機制砂在隧道噴砼中的應用研究

張偉 ZHANG Wei

（中鐵十五局集團第三工程有限公司，成都 610000）

0 引言

環保問題一直是全球范圍內的熱點話題。隨著人類對自然環境的過度開發和污染，環境問題越來越嚴重，對人類和地球的未來造成了威脅。其中，河流資源的開采和利用也成為了一個重要的環保問題。隨著城市化進程的加快，建筑工程的需求也越來越大，河砂作為建筑材料的重要組成部分，一直受到市場的青睞。然而，河砂開采和使用的過程中，不僅會對河流生態環境造成嚴重破壞，而且會對周邊居民的生活和健康造成影響。因此，尋找替代品成為了解決這一問題的關鍵。機制砂的生產和使用可以避免對河流的破壞，同時可以減少對自然環境的污染。因此，采用機制砂代替河砂成為了一種環保的建筑材料選擇。

1 工程概況

在中國云貴川西南山區，由于地理位置的限制，該地區缺乏河砂資源。然而，在該地區公路、鐵路工程建設時，隧道往往在線路中占有很高的比例，隧道噴射砼需用砂的數量很大。因種種不利因素，很少將機制砂應用于隧道噴射混凝土中，機制砂通常用作于結構物低強度砼及砂漿中，故隧道噴射砼施工時還是需要大量使用河砂。本項目依托于貴州省劍河至黎平高速公路TJ-8 標段的隧道施工，對機制砂拌制噴射混凝土存在級配不良、高回彈量、低強度和性能指標波動幅度過大等問題進行研究，以便設計出符合規范、施工要求的機制砂噴射砼配合比。

2 母材選用、機制砂生產工藝選擇及優化

2.1 母材選用

合格機制砂首先得選用優質的巖石母材，才能確保生產的機制砂在物理及化學性能上符合規范要求。對負責供應本項目機制砂的兩家砂石料供應商（黎平縣高屯鎮宏興砂石有限公司、黎平宏圖砂石建材貿易有限公司）所用母巖進行了對比。

①黎平縣高屯鎮宏興砂石有限公司的母巖具有較大的吸水率，拌制砼的坍落度損失過大，不利于施工，且該母巖為層理巖，易脫層風化。

②黎平宏圖砂石建材貿易有限公司的母巖為石灰巖。這種集料屬于非活性，具有良好的物理和化學性能。因此在砂漿和低標號混凝土中廣泛應用，此外，其施工配合比的設計技術也相對成熟。

綜上，選擇黎平宏圖砂石建材貿易有限公司作為噴射砼機制砂的供應商。

2.2 破碎機選用及生產工藝優化

由于原產機制砂級配不良，顆粒形狀中的針片狀含量過大，故對黎平宏圖砂石建材貿易有限公司現場機制砂生產破碎、篩分進行工藝優化和調整。

顎破式破碎機適合一級破碎，因為它有較大的破碎比和均勻的產品粒度，同時結構簡單。反擊式破碎機是通過沖擊作用使巖石沿著其脆弱層裂開破碎，該工藝生產的碎石呈立方體的比率最高，且針片狀顆粒含量的百分比不超過10%，砂粒的形態較優。相比之下，顎式、圓錐和輥式破碎機的破碎比很難超過20%，并且它們產生的針片狀顆粒的百分比含量往往高于15%[1]。故要求生產現場的一級破碎采用鄂破式破碎機，二次破碎則采用反擊式破碎機實施。

巖石破碎之后，對機制砂的質量有著重要影響的是破碎料篩分工序，其決定了機制砂級配、顆粒形態和壓碎值。圓孔篩與方孔篩的試驗比較表明，采用圓孔進行集料篩分較方孔篩分可使狀片顆粒含量降低10%左右，且圓孔篩對于橢圓形顆粒的篩選更為有利，故要求制砂現場采用圓孔篩，以便更好地控制機制砂顆粒形狀及級配。

3 機制砂的性能特點及機制砂噴射混凝土配合比的設計

采用生產的機制砂進行常規噴射混凝土的試配，各材料用量如表1 所示，其拌和物力學性能和工作性能如表2所示。

表1 常規配合比各材料用量

表2 常規配合比的砼性能檢測結果

試配過程表明，砼易性差，泵送效果不佳，需要大量用水，用水過大對砼強度及砼的速凝效果造成影響，回彈量過高，增加了施工成本，同時，也使得噴射砼初支的承載能力和外觀質量降低。進行了常規配合比的現場試噴，結果表明砼附著性較差，呈現松散狀，并導致高達23%的回彈量。表明常規配合比的設計不合理，需進行調整。

4 配合比的調整

根據試噴砼產生的問題，為了了解機制砂各性能指標對噴砼特性的影響程度及規律，擬通過分別改變配合比的某一設計參數，以檢驗噴砼強度、回彈量及工作性能的變化情況。根據變形情況找出規律，進行噴砼配合的調整及優化，以期設計出滿足施工要求的配合比。

4.1 砂率對混凝土性能的影響研究

分析認為，砂率對噴射砼的工作性能具有重要的影響。因為機制砂的細度模數超過了3.0，且級配較差，如果配合比的砂率與天然砂近似時，機制砂對拌和物粗集料間的間隙的填筑效果和產生的潤滑作用較天然砂要低得多[2]，故需要增加機制砂的用量，以改善砼的黏聚性和減少回彈量。在改變配合比的砂率情況下，回彈量、強度與砂率關系曲線見圖1。

