粗砂在噴射混凝土中的研究

張明榮

0 引言

引洮供水工程用量最大的建筑材料為混凝土，由于其使用數量大、應用部位廣、技術要求高，且所用細骨料對混凝土質量影響較大，因而細骨料成為影響工程質量的主要因素之一。

引洮供水工程項目周邊細骨料細度模數均＞3.0，屬于粗砂。品質好的中砂具有很強的區域性質，遠距離運輸會大大增加工程的成本，如果要遠距離運輸將會影響工程建設的進度。為了不增加工程建設的成本的影響工程建設進度的前提下考慮用項目周邊的粗砂作為細骨料，不過《水工混凝土施工規范》要求細骨料應質地堅硬、清潔、級配良好；人工砂的細度模數且在2.4～2.8范圍內，天然砂的細度模數宜在2.2～3.0范圍內，使用山砂、粗砂、應采取相應的試驗論證。因此，項目用粗砂必須進過試驗論證研究[1]。

針對工程所處的環境、結構特點，開展粗砂制備噴射混凝土的研究。通過對比不同料廠生產處的粗砂制備的混凝土特性，優化配比，使配制出混凝土各項性能指標達到甚至優于中砂混凝土的性能指標，并滿足引洮供水主體工程混凝土的技術要求，且同時兼具良好的經濟性。

1 基本材料分析

引洮工程混凝土所用原材料主要為P·O42.5水泥，細度模數為3.0以上細骨料（河砂），5～10 mm粗骨料，粉煤灰和外加劑。根據相關規范要求，工程中應用其必須進行相關性能測試。

1.1 細骨料

選取四個具有代表性的砂石料場（疆濤商貿有限公司、通渭三維砂石料廠、英吉利砂廠、明星砂石料廠）生產的河砂進行試驗論證并進行相關性能測試，見圖1、圖2。

圖1 通渭三維砂石料廠河砂

圖2 英吉利砂廠河砂

對四個砂石料場的河砂進行篩分，篩分結果見表1。

從表1可以看出四個砂石料場生產的河砂細度模數均大于3.0，屬于粗砂。河砂其他性能參數如表2所示。

表1 河砂顆粒級配

表2 論證用砂檢測結果

從表2可以看出，樣品所檢項目的檢驗結果符合SL677-2014規范對天然砂的品質要求。

1.2 其他材料

試驗所用水泥為定西祁連山水泥商砼有限公司生產的P·O42.5水泥，所檢項目質量指標滿足GB175-2007標準中普通硅酸鹽水泥42.5級技術指標要求。粗骨料用5～10 mm卵石，粉煤灰為F類Ⅱ級灰，外加劑為引氣減水劑其減水率為15%。

2 實驗結果與討論

2.1 噴射混凝土

為了確保隧洞粗砂噴砼的質量，根據噴砼的設計要求和所用粗砂的特性，并結合砼中其他材料的性能特點進行配合比的試配試噴，試配C20噴砼配合比見表3。

表3 粗砂噴射砼試噴配合比

按以上配合比進行了試噴，發現噴砼表面干濕不一，出現少量干斑，噴射物附著性較差，回彈率較大，達到20%以上，結果表明用水量過少，砼松散，粘聚性較差，配合比中各參數不合理，同時發現試噴過程中容易堵管。

針對試配混凝土試噴過程中遇到的各種問題，通過改變噴射混凝土配合比測定對砼回彈率、強度等方面的影響規律，以便根據試驗結果進行分析，對配合比再調整、試驗，以獲得最佳的噴射混凝土配合比。

2.1.1 最佳砂率

粗砂細度模數超過3.0，采用與中砂相同的砂率時，不能起到中砂的潤滑作用和砂對粗集料的充填作用，從而使噴射混凝土的回彈率較大，需要通過改變砂率提高所配制混凝土的粘聚性來降低回彈率。通過試驗得到砂率與回彈率和強度關系如圖3、圖4所示。

圖3 砂率與回彈率關系曲線

圖4 砂率與抗壓強度關系曲線圖

從圖3、圖4可以看出，當所用粗砂砂率較低時噴射混凝土回彈率較大，隨著砂率提高，混凝土的粘聚性得到改善，回彈率降低。當砂率超過0.56時，回彈率增大。從經濟和混凝土工作性能考慮，粗砂砂率宜為0.52～0.56之間。

