花崗巖洞渣集料特性及在混凝土中的應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.001

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0001-04

0引言

我國中西部地區(qū)山嶺較多，地形起伏較大，該地區(qū)交通運(yùn)輸工程常需建設(shè)大量的隧道以克服不利地形，導(dǎo)致橋隧比高，如川藏鐵路（雅安一拉林段）隧道比例高達(dá)84%。隧道開挖將不可避免地產(chǎn)生大量的隧道洞渣，不僅占用土地資源，增加了巨額的運(yùn)輸費(fèi)用，而且廢棄洞渣沿路線堆積還會(huì)影響植被生態(tài)，在雨水沖刷作用下，亦可能誘發(fā)泥石流等自然災(zāi)害。公路工程建設(shè)過程中對混凝土等建筑材料需求量巨大，混凝土材料中砂石為主要原料，占混凝土組成的75%以上。因此，將隧道洞渣制成混凝土集料，不僅可以緩解隧道棄渣的排放壓力，還可以為公路建設(shè)帶來大量石料，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益顯著，能促進(jìn)綠色交通的發(fā)展。

本文對G219一級(jí)公路馬鞍坳隧道洞渣的應(yīng)用展開研究，該隧道共產(chǎn)生洞渣約110×10⁴m³，將洞渣進(jìn)行破碎分類后用作混凝土集料，不僅降低了外購碎石和運(yùn)輸?shù)某杀荆瑫r(shí)也節(jié)約了堆放隧道洞渣的土地資源，實(shí)現(xiàn)了廢渣再生利用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，可為類似工程提供參考。

1花崗巖洞渣及其集料特性

1.1花崗巖洞渣特性

G219一級(jí)公路馬鞍坳隧道位于防城港市，隧道主要巖層為晚二疊世至三疊紀(jì)印支期（γ₅）強(qiáng)風(fēng)化及微風(fēng)化花崗巖。

強(qiáng)風(fēng)化花崗巖呈灰褐色，碎裂構(gòu)造，中粒花崗結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體完整程度為破碎，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為15MPa，圍巖分級(jí)為Ⅴ類，主要分布在洞口段。中風(fēng)化花崗巖呈灰黑色，塊狀構(gòu)造，中粒花崗結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整程度為較破碎一較完整，主要分布在洞身段，圍巖分級(jí)為Ⅲ～Ⅳ類，Ⅲ類飽和單軸抗壓強(qiáng)度為82～150MPa，平均值為105MPa，Ⅳ類飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值20～82MPa，平均值為50MPa。

根據(jù)《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685—2022）中對母巖抗壓強(qiáng)度的規(guī)定，火成巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥80MPa，因此G219馬鞍坳隧道Ⅲ類花崗巖可用于加工成混凝土用碎石。

1.2花崗巖洞渣集料

將合格的花崗巖洞渣運(yùn)至破碎中心，結(jié)合混凝土生產(chǎn)需求，采用三級(jí)破碎工藝，將花崗巖洞渣加工成不同粒徑范圍的混凝土集料。加工工藝流程如圖1所示。

采用上述工藝加工的花崗巖洞渣細(xì)集料，其成分組成如表1所示，花崗巖洞渣主要成分為SiO₂、Al₂O₃，占比gt;83%。花崗巖洞渣細(xì)集料主要物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示，本骨料加工流程生產(chǎn)的花崗巖洞渣細(xì)集料細(xì)度模數(shù)為2.99，屬于中砂。花崗巖洞渣碎石主要性能指標(biāo)如表3所示，花崗巖碎石質(zhì)地堅(jiān)硬，各項(xiàng)物理力學(xué)性能良好。

2花崗巖洞渣混凝土試驗(yàn)研究

2.1配合比

花崗巖洞渣混凝土原材料采用花崗巖洞渣細(xì)集料（0～4.75 mm）、花崗巖洞渣粗集料（4.75～9.5mm、9.5～19 mm、9.5～31.5 mm）、普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、聚羧酸減水劑、水等，按《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法》（JGJ55—2011） 設(shè)計(jì)C30、C40花崗巖洞渣混凝土，分別命名為C30-1、C40-1。Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量為10%，混凝土坍落度按gt;180 mm考慮；根據(jù)碎石混凝土強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，G30-1、G40-1的水灰比分別為0.63、0.51;根據(jù)JGJ55—2011規(guī)范，并結(jié)合試配經(jīng)驗(yàn)選擇單位用水量、砂率等參數(shù)，采用質(zhì)量法計(jì)算各組分用量，如圖2所示。為了進(jìn)一步對比，本試驗(yàn)按照等體積替換的原則設(shè)置了與花崗巖洞渣混凝土相同等級(jí)的普通碎石機(jī)制砂混凝土，分別命名為G30-2、G40-2。各組混凝土配合比如表4所示。

2.2工作性及強(qiáng)度試驗(yàn)

