機制砂級配對盾構管片機制砂混凝土性能的影響研究

吳 江 陳晉棟 祝 雯

（1 廣州市建筑科學研究院集團有限公司；2 廣州建筑股份有限公司）

0 前言

城市軌道交通建設是提升城市公共交通服務能力、優化城市空間布局、實現城市可持續發展與增長的有效手段。為滿足城市發展的迫切需要，我國越江跨海隧道和城市軌道交通正進行大規模建設。目前在隧道施工過程中多采用具有施工快速、對周圍環境影響小、可適應復雜地層等優點的盾構施工技術，以替代原來落后的開槽明挖或淺埋暗挖等勞動密集型施工方法。盾構施工過程中，盾構管片是最重要和最關鍵的結構構件，管片性能的優劣對盾構隧道工程的質量和服役壽命具有決定性的影響。

隨著“砂荒”蔓延，發展機制砂、推廣機制砂應用已呈燎原之勢，隨著對其物理力學性能研究的深入，機制砂在工程中的應用越來越廣泛[1-2]。機制砂是采用巖石經過人工破碎制成，與天然砂在外觀、化學成分、顆粒形狀、顆粒機配以及特細顆粒含量（＜75μm）等特性上有很大的不同，對混凝土的工作性能、力學性能和耐久性能等都會產生影響，尤其是在軌道交通工程中，機制砂對盾構管片混凝土的影響尤其重要。

良好的骨料級配應當具有較小的空隙率和較穩定的堆聚結構，從而最大限度地發揮骨料的骨架作用和穩定作用。較小的空隙率能夠起到降低膠凝材料用量，保證混凝土體積穩定性的作用。研究表明[3-4]，相較于空隙率較大的間斷分布的骨料，采用粒徑連續分布的骨料得到的拌合物會具有更好的工作性能，骨料中某段粒級顆粒過多或過少都會使混凝土的工作性變差，從而導致耐久性變差。因此，調整骨料的級配以使其堆積空隙率最小成為研究熱點，本研究就級配對盾構管片機制砂混凝土性能的影響規律進行研究，為機制砂在軌道交通工程中的應用推廣提供參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥：華潤水泥（封開）有限公司生產的普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），其物理力學性能指標及化學成分分別見表1 與表2。

表1 水泥的物理力學性能指標

表2 水泥的化學組成 （%）

⑵粗骨料：云浮市恒豐石場所產的5～10mm 碎石和10～20mm 碎石，其主要性能指標見表3。

表3 粗骨料的主要性能指標

⑶花崗巖機制砂：來源于順興石場，表觀密度為2630 kg/m3，細度模數為2.6，石粉含量為3.6%，，其級配分布見表4。

表4 機制砂的級配

⑷礦粉和粉煤灰：本實驗采用S95 級礦粉和F 類二級粉煤灰，主要性能指標見表5 和表6。

表5 礦粉主要性能指標

表6 粉煤灰主要性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1 工作性能

混凝土的表觀密度和坍落度試驗參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》GB 50080-2016 進行測試。

1.2.2 抗壓強度

混凝土的抗壓強度參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB 50081-2019 進行測試，所用壓力試驗機為美特斯工業系統（中國）有限公司的YAW4306 型微機控制電液伺服壓力試驗機，其最大荷載為3000kN。

1.2.3 抗氯離子滲透性能

混凝土的電通量和氯離子擴散系數參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 50082-2009 進行，試件采用φ100mm×100mm 模具制備，脫模后浸沒于溫度為（20±2）℃、濕度≥95%標準養護室的水池內進行養護，到56d 養護齡期前取出，切取中間50mm 作為電通量和氯離子擴散系數試件。電通量試驗采用北京耐爾得儀器設備有限公司的NEL-PEU 型混凝土電通量測定儀進行測試，氯離子擴散系數采用北京耐爾得儀器設備有限公司的RCM-NTB 型氯離子擴散系數測定儀進行測試。

2 實驗結果與分析

2.1 機制砂級配組成

將原砂烘干后，采用標準套篩對其進行篩分，將篩分好的各級顆粒用水進行清洗，將其表面附著的石粉去除后烘干備用。混凝土最常使用的砂為Ⅱ區砂，在Ⅱ區范圍內挑選五個級配組成，各級配組成的機制砂堆積空隙率間距約為1%。級配組成見表7，試驗用配合比見表8。