在砂率為0.46～0.56范圍內，隨著砂率的提高，混凝土抗壓強度有一定的增長。大量研究及經驗表明，當水灰比一定時混凝土越密實其抗壓強度越高，試驗中噴射混凝土抗壓強度提高是由于砂率提高使混凝土密實度增加[2]。混凝土中的粗顆粒形成骨架，需要細顆粒的充填。細集料不足不僅使噴射混凝土的粘聚性變差且密實性降低導致強度降低。為了讓小顆粒數量增多，使砼結構更加密實，最簡單的方法是通過在一定范圍內增大砂率來實現。

2.1.2 最佳水泥用量

膠凝材料用量直接影響噴射混凝土的回彈率、抗壓強度和噴射混凝土的成本，試驗論證通過改變膠凝材料用量來確定膠凝材料的最佳摻量，總結使用粗砂配制噴射混凝土時膠凝材料用量對回彈率、抗壓強度的影響，結果見圖5、圖6。

圖5 水泥用量與回彈率關系曲線圖

圖6 水泥用量與抗壓強度關系曲線圖

從圖5、圖6可以看出隨著膠凝材料用量增加，回彈率逐漸降低[3-6]，抗壓強度逐步提高。水泥作為噴射混凝土的膠凝材料，噴射混凝土的粘聚性主要由水泥提供，水泥用量過多會增加噴射混凝土的成本。試驗得出水泥用量宜在400～440 kg/m3。

2.1.3 最佳水灰比

水灰比不僅影響噴射混凝土的強度，也是影響回彈率的重要因素之一，試驗論證通過改變水灰比，確定水膠比的最佳范圍，水灰比與回彈率和抗壓強度關系，見圖7、圖8。

圖7 水灰比與回彈率關系

圖8 水灰比與抗壓強度關系

論證結果表明，水灰比較低時，拌合物拌合不均勻，拌合物的粘聚性較差致使噴射混凝土回彈率較高。水灰比較大時，噴射混凝土流動性較大從而噴射混凝土的粘附性變差，水灰比優選 0.42～0.44。

2.1.4 速凝劑最佳摻量

上述試驗外加劑摻量均占膠凝材料質量的5%，通過對比速凝劑摻量對噴射混凝土性能的影響，試驗選用細骨料為英吉利砂廠生產的河砂，砂率為0.52、水泥用量為420 kg/m3、水灰比為0.42，測試結果如表4所示。

表4 速凝劑摻量對噴射混凝土性能的影響

在試噴過程中發現速凝劑摻量過多時，混凝土凝結較快[7]，在噴射需要一定的時間，摻量過多會使混凝土強度較低，摻量較低會影響施工效率。試驗所用速凝劑最佳摻量范圍為 5±1%。

3 結論

針對引洮供水工程工程區附近料場粗砂進行研究，論證了粗砂制備噴射混凝土的可行性，得出以下結論：

（1）用細度模數＞3.0的粗砂制備噴射混凝土具有可行性。試驗論證選取四個典型砂石料場生產的粗砂通過配合比的設計、調整等，配制出的混凝土回彈率＜10%，抗壓強度高于C20（28 d抗壓強度≥26.6 MPa）設計強度。

（2）粗砂配置性能達標的噴射混凝土推薦砂率為0.52～0.56，水灰比為 0.42-0.44、膠凝材料用量 400～440 kg/m3、速凝劑摻量5±1%。

在引洮供水工程建設過程中，顆粒級配和含泥量等各項指標滿足規范要求的天然中砂資源缺乏，采用天然粗砂進行隧洞噴射混凝土的配制是可行的，其經濟效益顯著。在粗砂進行噴射混凝土施工前，要檢測粗砂特性，需進行試配和調整，獲得既能滿足施工性能，又能控制建設工程質量和控制生產成本的配合比方案。

[1]SL 677-2014,水工混凝土施工規范[S].

[2]王家濱,牛荻濤,張永利.噴射混凝土力學性能、滲透性及耐久性試驗研究[J].土木工程學報,2016.

[3]劉康.低回彈噴射混凝土技術研究[D].河北工業大學,2015.

[4]艾新春,藏志剛,宮旭.噴射混凝土現場回彈率試驗分析[J].

[5]姜波.濕噴混凝土回彈率影響因素[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2016,35(03):270-273.

[6]韓斌,姚松,于少峰,吳建勛,李佳夢.濕噴混凝土可泵性、強度和回彈率的關鍵影響因素[J].金屬礦山,2014,(07):37-41.

[7]楊富民,孫成曉,仇鵬,張雯,何軍利,閆俊潔,李晨.液體速凝劑在鐵路隧道噴射混凝土中的應用研究[J].鐵道建筑,2015,(09):74-77.