在混凝土生產(chǎn)與實(shí)踐中，工作性和強(qiáng)度是基本指標(biāo)，在特殊環(huán)境下還需考慮耐久性指標(biāo)。本次試驗(yàn)主要針對花崗巖洞渣混凝土基本指標(biāo)開展研究，并與普通機(jī)制砂混凝土性能進(jìn)行對比，驗(yàn)證花崗巖洞渣混凝土的基本性能。

根據(jù)表4的混凝土配合比，配制25L的花崗巖洞渣及普通碎石機(jī)制砂混凝土，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，按比例稱重后投入混凝土拌鍋強(qiáng)制攪拌2min，攪拌完成后采用坍落度筒測量各組混凝土拌和物在0min、40min、80min、120min的坍落度，并觀察黏聚性及保水性。

各組混凝土養(yǎng)護(hù)至特定齡期后，根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）開展抗壓及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。抗壓強(qiáng)度采用立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測定，試件采用150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件；抗拉強(qiáng)度采用劈裂抗拉強(qiáng)度測定，試件尺寸與抗壓強(qiáng)度試件尺寸相同，強(qiáng)度計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示：

2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1工作性

按照表4配制的花崗巖洞渣混凝土和易性良好，C30-1、C40-1的初始坍落度值均gt;210mm，擴(kuò)展度均gt;530mm。為了進(jìn)一步探究花崗巖洞渣混凝土在運(yùn)輸一定時(shí)間后的和易性變化情況，將25L的花崗巖洞渣混凝土置于強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)中慢速攪拌一定時(shí)間后測試其坍落度，得到坍落度隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，花崗巖洞渣混凝土坍落度隨時(shí)間的增長而減小，60～120 min的坍落度損失較0～60min的大，120 min后，G30-1、G40-1的坍落度損失分別為58%、70%。與同等級(jí)普通碎石機(jī)制砂混凝土相比，花崗巖洞渣混凝土坍落度損失更大，120min后，C30-1、C40-1坍落度損失分別比C30-2、C40-2大60mm、70 mm。與C30-1、C30-2相比，C40-1、G40 -2的減水劑用量更大，坍落度損失也比C30 -1、C30-2的更大，可見減水劑摻量越高的混凝土坍落度損失更大。

2.3.2強(qiáng)度

花崗巖洞渣混凝土及普通碎石機(jī)制砂混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度如圖4所示。由圖4可知，花崗巖洞渣混凝土7d抗壓強(qiáng)度可達(dá)28d的73%～75%，而普通碎石機(jī)制砂混凝土7d抗壓強(qiáng)度為28d的69%～71%。由此可見，花崗巖洞渣混凝土具有較高的早期強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)28d后，C30-1、C40-1、C30-2、C40-2混凝土抗壓強(qiáng)度分別為40MPa、48MPa、39MPa、50MPa，花崗巖洞渣混凝土抗壓性能良好。

花崗巖洞渣混凝土及普通碎石機(jī)制砂混凝土不同齡期抗拉強(qiáng)度如圖5所示。由圖5可知，花崗巖洞渣混凝土抗拉強(qiáng)度約為其抗壓強(qiáng)度的6%～8%，與普通碎石機(jī)制砂混凝土抗拉強(qiáng)度相比，花崗巖洞渣混凝土抗壓強(qiáng)度較高。C30-1、C40-1的7d抗拉強(qiáng)度分別比C30-2、C40-2高16.9%、13.3%，28d抗拉強(qiáng)度分別比C30-2、C40-2高7.9%、4.8%。養(yǎng)護(hù)28d后，C30 -1、C40-1的抗拉強(qiáng)度分別為3.02 MPa、3.46MPa。

3花崗巖洞渣混凝土經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)廣西混凝土各原材料市場價(jià)格，普通硅酸鹽水泥、普通石灰?guī)r粗集料、普通機(jī)制砂、聚羧酸減水劑、水等原材料考慮運(yùn)輸成本的單價(jià)如表5所示。花崗巖洞渣粗、細(xì)集料的單價(jià)根據(jù)運(yùn)輸及篩分消耗的人工及機(jī)械綜合考慮，單價(jià)分別為40元／t、55元／t。根據(jù)表5計(jì)算得出不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土綜合單價(jià)如表6所示，與同等級(jí)的普通碎石機(jī)制砂混凝土C30-2、C40-2相比，花崗巖洞渣混凝土C30-1、C40-1分別節(jié)約成本125.4元／m³、118.4元／m³。因此，采用花崗巖洞渣制備混凝土不僅可以減少隧道洞渣的廢棄，還可以節(jié)約混凝土工程材料成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4花崗巖洞渣在混凝土應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

4.1云母含量影響

云母是巖石中的常見礦物之一，有部分地區(qū)花崗巖含有少量的云母。云母呈薄片狀，表面光滑且力學(xué)強(qiáng)度低。水泥石與云母黏結(jié)較差，含云母的集料表面與水泥石界面往往形成薄弱帶，當(dāng)花崗巖集料云母含量較高時(shí)，混凝土的力學(xué)及施工性能都會(huì)受到不同程度的影響。研究表明，花崗巖集料中云母含量越高，混凝土流動(dòng)性會(huì)下降，強(qiáng)度及抗氯離子侵蝕性能也會(huì)降低。根據(jù)《建設(shè)用砂gt;（GB/T14684—2011）規(guī)定，一類花崗巖機(jī)制砂云母含量應(yīng)≤1%，二類花崗巖機(jī)制砂云母含量應(yīng)≤2%，云母含量較高的花崗巖粗集料建議用于低強(qiáng)度混凝土中。

