隧道洞渣加工碎石剩余石屑用于鐵路混凝土的可行性研究

摘 要：基于天然河砂日益短缺的困境，為有效利用隧道洞渣加工碎石副產品石屑，從原材料控制、配合比設計、性能檢測等方面對石屑用于鐵路混凝土進行了可行性研究。試驗結果表明：石屑在C30及以下普通混凝土中可作為膠凝材料的補充，改善混凝土的整體和易性，有利于界面的改善。各項性能符合設計及施工性能要求，石屑混凝土二次利用洞渣，減少了環境污染，為項目降本增效，具有很好的經濟和社會效益。

關鍵詞：隧道洞渣；混凝土；鐵路

中圖分類號：TU755" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）10-0085-03

0 引言

目前鐵路工程混凝土用砂主要以天然河砂為主，而天然河砂是一種不可再生的自然資源[1]，正在日益減少。石屑代替砂使用既可解決污染問題，又可以避免過度開采帶來的生態破壞，解決機制砂的高成本問題。

在JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》標準中明確規定：石屑是指采石場加工碎石時通過最小篩孔（通常為2.3 mm或者4.75 mm）的篩下部分[2]。在本項目洞渣石料廠生產碎石過程中產生大量石屑廢料，隨著工程的進展，石料廠堆積的石屑越來越多，不僅占用大量土地，還會帶來嚴重環境污染，開展石屑在鐵路混凝土中應用的可行性具有重大意義[3]。

1 工程概況

新建蘭州至合作鐵路全線位于甘肅省境內，行經蘭州市、臨夏回族自治州和甘南藏族自治州，地處甘肅南部黃土高原與青藏高原的過渡地帶。本標段位于臨夏回族自治州境內，正線長度23.978 km，其中隧道（含單線）6座共長30 294 m，占比97.01%，隧道洞身地層以加里東中期閃巖為主。

2 試驗設計

2.1 原材料選用

水泥選用中材甘肅水泥有限責任任公司（賽馬牌）P.O42.5（低堿），28d平均抗壓強49.9 MPa，比表面積329m2/㎏。

粉煤灰選用范坪電廠生產的F類Ⅱ級，燒失量3.3%，需水量103%，活性指數84%。

天然河砂選用白銀鵬翔河砂，細度模數2.7，含泥量2.1%，泥塊含量0.3%，表觀密度2 640 kg/m3。

石屑選用細度模數2.9，泥塊含量0.3%，壓碎指標24%，MB值0.8 g/kg，石粉含量16.3%，硫化物及硫酸鹽含量（以SO3計）0.3%，氯化物含量（以cl-計）0.005%。巖相法試驗結果：主要成份斜長石43%，角閃石占20%，石英石占16%，鉀長石占13%，綠簾石占3%，該礦物中強烈波狀消光的石英為可疑堿活性礦物，含量大于2%，該礦物屬于可疑的硅酸鹽類堿活性骨料，砂漿棒法試驗結果顯示膨脹率＜0.09。

碎石選用洞渣破碎自產碎石，母巖抗壓強度99 MPa，含泥量0.6%，泥塊含量0.1%，表觀密度2 740 kg/m3，壓碎指標值8%。

減水劑選用山西不凍泉建材有限公司生產的HA-HPC型聚羧酸高性能減水劑，減水率38%，28d抗壓強度比155%，硫酸鈉含量0.83%（按折固含量計），氯離子含量0.02%（按折固含量計），堿含量1.75%（按折固含量計）。

引氣劑選用山西鵬程建筑科技有限公司生產的PC-YQ型引氣劑，減水率8%，28 d抗壓強度比94%。

拌合水選用劉家峽水庫拌合用水，pH值7.09，氯離子含量95.64 mg/L，堿含量147.37 mg/L，硫酸根含量44.24 mg/L，28 d抗壓強度比100%。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 C20混凝土配合比

細骨料選用石屑，減水劑摻量選用1.1%進行試驗，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：水=237：101：816：216：432：432：3.72：169。適配強度為3d強度17.6 MPa，7d強度22.6 MPa，28d強度30.2 MPa，56d強度33.9 MPa。通過試驗表明用石屑完全代替天然河砂能夠滿足C20混凝強度要求[4]，養護時間與抗壓強度關系見圖1。

2.2.2 C25噴射混凝土

細骨料選用石屑，選用1.2%減水劑摻量進行試驗，1 m3各材料用量為水泥：細骨料：粗骨料（5～10 mm）：減水劑：水=460：803：906：5.52：194。適配強度為1d強度10.2 MPa，3d強度20.4 MPa，7d強度24.7 MPa，28d強度36.0 MPa。通過試驗表明用石屑完全代替天然河砂能夠滿足C25噴射混凝強度要求，養護時間與抗壓強度關系見圖2。

2.2.3 C30混凝土

用石屑取代天然河砂100%、30%、40%、50%，在膠凝材料不變、坍落度等工作性能相同的情況下配置C30混凝土配合比進行試驗。

石屑取代量100%時，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：水=257：110：767：220：442：442：4.04：162。適配強度如下：3d強度18.4 MPa，7d強度23.9 MPa，28d強度31.5 MPa，56d強度35.1 MPa。

