機制砂在隧道噴射混凝土及二次襯砌中的應用

張 恒， 譚信榮， 馬 輝， 陳壽根

(1. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031；2. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031； 3. 中鐵二局集團公司， 四川 成都 610032)

機制砂在隧道噴射混凝土及二次襯砌中的應用

張 恒1， 譚信榮2， 馬 輝3， 陳壽根1

(1. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031；2. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031； 3. 中鐵二局集團公司， 四川 成都 610032)

為解決機制砂混凝土應用中存在級配不良、性能指標波動幅度較大、回彈率高及強度低等缺陷，以貴廣高速鐵路隧道施工為依托，采用室內試驗和現(xiàn)場試驗對機制砂加工系統(tǒng)的設備選型與在噴射混凝土及二次襯砌中的應用進行研究。研究結果表明: 1)粉煤灰摻量為40%、水膠質量比為0.37的大摻量粉煤灰機制砂噴射混凝土能夠滿足規(guī)范及設計要求; 2)選擇噴射混凝土配合比時，可加大粉煤灰摻入量，降低單位用水量和水膠質量比，提高混凝土的工作性; 3)施工現(xiàn)場噴射工藝成熟時，還可適當降低坍落度值，以確保混凝土的噴射效果和實體質量; 4)水洗機制砂石粉含量并非越低越好，在8%～12%時混凝土的物理性能、力學性能以及耐久性能達到最佳。

隧道工程； 機制砂； 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?shù)刎S富的資源，用機制砂取代天然砂，將是解決天然砂短缺非常經濟的方法，也是形勢所需[1-3]。王朝東等[4]對人工砂的物理力學特性進行了研究，并對人工砂代替天然砂在隧道噴射混凝土支護中的技術可行性、經濟可行性和實施可行性等進行了分析。陳書平等[5]應用三級破碎和布袋除塵相結合工藝，采用源頭優(yōu)選、晾曬洞渣、建立質量控制系統(tǒng)等方法加強質量控制，用隧道洞渣加工出滿足Ⅱ類建設用砂要求的機制砂。渝黔鐵路天坪隧道機制砂生產中采取增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙，并安裝多檔調節(jié)電氣開關控制轉速和加壓過濾設備的方式，將0.075～ 0.15 mm檔流失的砂子回收利用，使機制砂顆粒級配斷檔得到彌補[6-7]。但是，機制砂及機制砂混凝土應用中存在諸如級配不良、性能指標波動幅度較大及機制砂混凝土的和易性難以控制等問題[8-9]，需要在機制砂加工系統(tǒng)的設備選型、工藝優(yōu)化及產品利用技術方面進行更深入的研究。本文在前人研究的基礎上，針對大摻量粉煤灰機制砂噴射混凝土的工作性能和力學性能進行研究，并對最佳石粉含量進行探討。

1 鐵路隧道中機制砂的應用前景

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，開挖隧道會產生大量優(yōu)質棄渣。因地制宜地采用隧道開挖的棄渣為石料加工機制砂，既可保障施工需求，又可降低成本、節(jié)約棄渣用地。機制砂是由機械破碎，篩分制成的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，但不包含軟質巖、風化巖的顆粒。機制砂在隧道工程中的應用具有如下優(yōu)勢： 1)原材料資源豐富。2)質量可控性強，能保障混凝土強度。3)降低混凝土水化熱和提高和易性的作用。4)機制砂表面粗糙、易于黏結，在混凝土中起到填充、傳遞應力和骨架作用，對混凝土提高強度、抗收縮和防開裂有利[10-13]。

2 機制砂加工設備選型及工藝優(yōu)化

2.1 母材選用

不同類別的巖石生產出的機制砂技術指標有較大的差別[14]。對標段內胡家寨隧道、團寨隧道以及斗篷山隧道開挖采集的母巖進行對比，結果如表1所示?？梢钥闯觯?1)團寨隧道母巖吸水率小、軟化系數(shù)大并且不含堿活性物質，但它的強度太大，機械損耗大； 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度較高、易脫層風化。綜上，選擇斗篷山隧道進口與胡家寨隧道出口的巖石作為機制砂母材。

表1 隧道母巖特性對比

2.2 破碎機械選用

顎破式破碎機破碎比大、產品粒度均勻、結構簡單，是一級破碎的首選設備，如圖1(a)所示； 反擊式破碎機的破碎比可達到50%以上，反擊式破碎機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機制砂顆粒含立方體形態(tài)的機率較高，針片狀顆粒的百分比含量可低于10%，產品顆粒形態(tài)好，如圖1(b)所示；顎式、圓錐和輥式破碎機的破碎比很難超過20%，且顎式、圓錐和輥式等破碎機產品的針片狀百分比含量往往高于15%。現(xiàn)場機制砂系統(tǒng)采用鄂破式破碎機進行一級破碎，然后再用反擊式破碎機進行二次破碎的方式。

2.3 篩分工藝

破碎料的篩分過程是機制砂石料生產的重要環(huán)節(jié)，它直接決定了機制砂石料的產品質量(級配、顆粒形態(tài)、壓碎值等)和產品比例(細砂、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比較可知： 在其他設備與母料不變的情況下，使用圓孔篩時所產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，能更有效地控制機制砂顆粒級配。不同的篩孔形狀如圖2所示。

(a) 鄂破式破碎機

(b) 反擊式破碎機

(a) 方孔篩

(b) 圓孔篩

2.4 石粉清洗工藝

一般情況下，不經清洗、由生產線直接篩分獲取的機制砂中石粉含量為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]。合格的機制砂生產線均需增加水洗或風洗設備(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。未經水洗的機制砂石粉含量超標，而水洗機制砂中細顆粒含量偏少，細度模數(shù)偏高，這一矛盾可以通過二者摻合利用來解決。

