粗砂在喷射混凝土中的研究

张明荣

0 引言

引洮供水工程用量最大的建筑材料为混凝土，由于其使用数量大、应用部位广、技术要求高，且所用细骨料对混凝土质量影响较大，因而细骨料成为影响工程质量的主要因素之一。

引洮供水工程项目周边细骨料细度模数均＞3.0，属于粗砂。品质好的中砂具有很强的区域性质，远距离运输会大大增加工程的成本，如果要远距离运输将会影响工程建设的进度。为了不增加工程建设的成本的影响工程建设进度的前提下考虑用项目周边的粗砂作为细骨料，不过《水工混凝土施工规范》要求细骨料应质地坚硬、清洁、级配良好；人工砂的细度模数且在2.4～2.8范围内，天然砂的细度模数宜在2.2～3.0范围内，使用山砂、粗砂、应采取相应的试验论证。因此，项目用粗砂必须进过试验论证研究[1]。

针对工程所处的环境、结构特点，开展粗砂制备喷射混凝土的研究。通过对比不同料厂生产处的粗砂制备的混凝土特性，优化配比，使配制出混凝土各项性能指标达到甚至优于中砂混凝土的性能指标，并满足引洮供水主体工程混凝土的技术要求，且同时兼具良好的经济性。

1 基本材料分析

引洮工程混凝土所用原材料主要为P·O42.5水泥，细度模数为3.0以上细骨料（河砂），5～10 mm粗骨料，粉煤灰和外加剂。根据相关规范要求，工程中应用其必须进行相关性能测试。

1.1 细骨料

选取四个具有代表性的砂石料场（疆涛商贸有限公司、通渭三维砂石料厂、英吉利砂厂、明星砂石料厂）生产的河砂进行试验论证并进行相关性能测试，见图1、图2。

图1 通渭三维砂石料厂河砂

图2 英吉利砂厂河砂

对四个砂石料场的河砂进行筛分，筛分结果见表1。

从表1可以看出四个砂石料场生产的河砂细度模数均大于3.0，属于粗砂。河砂其他性能参数如表2所示。

表1 河砂颗粒级配

表2 论证用砂检测结果

从表2可以看出，样品所检项目的检验结果符合SL677-2014规范对天然砂的品质要求。

1.2 其他材料

试验所用水泥为定西祁连山水泥商砼有限公司生产的P·O42.5水泥，所检项目质量指标满足GB175-2007标准中普通硅酸盐水泥42.5级技术指标要求。粗骨料用5～10 mm卵石，粉煤灰为F类Ⅱ级灰，外加剂为引气减水剂其减水率为15%。

2 实验结果与讨论

2.1 喷射混凝土

为了确保隧洞粗砂喷砼的质量，根据喷砼的设计要求和所用粗砂的特性，并结合砼中其他材料的性能特点进行配合比的试配试喷，试配C20喷砼配合比见表3。

表3 粗砂喷射砼试喷配合比

按以上配合比进行了试喷，发现喷砼表面干湿不一，出现少量干斑，喷射物附着性较差，回弹率较大，达到20%以上，结果表明用水量过少，砼松散，粘聚性较差，配合比中各参数不合理，同时发现试喷过程中容易堵管。

针对试配混凝土试喷过程中遇到的各种问题，通过改变喷射混凝土配合比测定对砼回弹率、强度等方面的影响规律，以便根据试验结果进行分析，对配合比再调整、试验，以获得最佳的喷射混凝土配合比。

2.1.1 最佳砂率

粗砂细度模数超过3.0，采用与中砂相同的砂率时，不能起到中砂的润滑作用和砂对粗集料的充填作用，从而使喷射混凝土的回弹率较大，需要通过改变砂率提高所配制混凝土的粘聚性来降低回弹率。通过试验得到砂率与回弹率和强度关系如图3、图4所示。

图3 砂率与回弹率关系曲线

图4 砂率与抗压强度关系曲线图

从图3、图4可以看出，当所用粗砂砂率较低时喷射混凝土回弹率较大，随着砂率提高，混凝土的粘聚性得到改善，回弹率降低。当砂率超过0.56时，回弹率增大。从经济和混凝土工作性能考虑，粗砂砂率宜为0.52～0.56之间。

