TBM洞挖料直接用于胶凝砂砾石时大、小试件强度相关性分析

2021-09-23张瑞芳王利英王婧红

山西水利科技 2021年2期

张瑞芳王利英王婧红

（1.山西省水利建筑工程局有限公司山西太原030006；2.河北工程大学水利水电学院河北邯郸056038）

1 概述

我国TBM 掘进法开挖隧洞已在道路、水利、市政等隧洞工程中得到广泛应用。开挖隧洞产生大量洞挖料，因各种因素制约大多数作为废料丢弃，不仅造成资源浪费，而且对环境造成污染。现如今建筑行业天然混凝土骨料的资源越来越匮乏，而大量的开采造成环境破坏，在保护生态环境就是保护生产力，改善生态环境就是发展生产力的理念下指导下，大家都在寻求骨料的新来源，现已成熟的有再生混凝土粗细骨料，它由建（构）筑废物中的混凝土、砂浆、石、砖瓦等加工而成，通过检验满足国家相关要求，配制成再生混凝土应用到建筑施工中；再有胶结颗粒料利用天然砂砾料、人工砂砾料和开挖石渣料与水泥及掺合料制成砂浆、混凝土等胶结材料用于水利工程，如山西大同守口堡水库枢纽大坝、四川的顺江堰、金鸡沟用胶凝砂砾石筑坝，四川岷江犍为航电枢纽工程用胶凝砂砾石防砌筑护堤；而国内外研究人员对TBM 洞挖料回收利用的研究着重于TBM 洞挖料可作为居住区的回填材料，道路和铁路的路基材料、景观材料、垃圾掩埋，或将TBM 洞挖料粒径大于10 mm 的材料进行破碎处理掺加天然骨料或者碎石作为混凝土使用。本文将TBM 洞挖料直接用于胶凝砂砾石配制低强度混凝土，用于低强度大体积混凝土的回填及强度要求不高的工程部位，经过大量试验得出，混凝土强度能够满足试配强度，可以变废为宝，保护环境。

2 TBM 洞挖料直接用于胶凝砂砾石时大、小试件强度相关性分析的意义

因采用的TBM 洞挖料最大粒径为120 mm，在施工过程中需要用同条件养护450 mm 的混凝土立方体试件的抗压强度控制混凝土质量，其试件的制作、养护和抗压强度试验需要大量的人力和物力，操作困难，且试验周期长，为解决这些问题，本文通过研究分析标准养护28 d 的150 mm 混凝土立方体试件与同条件养护450 mm 的混凝土立方体试件抗压强度的相关性，得出抗压强度关系曲线，从而用标准养护28 d的150 mm 混凝土立方体试件的抗压强度并配以少量大试件的验证，来控制混凝土质量；通过研究分析标准养护28 d 与同条件养护180 d 的150 mm 混凝土立方体试件抗压强度的相关性，得出抗压强度关系曲线，用标准养护28 d 抗压强度推断同条件养护180 d的抗压强度是否满足设计要求，既提高了检验检测效率，又在确保工程质量的前提下加快施工进度，从而降低工程成本。

3 四种不同水胶组合的配合比情况

3.1 混凝土的配合比试配方案

本次混凝土配合比设计方案中混凝土设计强度为6.0 MPa，设计龄期为180 d，配制强度为8.1 MPa，保证率系数t 取值为0.840，抗压强度标准差取2.5 MPa，表观密度为2 500 kg/m3。骨料直接采用不大于120 mm的TBM 洞挖料。胶凝材料基于《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL678-2014）中规定胶凝材料用量不宜低于80 kg/m3，其中水泥熟料用量不宜低于32 kg/m3的基础上，胶凝材料中水泥和粉煤灰分别采用50 kg 和40 kg、40 kg 和40 kg、30 kg 和50 kg、30 kg 和40 kg 四种组合。

3.2 试验原材料

1）水泥：采用山西华润福龙水泥有限公司生产的润丰牌P·O 42.5，检验结果见表1，满足《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）中P·O 42.5 标准要求。

表1 水泥物理检验结果

2）粉煤灰：采用侯马市经济开发区佳联环保科技有限公司生产的粉煤灰，检验结果见表2，满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）中Ⅱ级灰标准要求。

表2 粉煤灰物理、化学检验结果

3）水：试验室自来水：pH 值为7 左右。

4）骨料：采用山西省吕梁市临县地区TBM 第二标段工程的开挖洞挖料，该石料的母岩属于片麻岩，不会引起碱-骨料反应，可用于制作混凝土，根据相关研究表明，TBM 开挖料的尺寸由刀具对岩石的穿透程度和刀具轨迹之间的距离所决定，而穿透程度取决于有效的TBM 推力，TBM 洞挖料趋于片状，见图1。本次使用的TBM 洞挖料经筛分，其中粒径小于5 mm 的分计筛余量平均占20.0%，5～40 mm 的分计筛余量平均占35.7%，40～120 mm 的分计筛余量平均占54.7%，而粒径大于120 mm 的分计筛余量平均占0%，所以TBM 洞挖料全部作为骨料。检验结果见表3，满足《水工混凝土施工规程》（SL677-2014）中小于30 MPa 混凝土用骨料要求。

