TBM洞挖料作為中強混凝土粗骨料的試驗研究

趙衛(wèi)國，史天聰，張保勝，王婧紅，楊海燕*

(1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006)

采用TBM開挖隧道在工作效率、安全、環(huán)保及綜合效益等方面都有著巨大優(yōu)勢[1-3]。多數(shù)工程中TBM洞挖料被當(dāng)作廢料進行處理，如果能將其利用起來，那將減少工程造價及對環(huán)境的影響[4-5]。國外研究人員對TBM洞挖料回收利用方面的研究開始的較早，在實際工程上也有回收利用TBM洞挖料的實例[4-7]。在國外,工程人員將TBM洞挖料摻加天然骨料或者碎石作為混凝土使用，但對材料的級配、形狀、力學(xué)性能、處理方法等缺少嚴格控制。這些方面都造成了混凝土在抗壓強度方面存在較大的差異性。國內(nèi)研究顯示[8-9]，破碎加工可降低巖石中針片狀顆粒含量。并對針片狀骨料對混凝土性能的影響進行了相關(guān)研究[10-12]。本文通過對施工現(xiàn)場收集的TBM開挖材料進行處理，并采用其中堅硬的巖石作為混凝土骨料制作混凝土。采用不同骨料級配以及五種不同的水膠比制作混凝土，研究不同情況下TBM混凝土的抗壓強度。

1 TBM洞挖料

1.1 TBM料源及篩分

TBM洞挖料來源于山西省呂梁市臨縣地區(qū)TBM第二標(biāo)段工程的開挖廢料。由于TBM在挖掘隧道的同時需要不斷地噴水降溫降塵，并且施工現(xiàn)場缺乏對TBM洞挖料的管理，以及下雨等天氣原因，TBM材料含土量和含水量較高(圖1(a))，要對TBM洞挖料進行翻曬處理(圖1(b))。

圖1 TBM洞挖料Fig.1 TBM hole excavated material

為了將TBM洞挖料應(yīng)用于制作混凝土，需要將TBM洞挖料進行篩分處理。使用篩具篩徑為：5、10、20、40、60、80、100、120 mm，采用人工篩分方式進行篩分，并使用電子秤稱量各粒徑等級的重量。根據(jù)篩分的結(jié)果統(tǒng)計該次TBM洞挖料的各粒徑的占比如表1所示。其中TBM粗骨料較多分布在5～80 mm區(qū)間內(nèi)，其占比為77.3%。5～40 mm的TBM骨料占比為38.8%，40～60 mm占比為24.8%。

1.2 TBM顆粒形狀

根據(jù)相關(guān)研究表明[13]，TBM開挖料的尺寸由刀具對巖石的穿透程度和刀具軌跡之間的距離所決定，而穿透程度取決于有效的TBM推力。TBM洞挖料趨于片狀，某些粗骨料的比例可達到30∶15∶1，但大多數(shù)達不到這么高的比例。相對于粗骨料而言，細骨料的維度比例更加均勻[4]。根據(jù)圖2可以看出，TBM洞挖料隨粒徑的增大趨向于片狀結(jié)構(gòu)，隨粒徑的減小趨向于立方體結(jié)構(gòu)(普通顆粒形狀)。

1.3 TBM最大粒徑選擇及級配

骨料粒徑越大比表面積越小，這將減少包裹骨料所需的水泥漿。所以采用較大的粒徑骨料制作混凝土可以節(jié)約水泥的用量。但是混凝土骨料粒徑并不是越大越好，其一骨料粒徑越大其內(nèi)部存在缺陷的概率越大；其二在拌制混凝土過程中粒徑越大的骨料下沉速度越快，骨料粒徑越大其拌制混凝土內(nèi)部骨料分布越容易不均勻。這些不利因素都可能降低大粒徑骨料成品混凝土的抗壓強度[14]。余紅發(fā)等人[15]將片狀骨料于普通顆粒形狀的骨料進行了對比，發(fā)現(xiàn)在相同重量的條件下，片狀骨料的表面積和截面積較大。而較大的表面積和截面積會造成坍落度損失的增加及坍落度的下降。

為了減少TBM洞挖料在制作混凝土上顆粒形狀的不利影響以及增加混凝土強度，在級配方面采用連續(xù)級配。同時考慮表1中TBM各粒徑骨料的占比結(jié)果，為了盡可能使用TBM洞挖料，本次試驗采用最大骨料粒徑為80 mm。采用試驗的方法確定粗骨料級配，具體級配如表2所示。

表1 TBM洞挖料篩分結(jié)果Tab.1 The Screening results of material in TBM hole

圖2 篩分處理的TBM洞挖料Fig.2 The sieve treated TBM hole material

表2 TBM粗骨料級配Tab.2 Gradation of TBM coarse aggregate

1.4 TBM洞挖料性能分析

為了分析TBM洞挖料對混凝土抗壓強度的影響，需要分析TBM洞挖料的巖性，以及壓碎試驗。此次TBM洞挖料中的巖石屬于片麻巖，不會引起堿-骨料反應(yīng)，可以用于制作混凝土。其它測量信息如表3所示，TBM洞挖料粒徑越大的骨料空隙率越大。這也從試驗測量的角度反應(yīng)了TBM洞挖料中巖石顆粒的特征。

