关于机制砂在隧道喷射混凝土中的应用研究

唐富学

摘要：在进行渝黔项目隧道施工时，为了降低施工成本及减少隧道弃碴对当地环境的影响，拟采用隧道掘进的岩石自制机制砂配备隧道初支的喷射混凝土。因机制砂与天然砂在性能方面存在很大差异，天然砂喷射混凝土的配合比设计理论和经验在进行机制砂喷射混凝土配合比设计时难以起到借鉴作用。本文通过一系列的试验研究，分析总结了配合比中各参数变化对机制砂喷射混凝土性能的影响规律，从而设计出了符合规范及施工要求的施工现场机制砂喷射混凝土的配合比，对机制砂在喷射混凝土中的推广和使用起到一定的借鉴作用。

Abstract： In the construction of tunnel in Yu-Qian project， in order to reduce the construction cost and reduce the impact of tunnel ballast on the local environment， it is proposed to use tunnel self-made sand for tunneling with the shotcrete of the first branch of the tunnel. Due to the great difference in the performance between the machine-made and the natural sand， the design theory and experience of the mix design of the natural sand shotcrete hardly play a role in reference when designing the mix proportion of the sand-fired shotcrete. In this paper， a series of experimental studies were conducted to analyze and summarize the influence of various parameters in the mix ratio on the performance of shotcrete. The mix proportion of machine shotcrete in construction site that meets the specifications and construction requirements was designed， which can provide reference for promotion and use of mechanical sand in shotcrete.

關键词：机制砂；喷射混凝土；配合比设计；试验；规律

Key words： machine-made sand；shotcrete；mix proportion design；test；law

中图分类号：U454 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）11-0136-03

0 引言

目前，随着我国在基础建设方面迅猛发展，对于建筑用砂的需求量与日俱增，我国施工所用砂通常为天然砂，天然砂作为不可再生的资源，且地域分布非常不均，在以往的大范围、高强度基础建设时被大量的开采利用，不少地域的天然砂资源已近枯竭，为了满足建设需要，只能通过远距离采购及运输，大幅增加了施工成本，制约了基础建设项目的进行。

同时，天然砂源的大量采用，对自然生态环境造成了严重的破坏，因此，寻求天然砂的替代品，以缓解建筑砂源缺乏的压力、降低项目造价、保护环境，成为目前迫切需要解决的问题。路堑开挖及隧道掘进时，产生的大量优质石材的弃碴，故广泛使用机制砂进行各种类型混凝土的生产无疑是解决问题的方向。

1 工程简介

渝黔项目施工位于贵州遵义山区，环境作用等级为T2环境，当地天然砂资源匮乏，但本项目隧道喷射C25混凝土的用砂量巨大。合格天然砂需从160公里外采购，用自卸汽车运输至工地，因运距远及运输道路状况差，较其它地区而言，喷射混凝土的成本大幅提高。

本项目隧道掘进出碴除了小部分用于路基填筑外，大部需运至弃土场丢弃。隧道围岩多为石灰质岩石，为了降低喷射混凝土的成本，同时减少弃碴，保护环境，项目经理部经评估后，决定采用合格材质的隧道弃碴产成机制砂配制喷射混凝土。

2 机制砂的性能特点及机制砂喷射混凝土配合比的设计

机制砂的母材通常为白云岩和石灰岩，属于非活性集料，其物理性能和化学性能优良，机制砂在砂浆及较低标号的混凝土中得到广泛了应用，其施工配合比的设计技术也相对成熟。

但将机制砂用于拌制隧道初支的喷射混凝土的施工实践较少，在配合比设计及施工操作方面可借鉴的经验缺乏，而喷射混凝土在技术性能要求上与混凝土存在非常大的差异，机制砂混凝土施工方面的经验也不能简单地套用于机制砂喷射混凝土。为了确保施工质量，本项目需在试验的基础上验证机制砂用于拌制喷射混凝土的可行性，及研究机制砂颗粒多棱角，表面粗糙及高石粉含量等特征对喷射混凝土性能的影响规律，并最终制定出指标参数满足规范要求的机制砂喷射混凝土配合比。

3 原材料的选用及试验方案的制定

3.1 原材料的选用

①水泥。

地勘资料及环境水测试均表明当地环境作用等级为T2环境，故水泥选用普通硅盐水泥即可。综合技术及经济方面考虑，采用了中绥牌P.O42.5普通硅盐水泥，其性能物理指标见表1。

②砂子的选料及检验。

通常喷射混凝土采用中砂粗，如使用细度模数太小的砂，喷射混凝土的干缩大，在混凝土表面产生较多裂缝；砂太粗，则喷射混凝土的回弹量增大。以往施工经验是砂子的细度模数在2.5～3.2之间效果最佳。本项目自制机制砂，经对生产工艺及设备参数进行了调整，生产出符合要求的机制砂，属于Ⅰ区粗砂。其试验检测结果见表2。

③粗骨料。

粗骨料采用碎石，碎石粒径不宜大于16mm，亦不宜小于5mm，所采用本项目部自行加工生产的5～10mm碎石，经检测各项指标符合要求。

④速凝剂。

采用HJ-2型液体速凝剂，其满足初凝时间≯5min，终凝时间≯10min。

3.2 基准配合比确定

按照《JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程》规定，并结合施工规范对于喷射混凝土的性能指标要求进行基准配合比的设计。最终计算所得基准备配合比为：

