基于粉碎性黃土環境的棄渣砂巖在混凝土中的應用性能研究*

溫郁斌，張靜曉，孫艷鵬

(1.山西昔榆高速公路有限公司，山西 晉中 030600； 2.長安大學經濟與管理學院，陜西 西安 710000；3.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710000)

0 引言

在公路建設過程中會產生大量棄渣，棄渣堆積占用了大量土地，同時在工程建造過程中需要大量的建筑材料。在此背景下，根據公路建設特點以及考慮工程建設對于建筑材料的使用需求，對工程棄渣用作混凝土摻和料的特性研究具有重要意義。國際上許多國家已經開始對棄渣進行再利用，并達到一定的應用水平。德國、日本等針對棄渣的利用頒布了相關法規。其中，德國在 1994年提出隧道棄渣利用的相關計劃[1]。日本在1997年提出，原則上必須將建筑垃圾進行再利用處理[2]。我國的棄渣資源再利用目前處于起步階段[3-4]。鐘恩等[5]通過集成減量化破碎、全自動壓磚等核心技術，將建筑固體廢物再次利用。楊銳鋒等[6]從鐵路建設臨時用地原有生態環境功能恢復的角度出發，對鐵路建設過程中的臨時用地進行復墾，有效解決棄渣浪費土地的問題。王棟等[7]運用環境保護、水土保持和資源節約等相關理念，并將有效措施應用到公路工程中，改變傳統的棄渣處理方式，創造性地將棄渣用作邊坡綠化。隨著棄渣研究的進一步深入，棄渣不僅作為填充物，也可用作工程材料。孔玉清等[8]對大直徑泥水盾構棄渣中的優質泥漿在卵礫地層中的再利用問題進行了室內試驗研究，使優質泥漿在泥水盾構施工中得以重復利用。張連玉等[9]從棄渣對環境的影響出發，在鶴大高速公路工程建設項目中成功利用隧道棄渣生產了碎石。戴勇等[10]針對大直徑泥水盾構隧道工程掘進線路處于黏土地層的問題,提出了棄渣取代同步注漿原材料，這一方案成功將棄渣用作注漿材料。然而目前對于棄渣再利用的研究，局限于將棄渣作為填充物，少部分研究將棄渣作為注漿材料使用[10]，尚未有針對粉碎性黃土地區棄渣砂巖利用的研究，本文所依托的昔榆高速工程位于粉碎性黃土地區，地質條件復雜，在工程建設過程中產生大量的破碎棄渣砂巖，堆積、搬運耗費大量人力物力。

為解決昔榆高速項目的棄渣問題，本文首次考慮將棄渣砂巖作為混凝土集料使用。通過一系列棄渣砂巖與混凝土性能有關的試驗研究，有效解決以下問題：①使用高效減水劑，極大緩解了砂巖集料混凝土高需水量的問題，同時減少了混凝土中大水珠的比例；②提高總膠凝材料用量，一是緩解砂巖集料粗糙表面對砂漿的消耗，更重要的是分散水，阻礙混凝土中大水珠形成，降低自由水低溫結晶膨脹應力；③超摻粉煤灰的使用，一是粉煤灰形成的凝膠堵塞混凝土毛細孔，阻止外部水進入混凝土內部，提高抗凍性，二是粉煤灰水化反應緩慢，60d甚至90d都在進行水化反應，消耗混凝土中自由水，使混凝土抗凍性能提高；④使用引氣劑，在混凝土中形成微孔，給混凝土中自由水結晶預留出膨脹應力釋放空間；⑤混凝土成型坍落度對抗凍性有一定影響，控制混凝土的成型坍落度可提高混凝土抗凍性。

1 工程概況

昔陽(晉冀界)至榆次(K0+000—K128+115)項目采用雙向四車道高速公路標準建設(以下簡稱昔榆)，設計速度100km/h，整體式路基寬度26.0m，全長125.370km。一般互通立交4處、樞紐互通式立交2處，服務區3處，養護工區3處，路段管理中心2處，隧道管理站3座，匝道收費站5處，主線超限站1處；閆莊連接線7.137km，馬坊至松塔連接線21.246km，總占地11 178.8畝(1畝≈666.7m2)，橋隧比55%。

