隧道洞渣機(jī)制砂混凝土和易性與強(qiáng)度特性研究

薛艷杰

(中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 102300)

0 引言

砂土是混凝土填充骨料的一種，傳統(tǒng)的河砂由于石粉含量低等優(yōu)點，配制的混凝土有良好的工作性能，被廣泛應(yīng)用于隧道、橋梁等工程建設(shè)中。然而，隨著基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，河砂被過度開采，相關(guān)資源枯竭，生態(tài)環(huán)境惡化嚴(yán)重，天然河砂已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足國家大型工程建設(shè)的需求，因此，機(jī)制砂代替河砂配制混凝土技術(shù)迅速發(fā)展且具有廣泛前景[1]。機(jī)制砂是碎石生產(chǎn)線與制砂機(jī)相結(jié)合，將巖石破碎、收集、篩洗，制成的粒徑小于5 mm、級配合理[2]、含泥量滿足施工要求的人工砂。與天然河砂相比，機(jī)制砂棱角鮮明，顆粒粗糙，內(nèi)摩擦力大，有著較大的機(jī)械咬合力[3]，所制成的混凝土強(qiáng)度更高。但機(jī)制砂含泥量高，配置的混凝土黏性很大，更易發(fā)生離析泌水現(xiàn)象，不利于混凝土長距離泵送施工[4]。機(jī)制砂粒徑粉碎控制困難，相較之下河砂的級配更優(yōu)，且機(jī)制砂在破碎時易受到損傷，顆粒硬度不及河砂。

中鐵五局成渝高速公路指揮部最早研究機(jī)制砂并實現(xiàn)應(yīng)用。重慶市建筑科學(xué)研究院利用長江鵝卵石制成的機(jī)制砂制備C50高強(qiáng)混凝土，并成功應(yīng)用于項目。宋偉明等[5]研究外摻料對機(jī)制砂混凝土的性能影響，配制了具有重慶特色的高性能機(jī)制砂混凝土。葉俊能等[6]研究了機(jī)制砂影響混凝土性能，優(yōu)化了C50機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計。羅思欣[7]將機(jī)制砂混凝土技術(shù)應(yīng)用于汕揭高速公路工程，獲得一定經(jīng)濟(jì)效益。這些都為區(qū)域性機(jī)制砂混凝土配置提供了有益借鑒。

結(jié)合人工機(jī)制砂特點調(diào)制機(jī)制砂混凝土，從混凝土和易性與強(qiáng)度特性著手，與已在工程中成功應(yīng)用的外購黃砂混凝土進(jìn)行對比，分析隧道洞渣機(jī)制砂混凝土的物理性能與工程應(yīng)用性[8]，為其配合比優(yōu)化與工程應(yīng)用問題提供一定的參考。

1 試驗原料與特性

1)水泥：采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為P.O42.5。

2)碎石粗集料：根據(jù)碎石粒徑大小，分為5 mm～10 mm，10 mm～20 mm，20 mm～40 mm三個梯度碎石粗集料，如圖1所示，碎石粗骨料性能數(shù)據(jù)列于表1。

表1 碎石粗骨料性能

3)細(xì)集料：試驗采用的細(xì)集料為隧道洞渣機(jī)制砂(如圖2所示)，與已成功在工程中應(yīng)用的外購黃砂(如圖3所示)進(jìn)行對比分析。研制隧道洞渣機(jī)制砂所用的是隧道開挖硐室產(chǎn)生的廢石料。試驗制備隧道洞渣機(jī)制砂采用專用制砂機(jī)，有效改善了級配，得到滿足工程要求的機(jī)制砂。

建筑用砂篩分級配規(guī)范值如表2所示。通過專用制砂機(jī)碾制、調(diào)配了隧道洞渣機(jī)制砂。隧道洞渣機(jī)制砂的篩分級配如表3所示，外購黃砂的篩分級配列于表4，砂土篩分對比圖如圖4所示，機(jī)制砂的部分性能列于表5。

