黏聚性、保水性方面明顯好于未摻粉煤灰混凝土拌合料。不同摻量粉煤灰混凝土性能試驗(yàn)如圖4所示。

3.3.3 混凝土強(qiáng)度

摻有粉煤灰的混凝土7 d齡期前強(qiáng)度低于未摻粉煤灰混凝土強(qiáng)度且隨著粉煤灰摻量的增加而降低。 7 d 齡期后，摻有粉煤灰混凝土強(qiáng)度迅速增長且隨粉煤灰的摻量增加增長速度越大，而未摻粉煤灰混凝土7 d齡期后強(qiáng)度出現(xiàn)負(fù)增長現(xiàn)象。混凝土強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線如圖5所示。

表5 大摻量粉煤灰混凝土拌合物性能及力學(xué)性能檢測結(jié)果

針對大摻量粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度較低的問題，施工現(xiàn)場可以因地制宜選用活性較高的粉煤灰，提高養(yǎng)護(hù)溫度、采用物理和化學(xué)激發(fā)措施及摻入復(fù)合礦物摻合料等技術(shù)途徑來提高粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度。本身未摻粉煤灰的混凝土用水量較大，一開始檢測的時(shí)候一些結(jié)晶水還在，支撐著一部分強(qiáng)度，7 d以后，隨著水化作用，結(jié)晶水逐漸脫掉后，使混凝土內(nèi)部容重低于前期的容重，形成空隙，不是化學(xué)的逆反應(yīng)，而是后期失水導(dǎo)致空隙率增加，使強(qiáng)度降低。

3.4 常規(guī)配合比與大摻量粉煤灰配合比現(xiàn)場噴混凝土試驗(yàn)對比

對常規(guī)配合比噴混凝土與大摻量粉煤灰配合比噴混凝土現(xiàn)場噴射對比試驗(yàn)檢測及觀察所得混凝土的可泵性、回彈量、凝結(jié)(硬化)時(shí)間、推算強(qiáng)度(現(xiàn)場回彈法測定)、混凝土外觀效果等進(jìn)行匯總，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯?1)加大粉煤灰摻量后可以降低噴射混凝土單位用水量，改善混凝土的和易性、提高噴射混凝土速凝效果、降低噴射回彈量及改善噴射混凝土外觀質(zhì)量。2)由于粉煤灰需要二次水化反應(yīng)，早期強(qiáng)度相對較低，1 d強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻量增加而降低，7 d后混凝土強(qiáng)度增長速度較快，而未摻粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度相對較高，但7 d后強(qiáng)度出現(xiàn)倒(縮)增長或不增長現(xiàn)象。

(a) 50%粉煤灰、0.37水膠質(zhì)量比

(b) 40%粉煤灰、0.37水膠質(zhì)量比

(c) 30%粉煤灰、0.37水膠質(zhì)量比

(d) 無粉煤灰、0.46水膠質(zhì)量比

Fig. 4 Concrete performance test with different amounts of fly ash

(a) 50%粉煤灰摻量

(b) 40%粉煤灰摻量

(c) 30%粉煤灰摻量

(d) 未加粉煤灰

編號(hào)粉煤灰摻量/%可泵性回彈量/%凝結(jié)時(shí)間/min檢測強(qiáng)度/MPa混凝土回彈現(xiàn)象外觀效果00易堵管151526.9嚴(yán)重 表面較粗糙123505050好 7530.7一般 表面平整好 9730.0一般 表面較平整較好 11829.3一般 表面較粗糙456404040好 9831.2一般 表面平整好 91030.5一般 表面較平整較好 121029.7較嚴(yán)重表面較粗糙789303030好 111031.4一般 表面平整較好 111330.6較嚴(yán)重表面較平整較好 121329.8較嚴(yán)重表面較粗糙

4 機(jī)制砂在二次襯砌中的應(yīng)用

以貴廣鐵路GGTJ-1標(biāo)采用胡家寨建材廠砂石完成的二次襯砌混凝土配合比作為對比試驗(yàn)的基準(zhǔn)配合比，如表7所示?；鶞?zhǔn)配合比中細(xì)骨料石粉含量設(shè)定為4%，對比檢測細(xì)骨料中石粉含量為2%、6%、8%、10%、12%、14%、16%時(shí)的混凝土性能，結(jié)果如表8和表9所示。可以看出： 水洗機(jī)制砂石粉含量并非越低越好，在8%～12%時(shí)混凝土的物理性能、力學(xué)性能以及耐久性能達(dá)到最佳?；炷列阅鼙憩F(xiàn)如圖6所示。