4.2石粉含量影響

花崗巖洞渣在破碎過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的粉料。石粉屬于惰性填充料，不具備火山灰活性效應(yīng)，但其具有較強(qiáng)的吸濕性能，骨料中石粉含量偏高會(huì)降低混凝土的坍落度，影響混凝土的施工性能。現(xiàn)階段研究中，常將石粉替代部分細(xì)集料設(shè)計(jì)混凝土，但集料中石粉含量過高會(huì)降低混凝土流動(dòng)性，增大混凝土水灰比，從而降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性指標(biāo)。研究表明，當(dāng)花崗巖石粉含量超過膠凝材料的20%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度有較大程度的降低。因此，應(yīng)用于混凝土中的花崗巖洞渣集料中的石粉含量不宜超過膠凝材料質(zhì)量的20%。

4.3針片狀顆粒含量

花崗巖洞渣破碎后會(huì)產(chǎn)生一定的針片狀顆粒含量。研究顯示，針片狀顆粒比表面積大，與其他材料的內(nèi)阻力大，導(dǎo)致混凝土和易性降低，且針片狀顆粒在荷載作用下容易斷裂，對抗壓及抗折強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。為了確保花崗巖洞渣混凝土的質(zhì)量，洞渣粗集料中針片狀顆粒含量不應(yīng)超過表7中的限值。

5結(jié)語

（1） G219一級(jí)公路馬鞍坳隧道圍巖可分為Ⅲ～Ⅴ類等級(jí)，其中Ⅲ類花崗巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為82～150MPa，可加工成混凝土用碎石。

（2）花崗巖洞渣采用顎式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)及反擊式破碎機(jī)等三級(jí)破碎技術(shù)，并振動(dòng)篩分后得到混凝土用粗細(xì)集料，各集料物理力學(xué)性能良好。洞渣集料主要成分為SiO₂、Al₂O₃。

（3）剛拌好的花崗巖洞渣混凝土流動(dòng)性良好，其坍落度隨時(shí)間的增長而減小，混凝土流動(dòng)性和用水量一定條件下，減水劑摻量越高的混凝土坍落度損失越大。

（4）花崗巖洞渣混凝土具有較高的早期強(qiáng)度，7d抗壓強(qiáng)度可達(dá)28d的73%～75%；7d抗拉強(qiáng)度可達(dá)28d的80%～81%，抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的6%～8%。

（5）采用花崗巖洞渣制備混凝土，可節(jié)約工程材料成本，與普通碎石機(jī)制砂混凝土C30-2、C40-2相比，花崗巖洞渣混凝土C30-1、C40-1的成本分別減少了125.4元／m³、118.4元／m³，但在應(yīng)用過程中應(yīng)考慮云母含量、石粉含量、針片狀顆粒含量等指標(biāo)對混凝土性能的不利影響。

參考文獻(xiàn)

[1黃法禮，李化建，王振，等.隧道洞渣建筑材料資源化應(yīng)用研究現(xiàn)狀與存在問題分析[J].中國鐵路，2019（8）：14-18

[2]劉驍凡，魯凱，樊強(qiáng)，等.隧道洞渣花崗巖機(jī)制砂中石粉含量對混凝土性能的影響[J].混凝土，2022（12）：106-109

[3]中國建筑材料聯(lián)合會(huì).建設(shè)用卵石、碎石： G B/？ 14685-2022[S]北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2022：4.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程：JGJ55—2011[S].北京：光明日報(bào)出版社，2011：11-19.

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T50081—2019[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019：25-27.

[6]崔冬樂.云母的解理斷裂及其在珠光顏料中的應(yīng)用[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[7李順凱，覃茂挺，廖巧玲，等.花崗巖機(jī)制砂云母含量對混凝土耐久性能的影響[J/OL].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)：1-6[2023-11－15].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/45.1375.N.20230512.1831.002.html.

[8]中國建筑材料聯(lián)合會(huì).建設(shè)用砂：GB/T14684—2011[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011：5

[9]趙井輝，劉福勝，韋梅，等.花崗巖石粉細(xì)度及摻量對混凝土微觀孔隙的影響[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2016（2）：39-45.

[10]劉春，陶元洪，何濤，等.花崗巖石粉摻量對混凝土力學(xué)性能的影響[J].建材世界，2020，41（3）：18-21，38

[11]王博洋，魏連雨.花崗巖針片狀對高性能混凝土性能的影響[J]中外公路，2015，35（6）：308-310.

[12]林書慶.粗集料粒形及級(jí)配對混凝土強(qiáng)度離散性的影響[D]重慶：重慶交通大學(xué)，2021.