2 公路沿線棄渣特性分析

昔榆高速沿線有近1 800萬m3棄渣，以砂巖為主，但砂巖品質參差不齊，部分風化嚴重，含有泥巖。砂巖屬于沉積巖，可分為鈣質、砂質、鐵質、黏土質等，主要特點為強度較低，吸水率大，易風化崩解，且成分波動性太大，勻質性差，導致其無法如石灰石等硬質巖類一樣直接破碎使用，亟待提出一種合理有效的資源化利用途徑。因此分析昔榆砂巖類棄渣的特性，評價分析其穩定性，并將其分級破碎加工成不同品質的集料分別用于混凝土、路面基層等公路工程中，實現沿線棄渣在高速公路中的高效利用[11-14]。

2.1 成分分析

砂巖是一種沉積巖，是源區巖石經風化、剝蝕、搬運在盆地中堆積形成，由碎屑和填隙物兩部分構成。碎屑礦物包括：石英、長石、白云母、方解石、黏土礦物、白云石、鮞綠泥石、綠泥石等；填隙物包括膠結物和碎屑雜基兩種組分。

鑒于砂巖風化與巖石成分具有重要關系，為驗證各標段砂巖的風化情況，選取不同標段的樣品，并進行標號試驗，分別為1～7號，對砂巖類棄渣的礦物成分進行分析。

從試驗數據中可知，各標段砂巖成分復雜，但是均含有SiO2，Al2O3，CaO以及MgO等成分，除了3號試驗結果之外，其他結果均顯示SiO2均大于其他成分含量，表明昔榆高速項目砂巖抗壓強度大。此外，部分樣品中的K，Na含量偏高。

2.2 砂巖表面電子顯微觀察

對昔陽至榆次高速項目工程沿線砂巖堆存點進行調研取樣。分析砂巖類棄渣的微觀結構，測定其力學性能和耐久性，明確砂巖類棄渣在公路工程中應用的技術可行性。

通過電子顯微鏡觀察，在放大100倍觀察中，砂巖表面出現不規則的細小顆粒，與石灰巖相比砂巖表面更為粗糙；在放大2 000倍觀察中，石灰巖表面也出現了不規則的顆粒物，只是兩者顆粒物的大小不同。

通過對昔榆高速工程項目沿線堆砌的棄渣砂巖取樣，對棄渣砂巖成分、風化程度進行研究，結合砂巖的巖性分析，對沿線棄渣砂巖進行等級劃分，并與石灰巖性質進行對比分析。為下文對棄渣砂巖混凝土工作性能試驗與集料試驗打下基礎。

3 砂巖混凝土性能試驗研究

3.1 砂巖集料對混凝土工作性能的影響

3.1.1砂巖粗集料對混凝土工作性能的影響

1)試驗設計

根據砂巖表面粗糙度、吸水率以及考慮未水化自由水對混凝土抗凍性的影響，進行比較性能試驗，經試驗后再調整。以第1組混凝土配合比為基準配合比，分別設置4組對比試驗，如表1所示。

表1 砂巖粗集料混凝土工作性對比 kg·m-3

2)試驗結果

粗集料是混凝土的重要組成部分，用量通常會影響混凝土的配合比，用不同石子粒徑的摻量比例調控混凝土配合比，試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果

第1組與第2組試驗結果說明，在保證其他試驗條件相同的前提下，采用砂巖粗集料代替石灰巖粗集料，第2組的初始坍落度為130mm，明顯低于第1組的初始坍落度205mm。60min時的坍落度比較，第2組的坍落度為0mm，說明使用砂巖作為粗集料以后，混凝土的初始流動性比較差，坍落度的損失也比較大。在第2組試驗結果的基礎上，在第3組試驗時加入針對砂巖集料特性調整的復合外加劑，試驗結果與第1組相比，初始坍落度滿足要求，但是60min時的坍落度與初始坍落度相差較大，說明加入外加劑以后，雖然初始坍落度滿足混凝土性能要求，但是坍落度的損失還是比較大。

經過前3組試驗對比，發現在改用砂巖粗集料時混凝土的流動性受到較大影響，損失較大。在第4組試驗時，將石子10～30mm和5～10mm粒徑的比例由75∶25調整到85∶15，與第3組試驗結果相比，坍落度的損失程度有所改善，說明調整不同粒徑石子的比例有助于改善混凝土坍落度損失。在第4組試驗的基礎上，繼續調整粗細石子比例，由85∶15調整為90∶10，試驗結果表明混凝土的工作性能基本滿足使用要求。

3.1.2砂巖細集料對混凝土工作性能的影響

1)試驗設計

砂巖破碎后，篩取粒徑4.75mm以下集料作砂巖機制砂試驗。砂巖機制砂破碎后粒徑0.75mm以下集料偏多，試驗用砂巖機制砂，將粒徑0.75mm以下集料含量控制在5%以內，如表3所示。

