机制砂在隧道喷射混凝土支护中的性能影响分析

王正华，王在杭，王建仓，李庆达，于咏妍

（1. 云南云岭高速公路建设集团有限公司，云南 昆明 650224；2. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

0 引言

中国铁路运输建设的快速发展取得了辉煌的成就，截至 2018年末，中国铁路营运总里程达 13.1 万 km，仅计入到运营的铁路隧道就达 15117 座，总里程达16331km；中国目前投入到运营的高速铁路运输总里程为 2.9 万 km，共建成总长 4896km 总计 3028 座高速铁路隧道[1]。随着中国铁路设施建设工程的高速发展，建筑用料的需求与日剧增，天然砂作为一种不可再生资源日渐匮乏，机制砂在建材市场替代天然砂用于基础设施建设的使用日益广泛。

优于天然砂的运输成本劣势，机制砂大幅降低了基建中材料的远距离运输成本，减少了过度开采天然砂所带的巨大环境压力。同时，在隧道开挖中产生的弃渣，往往需要占用大量土地资源以及消耗巨额资金进行处理，通过制砂机等设备对优质的隧道弃渣进行加工生产，并将生产的机制砂用于隧道混凝土生产可达到一举两得的效果。

1 隧道喷射混凝土中的用砂要求

机制砂主要是经制砂机破碎而成，颗粒形貌尖锐、表面粗糙度大，与水泥等胶凝材料易于粘结，有利于提高混凝土的抗压强度，普遍用于土木建筑行业。我国按技术要求将机制砂分为 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三个等级：Ⅰ 类用于强度等级 C60 以上的混凝土；Ⅱ 类用于强度等级 C30～C60 以及有抗冻、抗渗或其它性能要求的混凝土；Ⅲ 类主要用于强度等级小于 C30 的混凝土和建筑砂浆。喷射混凝土的强度等级一般设计为 C15 至C25 之间，参考 JTG F 60—2009《公路隧道施工技术规范》[2]对砂的要求，混凝土应采用级配良好、材质坚硬、颗粒表面清洁的河砂，当河砂在建设中不易得到时，也可用山砂或硬质岩石加工的机制砂。作为一种特殊的混凝土施工工艺，隧道支护喷射混凝土对用砂还有特定的工艺要求。试验证明，用于喷射混凝土中的砂最好选用细度模数大于 2.5、含泥量小于 5%、含水量按质量计为 5%～7% 的中粗砂［3］。

参照规范 GB 14684—2011《建设用砂》[4]对机制砂技术要求的相关规定，建设用机制砂的颗粒级配需满足表 1～3 的相关规定。

表1 颗粒级配

表2 石粉含量和泥块含量（MB 值≤1.4 或快速法试验合格）

表3 石粉含量和泥块含量（MB 值＞1.4 或快速法试验不合格）

2 隧道喷射混凝土中的机制砂和天然砂性能对比

（1）天然砂是经长久风化而成的一种自然资源，其分布因地形差异原因产生严重的不均匀性且具有不可再生性，在我国公共基础设施建设的大力发展下，长期不加节制的开采矿石必然导致天然砂的枯竭，而机制砂是采用制砂机破碎而成的建筑材料，在颗粒形貌、颗粒级配等方面必然与天然砂存在着不同的性能特点。

（2）天然砂分布不均且处于偏远地区，在一些山区较为集中，对于平原地区则相对稀缺，资源的不平衡限制了天然砂在工程建设中的应用，而机制砂采用机械破碎从而缓解天然砂分布不均的问题。

（3）天然砂各档粒径均有分布，而机制砂粒径分布则比较集中于某档粒组之中，明显不及天然砂的级配性能，生产过程中无法较好地掌握颗粒大小，但机制砂颗粒形貌较好，相比于天然砂颗粒具有少量的细长针尖状，含泥量低、强度高，使用在混凝土中不会造成外观质量上的缺陷，还有益于提高混凝土的和易性能。

3 机制砂混凝土性能影响因素

3.1 岩性的影响

在隧道矿山法施工过程中，喷射混凝土是隧道支护的常用手段。喷射混凝土的性能直接影响着初期支护的质量和施工效果。喷射混凝土是用喷射法施工的混凝土，要求砂及石子最大粒径不大于 25mm，机制砂颗粒形貌存在较多尖锐状，而天然砂在粒径和粒形方面都明显优于机制砂。此外，机制砂的砂岩性也对混凝土具有不可忽略的影响。唐凯靖等[5]研究了机制砂石英质和玄武岩质两种岩性对混凝土性能的不同影响；朱华胜等[6]研究了石灰石质机制砂对混凝土性能的影响。结果表明机制砂不同岩性对喷射混凝土性能影响也大为不同，如表 4 所示，石英质机制砂因表面附着有较多石粉，导致混凝土坍落度和扩展度性能较差；玄武岩质机制砂含有铝、钙等金属氧化物活性矿物成分，在水中可以部分溶出，再次发生具有火山灰作用的化学反应，反应产物颗粒细小，可部分或完全填充于混凝土骨料孔隙之中，使得混凝土致密性提高；石灰石质机制砂石粉含量普遍较多，但较高的石粉含量对混凝土的工作性能产生负面作用使其和易性大幅下降。

