基于粉碎性黄土环境的弃渣砂岩在混凝土中的应用性能研究*

温郁斌，张静晓，孙艳鹏

(1.山西昔榆高速公路有限公司，山西 晋中 030600； 2.长安大学经济与管理学院，陕西 西安 710000；3.长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710000)

0 引言

在公路建设过程中会产生大量弃渣，弃渣堆积占用了大量土地，同时在工程建造过程中需要大量的建筑材料。在此背景下，根据公路建设特点以及考虑工程建设对于建筑材料的使用需求，对工程弃渣用作混凝土掺和料的特性研究具有重要意义。国际上许多国家已经开始对弃渣进行再利用，并达到一定的应用水平。德国、日本等针对弃渣的利用颁布了相关法规。其中，德国在 1994年提出隧道弃渣利用的相关计划[1]。日本在1997年提出，原则上必须将建筑垃圾进行再利用处理[2]。我国的弃渣资源再利用目前处于起步阶段[3-4]。钟恩等[5]通过集成减量化破碎、全自动压砖等核心技术，将建筑固体废物再次利用。杨锐锋等[6]从铁路建设临时用地原有生态环境功能恢复的角度出发，对铁路建设过程中的临时用地进行复垦，有效解决弃渣浪费土地的问题。王栋等[7]运用环境保护、水土保持和资源节约等相关理念，并将有效措施应用到公路工程中，改变传统的弃渣处理方式，创造性地将弃渣用作边坡绿化。随着弃渣研究的进一步深入，弃渣不仅作为填充物，也可用作工程材料。孔玉清等[8]对大直径泥水盾构弃渣中的优质泥浆在卵砾地层中的再利用问题进行了室内试验研究，使优质泥浆在泥水盾构施工中得以重复利用。张连玉等[9]从弃渣对环境的影响出发，在鹤大高速公路工程建设项目中成功利用隧道弃渣生产了碎石。戴勇等[10]针对大直径泥水盾构隧道工程掘进线路处于黏土地层的问题,提出了弃渣取代同步注浆原材料，这一方案成功将弃渣用作注浆材料。然而目前对于弃渣再利用的研究，局限于将弃渣作为填充物，少部分研究将弃渣作为注浆材料使用[10]，尚未有针对粉碎性黄土地区弃渣砂岩利用的研究，本文所依托的昔榆高速工程位于粉碎性黄土地区，地质条件复杂，在工程建设过程中产生大量的破碎弃渣砂岩，堆积、搬运耗费大量人力物力。

为解决昔榆高速项目的弃渣问题，本文首次考虑将弃渣砂岩作为混凝土集料使用。通过一系列弃渣砂岩与混凝土性能有关的试验研究，有效解决以下问题：①使用高效减水剂，极大缓解了砂岩集料混凝土高需水量的问题，同时减少了混凝土中大水珠的比例；②提高总胶凝材料用量，一是缓解砂岩集料粗糙表面对砂浆的消耗，更重要的是分散水，阻碍混凝土中大水珠形成，降低自由水低温结晶膨胀应力；③超掺粉煤灰的使用，一是粉煤灰形成的凝胶堵塞混凝土毛细孔，阻止外部水进入混凝土内部，提高抗冻性，二是粉煤灰水化反应缓慢，60d甚至90d都在进行水化反应，消耗混凝土中自由水，使混凝土抗冻性能提高；④使用引气剂，在混凝土中形成微孔，给混凝土中自由水结晶预留出膨胀应力释放空间；⑤混凝土成型坍落度对抗冻性有一定影响，控制混凝土的成型坍落度可提高混凝土抗冻性。

1 工程概况

昔阳(晋冀界)至榆次(K0+000—K128+115)项目采用双向四车道高速公路标准建设(以下简称昔榆)，设计速度100km/h，整体式路基宽度26.0m，全长125.370km。一般互通立交4处、枢纽互通式立交2处，服务区3处，养护工区3处，路段管理中心2处，隧道管理站3座，匝道收费站5处，主线超限站1处；闫庄连接线7.137km，马坊至松塔连接线21.246km，总占地11 178.8亩(1亩≈666.7m2)，桥隧比55%。