表3 砂巖細集料混凝土工作性對比 kg·m-3

2)試驗結果

昔榆高速工程項目采用砂巖粉碎后作為機制砂使用，為了驗證砂巖機制砂作為細集料對混凝土性能的影響，進行了試驗研究，結果如表4所示。

表4 試驗結果

從試驗結果看，只使用砂巖機制砂作為細集料使用時，初始坍落度與60min時坍落度均不能滿足混凝土性能要求。第2組試驗選擇使用一半砂巖與一半石灰巖的混合使用，結果表明使用混合機制砂的混凝土初始坍落度與60min坍落度均能滿足混凝土性能要求，即砂巖機制砂與石灰巖機制砂對半摻配使用可行。

3.2 砂巖集料對混凝土抗凍性的影響

3.2.1試驗設計

由于砂巖混凝土的高吸水性，其抗凍性能是否能夠達到混凝土使用要求尤為重要[15]。為驗證砂巖混凝土的抗凍性能，以下以C30混凝土進行調整抗凍性試驗。

1)混凝土抗凍試驗1條件(見表5) 第1組混凝土成型坍落度205mm，第2組混凝土成型坍落度195mm。3組砂巖石子浸水24h，風干至表干狀態試驗，混凝土成型坍落度200mm。

表5 混凝土抗凍試驗1

2)混凝土抗凍試驗2條件(見表6) 第1組混凝土成型坍落度210mm，第2組混凝土成型坍落度185mm，第3組砂巖石子浸水24h，風干至表干狀態試驗，混凝土成型坍落度180mm。

表6 混凝土抗凍試驗2

3)混凝土抗凍試驗3條件(見表7) 第1組混凝土加入引氣劑，成型坍落度190mm；第2組混凝土加入引氣劑，成型坍落度175mm；第3組砂巖石子浸水24h，風干至表干狀態試驗，混凝土加入引氣劑，成型坍落度180mm。

表7 混凝土抗凍試驗3

4)混凝土抗凍試驗4條件(見表8) 第1組混凝土加入引氣劑，成型坍落度185mm，標準養護28d，干養32d；第2組混凝土加入引氣劑，成型坍落度180mm，標準養護28d，干養32d；第3組砂巖石子浸水24h，風干至表干狀態試驗。混凝土加入引氣劑，成型坍落度185mm，標樣28d，干養32d。

表8 混凝土抗凍試驗4

3.2.2試驗結果分析

1)從試驗1中第2組和第3組試驗對比來看，相同抗凍次數條件下，在砂巖石子浸水24h風干至表干狀態，試驗結果顯示第2組的質量損失率為5.3%，第3組的質量損失率為5.7%，表明增加了砂巖的吸水性會增加砂巖作為粗集料的混凝土的質量損失率，試驗2、試驗3和試驗4的第2組和第3組試驗結果均表現出這個現象。

2)從試驗1的第2組和第3組結果對比來看，在相同的抗凍次數的試驗條件下，使用石灰巖作為粗集料時，混凝土的質量損失率為5.1%，使用砂巖作為粗集料時，混凝土的質量損失率為5.3%，說明砂巖和石灰巖作為粗集料時混凝土的質量損失率相差不大。試驗2、試驗3和試驗4的第2組和第3組試驗結果均表現出這個現象。

3)從試驗3和試驗2結果來看，在試驗3增加了引氣劑并增加了粉煤灰摻量的條件下，增加混凝土的抗凍次數，試驗結果表明加入引氣劑和增加粉煤灰的摻量的混凝土質量損失率會有所降低，說明引氣劑和粉煤灰的加入影響到混凝土的抗凍性，在加入引氣劑和增加粉煤灰摻量以后，混凝土的質量損失率降低，抗凍性較好。

4)從試驗3和試驗4的試驗結果對比表明，在改變混凝土的養護條件的情況下，在標養28d，干養32d的養護條件下，混凝土的質量損失率明顯降低。

綜合從以上4個試驗中，可以得到砂巖骨料混凝土在加入粉煤灰、引氣劑以及控制混凝土坍落度185以內時，砂巖骨料混凝土在山西省的應用滿足混凝土抗凍性要求。

4 應用成效

分析砂巖自身物理力學性能、破碎類型、破碎工藝、振動篩選尺寸，在昔榆高速項目中成果研發出一套砂巖類棄渣集料制備技術，制備技術流程如圖1所示。

圖1 砂巖類制備技術流程

成分分析顯示昔榆高速工程項目的棄渣砂巖成分以硅鈣質為主，高硬度砂巖集料用于混凝土中易導致混凝土工作性變差，采用調整配合比、調整外加劑、復合配砂等方式調控砂巖混凝土的工作性能，如圖2所示。

