機制砂在隧道噴射混凝土支護中的性能影響分析

王正華，王在杭，王建倉，李慶達，于詠妍

（1. 云南云嶺高速公路建設集團有限公司，云南 昆明 650224；2. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088）

0 引言

中國鐵路運輸建設的快速發展取得了輝煌的成就，截至 2018年末，中國鐵路營運總里程達 13.1 萬 km，僅計入到運營的鐵路隧道就達 15117 座，總里程達16331km；中國目前投入到運營的高速鐵路運輸總里程為 2.9 萬 km，共建成總長 4896km 總計 3028 座高速鐵路隧道[1]。隨著中國鐵路設施建設工程的高速發展，建筑用料的需求與日劇增，天然砂作為一種不可再生資源日漸匱乏，機制砂在建材市場替代天然砂用于基礎設施建設的使用日益廣泛。

優于天然砂的運輸成本劣勢，機制砂大幅降低了基建中材料的遠距離運輸成本，減少了過度開采天然砂所帶的巨大環境壓力。同時，在隧道開挖中產生的棄渣，往往需要占用大量土地資源以及消耗巨額資金進行處理，通過制砂機等設備對優質的隧道棄渣進行加工生產，并將生產的機制砂用于隧道混凝土生產可達到一舉兩得的效果。

1 隧道噴射混凝土中的用砂要求

機制砂主要是經制砂機破碎而成，顆粒形貌尖銳、表面粗糙度大，與水泥等膠凝材料易于粘結，有利于提高混凝土的抗壓強度，普遍用于土木建筑行業。我國按技術要求將機制砂分為 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三個等級：Ⅰ 類用于強度等級 C60 以上的混凝土；Ⅱ 類用于強度等級 C30～C60 以及有抗凍、抗滲或其它性能要求的混凝土；Ⅲ 類主要用于強度等級小于 C30 的混凝土和建筑砂漿。噴射混凝土的強度等級一般設計為 C15 至C25 之間，參考 JTG F 60—2009《公路隧道施工技術規范》[2]對砂的要求，混凝土應采用級配良好、材質堅硬、顆粒表面清潔的河砂，當河砂在建設中不易得到時，也可用山砂或硬質巖石加工的機制砂。作為一種特殊的混凝土施工工藝，隧道支護噴射混凝土對用砂還有特定的工藝要求。試驗證明，用于噴射混凝土中的砂最好選用細度模數大于 2.5、含泥量小于 5%、含水量按質量計為 5%～7% 的中粗砂［3］。

參照規范 GB 14684—2011《建設用砂》[4]對機制砂技術要求的相關規定，建設用機制砂的顆粒級配需滿足表 1～3 的相關規定。

表1 顆粒級配

表2 石粉含量和泥塊含量（MB 值≤1.4 或快速法試驗合格）

表3 石粉含量和泥塊含量（MB 值＞1.4 或快速法試驗不合格）

2 隧道噴射混凝土中的機制砂和天然砂性能對比

（1）天然砂是經長久風化而成的一種自然資源，其分布因地形差異原因產生嚴重的不均勻性且具有不可再生性，在我國公共基礎設施建設的大力發展下，長期不加節制的開采礦石必然導致天然砂的枯竭，而機制砂是采用制砂機破碎而成的建筑材料，在顆粒形貌、顆粒級配等方面必然與天然砂存在著不同的性能特點。

（2）天然砂分布不均且處于偏遠地區，在一些山區較為集中，對于平原地區則相對稀缺，資源的不平衡限制了天然砂在工程建設中的應用，而機制砂采用機械破碎從而緩解天然砂分布不均的問題。

（3）天然砂各檔粒徑均有分布，而機制砂粒徑分布則比較集中于某檔粒組之中，明顯不及天然砂的級配性能，生產過程中無法較好地掌握顆粒大小，但機制砂顆粒形貌較好，相比于天然砂顆粒具有少量的細長針尖狀，含泥量低、強度高，使用在混凝土中不會造成外觀質量上的缺陷，還有益于提高混凝土的和易性能。

3 機制砂混凝土性能影響因素

3.1 巖性的影響

在隧道礦山法施工過程中，噴射混凝土是隧道支護的常用手段。噴射混凝土的性能直接影響著初期支護的質量和施工效果。噴射混凝土是用噴射法施工的混凝土，要求砂及石子最大粒徑不大于 25mm，機制砂顆粒形貌存在較多尖銳狀，而天然砂在粒徑和粒形方面都明顯優于機制砂。此外，機制砂的砂巖性也對混凝土具有不可忽略的影響。唐凱靖等[5]研究了機制砂石英質和玄武巖質兩種巖性對混凝土性能的不同影響；朱華勝等[6]研究了石灰石質機制砂對混凝土性能的影響。結果表明機制砂不同巖性對噴射混凝土性能影響也大為不同，如表 4 所示，石英質機制砂因表面附著有較多石粉，導致混凝土坍落度和擴展度性能較差；玄武巖質機制砂含有鋁、鈣等金屬氧化物活性礦物成分，在水中可以部分溶出，再次發生具有火山灰作用的化學反應，反應產物顆粒細小，可部分或完全填充于混凝土骨料孔隙之中，使得混凝土致密性提高；石灰石質機制砂石粉含量普遍較多，但較高的石粉含量對混凝土的工作性能產生負面作用使其和易性大幅下降。