2 公路沿线弃渣特性分析

昔榆高速沿线有近1 800万m3弃渣，以砂岩为主，但砂岩品质参差不齐，部分风化严重，含有泥岩。砂岩属于沉积岩，可分为钙质、砂质、铁质、黏土质等，主要特点为强度较低，吸水率大，易风化崩解，且成分波动性太大，匀质性差，导致其无法如石灰石等硬质岩类一样直接破碎使用，亟待提出一种合理有效的资源化利用途径。因此分析昔榆砂岩类弃渣的特性，评价分析其稳定性，并将其分级破碎加工成不同品质的集料分别用于混凝土、路面基层等公路工程中，实现沿线弃渣在高速公路中的高效利用[11-14]。

2.1 成分分析

砂岩是一种沉积岩，是源区岩石经风化、剥蚀、搬运在盆地中堆积形成，由碎屑和填隙物两部分构成。碎屑矿物包括：石英、长石、白云母、方解石、黏土矿物、白云石、鲕绿泥石、绿泥石等；填隙物包括胶结物和碎屑杂基两种组分。

鉴于砂岩风化与岩石成分具有重要关系，为验证各标段砂岩的风化情况，选取不同标段的样品，并进行标号试验，分别为1～7号，对砂岩类弃渣的矿物成分进行分析。

从试验数据中可知，各标段砂岩成分复杂，但是均含有SiO2，Al2O3，CaO以及MgO等成分，除了3号试验结果之外，其他结果均显示SiO2均大于其他成分含量，表明昔榆高速项目砂岩抗压强度大。此外，部分样品中的K，Na含量偏高。

2.2 砂岩表面电子显微观察

对昔阳至榆次高速项目工程沿线砂岩堆存点进行调研取样。分析砂岩类弃渣的微观结构，测定其力学性能和耐久性，明确砂岩类弃渣在公路工程中应用的技术可行性。

通过电子显微镜观察，在放大100倍观察中，砂岩表面出现不规则的细小颗粒，与石灰岩相比砂岩表面更为粗糙；在放大2 000倍观察中，石灰岩表面也出现了不规则的颗粒物，只是两者颗粒物的大小不同。

通过对昔榆高速工程项目沿线堆砌的弃渣砂岩取样，对弃渣砂岩成分、风化程度进行研究，结合砂岩的岩性分析，对沿线弃渣砂岩进行等级划分，并与石灰岩性质进行对比分析。为下文对弃渣砂岩混凝土工作性能试验与集料试验打下基础。

3 砂岩混凝土性能试验研究

3.1 砂岩集料对混凝土工作性能的影响

3.1.1砂岩粗集料对混凝土工作性能的影响

1)试验设计

根据砂岩表面粗糙度、吸水率以及考虑未水化自由水对混凝土抗冻性的影响，进行比较性能试验，经试验后再调整。以第1组混凝土配合比为基准配合比，分别设置4组对比试验，如表1所示。

表1 砂岩粗集料混凝土工作性对比 kg·m-3

2)试验结果

粗集料是混凝土的重要组成部分，用量通常会影响混凝土的配合比，用不同石子粒径的掺量比例调控混凝土配合比，试验结果如表2所示。

表2 试验结果

第1组与第2组试验结果说明，在保证其他试验条件相同的前提下，采用砂岩粗集料代替石灰岩粗集料，第2组的初始坍落度为130mm，明显低于第1组的初始坍落度205mm。60min时的坍落度比较，第2组的坍落度为0mm，说明使用砂岩作为粗集料以后，混凝土的初始流动性比较差，坍落度的损失也比较大。在第2组试验结果的基础上，在第3组试验时加入针对砂岩集料特性调整的复合外加剂，试验结果与第1组相比，初始坍落度满足要求，但是60min时的坍落度与初始坍落度相差较大，说明加入外加剂以后，虽然初始坍落度满足混凝土性能要求，但是坍落度的损失还是比较大。

经过前3组试验对比，发现在改用砂岩粗集料时混凝土的流动性受到较大影响，损失较大。在第4组试验时，将石子10～30mm和5～10mm粒径的比例由75∶25调整到85∶15，与第3组试验结果相比，坍落度的损失程度有所改善，说明调整不同粒径石子的比例有助于改善混凝土坍落度损失。在第4组试验的基础上，继续调整粗细石子比例，由85∶15调整为90∶10，试验结果表明混凝土的工作性能基本满足使用要求。

3.1.2砂岩细集料对混凝土工作性能的影响

1)试验设计

砂岩破碎后，筛取粒径4.75mm以下集料作砂岩机制砂试验。砂岩机制砂破碎后粒径0.75mm以下集料偏多，试验用砂岩机制砂，将粒径0.75mm以下集料含量控制在5%以内，如表3所示。

