机制砂级配对盾构管片机制砂混凝土性能的影响研究

吴 江 陈晋栋 祝 雯

（1 广州市建筑科学研究院集团有限公司；2 广州建筑股份有限公司）

0 前言

城市轨道交通建设是提升城市公共交通服务能力、优化城市空间布局、实现城市可持续发展与增长的有效手段。为满足城市发展的迫切需要，我国越江跨海隧道和城市轨道交通正进行大规模建设。目前在隧道施工过程中多采用具有施工快速、对周围环境影响小、可适应复杂地层等优点的盾构施工技术，以替代原来落后的开槽明挖或浅埋暗挖等劳动密集型施工方法。盾构施工过程中，盾构管片是最重要和最关键的结构构件，管片性能的优劣对盾构隧道工程的质量和服役寿命具有决定性的影响。

随着“砂荒”蔓延，发展机制砂、推广机制砂应用已呈燎原之势，随着对其物理力学性能研究的深入，机制砂在工程中的应用越来越广泛[1-2]。机制砂是采用岩石经过人工破碎制成，与天然砂在外观、化学成分、颗粒形状、颗粒机配以及特细颗粒含量（＜75μm）等特性上有很大的不同，对混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能等都会产生影响，尤其是在轨道交通工程中，机制砂对盾构管片混凝土的影响尤其重要。

良好的骨料级配应当具有较小的空隙率和较稳定的堆聚结构，从而最大限度地发挥骨料的骨架作用和稳定作用。较小的空隙率能够起到降低胶凝材料用量，保证混凝土体积稳定性的作用。研究表明[3-4]，相较于空隙率较大的间断分布的骨料，采用粒径连续分布的骨料得到的拌合物会具有更好的工作性能，骨料中某段粒级颗粒过多或过少都会使混凝土的工作性变差，从而导致耐久性变差。因此，调整骨料的级配以使其堆积空隙率最小成为研究热点，本研究就级配对盾构管片机制砂混凝土性能的影响规律进行研究，为机制砂在轨道交通工程中的应用推广提供参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：华润水泥（封开）有限公司生产的普通硅酸盐水泥（P.O 42.5），其物理力学性能指标及化学成分分别见表1 与表2。

表1 水泥的物理力学性能指标

表2 水泥的化学组成 （%）

⑵粗骨料：云浮市恒丰石场所产的5～10mm 碎石和10～20mm 碎石，其主要性能指标见表3。

表3 粗骨料的主要性能指标

⑶花岗岩机制砂：来源于顺兴石场，表观密度为2630 kg/m3，细度模数为2.6，石粉含量为3.6%，，其级配分布见表4。

表4 机制砂的级配

⑷矿粉和粉煤灰：本实验采用S95 级矿粉和F 类二级粉煤灰，主要性能指标见表5 和表6。

表5 矿粉主要性能指标

表6 粉煤灰主要性能指标

1.2 试验方法

1.2.1 工作性能

混凝土的表观密度和坍落度试验参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB 50080-2016 进行测试。

1.2.2 抗压强度

混凝土的抗压强度参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB 50081-2019 进行测试，所用压力试验机为美特斯工业系统（中国）有限公司的YAW4306 型微机控制电液伺服压力试验机，其最大荷载为3000kN。

1.2.3 抗氯离子渗透性能

混凝土的电通量和氯离子扩散系数参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009 进行，试件采用φ100mm×100mm 模具制备，脱模后浸没于温度为（20±2）℃、湿度≥95%标准养护室的水池内进行养护，到56d 养护龄期前取出，切取中间50mm 作为电通量和氯离子扩散系数试件。电通量试验采用北京耐尔得仪器设备有限公司的NEL-PEU 型混凝土电通量测定仪进行测试，氯离子扩散系数采用北京耐尔得仪器设备有限公司的RCM-NTB 型氯离子扩散系数测定仪进行测试。

2 实验结果与分析

2.1 机制砂级配组成

将原砂烘干后，采用标准套筛对其进行筛分，将筛分好的各级颗粒用水进行清洗，将其表面附着的石粉去除后烘干备用。混凝土最常使用的砂为Ⅱ区砂，在Ⅱ区范围内挑选五个级配组成，各级配组成的机制砂堆积空隙率间距约为1%。级配组成见表7，试验用配合比见表8。

