砂岩隧道洞渣集料在宜巴高速公路中的应用＊

周长泉 张 伟 周明凯 詹春波

（1.湖北宜巴高速公路建设指挥部 宜昌 443000；2.武汉理工大学硅酸盐工程国家重点实验室 武汉 430070；3.湖北省路桥集团有限公司 武汉 430056）

近些年来，由于天然河沙资源的短缺，山区高速公路外运砂石料运距和成本显著增加；另一方面山区隧道工程的施工产生大量弃渣，占用大量土地资源，因此隧道洞渣的利用受到广泛关注。我国地域广阔，隧道开采岩石种类繁多、成分多变、品质差异较大。砂岩洞渣是一种常见的隧道弃渣，在我国四川、湖南、广东、江西等地均有一定分布。砂岩属于沉积岩，是岩石经风化剥蚀下沉积于石床，在地壳运动中受到挤压胶结等物理化学作用形成，通常为碎屑或者层状结构，具有密度较小，单轴抗压强度相对较小，孔隙率和吸水率较大，易风化等性质。目前对于砂岩应用最多的是用于路基填筑，研究重点是母岩强度较低的红砂岩以及分化砂岩［1－3］；砂岩用于沥青路面材料也有相关报道，研究主要集中在硬质砂岩［4－5］；由于砂岩吸水率和抗压强度等原因，砂岩作为集料用于混凝土的研究鲜有提及。

砂岩可分为钙质、硅质、铁质、粘土质砂岩，虽然砂岩总体强度较低，孔隙率大，吸水率大，但其中优质的硅质、钙质砂岩母岩强度高，结构致密，具有用于混凝土的前景。若采取合理的分选措施和加工工艺，将砂岩洞渣进行分类处理，品质合格的砂岩破碎成机制砂与碎石用于混凝土，不仅解决了远地调运的成本，也缓解了洞渣堆放造成的土地负担，将产生巨大经济效益。宜巴高速公路路段洞渣除渣量大，掘出的砂岩品质高，将该砂岩作为集料配制混凝土应用，有着重要的工程意义。

1 砂岩洞渣特性

宜巴太阳岭隧道砂岩母岩单侧饱和抗压强度均超过60MPa，平均强度更是达到了70MPa（见表1），为硬质砂岩。经XRD及XRF分析（见表2，图1），其主要矿物组成为石英和钠长石，为长石类砂岩；有害成分如SO3含量仅为0.032%，尚未检测出Cl，可满足建筑用砂、石中对SO3和Cl有害成分的限制要求。但经岩相分析（见表3，图2），砂岩中含有少量（约1%）的碱活性成分——燧石。为此进一步采用砂浆长度法来评判砂岩碎石是否为碱活性集料（见表4），检测结果表明，砂浆棒14d膨胀率小于0.1%，该砂岩不具碱－硅酸反应活性。

表1 分选后可供加工的洞渣岩石单侧饱和抗压强度 MPa

表2 洞渣（砂岩）的XRF分析结果

图1 洞渣（砂岩）XRD分析结果

表3 砂岩碎石的岩相分析

图2 砂岩碎石岩相分析

表4 砂岩碎石快速碱－硅酸反应活性检测结果

2 砂岩集料分析

考虑到本工程主要是低标号混凝土，可采用如下简化砂、石联产工艺制备砂岩集料，见图3。

图3 砂岩集料生产工艺

在此工艺中，通过加宽振动喂料机栅条宽度以除去泥土、碎屑和软弱颗粒，并通过加强收尘器抽风能力，调控机制砂中石粉含量。对生产出的砂、石集料需进行试验分析，探讨其用于混凝土集料的可行性。

2.1 砂岩碎石主要性能测试

参照《公路工程集料试验规程》（JTG E42－2005）中T0308－2005粗集料密度和吸水率试验（容量瓶法）、T0314－2000粗集料坚固性试验方法，对加工的碎石进行测试，结果见5。GB／T 14685－2011将卵石、碎石分为I、II、III类，将各类的吸水率、表观密度和压碎值要求列于表5中与砂岩碎石进行对比。

表5 砂岩碎石主要性能指标及相应标准指标要求

砂岩通常吸水率较高，但从宜巴太阳岭料场加工生产的砂岩碎石吸水率较低，如表5所示可满足I类碎石的吸水率要求，砂岩碎石其他各指标也较为理想，表观密度和坚固性指标均能满足建筑用碎石规范中I类碎石的要求，含泥量稍高但也能满足II类碎石要求。