石屑取代量30%時，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：水=257：110：767：220：442：442：2.94：155。適配強度如下：3d強度24.6 MPa，7d強度32.2 MPa，28d強度34.2 MPa，56d強度36.2 MPa。

石屑取代量40%時，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：水=257：110：767：220：442：442：3.30：160。適配強度如下：3d強度23.6 MPa，7d強度28.4 MPa，28d強度34.3 MPa，56d強度39.2 MPa。

石屑取代量50%時，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：水=257：110：767：220：442：442：3.49：158。適配強度如下：3d強度23.9 MPa，7d強度26.7 MPa，28d強度33.8 MPa，56d強度37.2 MPa。

通過試驗表明取代量在40%的情況下強度值最理想，石屑完全代替天然河砂同時也能滿足C30混凝強度要求，養護時間與抗壓強度關系見圖3。

2.2.4 C45混凝土

用石屑取代天然河砂100%、30%、40%、50%，在膠凝材料不變、坍落度等工作性能相同的情況下配置C45混凝土配合比進行試驗，最終適配配合比、強度及養護時間與抗壓強度關系如圖4。

石屑取代量100%時，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：引氣劑：水=313：134：681：222：444：444：4.69：4.47：149。適配強度如下：3d強度26.9 MPa，7d強度35.0 MPa，28d強度42.2 MPa，56強度37.0 MPa。

石屑取代量30%時，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：引氣劑：水=313：134：681：222：444：444：3.35：4.47：149。適配強度如下：3d強度31.2 MPa，7d強度39.7 MPa，28d強度44.8 MPa，56d強度35.0 MPa。

石屑取代量40%時，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：引氣劑：水=313：134：681：222：444：444：3.58：4.47：144。適配強度：3d強度29.6 MPa，7d強度36.3 MPa，28d強度36.7 MPa，56d強度39.2.0 MPa。

石屑取代量50%時，1 m3各材料用量為水泥：粉煤灰：細骨料：粗骨料（5～10 mm）：粗骨料（10～20 mm）：粗骨料（16～31.5 mm）：減水劑：引氣劑：水=313：134：681：222：444：444：4.02：4.47：144。適配強度如下：3d強度29.4 MPa，7d強度38.0 MPa，28d強度38.9 MPa，56d強度40.4 MPa。

通過試驗表明該種石屑取代量天然河砂無法滿足C45混凝強度要求，養護時間與抗壓強度關系見圖4。

3 結束語

通過對C20、C25噴射、C30、C45混凝土進行適配，單一就混凝土和易性而言，石屑比天然砂更能改善混凝土的和易性能，包裹性、粘聚性能均優于天然砂[5]。對摻石屑混凝土各齡期進行抗壓強度檢測，結果顯示該種石屑的應用，除C45混凝土強度不能滿足外，C30及以下混凝土強度均能滿足設計及施工要求，在技術上是可行的。

由于場地受限等原因生產工藝流程沒有充分優化，石屑石粉含量超標，需增加有效的除塵設備進一步降低石粉含量，將石粉含量控制在7%以下[6]，有效降低混凝土拌合需水量，再次對C45混凝土重新配置驗證，在進一步保證混凝土強度的能使效益更大化。現場石屑由于是粗加工后（鄂破）直接篩選，石屑粒形較差，需增加整形設備對石屑進行二次加工，更好地滿足混凝土適配要求。加強對用于生產碎石的洞渣進行嚴格的篩選，隧道掌子面圍巖超過三級、圍巖整體性差或有泥巖夾層的洞渣要棄除[7]。加強過程中對母巖材料及混凝土耐久性的檢測，通過充分的分析各項試驗數據，為推動實際工程使用石屑提供有力的依據。

參考文獻

[1] 石周兵.建筑混凝土材料強度檢測的重要性及技術研究[J].建材發展導向，2023，21（6）：4-6.

[2] 李克非，廉慧珍，邸小壇.混凝土結構耐久性設計原則、方法與標準[J].土木工程學報，2021（10）：64-71+96.

[3] 李化建，謝永江.我國鐵路混凝土結構耐久性研究的進展及發展趨勢[J].鐵道建筑，2016（2）：1-8.

[4] 李化建，黃法禮，王振，等.鐵路綠色隧道工程材料技術研究進展[J].隧道建設（中英文），2021（11）：1992-2000.

[5] 謝永江.鐵路混凝土結構的耐久性設計及其使用壽命[A].鐵道科學技術新進展：鐵道科學研究院五十五周年論文集， 2005.

[6] 袁政成，黃法禮，王振，等.隧道洞渣在建筑材料中的資源化綜合利用研究進展[J].硅酸鹽通報，2020（8）：2468-2475.

[7] 魏力.混凝土耐久性及其相關質量通病的分析和探討[J].公路交通科技（應用技術版），2011（11）：211-213.