表3 砂岩细集料混凝土工作性对比 kg·m-3

2)试验结果

昔榆高速工程项目采用砂岩粉碎后作为机制砂使用，为了验证砂岩机制砂作为细集料对混凝土性能的影响，进行了试验研究，结果如表4所示。

表4 试验结果

从试验结果看，只使用砂岩机制砂作为细集料使用时，初始坍落度与60min时坍落度均不能满足混凝土性能要求。第2组试验选择使用一半砂岩与一半石灰岩的混合使用，结果表明使用混合机制砂的混凝土初始坍落度与60min坍落度均能满足混凝土性能要求，即砂岩机制砂与石灰岩机制砂对半掺配使用可行。

3.2 砂岩集料对混凝土抗冻性的影响

3.2.1试验设计

由于砂岩混凝土的高吸水性，其抗冻性能是否能够达到混凝土使用要求尤为重要[15]。为验证砂岩混凝土的抗冻性能，以下以C30混凝土进行调整抗冻性试验。

1)混凝土抗冻试验1条件(见表5) 第1组混凝土成型坍落度205mm，第2组混凝土成型坍落度195mm。3组砂岩石子浸水24h，风干至表干状态试验，混凝土成型坍落度200mm。

表5 混凝土抗冻试验1

2)混凝土抗冻试验2条件(见表6) 第1组混凝土成型坍落度210mm，第2组混凝土成型坍落度185mm，第3组砂岩石子浸水24h，风干至表干状态试验，混凝土成型坍落度180mm。

表6 混凝土抗冻试验2

3)混凝土抗冻试验3条件(见表7) 第1组混凝土加入引气剂，成型坍落度190mm；第2组混凝土加入引气剂，成型坍落度175mm；第3组砂岩石子浸水24h，风干至表干状态试验，混凝土加入引气剂，成型坍落度180mm。

表7 混凝土抗冻试验3

4)混凝土抗冻试验4条件(见表8) 第1组混凝土加入引气剂，成型坍落度185mm，标准养护28d，干养32d；第2组混凝土加入引气剂，成型坍落度180mm，标准养护28d，干养32d；第3组砂岩石子浸水24h，风干至表干状态试验。混凝土加入引气剂，成型坍落度185mm，标样28d，干养32d。

表8 混凝土抗冻试验4

3.2.2试验结果分析

1)从试验1中第2组和第3组试验对比来看，相同抗冻次数条件下，在砂岩石子浸水24h风干至表干状态，试验结果显示第2组的质量损失率为5.3%，第3组的质量损失率为5.7%，表明增加了砂岩的吸水性会增加砂岩作为粗集料的混凝土的质量损失率，试验2、试验3和试验4的第2组和第3组试验结果均表现出这个现象。

2)从试验1的第2组和第3组结果对比来看，在相同的抗冻次数的试验条件下，使用石灰岩作为粗集料时，混凝土的质量损失率为5.1%，使用砂岩作为粗集料时，混凝土的质量损失率为5.3%，说明砂岩和石灰岩作为粗集料时混凝土的质量损失率相差不大。试验2、试验3和试验4的第2组和第3组试验结果均表现出这个现象。

3)从试验3和试验2结果来看，在试验3增加了引气剂并增加了粉煤灰掺量的条件下，增加混凝土的抗冻次数，试验结果表明加入引气剂和增加粉煤灰的掺量的混凝土质量损失率会有所降低，说明引气剂和粉煤灰的加入影响到混凝土的抗冻性，在加入引气剂和增加粉煤灰掺量以后，混凝土的质量损失率降低，抗冻性较好。

4)从试验3和试验4的试验结果对比表明，在改变混凝土的养护条件的情况下，在标养28d，干养32d的养护条件下，混凝土的质量损失率明显降低。

综合从以上4个试验中，可以得到砂岩骨料混凝土在加入粉煤灰、引气剂以及控制混凝土坍落度185以内时，砂岩骨料混凝土在山西省的应用满足混凝土抗冻性要求。

4 应用成效

分析砂岩自身物理力学性能、破碎类型、破碎工艺、振动筛选尺寸，在昔榆高速项目中成果研发出一套砂岩类弃渣集料制备技术，制备技术流程如图1所示。

图1 砂岩类制备技术流程

成分分析显示昔榆高速工程项目的弃渣砂岩成分以硅钙质为主，高硬度砂岩集料用于混凝土中易导致混凝土工作性变差，采用调整配合比、调整外加剂、复合配砂等方式调控砂岩混凝土的工作性能，如图2所示。

