隧道洞渣機制砂特性對混凝土坍落度的影響研究

黃 偉，于得水

（1.重慶交大建設工程質量檢測中心有限公司，重慶市400074；2.重慶交通大學，重慶市400074）

0 引 言

公路隧道的修建可縮短行駛路程、提高運輸效率，但開挖過程中產生的洞渣一方面需要土地資源堆放，若未經壓實容易改變該區域的地貌，處于雨季易發的山洪使其形成堰塞湖危及下游環境，引發泥石流等次生災害等[1]。因此，積極利用隧道洞渣作為公路建設的原材料具有積極意義。目前，隧道洞渣主要應用于路基、路面的建設中[2-4]，尤其是將洞渣加工為機制砂作為水泥混凝土的細集料使用，既解決天然砂的供需矛盾、運輸成本，也達到建設綠色公路的目的[5]。

近年來，國內外對于機制砂能用于混凝土的研究做了大量工作。Jarvenpaa H[6]認為影響機制砂混凝土流動性的因素為細集料顆粒形狀。Sharopouluo[7]利用DIP技術分析了河砂及機制砂的顆粒特性中的平均圓度及豐滿比，從而解釋了用兩者拌制混凝土性能的差別。Li Beixing[8]的研究認為在低標號混凝土中石粉含量增加會提高抗氯離子滲透，以及耐硫酸鹽侵蝕的能力增強，但少量石粉會導致抗凍性能降低；而對于高標號混凝土，石粉摻量在0～15%范圍內對抗滲及抗凍性能影響較小。黎鵬平[9]以云桂鐵路線為背景，認為采用干法制備的機制砂在篩分、破碎方式、除塵等環節更容易控制，并對混凝土的抗水壓滲透、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕等性能研究，結果表明石粉摻量合理可以對耐久性的提升有促進作用。余川[10]的研究表明，配置C30混凝土時石粉含量控制在8%～12%范圍，D0.15粒級含量控制在13%～20%范圍內；建議配置C50混凝土時石粉含量控制在4%～8%范圍，D0.15粒級含量控制在7%～15%范圍內。艾長發[11]將機制砂顆粒分為＜1.18 mm為Ⅱ組分，≥1.18 mm為Ⅰ組分，對六個不同級配配制的混凝土進行和易性試驗，結果表明，當I組分含量過多時，混凝土出現泌水的現象；而II組分含量過多時，混凝土在相同用水量下會變粘稠不利于澆筑。

綜上，機制砂的特性對混凝土的性能具有一定的影響。對此，該項試驗著重研究由池祁高速某隧道洞渣加工而成的機制砂在形貌特征、級配，以及石粉含量等方面對C50機制砂混凝土坍落度的影響，為機制砂在混凝土中的應用及隧道洞渣的處理提供思路。

1 試驗材料與配比

1.1 試驗材料

試驗水泥采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，粗集料為池祁高速某隧道洞渣加工生產的5～10 mm、10～20 mm石灰巖，細集料為洞渣制備的石灰巖機制砂，減水劑為蘇博特公司生產的減水劑。

1.2 機制砂特性

取不同制砂機生產的三個砂樣并對其特性展開試驗，其結果見表1～表3所列。

表1 不同砂樣的顆粒形狀特征參數表

表3 不同砂樣亞甲藍值一覽表

1.3 C50機制砂混凝土配合比

采用正交試驗設計法，結合既有工程經驗，以水泥用量、水灰比、砂率、減水劑摻量作為主要因素，設置三個水平，測試拌和物初始坍落度值、坍落度經時損失值及混凝土硬化后各齡期的抗壓強度值，經驗證優選配比參數為水泥用量455 kg/m3，水灰比為0.30，砂率為40%，減水劑為1.0%。

