混合砂在隧道工程喷射混凝土中的应用研究

王永岗

（山西路桥集团试验检测中心有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

天然砂是经过长时间积累天然形成的砂，天然砂在质量方面是最好的，但较粗的天然砂在化学、矿物成分上比较复杂，其细度模数较小且砂砾级配相对单一，施工应用不易控制[1]。机制砂是目前应用最多的砂石骨料，它通过砂石生产线破碎出来，级配良好、性能稳定，没有泥质或其他有害杂质。混合砂是天然砂和机制砂按照施工设计要求进行适当调配混合而成的砂，混合砂没有相关技术指标限制，但要求按照机制砂的技术要求和试验方法进行相关操作，在性能、细度模数等方面，混合砂保持了比较中立的状态，在众多工程内都可以看见它的身影。本文结合山西霍永高速官庄隧道混合砂喷射混凝土衬砌工程，探讨使用混合砂作为喷射混凝土的可行性，研究混合砂在喷射混凝土中的性能状态和实际应用效果，为黄土地区混合砂作为喷射混凝土的细集料提供理论基础。

图1 官庄隧道工程施工现场

1 混合砂的性能

天然砂较机制砂在自然环境风化、冲刷后密度下降，其表观密度在2 600 kg/m3左右，较机制砂强度下降，综合稳定性也相对降低[2]。霍永高速公路官庄隧道工程全长650 m，隧道内支护采用的是喷射混凝土施工完成。隧道内混凝土支护施工要求较多，主要包括混凝土的抗压强度、耐久性和抗渗性。结合当地黄河河沙的物理化学指标，本项目采用当地石灰质机制砂进行调配混合砂，所选用机制砂部分代表性物理化学指标见表1，黄河砂与机制砂级配及掺配情况见表2。

表1 机制砂的物理化学指标

表2 黄河砂与机制砂掺配情况

2 混合砂喷射混凝土的配合比设计

2.1 混合砂喷射混凝土的砂率

喷射混凝土中各组分的变化对混凝土的应用性能均有不同程度的影响，混凝土中混合砂的砂率决定着现场拌合、喷射的难易程度和工作效率，对混凝土的稠度影响较大，对成型混凝土结构的强度有很大影响。根据混合砂喷射混凝土应用性能特点和施工设计要求，促进喷射混凝土的施工应用效率，降低二次喷射造成的浪费，应选用湿喷的工作方式进行，且应选用砂率在45%～55%之间的混合砂，且应往更高的区间移动。当混凝土中的砂率粒径相对较大时，砂率可适当放宽至上限，当混凝土中的砂率粒径相对较小时，砂率应适当降低。

2.2 混合砂喷射混凝土的水泥用量

水泥作为喷射混凝土的凝结材料在工程应用中起着重要的作用，水泥用量决定着衬砌的强度和稳定性。以水泥用量为主变量，对比检测不同水泥含量喷射混凝土的抗压性，见表3。通常水泥用量超过实际需求，在工程应用中表现为隧道内粉尘量较大，施工区间视线模糊不清，混凝土结构物在水泥硬化的过程中收缩较大。水泥用量低于实际需求，用量过少，则表现为喷射混凝土在施工过程中回弹量大，强度增长慢且易出现安全事故。在工程应用中，需控制水泥用量，防止水化反应不充分而造成的混凝土强度下降，通常用量不低于20%。

表3 不同水泥含量喷射混凝土的抗压强度

2.3 水灰比

在制定水灰比时要考虑到砂石的含水量，它与喷射方式、喷射工艺、喷射料中集料粒径等有关。砂石料粒径大时，混凝土回弹较多，施工应用成本随之增加，砂石料粒径小时，混凝土中的水泥用量随之增加，提高成本的同时，水化反应完毕后的收缩裂缝逐渐增多。目前，日本、欧美等均以15 mm的工程粒径最大值视作隧道衬砌支护等相关工程喷射混凝土骨料粒径的最大值。在本工程案例中，以湿喷为主要施工方式，最终喷射效果以不流淌，无明显干斑且整体色泽基本一致。试验测试过程中，混凝土的砂率值对喷射混凝土的工作稠度和整体黏聚性影响较大，抗压强度也有一定程度的降低。喷射混凝土的水灰比和混合砂之间呈现线性关系，随着砂率的增加，水灰比随之增加，具体见表4，为了吸收二次喷射时的冲击能，宜选择较大的砂率，最终根据选定的砂率确定的水灰比为0.50～0.55。