图2 硬质砂岩混凝土工作性能的调控技术

经过试验段铺筑工作，确定粒径10～20mm与20～30mm砂岩粗集料掺配5～10mm石灰岩粗集料、0～5mm石灰岩细集料混合料7d无侧限抗压强度满足设计及规范要求。同时，砂岩碎石在底基层中应用，应做到以下几点：①砂岩碎石检测结果满足规范要求；②砂岩碎石掺量需根据试配确定，满足强度要求，同时只允许掺配粒径≥9.5mm的粗集料；③严格把关施工质量，试验段铺筑完各项指标检测合格后方可推广应用。

通过分析砂岩类弃渣的特性，评价分析其稳定性，并将其分级破碎加工成不同品质的集料分别用于混凝土、路面基层等公路工程中，所生产的砂岩类弃渣集料满足路面基层、水泥混凝土、耐磨沥青混凝土用集料的技术要求，实现沿线弃渣在昔榆高速公路项目中的高效利用。

1)目前全线已建立碎石加工场13处并开始投入生产，研究已完成用于基层的砂岩成分分析研究、用于基层的砂岩集料特性等工作，总结形成《昔榆高速砂岩碎石生产与应用指南》。

2)根据砂岩的强度特性，利用自加工的集配碎石填筑施工便道及用于临建工程，加快施工便道的完成进度，推动主体工程顺利进行。

3)通过利用低强度等级混凝土砂岩加工的集料，节约防排水工程以及台背回填的施工成本，达到节约资源、保护环境、变废为宝、降低成本的目的。

在经济效益方面，研究成果成功在昔榆高速工程项目中推广应用，依托工程路段主线全长57.522km，支线长3.367km，所需混凝土约118.73万m3，混凝土中碎石用量约为800 kg/m3，天然石料价格按80元/t计，则以砂岩类弃渣取代天然石料将节约成本约7 598万元，极大地降低了施工成本。

在社会效益方面，昔阳至榆次高速公路沿线有大量的弃渣堆存，不仅占用土地资源，还会对当地生态环境造成破坏。将砂岩类弃渣制备成工程集料应用于水泥混凝土的工程中，将预计可减少天然石料的开采近1 800万m3，同时相应地，能有效减少天然石料开采与加工过程中的能源消耗、污染气体排放等环境问题，具有良好的社会效益。

5 结语

大量废渣的堆存不仅占用土地，污染土壤、水、空气，腐蚀钢构，还造成有用成分浪费等问题。面对粉碎性黄土地区复杂的地质条件，本文结合实际环境分析，并经过一系列的试验得出如下结论。

1)昔榆高速沿线弃渣砂岩是一种沉积岩，主要由各种砂粒胶结而成的，结构稳定，成分复杂，主要含硅、钙、黏土和氧化铁。全线砂岩品质波动较大，且混有大量的泥岩、风化岩。昔榆高速工程沿线弃渣砂岩表面含有大小不一的晶体，表面粗糙增加了混凝土的黏结力，可以将其用于混凝土集料。

2)砂岩集料混凝土拌合物工作性满足施工要求。昔榆砂岩集料吸水率均满足国家标准要求，但是从砂岩集料混凝土拌合物性能试验中发现，混凝土的需水量远比砂岩集料吸水率检测值所反映的用水量高得多，且混凝土坍落度损失大。通过调整外加剂的适应性，外加剂复合优质保坍剂，砂岩集料水浸预处理，以及调整混凝土中砂浆量，有效解决了砂岩集料混凝土拌合物工作性问题。

3)砂岩集料混凝土抗冻性满足要求。砂岩集料混凝土高需水量不可避免地对砂岩集料混凝土抗冻性提出了挑战。通过增加粉煤灰的掺量以及引入引气剂的措施，粉煤灰形成的凝胶堵塞混凝土毛细孔，阻止外部水进入混凝土内部，提高抗冻性。使用引气剂，在混凝土中形成微孔，给混凝土中自由水结晶预留出膨胀应力释放空间。

总体来看，弃渣砂岩的成分、弃渣砂岩集料混凝土均能满足混凝土的性能使用要求，弃渣砂岩粉碎后的机制砂可用作该高速工程项目混凝土的集料，并能带来一定的社会、经济和生态效益。