2 結果與分析

2.1 石粉含量對坍落度的影響

在機制砂混凝土體系中，一定量的石粉有益于混凝土的工作性[12]，測試不同石粉含量機制砂混凝土拌和物的坍落度，試驗結果見圖1所示。

圖1 不同石粉含量的坍落度值曲線圖

由圖1可知，混凝土的坍落度值隨石粉含量的增加逐漸增大，當石粉含量超過5.4%時，坍落度明顯呈下降趨勢。其原因為：（1）石粉的比表面積接近于水泥，補充了漿體材料的數量給予拌和物一定的粘聚性使得混凝土拌和物的坍落度值不會降低；（2）由于機制砂及碎石表面較粗糙，并存在凹凸分布，石粉的加入正好填補了界面凹凸處，一定程度上降低混凝土拌和物的內阻力，改善了混凝土的工作性。上述均為石粉含量適宜的積極作用。若當石粉含量超限時，將耗費大量水分導致拌和物流動性過好而造成坍落度下降，同時石粉中鈣質成分也會對減水劑進行吸附導致Zeta電位降低，使得顆粒間排斥作用降低，影響混凝土拌和物的工作性。

2.2 級配對坍落度的影響

采用3種級配的機制砂拌制混凝土，砂樣級配見表2所列，測試其坍落度，試驗結果見圖2所示。

表2 不同砂樣的級配篩分參數表

圖2 不同級配的坍落度值柱狀圖

由圖2可知，機制砂級配不同導致混凝土坍落度不同。JP1中1.18 mm篩孔以上的顆粒含量遠大于JP2和JP3，較粗的顆粒易形成孔隙就需要水泥漿去填充使得起到潤滑作用的水泥漿數量減少，相應地降低了混凝拌和物的流動性。而JP3中不同粒徑的顆粒含量大致與JP2相當，但其0.075 mm以下顆粒含量卻多余JP2，雖然粉料填充了粒徑較大的顆粒形成的孔隙，然而導致了集料的比表面積增大，吸附一部分水導致混凝土的流動性降低，從而造成坍落度減小[13]。

2.3 砂粒形狀特征參數對坍落度的影響

砂粒的棱角性、粗糙度等都會對混凝土的流動性產生影響，將3種不同制砂機生產的機制砂拌制混凝土進行坍落度試驗，結果見圖3所示。

圖3 砂粒形狀特征參數與坍落度的相關性曲線圖

由圖3可知，縱橫比、豐滿比、圓度值與坍落度的相關性較好，而棱角度稍弱。由砂粒形狀特征參數的概念可知，縱橫比、豐滿比、圓度值的數值接近1時認為顆粒形狀圓潤，而棱角度大于1并且一直遞增則說明顆粒凹凸面越多。由于砂粒的圓度值、豐滿比較對輥式制砂機及雙錘式制砂機大，且棱角度和縱橫比小，生產的砂粒更加圓潤，因此建議采用立軸式制砂機生產的機制砂用于混凝土中所測試的坍落度要更大，流動性更優[12]。

2.4 機制砂MB值對坍落度的影響

由于隧道洞渣的生產的機制砂經質量控制使得MB值在0.3～0.5范圍內，為擴大研究范圍選用洞渣場不同MB值的泥粉代替部分石粉拌制混凝土進行坍落度試驗，結果見圖4所示。

圖4 不同MB值機制砂混凝土坍落度試驗結果曲線圖

由圖4可知，隨著MB值增大，機制砂混凝土的坍落度逐漸減小。其原因在于，MB值越大，說明石粉中的泥粉含量較多，而泥粉顆粒較細，比表面積更大，會吸收一部分水，導致混凝土實際用水量降低，造成機制砂混凝土坍落度減小[13]。

3 結論

（1）隨著石粉含量的增加，機制砂混凝土的坍落度先增大，當含量超過5.4%后逐漸減小，為保證拌和物流動性，應適當控制石粉含量。

（2）根據機制砂級配對混凝土坍落度的影響表明，減少大于1.18 mm，以及小于0.075 mm的顆粒含量可以獲得較大的坍落度。

（3）不同制砂機生產的機制砂圓潤程度和棱角性有差異，機制砂顆粒特征參數與坍落度具有線性關系，相較而言，立軸式制砂機生產的機制砂可對混凝土具有良好的流動性。

（4）機制砂混凝土的坍落度隨MB值的增大而減小，考慮泥粉對混凝土的其他危害，應在生產控制中限制MB值。