圖1 回彈量、強度與砂率關系曲線

從試驗看來，隨著砂率的提高，砼拌和物在黏聚性、保水性方面得到明顯的改善，甚至強度也稍有提高。現場噴射試驗表明，隨著砂率的提高，起初回彈量整體呈下降的趨勢，且噴射砼面平整度也得到改善，但砂率超過0.65 時，砼性能指標呈現下降趨勢。由圖1 中可看出，砂率在0.60～0.65 之間較為適宜。

4.2 水泥用量對噴射砼性能的影響研究

為了研究水泥用量對噴射砼性能的影響，在改變配合比水泥用量情況下，回彈量、強度與水泥用量關系曲線見圖2。

圖2 回彈量、強度與水泥用量關系曲線

從試驗看來，隨著水泥用量的提高，砼拌和物在黏聚性、保水性方面得到明顯的改善。現場噴射試驗表明，隨著水泥用量的提高，回彈量整體呈下降的趨勢，且噴射砼面平整度也逐漸得到改善。由圖2 可知，當水泥用量為530kg/m3時，可得較好的效果。

4.3 水膠比對混凝土性能的影響研究

在改變配合比水膠比情況下，砼強度、回彈量間與水膠比的關系曲線見圖3。

圖3 回彈量、試件強度與水膠比關系曲線

試驗表明：水膠比對噴射砼的回彈量有著顯著的影響。通常情況下，水膠比越低砼的流動性越差，粘聚性越強，回彈量也就越高。然而，如果水膠比過高，砼的強度和密實性將會受到影響，也會導致回彈量的升高。因此，需要選擇適當的水膠比，以獲得較低的回彈量和良好的砼性能。本項目適宜的水灰為0.45～0.50。

4.4 根據上述研究結果優化施工配合比

綜合分析上述試驗的數據結果，進行配合比的調整和優化。得出如表3 所示配合比再進行試驗。

表3 配合比各材料用量

按上述配合比拌制的砼黏聚性、保水性方面均較好，28d 強度為32.6MPa，但是回彈量還是較高，達到12%，不是很理想。且該配合比水泥用量較大，經濟成本過高，故還需進行配合比的改善與優化。

5 機制砂噴射砼摻粉煤灰配合比性能試驗

為了解決上述問題，采用摻入粉煤灰的試驗研究方法[3]。在表3 所示配合比的基礎上，采用分別摻入20%、30%、40%、50%粉煤灰對水泥進行等質量替換試驗。

5.1 未摻粉煤灰噴砼配合比與摻入粉煤灰噴砼配合比的性能對比

①噴射砼用水量。當噴射砼中添加粉煤灰后，在確保坍落度一樣的情況下，砼的用水量均明顯減少，且隨著粉煤灰摻入量的增大減少更多，證明粉煤灰的減水作用明顯，有利于提高砼密實度和強度。

②噴射砼工作性能。相對于沒有添加粉煤灰的噴射砼，添加了粉煤灰的噴射砼在黏聚性、保水性方面均得到了明顯的提高和改善。且隨著粉煤灰摻量的增加而得到更進一步的改善。

③噴射砼的強度。相對于沒有添加粉煤灰的噴射砼，添加了粉煤灰的噴射砼在7d 齡期前的強度要偏低，且隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸降低。但在7d 齡期以后，添加了粉煤灰的噴射砼強度得到迅速提高，28d 齡期強度超過未添加粉煤灰的噴射砼，且強度超過值隨著粉煤灰摻量的增加而增大。

5.2 現場施工對比

在現場進行了砼噴射的對比試驗，主要是對所拌制的噴射砼的可泵性、回彈量、凝結（硬化）時間、推算強度（采用現場回彈法測定）、噴砼的外觀質量等進行對比。

回彈量、強度與粉煤灰摻量關系曲線如圖4 所示。

圖4 回彈量、強度與粉煤灰摻量關系曲線

未摻粉煤灰的噴射砼外觀粗糙，回彈量高，可泵性較差。摻入粉煤灰的噴射砼外觀平整，且隨著粉煤灰摻量的增加，外觀改善效果更加明顯。因為，粉煤灰的添加能夠有效減少拌合用水量，使噴射砼和易性得到很好的改善，減少了噴射的回彈量，同時，也對噴射砼的外觀效果起到了很好的改善作用。由于粉煤灰需要二次水化反應，故早期強度較低[4]，且隨著粉煤灰量增加而減少，但7d 齡期以后噴射砼得到快速提搞，28d 齡期強度均超過未摻粉煤灰噴射砼。（表4、表5）

表4 最終施工配合比各材料用量

表5 最終施工配合比的砼性能檢測結果

按最終選定的摻入比例粉煤灰的配合比進行現場實噴檢驗。噴射砼具有良好的黏聚性、保水性，回彈量為7%，噴面平整，呈一定光澤狀，經推斷，28d 齡期砼強度為33.9MPa，表明所設計的機制砂制備隧道噴砼配合比達到規范及設計要求。

6 結束語

機制砂作為一種新型的環保型建筑材料，具有許多優點和應用范圍，可以有效地解決河砂開采和利用的問題，減少對自然環境的污染，同時也可以節約能源和減少廢氣排放。但是，機制砂在隧道噴射砼中的推廣和應用還需要一定的時間和努力，需要加強技術研究等方面的工作，才能夠讓人工砂真正成為一種環保型的新型建筑材料。