表7 機制砂的級配組成

表8 混凝土試驗配合比

2.2 混凝土的工作性能

不同級配條件下盾構管片混凝土的工作性如圖1所示。由圖可知，隨著機制砂級配由G1～G5，混凝土的坍落度逐漸降低。分析其原因，機制砂級配G1～G5 的堆積空隙率不斷增大，填充機制砂空隙所需漿體含量增加，包裹在機制砂顆粒表面的富余漿體層變薄，漿體層之間的接觸面積變小，漿體起到的潤滑作用減弱，對混凝土的流動性不利。

圖1 不同級配下混凝土的坍落度

同時機制砂級配從G1～G5，其0.600～0.300mm 和0.300～0.150mm 段顆粒含量不斷增多，機制砂的總體比表面積增大，其對水分和外加劑的吸附性增加，導致混凝土中自由水含量降低，對混凝土的流動性不利，兩者共同作用導致機制砂混凝土的坍落度由G1～G5 逐漸降低。同時由該試驗結果可以看出，機制砂中0.600～0.300mm 和0.300～0.150mm 段顆粒含量對混凝土的工作性影響顯著，在機制砂生產過程中應著重關注該兩段機制砂顆粒的含量。

2.3 混凝土的力學性能

不同級配條件下盾構管片混凝土的抗壓強度如圖2 所示。由圖可以看出，隨著機制砂級配由G1～G5，混凝土的7d 抗壓強度和28d 抗壓強度在G1～G3 時保持穩定，由G3～G5，抗壓強度則緩慢降低。分析其原因，機制砂的堆積空隙率由級配G1～G5 不斷增大，填充機制砂顆粒之間所需的漿體含量增加，富余漿體含量減少，漿體之間的粘結面積減小，對混凝土的抗壓強度不利；同時 機 制 砂 級 配 從G1 ～G5，其0.600 ～0.300mm 和0.300～0.150mm 段顆粒含量不斷增多，機制砂的總體比表面積增大，其對水分和外加劑的吸附性增加，機制砂混凝土的實質水膠比降低，對混凝土的強度增長有利。當機制砂級配由G1～G3 時，兩種效應對混凝土抗壓強度的影響作用相當，所以混凝土的抗壓強度比較接近；當機制砂級配由G3～G5 時，機制砂顆粒的吸水性增大同時混凝土拌合物流動性變差，相同振實作用下，混凝土的密實性降低，導致混凝土的抗壓強度不斷降低。

圖2 不同級配下混凝土的抗壓強度

2.4 混凝土的抗氯離子滲透性能

不同級配條件下盾構管片混凝土的氯離子擴散系數和電通量分別如圖3 和圖4 所示。由圖可知，隨著機制砂級配由G1～G5，混凝土的氯離子擴散系數和電通量不斷增大。分析其原因，機制砂的堆積空隙率由G1～G5 不斷增大，填充機制砂顆粒之間所需的漿體含量增多，富余漿體量減少，骨料之間的連接區域更易形成孔隙；同時隨著級配由G1～G5，機制砂顆粒中的細顆粒含量顯著增加而粗顆粒含量減少，導致混凝土中引入的界面過渡區含量增多，而界面過渡區相對較為疏松，諸多界面過渡區連接在一起，為氯離子滲透提供了傳輸通道，導致混凝土的抗氯離子滲透性能降低。同時由圖3和圖4 可以看出，G5 級配的混凝土氯離子擴散系數和電通量較G4 增長顯著，氯離子擴散系數和電通量分別增長27.5%和25.4%。是因為G5 級配條件下混凝土的流動性較低，導致在成型過程中形成了一定含量的連通孔隙，為氯離子的傳輸創造了條件。

圖3 不同級配下混凝土的氯離子擴散系數

圖4 不同級配下混凝土的電通量

綜合來看，機制砂中0.600 ～0.300mm 級和0.300～0.150mm 級顆粒占比對盾構管片混凝土的性能影響較為顯著，建議在選用機制砂時，對其分計篩余也進行相應控制，尤其需重點關注0.600～0.300mm 級和0.300～0.150mm 級的顆粒占比情況。

3 結論

⑴混凝土的坍落度隨著0.600 ～0.300mm 和0.300～0.150mm 段顆粒含量的不斷增多而逐漸降低；

⑵抗壓強度隨著0.600 ～0.300mm 和0.300 ～0.150mm 段顆粒含量的不斷增多呈現為先保持穩定而后緩慢降低的趨勢；

⑶抗氯離子滲透性能則不斷降低。建議在選用機制砂時，對機制砂的分計篩余進行控制，尤其需重點關注0.600～0.300mm 級和0.300～0.150mm 級的顆粒占比情況。