表4 不同巖性機制砂的性能對比

3.2 石粉的影響

機制砂中普遍含有一定量的石粉，石粉對混凝土的性能存在著明顯的影響。

一方面機制砂混凝土中不可避免地含有一定量的石粉；另一方面較高石粉含量對混凝土產生不利影響。朱華勝等[6]研究了機制砂 0%～20% 石粉含量對混凝土性能的影響，表明 12% 石粉含量的混凝土表現出較好的坍落度和擴展度，而 20% 石粉含量的混凝土特別黏稠，和易性大幅減低。

石粉可一定程度填充混凝土中骨料顆粒間的空隙，使骨料間原本點與點的接觸通過石粉的填充作用轉變為面與面接觸，增大了骨料間的接觸面積和摩擦作用，使混凝土骨架顆粒作用得更為穩固，從而提高了混凝土的抗壓強度；但石粉含量過高則表現出性能差的特點，石粉含量過高導致石粉不能完全填充于混凝土砂石骨架顆粒空隙之間，多余的石粉只能分散于骨架之外，與水分子接觸吸收水份，使混凝土缺水而粘稠導致流動度變差，影響混凝土水化硬化作用。

3.3 級配的影響

砂石級配是混凝土技術要求中的關鍵性指標，直接影響著混凝土的力學性能表現和工作效果，不同級配的機制砂其混凝土性能也各不相同，一般要求機制砂各檔粒徑含量要控制在一定范圍之內，級配曲線呈“S”形時的機制砂級配良好，其混凝土性能也較好。

不良級配的機制砂其級配曲線變化率大，表示顆粒分布的均勻性和連續性不足，顆粒在某檔粒組中存在斷檔現象而造成級配不連續，顆粒粒徑均勻、粒間嵌接性差、骨架孔隙率大，承受荷載易產生較大變形，混凝土強度也處在較低水平。

艾志勇等[7]基于 6 種不同級配的機制砂對混凝土性能的影響進行了研究，結果表明級配不良的機制砂混凝土在各齡期內均表現出強度偏低；即使混凝土工作性能較好，但在機制砂各檔粒組百分比含量不適當的情況下，其混凝土強度仍略有偏低。機制砂相關文獻[8]研究表明，S 形顆粒級配曲線有利于混凝土內部骨架形成懸浮—密實結構，有利于提高混凝土的強度和工作性能。

4 機制砂噴射混凝土性能優化

機制砂噴射混凝土工作性能直接關系著隧道的整體施工安全和質量，初期支護是隧道施工中的重要安全防護。長期以來，為保障隧道的安全圍繞初期支護噴射混凝土展開了大量研究，對隧道噴射混凝土的性能進行優化可以提高整體工作性能。

（1）外加劑：在進行隧道支護噴射混凝土施工時，加入少量外加劑可以改善混凝土的性能。加入減水劑可以短時間內提升混凝土的強度；加入速凝劑可以使混凝土在短時間內凝結硬化。王兆[9]研究了聚丙烯纖維—纖維素纖維對襯砌混凝土性能的影響，結果表明在噴射混凝土中加入一定量的聚丙烯纖維可與圍巖表面產生粘結從而使混凝土與粘結面產生了抗拉強度，使噴射混凝土的抗滲能力與抗氯離子侵蝕能力顯著提高。

（2）石粉含量：機制砂中石粉含量是影響混凝土性能的重要因素，適量石粉可以填充砂石顆粒空隙，發揮級配效應，增強混凝土骨料的密實性，使砂石顆粒間產生強有力的咬合力，提高了混凝土的黏聚性從而使混凝土具有較高的強度。丁浩[10]研究了機制砂混凝土中石粉的適宜含量，發現石粉含量與水膠比密切相關，在 0.35 水膠比下，石灰巖機制砂石粉適宜含量為 7% 左右。

（3）級配優化：機制砂配合比設計應結合顆粒篩分試驗和工程實際情況而異做針對性的配合比設計。所選用的機制砂必須滿足我國規定的機制砂各粒級含量的范圍，通過篩分試驗繪制級配曲線，根據富勒曲線和泰波公式對機制砂配合比進行優化，當級配曲線接近級配中值時可認為級配良好。

5 結語

在隧道支護混凝土施工中，機制砂的應用越來越廣泛，影響隧道初期支護機制砂噴射混凝土性能的因素眾多。合理認識機制砂在隧道施工中的優點和缺點，全面認識機制砂和天然砂不同的特點，充分利用機制砂的潛在價值，從機制砂的原材料、生產工藝、施工水平等加強機制砂的性能研究，對于促進機制砂在建設行業中持續健康利用具有重要意義。