表7 胡家寨隧道二次襯砌混凝土基準(zhǔn)配合比

表8 不同石粉含量混凝土物理性能

鑒于鐵路規(guī)范、規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)制砂混凝土石粉含量規(guī)定最高上限為10%，結(jié)合上述機(jī)制砂石粉含量試驗(yàn)結(jié)果，提出機(jī)制砂摻配利用法，可有效解決機(jī)制砂石粉含量超標(biāo)的問題。機(jī)制砂摻配利用法是分別測定非水洗砂與水洗砂的石粉含量，然后根據(jù)2種砂的石粉含量按一定的比例摻配得到最佳石粉含量的方法。即假設(shè)非水洗砂石粉含量為a、摻量為x，水洗砂石粉含量為b、摻量為y，欲配制機(jī)制砂石粉含量為c，則可推出非水洗砂摻量x=(c-b)/(a-b)，水洗砂摻量y=(c-a)/(b-a)或y=1-x。如非水洗砂石粉含量a=15%，水洗砂石粉含量b=2%，欲配制石粉含量為9%的機(jī)制砂即c=9%，則由公式可得非水洗砂摻量x=(9%-2%)/(15%-2%)≈54%，水洗砂摻量y=1-54%=46%。現(xiàn)場施工時(shí)在拌合站四料倉中設(shè)2個(gè)砂倉，其中非水洗砂倉摻配所需機(jī)制砂為54%，水洗砂倉摻配所需砂量為46%。此處的摻配比例是按理論用量計(jì)算，在實(shí)際施工過程中還需對2種砂的含水率分別測定，并轉(zhuǎn)換為施工用量。

表9 不同石粉含量混凝土力學(xué)性能及耐久性

(a) 石粉含量8%拌合物

(b) 石粉含量8%、抗?jié)B等級(jí)>P12

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1)通過研究優(yōu)化和改進(jìn)了機(jī)制砂質(zhì)量控制(機(jī)制砂系統(tǒng)設(shè)備選型和工藝)、控制指標(biāo)、機(jī)制砂混凝土配合比、拌制生產(chǎn)及現(xiàn)場澆筑施工工藝的技術(shù)方案并實(shí)施應(yīng)用，有效地保障了機(jī)制砂混凝土的工作性能和混凝土結(jié)構(gòu)物工程性能。

2)粉煤灰摻量為40%、水膠質(zhì)量比為0.37的噴射混凝土能夠滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。選擇噴射混凝土配合比時(shí)，可加大粉煤灰摻入量，降低單位用水量和水膠質(zhì)量比，提高混凝土的工作性。

3)施工現(xiàn)場噴射工藝成熟時(shí)，還可適當(dāng)降低坍落度值，以確?；炷恋膰娚湫Ч蛯?shí)體質(zhì)量。

4)水洗機(jī)制砂石粉含量并非越低越好，在8%～12%時(shí)混凝土的物理性能、力學(xué)性能以及耐久性能達(dá)到最佳。

5.2 建議

1)當(dāng)前對機(jī)制砂的研究大多以石灰?guī)r為母巖,應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)制砂巖性的研究樣本,使機(jī)制砂巖性的研究具有更強(qiáng)的適用性。

2)缺乏機(jī)制砂石粉含量對混凝上性能影響的系統(tǒng)研究。另外，大摻量石粉的存在與礦物摻和料、水泥之間的疊加效應(yīng)也需要進(jìn)一步研究。

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ApplicationofMechanical-crushedSandstoTunnelShotcreteandSecondaryLining

ZHANG Heng1, TAN Xinrong2, MA Hui3, CHEN Shougen1

(1.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China; 3.ChinaRailwayNo. 2EngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610032,Sichuan,China)

The application of mechanical-crushed sands concrete has some disadvantages, i.e. poor gradation, large fluctuation of performance indices, high rebound rate and low strength, etc. The equipment selection of processing system of mechanical-crushed sands and its application to shotcrete and secondary lining of Guiyang-Guangzhou High-speed Railway Tunnel are studied by indoor and field experiments. The study results show that: 1) The mechanical-crushed sand concrete with 40% of fly ash and 0.37 of water-binder ratio can meet the requirements of relevant standards and design. 2) The working performance of concrete can be improved by increasing the amount of fly ash and reducing the water volume and water-binder ratio when using shotcrete. 3) Appropriately reducing slump value to ensure shotcrete effect and solid quality can be chosen when the shotcrete process is mature at the construction site. 4) The mechanical-crushed sand should not be too clean; and the physical, mechanical and durability properties of concrete can reach peak when the content of stone powder is 8%-12%.

tunnel engineering; mechanical-crushed sands; secondary lining

2017-05-20;

2017-09-10

張恒(1985—)，男，貴州銅仁人，2013年畢業(yè)于西南交通大學(xué),橋梁與隧道工程專業(yè)，博士，講師，主要從事隧道及地下工程研究工作。

E-mail： tunnelzh@home.swjtu.edu.cn。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.005

U 45

A

2096-4498(2017)12-1536-08