表2 建筑用砂篩分級配規(guī)范值

表3 隧道洞渣機(jī)制砂篩分級配

表4 外購黃砂篩分級配

表5 機(jī)制砂性能

4)減水劑：采用聚羧酸系高性能減水劑。

5)防水劑：采用水泥滲透結(jié)晶型防水劑。

6)礦物摻合料：試驗采用粉煤灰的需水量比為101%，細(xì)度為15%。

7) 水：自來水。

2 試驗方案

配合比設(shè)計要求如下：

1)水灰比合理，工程要求混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C30，保證28 d混凝土強(qiáng)度不小于38 MPa。

2)砂率合理，骨料級配合理，保證混凝土制備完成后的工作性能，具有良好可泵性[9]，不易堵管。

3)外加劑摻量合理，調(diào)節(jié)混凝土和易性，保證混凝土噴射效果良好。

根據(jù)以上要求對隧道洞渣機(jī)制砂混凝土進(jìn)行了7組試配，與5組外購黃砂混凝土的試配試驗進(jìn)行對比分析，研究隧道洞渣機(jī)制砂能否代替外購黃砂應(yīng)用到混凝土作業(yè)中。

隧道洞渣機(jī)制砂混凝土配合比列于表6。黃砂混凝土配合比列于表7，其中2-1組為已在實際工程進(jìn)行應(yīng)用的對照組。

表6 隧道洞渣機(jī)制砂混凝土配合比

表7 黃砂混凝土配合比

3 機(jī)制砂混凝土和易性研究

3.1 和易性測試方法

要想實現(xiàn)工程應(yīng)用，使機(jī)制砂混凝土具有良好的可泵性，避免堵管現(xiàn)象，要求混凝土材料有較好的混合和適宜的流動性[10]，因此聯(lián)合考慮坍落度和擴(kuò)展度測試結(jié)果作為混凝土和易性指標(biāo)。

1)坍落度測試。使用標(biāo)準(zhǔn)圓錐坍落度筒(上口100 mm、下口200 mm、高300 mm)，分三次灌入混凝土填裝，每次灌入后用搗錘均勻敲擊桶壁25下左右，將混凝土搗實抹平。垂直向上將桶提起，混凝土因自重產(chǎn)生坍落現(xiàn)象，桶高減去坍落后混凝土最高點高度，得到坍落度(見圖5)，尺寸單位mm，作為流動性指標(biāo)，坍落度越大表示流動性越好。

2)擴(kuò)展度測試。混凝土因自重從標(biāo)準(zhǔn)圓錐坍落度筒里坍落后，開始向周圍流動擴(kuò)展，在相互垂直的兩個方向上，用鋼尺測量混凝土最終的擴(kuò)展直徑，并計算兩個所測直徑的平均值。

3.2 和易性測試結(jié)果分析

隧道洞渣機(jī)制砂混凝土和易性指標(biāo)測試結(jié)果如表8所示，黃砂混凝土和易性指標(biāo)測試結(jié)果如表9所示。

表8 隧道洞渣機(jī)制砂混凝土和易性指標(biāo) mm

表9 黃砂混凝土和易性指標(biāo) mm

根據(jù)擴(kuò)展度和坍落度測試結(jié)果進(jìn)行分析。隧道洞渣機(jī)制砂試配試驗品總體呈現(xiàn)擴(kuò)展度高而坍落度低的特點，問題的原因在于隧道洞渣機(jī)制砂配成的混凝土和易性較差，有水石分離，離析滲水的現(xiàn)象，混凝土內(nèi)部液體擴(kuò)散速度快，形成面積大，而砂石與混凝土內(nèi)部水泥漿液黏聚力不夠，無法隨之?dāng)U散，如圖6所示。隧道洞渣機(jī)制砂含泥量相對較高，影響混凝土內(nèi)部的黏聚狀態(tài)，導(dǎo)致混凝土和易性較差。含泥量過大，泥塊在骨料界面間進(jìn)行著無效黏結(jié)，降低了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的黏結(jié)力，從而影響混凝土的強(qiáng)度，降低水泥漿液對大粒徑骨料的黏聚握裹力，影響混凝土早期強(qiáng)度，過大的含泥量降低了水泥和砂石間的內(nèi)摩擦作用，致使其產(chǎn)生相對加速度，最終滑動開裂，給混凝土后期的養(yǎng)護(hù)過程也造成極大困難。且泥粉還有腐蝕鋼筋的潛在風(fēng)險，影響鋼筋強(qiáng)度。