砂岩碎石由4.75～9.5，9.5～16及16～26.5 3档料组成，当相应掺配比例（质量比）为：0.3∶0.45∶0.25时，掺配后级配符合规范要求，级配曲线见图4。

综合以上各数据来看，砂岩碎石各项指标符合或接近I类碎石的要求，用于配制C60以下混凝土是可行的。

图4 掺配碎石级配曲线

2.2 砂岩机制砂主要性能测试

参照《公路工程集料试验规程》（JTG E42－2005）T0350－2005和GBT14684－2011《建筑用砂》，对太阳岭隧道砂岩生产干砂进行抽样检测显示，机制砂石粉含量为13.5%，最大压碎值为18%，各粒径颗粒分布均匀，针片状颗粒含量少，级配曲线见图5。

图5 机制砂筛分曲线

GBT14684－2011《建筑用砂》将机制砂分为I，II，III 3个技术等级，I类砂性能优良，是配制混凝土的首选。而利用隧道砂岩洞渣生产的22标太阳岭料场机制砂的压碎值指标满足了I类砂的要求；所产的砂岩机制砂为级配优良的中砂，落在II区范围内，满足I类机制砂的要求；所产砂岩机制砂的石粉含量指标相对国家标准GBT14684－2011《建筑用砂》略有超标，但“适当”的高石粉含量能克服高强度等级水泥（P.O42.5）配制C30及以下低强度等级混凝土所带来的粉料不足、粘聚性差、易离析泌水等问题［6－7］。

2.3 砂岩集料用于混凝土的可行性

综合砂岩洞渣母岩强度、成分以及由此生产的机制砂、碎石各类指标的实验结果表明，宜巴砂岩隧道洞渣通过分类处理以及合适破碎工艺所产的碎石重要指标符合建筑用碎石I、II类碎石技术要求，机制砂重要指标满足建筑用砂I、II类技术要求，因此用作集料配制混凝土是可行的。

3 砂岩洞渣集料在宜巴高速公路中的应用

采用砂岩加工生产的碎石、机制砂作为粗细集料，配制了C15仰拱混凝土C20混凝土、C25二衬混凝土、C30普通及C30水下混凝土，胶凝材料采用华新堡垒牌P.O42.5水泥，具体参数见表6。各标号混凝土配合比、工作性及强度结果见表7。

表6 水泥各项性能参数

表7 砂岩集料配制混凝土配合比

通过上述试验，水灰比与强度成较好的线性关系，不同水灰比的混凝土强度、工作性均能满足C15～C30混凝土工程相关设计要求。

依据本项目设计图纸，C30及C30以下的混凝土主要用于隧道工程（二衬）及桥梁下部构造（桩基、墩柱），经室内试配及优化后，各相应部位混凝土的工作性、强度及二衬混凝土的抗渗性均满足相关设计要求，并提出如下目标配合比，见表8。

表8 砂岩集料配制的C25及C30混凝土配合比

宜巴高速22标在工程初期利用洞渣6万m3，其中生产机制砂2.3万m3，生产碎石3.4万m3，既解决了废弃洞渣堆场占地问题，又为工程建设提供了急需的砂石料。在保护环境、节能减排的同时，节省了工程成本，为宜巴高速公路建设工程起到了良好的示范作用。

4 结语

宜巴太阳岭隧道砂岩母岩属于硬质长石类砂岩，母岩单侧饱和抗压强度高，不含有害化学物质，碱活性低。采用简化砂、石联产工艺生产出砂岩碎石、机制砂可满足混凝土集料要求，并成功将其用于C30、C25混凝土的配制，解决了废弃洞渣堆场占地问题，在保护环境、节能减排的同时，节省了工程成本，为隧道洞渣提供了新的利用途径。

［1］邓觐宇.高速公路红硬质砂岩的路用性能及施工工艺研究［J］.岩土工程技术，2003（5）：253－257.

［2］邝卫国，黎 晨.浅谈红砂岩填筑路基施工与质量控制［J］.科技创新导报，2008（29）：60.

［3］史刚雷.风化砂岩填筑路基工程特性研究［D］.西安：长安大学，2008.

［4］沈 鹃.砂岩在沥青路面抗滑表层中的试验研究［D］.成都：西南科技大学，2008.

［5］闫红光.硬质砂岩在四川广巴高速公路路面基层及底基层中的应用研究［D］.西安：长安大学，2008.

［6］邓 涛.隧道洞渣制备机制砂及机制砂混凝土应用技术研究［D］.武汉：武汉理工大学，2012.

［7］王稷良，牛开民，刘 英，等.机制砂中石粉对混凝土性能影响的研究现状［J］.公路交通科技，2008，25（9）：302－307.