在砂率为0.46～0.56范围内，随着砂率的提高，混凝土抗压强度有一定的增长。大量研究及经验表明，当水灰比一定时混凝土越密实其抗压强度越高，试验中喷射混凝土抗压强度提高是由于砂率提高使混凝土密实度增加[2]。混凝土中的粗颗粒形成骨架，需要细颗粒的充填。细集料不足不仅使喷射混凝土的粘聚性变差且密实性降低导致强度降低。为了让小颗粒数量增多，使砼结构更加密实，最简单的方法是通过在一定范围内增大砂率来实现。

2.1.2 最佳水泥用量

胶凝材料用量直接影响喷射混凝土的回弹率、抗压强度和喷射混凝土的成本，试验论证通过改变胶凝材料用量来确定胶凝材料的最佳掺量，总结使用粗砂配制喷射混凝土时胶凝材料用量对回弹率、抗压强度的影响，结果见图5、图6。

图5 水泥用量与回弹率关系曲线图

图6 水泥用量与抗压强度关系曲线图

从图5、图6可以看出随着胶凝材料用量增加，回弹率逐渐降低[3-6]，抗压强度逐步提高。水泥作为喷射混凝土的胶凝材料，喷射混凝土的粘聚性主要由水泥提供，水泥用量过多会增加喷射混凝土的成本。试验得出水泥用量宜在400～440 kg/m3。

2.1.3 最佳水灰比

水灰比不仅影响喷射混凝土的强度，也是影响回弹率的重要因素之一，试验论证通过改变水灰比，确定水胶比的最佳范围，水灰比与回弹率和抗压强度关系，见图7、图8。

图7 水灰比与回弹率关系

图8 水灰比与抗压强度关系

论证结果表明，水灰比较低时，拌合物拌合不均匀，拌合物的粘聚性较差致使喷射混凝土回弹率较高。水灰比较大时，喷射混凝土流动性较大从而喷射混凝土的粘附性变差，水灰比优选 0.42～0.44。

2.1.4 速凝剂最佳掺量

上述试验外加剂掺量均占胶凝材料质量的5%，通过对比速凝剂掺量对喷射混凝土性能的影响，试验选用细骨料为英吉利砂厂生产的河砂，砂率为0.52、水泥用量为420 kg/m3、水灰比为0.42，测试结果如表4所示。

表4 速凝剂掺量对喷射混凝土性能的影响

在试喷过程中发现速凝剂掺量过多时，混凝土凝结较快[7]，在喷射需要一定的时间，掺量过多会使混凝土强度较低，掺量较低会影响施工效率。试验所用速凝剂最佳掺量范围为 5±1%。

3 结论

针对引洮供水工程工程区附近料场粗砂进行研究，论证了粗砂制备喷射混凝土的可行性，得出以下结论：

（1）用细度模数＞3.0的粗砂制备喷射混凝土具有可行性。试验论证选取四个典型砂石料场生产的粗砂通过配合比的设计、调整等，配制出的混凝土回弹率＜10%，抗压强度高于C20（28 d抗压强度≥26.6 MPa）设计强度。

（2）粗砂配置性能达标的喷射混凝土推荐砂率为0.52～0.56，水灰比为 0.42-0.44、胶凝材料用量 400～440 kg/m3、速凝剂掺量5±1%。

在引洮供水工程建设过程中，颗粒级配和含泥量等各项指标满足规范要求的天然中砂资源缺乏，采用天然粗砂进行隧洞喷射混凝土的配制是可行的，其经济效益显著。在粗砂进行喷射混凝土施工前，要检测粗砂特性，需进行试配和调整，获得既能满足施工性能，又能控制建设工程质量和控制生产成本的配合比方案。

[1]SL 677-2014,水工混凝土施工规范[S].

[2]王家滨,牛荻涛,张永利.喷射混凝土力学性能、渗透性及耐久性试验研究[J].土木工程学报,2016.

[3]刘康.低回弹喷射混凝土技术研究[D].河北工业大学,2015.

[4]艾新春,藏志刚,宫旭.喷射混凝土现场回弹率试验分析[J].

[5]姜波.湿喷混凝土回弹率影响因素[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2016,35(03):270-273.

[6]韩斌,姚松,于少峰,吴建勋,李佳梦.湿喷混凝土可泵性、强度和回弹率的关键影响因素[J].金属矿山,2014,(07):37-41.

[7]杨富民,孙成晓,仇鹏,张雯,何军利,闫俊洁,李晨.液体速凝剂在铁路隧道喷射混凝土中的应用研究[J].铁道建筑,2015,(09):74-77.