此外，隧道洞渣機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)略大，無法充分填充混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙，導(dǎo)致混凝土膠凝效果差，和易性不良，砂石成團(tuán)結(jié)塊，在混凝土罐車中常發(fā)生堵管問題[11]，難以進(jìn)一步施工。

外購黃砂級配良好，含泥量相對較低，制成混凝土的和易性較好，粉煤灰活性礦物摻合料粒度均勻，能很好的潤滑和填充水泥漿體與骨料間的接觸空間，應(yīng)用在機(jī)制砂混凝土攪拌中，與減水劑一同起到減水作用[12]，從而可以適當(dāng)減少水泥用量，減弱機(jī)制砂混凝土的離析現(xiàn)象。

4 機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度特性研究

4.1 強(qiáng)度測試方法

噴射混凝土大板(如圖7所示)，將其切割成100 mm×100 mm×100 mm試塊(如圖8所示)，測試混凝土試塊抗壓強(qiáng)度。要求強(qiáng)度等級為C30混凝土，則其配制強(qiáng)度需要達(dá)到38 MPa。

4.2 強(qiáng)度測試結(jié)果分析

隧道洞渣機(jī)制砂混凝土各組的力學(xué)強(qiáng)度測試結(jié)果列于表10，強(qiáng)度對比曲線如圖9所示，黃砂混凝土各組的力學(xué)強(qiáng)度測試結(jié)果列于表11，強(qiáng)度對比曲線如圖10所示。

表10 隧道洞渣機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度 MPa

表11 黃砂混凝土強(qiáng)度 MPa

根據(jù)強(qiáng)度測試結(jié)果進(jìn)行分析，在水灰比適宜的情況下，隧道洞渣機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度與外購黃砂混凝土強(qiáng)度相差不大，養(yǎng)護(hù)28 d后，1-2,2-5強(qiáng)度未達(dá)到38 MPa不符合設(shè)計要求，其余混凝土強(qiáng)度均可滿足C30設(shè)計要求，合理的水泥與粉煤灰摻量對混凝土強(qiáng)度起主要作用。2-4,2-5水泥和粉煤灰摻量相對較少，水泥漿內(nèi)部黏結(jié)力不足以支持骨料重量，早期強(qiáng)度較低，2-5水灰比過大，造成28 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。隧道洞渣機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度比較穩(wěn)定，混凝土內(nèi)部的粗細(xì)骨料構(gòu)成混凝土的骨架，起到充填與抵抗混凝土干減收縮的作用，隧道洞渣機(jī)制砂粒徑相較黃砂略大，一定程度上增強(qiáng)了砂顆粒硬度，更好地發(fā)揮其支撐平衡的作用，使制成混凝土的早期強(qiáng)度良好。

含泥量與骨料級配影響著機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度特性，泥不可代替水泥漿液黏結(jié)骨料結(jié)構(gòu)，在混凝土中進(jìn)行著無效填充，使得骨料與水泥漿液黏聚力小，造成所有試配機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度偏低。骨料級配不合適有同樣影響。

5 結(jié)論

1)機(jī)制砂含泥量與細(xì)度模數(shù)對混凝土狀態(tài)產(chǎn)生較大影響，含泥量過大，降低骨料界面間與水泥漿液的黏結(jié)力，細(xì)度模數(shù)過大，無法充分填充混凝土結(jié)構(gòu)孔隙，都將導(dǎo)致配置的混凝土和易性較差，引起骨料間抱團(tuán)成塊，堵管混凝土罐車，影響施工進(jìn)程。粉煤灰有良好的減水效果，與減水劑合理搭配調(diào)控混凝土狀態(tài)，提高水泥漿液黏聚力。

2)水灰比對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度起主要作用，隧道洞渣機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，混凝土早期強(qiáng)度高，力學(xué)性能好，砂石硬度大，支撐能力強(qiáng)，可更好地發(fā)揮其防止干減收縮的功能。含泥量過大造成混凝土材料間無效黏結(jié)，降低機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度，影響工程使用的安全。

3)要想將機(jī)制砂混凝土應(yīng)用到工程中，首先要解決罐車堵管現(xiàn)象，減少砂石含泥量，改善骨料級配，優(yōu)化配合比。