圖2 硬質砂巖混凝土工作性能的調控技術

經過試驗段鋪筑工作，確定粒徑10～20mm與20～30mm砂巖粗集料摻配5～10mm石灰巖粗集料、0～5mm石灰巖細集料混合料7d無側限抗壓強度滿足設計及規范要求。同時，砂巖碎石在底基層中應用，應做到以下幾點：①砂巖碎石檢測結果滿足規范要求；②砂巖碎石摻量需根據試配確定，滿足強度要求，同時只允許摻配粒徑≥9.5mm的粗集料；③嚴格把關施工質量，試驗段鋪筑完各項指標檢測合格后方可推廣應用。

通過分析砂巖類棄渣的特性，評價分析其穩定性，并將其分級破碎加工成不同品質的集料分別用于混凝土、路面基層等公路工程中，所生產的砂巖類棄渣集料滿足路面基層、水泥混凝土、耐磨瀝青混凝土用集料的技術要求，實現沿線棄渣在昔榆高速公路項目中的高效利用。

1)目前全線已建立碎石加工場13處并開始投入生產，研究已完成用于基層的砂巖成分分析研究、用于基層的砂巖集料特性等工作，總結形成《昔榆高速砂巖碎石生產與應用指南》。

2)根據砂巖的強度特性，利用自加工的集配碎石填筑施工便道及用于臨建工程，加快施工便道的完成進度，推動主體工程順利進行。

3)通過利用低強度等級混凝土砂巖加工的集料，節約防排水工程以及臺背回填的施工成本，達到節約資源、保護環境、變廢為寶、降低成本的目的。

在經濟效益方面，研究成果成功在昔榆高速工程項目中推廣應用，依托工程路段主線全長57.522km，支線長3.367km，所需混凝土約118.73萬m3，混凝土中碎石用量約為800 kg/m3，天然石料價格按80元/t計，則以砂巖類棄渣取代天然石料將節約成本約7 598萬元，極大地降低了施工成本。

在社會效益方面，昔陽至榆次高速公路沿線有大量的棄渣堆存，不僅占用土地資源，還會對當地生態環境造成破壞。將砂巖類棄渣制備成工程集料應用于水泥混凝土的工程中，將預計可減少天然石料的開采近1 800萬m3，同時相應地，能有效減少天然石料開采與加工過程中的能源消耗、污染氣體排放等環境問題，具有良好的社會效益。

5 結語

大量廢渣的堆存不僅占用土地，污染土壤、水、空氣，腐蝕鋼構，還造成有用成分浪費等問題。面對粉碎性黃土地區復雜的地質條件，本文結合實際環境分析，并經過一系列的試驗得出如下結論。

1)昔榆高速沿線棄渣砂巖是一種沉積巖，主要由各種砂粒膠結而成的，結構穩定，成分復雜，主要含硅、鈣、黏土和氧化鐵。全線砂巖品質波動較大，且混有大量的泥巖、風化巖。昔榆高速工程沿線棄渣砂巖表面含有大小不一的晶體，表面粗糙增加了混凝土的黏結力，可以將其用于混凝土集料。

2)砂巖集料混凝土拌合物工作性滿足施工要求。昔榆砂巖集料吸水率均滿足國家標準要求，但是從砂巖集料混凝土拌合物性能試驗中發現，混凝土的需水量遠比砂巖集料吸水率檢測值所反映的用水量高得多，且混凝土坍落度損失大。通過調整外加劑的適應性，外加劑復合優質保坍劑，砂巖集料水浸預處理，以及調整混凝土中砂漿量，有效解決了砂巖集料混凝土拌合物工作性問題。

3)砂巖集料混凝土抗凍性滿足要求。砂巖集料混凝土高需水量不可避免地對砂巖集料混凝土抗凍性提出了挑戰。通過增加粉煤灰的摻量以及引入引氣劑的措施，粉煤灰形成的凝膠堵塞混凝土毛細孔，阻止外部水進入混凝土內部，提高抗凍性。使用引氣劑，在混凝土中形成微孔，給混凝土中自由水結晶預留出膨脹應力釋放空間。

總體來看，棄渣砂巖的成分、棄渣砂巖集料混凝土均能滿足混凝土的性能使用要求，棄渣砂巖粉碎后的機制砂可用作該高速工程項目混凝土的集料，并能帶來一定的社會、經濟和生態效益。