表4 不同岩性机制砂的性能对比

3.2 石粉的影响

机制砂中普遍含有一定量的石粉，石粉对混凝土的性能存在着明显的影响。

一方面机制砂混凝土中不可避免地含有一定量的石粉；另一方面较高石粉含量对混凝土产生不利影响。朱华胜等[6]研究了机制砂 0%～20% 石粉含量对混凝土性能的影响，表明 12% 石粉含量的混凝土表现出较好的坍落度和扩展度，而 20% 石粉含量的混凝土特别黏稠，和易性大幅减低。

石粉可一定程度填充混凝土中骨料颗粒间的空隙，使骨料间原本点与点的接触通过石粉的填充作用转变为面与面接触，增大了骨料间的接触面积和摩擦作用，使混凝土骨架颗粒作用得更为稳固，从而提高了混凝土的抗压强度；但石粉含量过高则表现出性能差的特点，石粉含量过高导致石粉不能完全填充于混凝土砂石骨架颗粒空隙之间，多余的石粉只能分散于骨架之外，与水分子接触吸收水份，使混凝土缺水而粘稠导致流动度变差，影响混凝土水化硬化作用。

3.3 级配的影响

砂石级配是混凝土技术要求中的关键性指标，直接影响着混凝土的力学性能表现和工作效果，不同级配的机制砂其混凝土性能也各不相同，一般要求机制砂各档粒径含量要控制在一定范围之内，级配曲线呈“S”形时的机制砂级配良好，其混凝土性能也较好。

不良级配的机制砂其级配曲线变化率大，表示颗粒分布的均匀性和连续性不足，颗粒在某档粒组中存在断档现象而造成级配不连续，颗粒粒径均匀、粒间嵌接性差、骨架孔隙率大，承受荷载易产生较大变形，混凝土强度也处在较低水平。

艾志勇等[7]基于 6 种不同级配的机制砂对混凝土性能的影响进行了研究，结果表明级配不良的机制砂混凝土在各龄期内均表现出强度偏低；即使混凝土工作性能较好，但在机制砂各档粒组百分比含量不适当的情况下，其混凝土强度仍略有偏低。机制砂相关文献[8]研究表明，S 形颗粒级配曲线有利于混凝土内部骨架形成悬浮—密实结构，有利于提高混凝土的强度和工作性能。

4 机制砂喷射混凝土性能优化

机制砂喷射混凝土工作性能直接关系着隧道的整体施工安全和质量，初期支护是隧道施工中的重要安全防护。长期以来，为保障隧道的安全围绕初期支护喷射混凝土展开了大量研究，对隧道喷射混凝土的性能进行优化可以提高整体工作性能。

（1）外加剂：在进行隧道支护喷射混凝土施工时，加入少量外加剂可以改善混凝土的性能。加入减水剂可以短时间内提升混凝土的强度；加入速凝剂可以使混凝土在短时间内凝结硬化。王兆[9]研究了聚丙烯纤维—纤维素纤维对衬砌混凝土性能的影响，结果表明在喷射混凝土中加入一定量的聚丙烯纤维可与围岩表面产生粘结从而使混凝土与粘结面产生了抗拉强度，使喷射混凝土的抗渗能力与抗氯离子侵蚀能力显著提高。

（2）石粉含量：机制砂中石粉含量是影响混凝土性能的重要因素，适量石粉可以填充砂石颗粒空隙，发挥级配效应，增强混凝土骨料的密实性，使砂石颗粒间产生强有力的咬合力，提高了混凝土的黏聚性从而使混凝土具有较高的强度。丁浩[10]研究了机制砂混凝土中石粉的适宜含量，发现石粉含量与水胶比密切相关，在 0.35 水胶比下，石灰岩机制砂石粉适宜含量为 7% 左右。

（3）级配优化：机制砂配合比设计应结合颗粒筛分试验和工程实际情况而异做针对性的配合比设计。所选用的机制砂必须满足我国规定的机制砂各粒级含量的范围，通过筛分试验绘制级配曲线，根据富勒曲线和泰波公式对机制砂配合比进行优化，当级配曲线接近级配中值时可认为级配良好。

5 结语

在隧道支护混凝土施工中，机制砂的应用越来越广泛，影响隧道初期支护机制砂喷射混凝土性能的因素众多。合理认识机制砂在隧道施工中的优点和缺点，全面认识机制砂和天然砂不同的特点，充分利用机制砂的潜在价值，从机制砂的原材料、生产工艺、施工水平等加强机制砂的性能研究，对于促进机制砂在建设行业中持续健康利用具有重要意义。