隧道洞渣加工機制砂在高速公路建設中的應用研究

李炎飛

摘 要：高速公路隧道洞渣常常作為廢渣丟棄，既占用土地又影響環境，合理利用隧道洞渣是建設綠色公路的必然要求。池祁項目通過在隧道口附近路基上布設加工設備，綜合應用三級破碎工藝和布袋除塵工藝，采用源頭優選、晾曬洞渣、建立質量控制系統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，并成功應用于高速公路建設，實現了隧道洞渣的資源化利用。研究表明，用隧道洞渣加工機制砂技術可行，將該項技術應用于高速公路建設可節約投資、減少占地、保護生態環境。

關鍵詞：洞渣;機制砂;石粉

中圖分類號：U454 文獻標識碼：A

0 引言

隧道施工中產生大量的洞渣是不可避免的，處理這些洞渣，需要征用大量的永久用地，棄渣過程中將產生大量的運輸費用。隧道施工中，混凝土需求量大。目前全國范圍內砂石料逐漸枯竭，在地材資源不豐富的地方，混凝土砂石料將大大提高工程成本。在洞渣質量滿足制備砂石料的前提下，采用洞渣制備砂石料將產生極大的經濟效益。洞渣的綜合利用，也符合當前國家推行的綠色工程的政策。

1 項目研究背景

G3W德州至上饒高速公路池州至祁門段是國家公路網規劃項目，是京臺高速（G3）西側并行線，也是安徽省“五縱九橫”高速公路網規劃中“縱三”高速公路的一段。項目全長91.656 km，全線隧道共長31.46 km，橋梁共長23.2 km，橋隧比高達60%，為安徽省之最。其中和龍山隧道、釣魚臺3號隧道圍巖以灰巖為主，重陽1號隧道、寶石嶺隧道圍巖以花崗巖為主，重陽2號隧道圍巖以花崗巖和灰巖為主，經過檢測，花崗巖和灰巖的飽水抗壓強度均大于80 MPa，對應加工而成的集料堅固性、云母含量、硫化物及硫酸鹽含量等指標均能符合要求，具備加工機制砂的基本條件。

2 機制砂生產工藝研究

2.1 母材甄選分類

用于生產機制砂的母巖為石灰巖、花崗巖等潔凈、質地堅硬、無軟弱顆粒及無風化石的巖石，不應具有潛在的堿集料反應活性，母巖抗壓強度不應小于所配置混凝土設計強度的2倍。隧道洞渣加工前，進行巖性分析檢測，洞渣巖性發生明顯變化時，及時取樣進行巖性分析及飽水抗壓強度檢驗。采用由母巖加工后生產的10 mm～20 mm粒徑的碎石加工機制砂（用于高性能混凝土時，此碎石的壓碎值滿足≤20%）。

2.2 生產設備選型

根據生產規模確定，考慮母巖種類及性能，選用生產機制砂的專用設備技術需滿足可靠、經濟合理、兼顧環保要求。

機制砂生產系統應由給料設備、破碎設備、制砂設備、篩分設備、洗砂設備或除塵設備、輸送設備等組成，按需要增加整形設備、攪拌混合設備等。

機制砂生產工藝根據制砂過程中的除塵方式，可分為干法制砂、濕法制砂。優先選用干法生產，因為濕法生產的水頭、水壓難以調控，機制砂石粉含量偏小，且需要進行污水處理。濕法生產的機制砂用于生產混凝土時，料倉堆積導致機制砂含水率差別較大，給施工控制帶來困難。對于石英含量較多的花崗巖等，滿足水源及環保條件下也可采用濕法制砂。

2.3 機械組合形式

機制砂加工采用粗碎（原料破碎）、細碎（規格碎石破碎）和制砂的三級破碎工藝。機制砂的破碎設備按下列配置：

一級破碎選用顎式破碎機。

二級破碎選用反擊破碎機、圓錐式破碎機或立式沖擊破碎機。

三級破碎選用立軸式沖擊制砂機，不使用單純的錘式制砂機，有條件的情況下，可以使用能夠實現“制砂+整形+細度模數調整”的單破碎制砂機。

干法生產采用多級袋式除塵系統除塵，除去的0.075 mm以上的顆?；厥?。

水洗設備主要有輪式洗砂機和螺旋洗砂機。

2.4 石粉含量控制

經混凝土配合比驗證結果發現，合理的石粉含量可以起到很好的潤滑和填充作用。石粉可以看成一種惰性的摻合料，混凝土中總體的膠凝材料用量應考慮控制在570 kg/m3。所以石粉含量應當在3%至15%范圍內，最佳在8%左右（根據母巖材質不同，最佳石粉含量會有波動）。但石粉含量3%的機制砂因要滿足混凝土和易性，就需要通過添加水泥用量或水泥漿用量、增加外加劑用量加以調整，從經濟性方面考慮比較困難，而且外加劑用量增加，混凝土黏聚力比較大，給施工帶來困難。石粉含量15%的機制砂拌和混凝土，因砂漿量較大，容易出現泌水等現象，給結構物外觀帶來缺陷。