表7 机制砂的级配组成

表8 混凝土试验配合比

2.2 混凝土的工作性能

不同级配条件下盾构管片混凝土的工作性如图1所示。由图可知，随着机制砂级配由G1～G5，混凝土的坍落度逐渐降低。分析其原因，机制砂级配G1～G5 的堆积空隙率不断增大，填充机制砂空隙所需浆体含量增加，包裹在机制砂颗粒表面的富余浆体层变薄，浆体层之间的接触面积变小，浆体起到的润滑作用减弱，对混凝土的流动性不利。

图1 不同级配下混凝土的坍落度

同时机制砂级配从G1～G5，其0.600～0.300mm 和0.300～0.150mm 段颗粒含量不断增多，机制砂的总体比表面积增大，其对水分和外加剂的吸附性增加，导致混凝土中自由水含量降低，对混凝土的流动性不利，两者共同作用导致机制砂混凝土的坍落度由G1～G5 逐渐降低。同时由该试验结果可以看出，机制砂中0.600～0.300mm 和0.300～0.150mm 段颗粒含量对混凝土的工作性影响显著，在机制砂生产过程中应着重关注该两段机制砂颗粒的含量。

2.3 混凝土的力学性能

不同级配条件下盾构管片混凝土的抗压强度如图2 所示。由图可以看出，随着机制砂级配由G1～G5，混凝土的7d 抗压强度和28d 抗压强度在G1～G3 时保持稳定，由G3～G5，抗压强度则缓慢降低。分析其原因，机制砂的堆积空隙率由级配G1～G5 不断增大，填充机制砂颗粒之间所需的浆体含量增加，富余浆体含量减少，浆体之间的粘结面积减小，对混凝土的抗压强度不利；同时 机 制 砂 级 配 从G1 ～G5，其0.600 ～0.300mm 和0.300～0.150mm 段颗粒含量不断增多，机制砂的总体比表面积增大，其对水分和外加剂的吸附性增加，机制砂混凝土的实质水胶比降低，对混凝土的强度增长有利。当机制砂级配由G1～G3 时，两种效应对混凝土抗压强度的影响作用相当，所以混凝土的抗压强度比较接近；当机制砂级配由G3～G5 时，机制砂颗粒的吸水性增大同时混凝土拌合物流动性变差，相同振实作用下，混凝土的密实性降低，导致混凝土的抗压强度不断降低。

图2 不同级配下混凝土的抗压强度

2.4 混凝土的抗氯离子渗透性能

不同级配条件下盾构管片混凝土的氯离子扩散系数和电通量分别如图3 和图4 所示。由图可知，随着机制砂级配由G1～G5，混凝土的氯离子扩散系数和电通量不断增大。分析其原因，机制砂的堆积空隙率由G1～G5 不断增大，填充机制砂颗粒之间所需的浆体含量增多，富余浆体量减少，骨料之间的连接区域更易形成孔隙；同时随着级配由G1～G5，机制砂颗粒中的细颗粒含量显著增加而粗颗粒含量减少，导致混凝土中引入的界面过渡区含量增多，而界面过渡区相对较为疏松，诸多界面过渡区连接在一起，为氯离子渗透提供了传输通道，导致混凝土的抗氯离子渗透性能降低。同时由图3和图4 可以看出，G5 级配的混凝土氯离子扩散系数和电通量较G4 增长显著，氯离子扩散系数和电通量分别增长27.5%和25.4%。是因为G5 级配条件下混凝土的流动性较低，导致在成型过程中形成了一定含量的连通孔隙，为氯离子的传输创造了条件。

图3 不同级配下混凝土的氯离子扩散系数

图4 不同级配下混凝土的电通量

综合来看，机制砂中0.600 ～0.300mm 级和0.300～0.150mm 级颗粒占比对盾构管片混凝土的性能影响较为显著，建议在选用机制砂时，对其分计筛余也进行相应控制，尤其需重点关注0.600～0.300mm 级和0.300～0.150mm 级的颗粒占比情况。

3 结论

⑴混凝土的坍落度随着0.600 ～0.300mm 和0.300～0.150mm 段颗粒含量的不断增多而逐渐降低；

⑵抗压强度随着0.600 ～0.300mm 和0.300 ～0.150mm 段颗粒含量的不断增多呈现为先保持稳定而后缓慢降低的趋势；

⑶抗氯离子渗透性能则不断降低。建议在选用机制砂时，对机制砂的分计筛余进行控制，尤其需重点关注0.600～0.300mm 级和0.300～0.150mm 级的颗粒占比情况。