表3 TBM粗骨料表觀密度及空隙率Tab.3 Apparent density and void fraction of TBM coarse aggregate

粗骨料的抗壓強度應(yīng)大于等于其成品混凝土抗壓強度的1.5倍，工程上通常采用壓碎指標(biāo)來衡量粗骨料的強度。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[16]，本次壓碎試驗取TBM洞挖料粒徑為9.5～13.2 mm的巖石進行壓碎測試。每次取3 000 g巖石進行試驗，共試驗3次。試驗結(jié)果顯示TBM洞挖料的壓碎指標(biāo)為8.6%。本次TBM洞挖料中的巖石為片麻巖，其壓碎指標(biāo)符合混凝土為C35以及C40到C60抗壓強度等級使用的骨料要求。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

(1)水泥：P·O 42.5。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下進行養(yǎng)護，分別測試了該水泥3 d和28 d抗壓強度和抗折強度。結(jié)果顯示3 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，抗折強度為4.3 MPa，抗壓強度為22.2 MPa。28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下，抗折強度為7.0 MPa，抗壓強度為50.6 MPa。

(2)水：試驗室自來水,pH值為7左右。

(3)粗骨料：經(jīng)篩分處理的TBM洞挖料，具體級配如表2所示。

(4)細骨料：天然砂，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

2.2 配合比設(shè)計及制作

TBM出的巖石骨料趨于片狀，在粒徑及重量相同的條件下，TBM骨料的顆粒數(shù)量遠大于普通骨料顆粒的數(shù)量。根據(jù)相關(guān)研究[14]證明，片狀骨料的顆粒數(shù)項約為骨料顆粒數(shù)量的1.85倍左右。這就意味著在骨料最大粒徑相同的條件下，TBM骨料會更均勻地分布在混凝土中，使混凝土抗壓強度大小更加穩(wěn)定。少量超過40 mm的TBM骨料并不會破壞混凝土強度大小的穩(wěn)定性，其抗壓強度依然具有代表性。

基于上述考慮，本次試驗中采用150 mm×150 mm×150 mm混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，并將水膠比作為試驗變量?；炷量箟簭姸却碇狄匀齻€混凝土試件為一組進行測量，具體內(nèi)容參照相關(guān)規(guī)范[17]執(zhí)行。采用試配方法確定水、水泥、砂、TBM骨料的用量，采用目測的方法保證混凝土的和易性，具體TBM骨料混凝土配合比如表5所示。

2.3 抗壓強度試驗

為了縮短試驗周期，不同配合比的混凝土一次制作12塊，并將TBM混凝土試塊隨機分為4組，每組包括3個混凝土試塊。同一批次混凝土抗壓試塊的抗壓強度代表值由4組混凝土抗壓強度代表值的均值表示。制作的TBM混凝土試塊養(yǎng)護方法和混凝土抗壓強度測試方法均按照相關(guān)規(guī)范[18]來執(zhí)行。

表4 細骨料：砂Tab.4 Fine aggregate:sand

表5 TBM混凝土配合比及抗壓強度Tab.5 Combination ratio and compression strength of TBM concrete

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 TBM混凝土抗壓強度

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下28 d齡期的試驗組1和組2的TBM混凝土抗壓強度試驗結(jié)果如表5所示，其混凝土抗壓強度隨水膠比的變化如圖3所示。除試驗組1中0.70水膠的TBM混凝土抗壓強度出現(xiàn)突增外，試驗組1和組2中TBM混凝土抗壓強度隨水膠比的增大而減小。

圖3 TBM混凝土抗壓強度Fig.3 Compression strength of TBM concrete

引起試驗組1中0.70水膠的TBM混凝土抗壓強度突增的原因，可能是制作混凝土?xí)r造成TBM骨料在混凝土產(chǎn)生的不同空間分布。根據(jù)相關(guān)研究[19]，片狀骨料在混凝土中趨向于水平排列，這種分布特點會導(dǎo)致混凝土各向異性的力學(xué)性能，并且當(dāng)機械壓力垂直于混凝土中片狀骨料時測得的混凝土抗壓強度較高。

測試混凝土抗壓強度時，通常采用成型混凝土的側(cè)面作為上下受壓面。也就是說在混凝土抗壓測試中TBM片狀骨料在混凝土中于受壓面易成垂直狀態(tài)和機械壓力易成平行狀態(tài)，見圖4(a)。此時骨料抵抗壓力的作用較差，壓力易繞過骨料形成斷裂面。在小概率下片狀骨料于受壓面成平行狀態(tài)和機械壓力成垂直狀態(tài)，見圖4(b)。評價TBM混凝土抗壓強度時，采用較低的抗壓強度值作為其混凝土抗壓強度的代表值更為合理。