图1 TBM 洞挖料图片

表3 TBM 洞挖料中5～120 mm 粒径检验结果

3.3 四种不同水胶组合的配合比

四种不同水胶组合的配合比见表4。

表4 直接利用洞挖料四组配合比情况

4 混凝土大、小抗压强度试件制作的不同

本次采用的TBM 洞挖料，最大粒径为120 mm，混凝土抗压强度试件的制作参照《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL678-2014）及《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）中碾压混凝土要求，制作150 mm 混凝土立方体时，筛除40 mm 以上的骨料，一次加料加压振动成型，振动时间为VC 值的2～3 倍；制作450 mm混凝土立方体时，采用全部混凝土拌合物，混凝土拌合物分4～5 次装入试模，用平板振捣器振动压实，振动时间底层为拌合物VC 值的2 倍，上层为VC 值的2～3 倍，以表面泛浆为准，抛锚后进行下一装料。大小试件成型后马上进行抹面，沿模口抹平。

5 混凝土大、小抗压强度试件的养护条件和养护方法

采用标准养护的150 mm 立方体试件带模用塑料布遮盖，在标准养护室养护36 h 后拆模、编号，拆模后的试件仍放于标准养护室养护至试验龄期；采用同条件养护的150 mm 立方体试件带模用塑料布遮盖同条件养护3 d 后拆模、编号，拆模后的试件同条件养护至试验龄期；采用同条件养护的450 mm 立方体试件带模用土工布遮盖定期喷洒水，同条件养护至180 d。

6 混凝土大试件同条件养护180 d 抗压强度，小试件标准养护28 d 抗压强度数据

6.1 混凝土抗压强度试验采用设备

150 mm 混凝土立方体试件抗压强度试验采用YAW4206 微机控制电液伺服压力试验机（美特斯工业系统（中国）有限公司），其最大试验力2 000 kN，精度为试验力分辨力优于10 N、试验力示值相对误差±1%以内；450 mm 混凝土立方体试件抗压强度试验由太原理工大学结构试验室完成，采用长春试验机有限公司生产的YAW-5000 微机控制电液伺服压力试验机，其最大试验力5 000 KN，精度为试验力示值相对误差±1%以内。

6.2 不同养护条件不同龄期下，混凝土大小试件的抗压强度

混凝土大试件同条件养护180 d 抗压强度检验结果见表5。

表5 混凝土大试件同条件养护180 d 抗压强度检验结果

小试件标准养护28 d 和条件养护180 d 抗压强度数据结果见表6。

表6 混凝土小试件标准养护28d 及同条件养护180d 抗压强度

7 大、小试件28 d 抗压强度数据的相关性分析

1）配合比1 大试件（180 d）与小试件（28 d）及小试件（180 d）与小试件（28 d）的混凝土抗压强度关系曲线图见图2 和图3。

图2 大试件180 d 与小试件28 d 抗压强度关系曲线

图3 小试件180 d 与小试件28 d 抗压强度关系曲线

大试件（180 d）与小试件（28 d）的抗压强度关系曲线：y=1.809 7x-0.506 39 相关系数：r=0.96。

小试件（180 d）与小试件（28 d）的抗压强度关系曲线：y=1.656 39x+2.788 79 相关系数：r=0.97。

2）配合比2 大试件（180 d）与小试件（28 d）及小试件（180 d）与小试件（28 d）混凝土抗压强度的关系曲线图见图4 和图5。

图4 大试件180 d 与小试件28 d 抗压强度关系曲线

图5 小试件180 d 与小试件28 d 抗压强度关系曲线

大试件（180 d）与小试件（28 d）的抗压强度关系曲线：y=8x-13.25 相关系数：r=0.94。

小试件（180 d）与小试件（28 d）的抗压强度关系曲线：y=1.653 94x+0.386 16 相关系数：r=0.93。

3）配比3 大试件（180 d）与小试件（28 d）及小试件（180 d）与小试件（28 d）混凝土抗压强度的关系曲线图见图6 和图7。

大试件（180 d）与小试件（28 d）的抗压强度关系曲线：y=2.173 08x+0.488 46 相关系数：r=0.99。

小试件（180 d）与小试件（28 d）的抗压强度关系曲线：y=0.816 59x-1.715 38 相关系数：r=0.85。

4）配合比1 大试件（180 d）与小试件（28 d）的抗压强度关系曲线中r 值为0.96，配合比2 的抗压强度关系曲线中r 值为0.94，配合比3 的抗压强度关系曲线中r 值为0.99；配合比1 小试件（180 d）与小试件（28 d）的抗压强度关系曲线中r 值为0.97，配合比2 的关系曲线中r 值为0.93、配合比3 的关系曲线中r 值为0.85，以上六条抗压强度关系曲线中r 值均大于0.707，依据《水工混凝土试验规程》（DL/T5150-2001）中附录J 回归分析2.2 中，规定“r大于0.707（a=5%）时，直线有意义”，所以该六条直线都有意义。