水泥：机制砂：碎石：水：减水剂：速凝剂=365：892：892：183：4.38：14.6

3.3 基准配合比试配和试喷

按基准配合比进行试配，其性能参数试验值如表3所示，坍落度、初凝时间、终凝时间、强度值等满足设计要求。但按基准配合比进行了现场试喷，试验结果表明混凝土附着性较差，显松散状，导致达到28%的高回弹率。喷射好的混凝土表面干湿不均匀，部分部位有干斑现象。证明基准配合比的参数不合理，需进行调整。

4 配合比的调整及试验成果

为了解决基准配合比试喷揭示的问题。需对机制砂不同于河砂的特性进行分析研究，以了解机制砂各特征对喷射混凝土性能的影响规律及原因，以便获得满足规范及施工要求的机制砂喷射混凝土配合比。

因对于喷射混凝土而言，强度与回弹率为最为重要的两个指标。本项目拟分别研究不同砂率、水泥用量、水灰比对喷射混凝土强度与回弹率的影响规律。

4.1 砂率对喷射砼的影响

从图1中不同砂率情况下回弹率曲线可看出，起初回弹率总体是随砂率的提高而明显降低的，但砂率超过0.55后，回彈率不仅没有降低，而是稍有提高，表明砂率为0.55时有最低回弹率。

分析认为：本项目使用的机制砂细度模数超过3.16，划分为Ⅰ区粗砂，机制砂与天然河砂相比，棱角性好，空隙率也较大。因机制砂颗粒呈棱角性，没有河砂圆润，砂的细度模数也偏粗，故较低砂率的情况下，机制砂的中石粉及细小颗粒部分不能完全填充混凝土空隙，导致喷射混凝土的和易性差，从而喷射混凝土时的回弹率也高。当提高砂率后，相应地降低了粗集料的使用，混凝土中石粉含量的提高改善了混凝土的和易性及粘聚力，故回弹率得到降低。但砂率过大时，石粉含量超过填充空隙所需数量后，反而降低的混凝土的性能，导致回弹率上升。

从图1可看出，随着砂率的增大，混凝土试件的抗压强度呈持续增长的趋势，那是因为石粉没有活性，微细的石粉在水泥水化物中起到良好的填充效果，使得混凝土的密实度得以提高，进而混凝土强度得到提升。很多工程技术人员认为石粉与集料中的含泥量相类似，其含量的提高是有损混凝土强度，本次试验证明，在合理石粉含量内对混凝土强度是起到增强的作用的，故要对石粉的作用有正确的认识，方能设计出合理的配合比。

4.2 水泥用量对喷射砼的影响

单位水泥用量无疑对机制砂喷射混凝土强度及回弹率有着关键性的影响，故就不同单位水泥用量情况下进行喷射混凝土的强度及回弹率影响的试验研究。

不同单位水泥用量情况下喷射混凝土的强度及回弹率试验数据见表5所示。

从图2曲线可看出，随着水泥用量的加大，回弹率得到降低，当单位水泥用量为480kg时达到较低的回弹率为8.3%；当单位水泥用量超过480kg后，回弹率降低值趋缓，表明此时水泥用量的增加对回弹率的改善起不到明显作用。可见在本项目所采用的材质性能情况下，降低回弹率的最佳单位水泥用量510kg之间。

在本试验的水泥用量，混凝土强度随着单位水泥用量的增长基本呈正比例关系。

4.3 水灰比对喷射砼的影响

混凝土水灰比同样对机制喷射混凝土强度及回弹率有着重要影响，由于机制砂与天然砂的物理及化学性能存在很大的差异性，故不能利用天然砂的配合比设计理论及经验，故本项目进行不同水灰比情况对混凝土强度及回弹率影响规律的研究试验。

试验数据如表6所示，关系曲线见图3。

由图3曲线可知，水灰比处0.45～0.50区间，喷射混凝土回弹率最低，当水灰比减少或是增加时，回弹率均呈增加趋势。分析认为。当水灰比低时，拌和用水不足，混凝土呈松散的干状，粘附力差，故回弹率高，当水灰比过高时，混凝土呈流动的塑性状态，喷射的混凝土在重力作用下流淌，而提高了回弹率。

当水灰比为0.4时有最高的抗压强度37.9MPa，当水灰比增大或减小时，强度均有小幅降低，水灰比在0.35～0.50范围内，均能达到较高的抗压强度。

4.4 选定的施工配合比

经对上述的试验数据进行分析研究，总结了各参数试喷射混凝土性能指标的影响规律，综合考虑了喷射混凝土各项指标的要求，调整了施工配合比，并经多次试配及试喷，经优化的最终施工配合比及试验数据如表7所示。

以上配合比的喷射混凝土平均回弹率为9.8%，28d强度平均39.2MPa，喷射的混凝土表面光滑，呈现水亮光泽，表明机制砂喷射混凝土的施工配合比是科学合理的，达到设计目的。

5 结语

机制砂的石粉含量很容易超过规范的要求，生产出的成品，要严格控制石粉含量，控制石粉通常从料源方面进行控制，根据有关资料及上述试验结果表明，适量参加石粉可以改善混凝土的性能，但是不能超过规范的要求（根据混凝土的强度等级）。

机制砂由于生产加工机制砂的设备和工艺不同，其颗粒级配比较差，尤其是大于2.5mm和小于0.08mm的颗粒明显多于天然砂，且级配波动较大。其配制的混凝土和易性差，并容易造成混凝土外观质量缺陷。单纯使用机制砂配制水泥混凝土还会造成水泥用量的增加。在条件允许的情况下可以考虑机制砂与天然砂的合理掺配，并可以考虑在混凝土中掺入外掺剂，如粉煤灰等，改善机制砂的和易性。也可以掺加减水剂，优化配合比设计，合理降低水泥用量，节约工程成本。

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