(a) 風洗除塵

(b) 水洗除塵

3 機制砂在噴射混凝土中的應用

噴射混凝土廣泛用于隧道初期支護施工中，其所用細骨料一般采用級配良好的Ⅱ區(qū)天然中砂，細度模數(shù)≥2.5。由于貴廣鐵路GGTJ-1標工程所在地區(qū)天然砂缺乏，隧道初期支護噴射混凝土采用的細骨料普遍為水洗機制砂。水洗機制砂的級配不良，拌制的混凝土和易性差，泵送效果差，必然導致混凝土單位用水量大幅度提高，不但嚴重影響了混凝土的速凝效果和強度，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。混凝土坍落度的增加，也降低了噴射混凝土整體支護能力及外觀質量。

為了解決機制砂濕噴混凝土工作性差、回彈率高及強度低等問題，在噴射混凝土中采用大摻量粉煤灰進行試驗研究，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)提高初期支護的外觀質量； 5)提高噴射混凝土的耐久性、施工性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經濟性。

3.1 常規(guī)噴混凝土配合比及性能試驗

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)配合比性能檢測結果

3.2 大摻量粉煤灰噴混凝土配合比及性能試驗

試驗采用摻50%、40%、30%粉煤灰等量代換水泥，每種粉煤灰摻量設計出3種不同水膠質量比的配合比，如表4所示。大摻量粉煤灰噴混凝土配合比設計室內、室外工作性能及力學性能指標檢測匯總如表5所示。

表4 大摻量粉煤灰噴混凝土配合比設計

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如圖4所示。

3.3.3 混凝土強度

摻有粉煤灰的混凝土7 d齡期前強度低于未摻粉煤灰混凝土強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齡期后強度出現(xiàn)負增長現(xiàn)象?；炷翉姸扰c齡期的關系曲線如圖5所示。

表5 大摻量粉煤灰混凝土拌合物性能及力學性能檢測結果

針對大摻量粉煤灰混凝土早期強度較低的問題，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)護溫度、采用物理和化學激發(fā)措施及摻入復合礦物摻合料等技術途徑來提高粉煤灰混凝土的早期強度。本身未摻粉煤灰的混凝土用水量較大，一開始檢測的時候一些結晶水還在，支撐著一部分強度，7 d以后，隨著水化作用，結晶水逐漸脫掉后，使混凝土內部容重低于前期的容重，形成空隙，不是化學的逆反應，而是后期失水導致空隙率增加，使強度降低。

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)場噴射對比試驗檢測及觀察所得混凝土的可泵性、回彈量、凝結(硬化)時間、推算強度(現(xiàn)場回彈法測定)、混凝土外觀效果等進行匯總，結果如表6所示。可以看出： 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量。2)由于粉煤灰需要二次水化反應，早期強度相對較低，1 d強度隨著粉煤灰的摻量增加而降低，7 d后混凝土強度增長速度較快，而未摻粉煤灰混凝土早期強度相對較高，但7 d后強度出現(xiàn)倒(縮)增長或不增長現(xiàn)象。

(a) 50%粉煤灰、0.37水膠質量比

(b) 40%粉煤灰、0.37水膠質量比

(c) 30%粉煤灰、0.37水膠質量比

(d) 無粉煤灰、0.46水膠質量比

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

編號粉煤灰摻量/%可泵性回彈量/%凝結時間/min檢測強度/MPa混凝土回彈現(xiàn)象外觀效果00易堵管151526.9嚴重 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較嚴重表面較粗糙789303030好 111031.4一般 表面平整較好 111330.6較嚴重表面較平整較好 121329.8較嚴重表面較粗糙

4 機制砂在二次襯砌中的應用

以貴廣鐵路GGTJ-1標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的基準配合比，如表7所示?；鶞逝浜媳戎屑毠橇鲜酆吭O定為4%，對比檢測細骨料中石粉含量為2%、6%、8%、10%、12%、14%、16%時的混凝土性能，結果如表8和表9所示。可以看出： 水洗機制砂石粉含量并非越低越好，在8%～12%時混凝土的物理性能、力學性能以及耐久性能達到最佳?；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)程及標準對機制砂混凝土石粉含量規(guī)定最高上限為10%，結合上述機制砂石粉含量試驗結果，提出機制砂摻配利用法，可有效解決機制砂石粉含量超標的問題。機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%?，F(xiàn)場施工時在拌合站四料倉中設2個砂倉，其中非水洗砂倉摻配所需機制砂為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算，在實際施工過程中還需對2種砂的含水率分別測定，并轉換為施工用量。

表9 不同石粉含量混凝土力學性能及耐久性

(a) 石粉含量8%拌合物

(b) 石粉含量8%、抗?jié)B等級>P12

5 結論與建議

5.1 結論

1)通過研究優(yōu)化和改進了機制砂質量控制(機制砂系統(tǒng)設備選型和工藝)、控制指標、機制砂混凝土配合比、拌制生產及現(xiàn)場澆筑施工工藝的技術方案并實施應用，有效地保障了機制砂混凝土的工作性能和混凝土結構物工程性能。

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

3)施工現(xiàn)場噴射工藝成熟時，還可適當降低坍落度值，以確?；炷恋膰娚湫Ч蛯嶓w質量。

4)水洗機制砂石粉含量并非越低越好，在8%～12%時混凝土的物理性能、力學性能以及耐久性能達到最佳。

5.2 建議

1)當前對機制砂的研究大多以石灰?guī)r為母巖,應進一步擴大機制砂巖性的研究樣本,使機制砂巖性的研究具有更強的適用性。

2)缺乏機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也需要進一步研究。

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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,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