3 機制砂混凝土質量控制要點

（1）加強機制砂成品質量檢測。按《建設用砂》（GB/T 14684-2011）方法，以同一料源、同一規格、同一生產設備每400 m3或600 t為一檢測批。加工產品每批必檢項目：顆粒級配、堆積密度、石粉含量、壓碎值。每個料源增加一次氯離子含量檢測和堅固性檢測、堿活性檢測。

（2）機制砂混凝土的配合比設計應根據原材料性能以及混凝土的設計強度等級、耐久性、工作性等相關技術要求，按《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）的有關規定，通過計算、試配、調整等步驟進行。

由于機制砂棱角較多、表面較為粗糙且石粉含量較高，易導致機制砂混凝土出現和易性差、離析、泌水等問題。因此，混凝土配合比設計時應結合機制砂的細度模數、顆粒級配、石粉含量，按所選水灰比及碎石最大粒徑通過試驗優選確定砂率，并可通過摻配緩凝高效減水劑、粉煤灰等外摻料，在低水灰比條件下，配制出坍落度損失小、和易性好、強度和耐久性高的混凝土。

（3）加強機制砂混凝土拌和物的攪拌。機制砂含有較多石粉，在拌制過程中不易攪拌均勻。必須采用強制式攪拌機進行攪拌，若為較天然砂混凝土，可適當延長攪拌時間，以改善機制砂混凝土的和易性。

（4）加強機制砂混凝土拌和物的質量控制。機制砂混凝土的工作性對用水量和減水劑的改變以及砂的細度模數、級配、石粉含量和砂率的變化較為敏感。要密切觀察混凝土的拌和質量，適當加大坍落度的檢測頻率。混凝土生產過程中，必須加強機制砂和外加劑的質量檢驗，并定期對拌和設備的配料計量系統進行校準，嚴格控制計量精度。

（5）施工時應注意機制砂混凝土的合理振搗。振搗時應以混凝土不再沉落、不冒氣泡、表面平坦呈現浮漿為度，防止漏振、欠振和過振。機制砂混凝土比天然砂混凝土易于液化，尤要避免過振，以防止出現蜂窩、麻面或表面形成疏松層。摻礦物摻合料混凝土振搗時，振搗后的混凝土表面不應出現明顯的摻合料浮漿層。

（6）加強機制砂混凝土的養護。機制砂混凝土中粉體含量較高，早期收縮較大。要特別加強早期保濕養護，且養護時間應比天然砂混凝土適當延長（2天～3天），以防止混凝土出現收縮裂縫，影響結構使用耐久性。

4 預計達到的效益

首先，經濟效益。利用隧道洞渣加工成混凝土用砂石料，可節約外購運輸費和購買費用，節約棄渣堆放用地征地費用、外運砂石料便道修筑費等，從而降低工程成本，呈現的經濟效益勢必無法忽視。

其次，社會效益。能夠大幅緩解皖南山區高速公路砂石原材料需求量大與獲取困難、價高、質量差等之間的矛盾，提高生產建設效率。同時也減輕了因長距離調運砂石而造成的社會交通壓力，對安徽省境內以及全國公路建設均能產生良好效益。

最后，環境效益。實現隧道棄渣的有效利用，減少了固體廢棄物排放量，降低了棄渣對農田、河道等的影響，緩解了因采集砂石料對山體和水域的破壞，保持了生態景觀的完整性。

5 結束語

此方面的研究能提升洞渣附加值，彌補天然砂石量不足的同時，也解決棄渣處理的問題。同時，由于對天然砂石需求量的有效減少，無需因為開采而破壞生態平衡，緩解因外購而引發的交通壓力。所以，該課題研究應當逐漸衍生至鐵路軌道、水利、建筑等項目中。

參考文獻：

[1]蘇玉奎.新型加工的花崗巖機制砂混凝土的性能及應用[J].西部交通科技，2020，15（07）：38-40.

[2]范江平.機制砂混凝土應用研究現狀及存在問題之探析[J].江西建材，2020，40（02）：4+7.