圖4 TBM片狀骨料在混凝土中的分布特點Fig.4 Distribution characteristics of TBM flake aggregate in concrete

3.2 水膠比對TBM混凝土抗壓強度的影響

根據(jù)規(guī)范[17]，當(dāng)普通混凝土強度小于C60時，混凝土水膠比可按公式(1)進行計算：

(1)

式中：W/B代表混凝土水膠比；αa、αb代表回歸系數(shù)，碎石可取0.53、0.20，卵石可取0.49、0.13；fb代表膠凝材料28 d膠砂抗壓強度(MPa)；fcu,0代表混凝土配置強度。

以試驗組2的TBM混凝土為例，根據(jù)式(1)計算在相同混凝土配置強度條件下，采用TBM骨料和采用碎石骨料相應(yīng)的水膠比，結(jié)果如表6所示。可以看出在相同水膠比條件下，TBM骨料降低了混凝土抗壓強度。并且隨著水膠比的增大，TBM骨料對混凝土抗壓強度的降低幅度影響越來越大。這意味著配制相同強度的混凝土使用TBM骨料需要更小的水膠比，也就是需要更多的水泥。

表6 不同骨料對應(yīng)的水膠比Tab.6 Water glue ratio corresponding to different aggregate

表7 擬合函數(shù)信息Tab.7 Information of fitting function

將TBM混凝土的水膠比作為自變量x，并將其對應(yīng)的抗壓強度作為因變量f(x)進行擬合具體函數(shù)關(guān)系為f(x)=A/x-B。將試驗組1和組2的數(shù)據(jù)作為整體進行擬合并排除異常點，其擬合結(jié)果如圖5所示，具體參數(shù)如表7所示。

圖5 數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.5 Data fitting results

圖5中顯示了兩種擬合函數(shù)，其一是根據(jù)式(1)進行的函數(shù)擬合，其二是采用Matlab軟件進行其它形式函數(shù)擬合時保留的最優(yōu)擬合的函數(shù)。可以看出TBM混凝土的抗壓強度及其水膠比之間的函數(shù)關(guān)系更符合f(x)=Ax+B的函數(shù)形式。由此可知TBM混凝土的抗壓強度及其水膠比之間成一次線性函數(shù)關(guān)系且為負相關(guān)。

3.3 級配對TBM混凝土抗壓強度的影響

在相同水膠比條件下，盡管試驗組1采用了更多的水泥，但是試驗組2中TBM混凝土的抗壓強度普遍大于試驗組1中TBM混凝土的抗壓強度。造成這一現(xiàn)象的原因很有可能是兩組試驗采用了不同的砂率造成的。根據(jù)相關(guān)研究[4]，Talbot公式可適用于不同骨料顆粒形狀的最優(yōu)級配，具體的Talbot級配公式如式(2)所示：

(2)

式中：P代表通過篩徑d的累計分數(shù)；D代表級配的最大骨料粒徑(必須于篩徑d采用相同單位)；n代表骨料的形狀系數(shù)。

根據(jù)相關(guān)研究[4]，對于完美的球形骨料，其形狀系數(shù)宜取n=0.5。充分的試驗顯示，骨料的顆粒形狀越不趨于球形，其骨料的形狀系數(shù)n越小。工程上使用的普通碎石骨料，其骨料的形狀系數(shù)n一般取0.45。對于TBM骨料的片狀結(jié)構(gòu)，其骨料的形狀系數(shù)n應(yīng)取小于0.45的數(shù)值。分別采用n=0.45、n=0.44、n=0.43、……、n=0.30，對比試驗組1、組2的級配以及Talbot最優(yōu)級配曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)n≤0.40時，試驗組2更接近Talbot最優(yōu)級配曲線，如圖6所示。

4 結(jié)論

1)在相同水膠比下，TBM混凝土的抗壓強度比普通碎石制作的普通混凝土的抗壓強度低，并且隨著水膠比的增大TBM混凝土的抗壓強度下降幅度大于普通混凝土。也就是說使用TBM洞挖料制作混凝土?xí)r，需要減小水膠比(增加水泥用量)。

2)在0.55～0.75的水膠比范圍內(nèi)，對TBM混凝土抗壓強度和水膠比進行函數(shù)擬合。其結(jié)果顯示TBM混凝土抗壓強度和水膠比成一次函數(shù)關(guān)系且為負相關(guān)。

3)良好的骨料級配可減少水泥用量，增加混凝土的抗壓強度。當(dāng)缺少骨料級配規(guī)范要求和相關(guān)經(jīng)驗時，可參考Talbot級配公式。依據(jù)試驗組1和組2的TBM混凝土抗壓強度進行分析，TBM巖石作為混凝土骨料時Talbot公式中的骨料系數(shù)n應(yīng)小于等于0.4。

圖6 骨料級配曲線Fig.6 The curve of aggregate gradation