3 混合砂喷射混凝土的回弹率

表4 湿喷混凝土砂率的水灰比

在混合砂喷射混凝土隧道衬砌支护施工应用中，混凝土回弹是造成支护工程成本增加的重要影响因素。施工过程中混凝土回弹物主要是砂砾和石子，减少砂石料的回弹是建设施工中一重要技术问题。混凝土的回弹实际上是砂石料与隧道岩壁及混凝土之间的碰撞问题。在喷射初期，混凝土砂石料与隧道岩壁发生第一次碰撞，第一次碰撞的界面在岩壁表面，因岩壁表面刚性大，表面黏结力差，碰撞发生过程中没有吸收冲击能量，混凝土回弹量较大。回弹发生后会造成成型混凝土中浆液的不均匀，造成结构性能的不稳定。因此，应严格控制混合料的级配和用水量，严格控制大粒径粗砂的用量。第二次碰撞发生在混凝土界面之间，因先喷射的混凝土可移动变形吸收二次冲击能，回弹量相对较小，工程上第二次回弹表现为黏性回弹。为了计算回弹量，同时考察混合砂对喷射混凝土回弹的影响，以砂率作为变量，工程中对边墙和拱顶的混凝土回弹率做回弹量分析试验。回弹率Mi的计算公式如式（1）：

式中：Mi为回弹率；Ki为测定的回弹物重量；K0为根据配合比推测的喷射混凝土重量。

在官庄隧道喷射混凝土工程中筛选9个测试区域，边墙和拱顶分别9个。按照施工要求的配合比进行喷射试验，计算喷射混凝土重量，采集混凝土回弹物的重量，以上述回弹率计算公式为依据，计算回弹量，表5。砂率在40%～50%范围内的回弹率变化不大，超过50%以后混合砂回弹率上升。

表5 湿喷混凝土回弹率统计表

4 混合砂喷射混凝土的性能

4.1 抗压强度

采用相同级配的天然砂和混合砂制备喷射混凝土，测试不同砂率下喷射混凝土抗压强度如图2，从图中可知，较比纯天然砂喷射混凝土的性能，混合砂喷射混凝土在掺加机制所形成砂后，由于机制砂的表面密度更高，闭合性能好且更为坚硬牢固，机制砂改善了混合砂与基体混凝土材料的界面性能，机制砂的化学性能更容易被控制，使得水泥水化效果更好，强度提高相对更快，提高了混凝土的密实程度。水泥混凝土在水胶比较高的情况下，水化反应不彻底，内部孔隙较多，存在很多没有充分水化的颗粒缝隙，造成部分混凝土试件抗压强度的降低。

图2 不同砂率下喷射混凝土抗压强度

但相对来说，喷射混凝土在高速喷射过程中混凝土受到连续高压冲击，混凝土在成型的过程中不断受压力而变得密实和牢固，孔隙率高的现象在工程应用中出现的概率并不多。工程中，喷射混凝土在一次施工完成后的2 h内即可形成强度，且在1 d时最高能达到13 MPa，28 d龄期的混凝土抗压强度在35 MPa以上，表6是霍永高速官庄隧道混合砂喷射混凝土的28 d抗压强度测试值。

表6 混合砂喷射混凝土的抗压强度 MPa

4.2 渗透性能

对比相同砂率下的天然砂混凝土和本工程的混合砂混凝土的渗透性，实验室采用全自动渗透性测试仪，使用边长为100 mm的试块进行测试，对Cl离子迁移系数和透气性指标K综合判定[3]。其中透气性指标K的取样是加压标取10 min后的混凝土试件的稳定气压作为取样值，根据气压值的曲线图拟合得到直线斜率K，K值为喷射混凝土的透气性指标。

表7是喷射混凝土龄期60 d的透气性指数K值和Cl离子渗透实验迁徙系数D。从表7中可以看出，随着水胶比的增大和砂率的降低，喷射混凝土试块的渗透性指数在逐渐降低。混凝土试块内的水泥水化物总体含量在逐渐增加，试块内的孔隙结构被不断填满且孔隙结构曲折率不断上升，渗透性加速下降，混凝土试块的渗透性整体下降。

表7 喷射混凝土渗透性指数

4.3 抗冻性

由于混合砂喷射混凝土的水泥和砂石料在高速冲击下所留下的孔隙率相对较小，在掺加引气剂的情况下其空气含量在3.1%～6.4%之间，在不掺加引气剂的情况下其空气含量不足1%。这些空气所在的结构孔隙在高速冲击浇筑的过程中会自行分布均匀，所以这些结构孔隙内的气泡间是不连通的，在这种情况下混合砂喷射混凝土拥有优良的抗冰冻效果，符合混合砂喷射混凝土的抗冻性指标。

5 结语

试验结果表明，在天然砂中掺入机制砂的混合砂在官庄隧道衬砌工程中的应用效果良好，混凝土强度不受影响。该种类型的混合砂在抗压、防渗等方面较天然砂混凝土效果更好。本试验方案采用机制砂部分代替天然砂在隧道工程中的施工效果，其物化指标满足施工设计要求，试验方案可行，综合所有试验数据，砂率在50%左右时是混合砂喷射混凝土衬砌支护工程应用的最佳含量。