机制砂在隧道喷砼中的应用研究

张伟 ZHANG Wei

（中铁十五局集团第三工程有限公司，成都 610000）

0 引言

环保问题一直是全球范围内的热点话题。随着人类对自然环境的过度开发和污染，环境问题越来越严重，对人类和地球的未来造成了威胁。其中，河流资源的开采和利用也成为了一个重要的环保问题。随着城市化进程的加快，建筑工程的需求也越来越大，河砂作为建筑材料的重要组成部分，一直受到市场的青睐。然而，河砂开采和使用的过程中，不仅会对河流生态环境造成严重破坏，而且会对周边居民的生活和健康造成影响。因此，寻找替代品成为了解决这一问题的关键。机制砂的生产和使用可以避免对河流的破坏，同时可以减少对自然环境的污染。因此，采用机制砂代替河砂成为了一种环保的建筑材料选择。

1 工程概况

在中国云贵川西南山区，由于地理位置的限制，该地区缺乏河砂资源。然而，在该地区公路、铁路工程建设时，隧道往往在线路中占有很高的比例，隧道喷射砼需用砂的数量很大。因种种不利因素，很少将机制砂应用于隧道喷射混凝土中，机制砂通常用作于结构物低强度砼及砂浆中，故隧道喷射砼施工时还是需要大量使用河砂。本项目依托于贵州省剑河至黎平高速公路TJ-8 标段的隧道施工，对机制砂拌制喷射混凝土存在级配不良、高回弹量、低强度和性能指标波动幅度过大等问题进行研究，以便设计出符合规范、施工要求的机制砂喷射砼配合比。

2 母材选用、机制砂生产工艺选择及优化

2.1 母材选用

合格机制砂首先得选用优质的岩石母材，才能确保生产的机制砂在物理及化学性能上符合规范要求。对负责供应本项目机制砂的两家砂石料供应商（黎平县高屯镇宏兴砂石有限公司、黎平宏图砂石建材贸易有限公司）所用母岩进行了对比。

①黎平县高屯镇宏兴砂石有限公司的母岩具有较大的吸水率，拌制砼的坍落度损失过大，不利于施工，且该母岩为层理岩，易脱层风化。

②黎平宏图砂石建材贸易有限公司的母岩为石灰岩。这种集料属于非活性，具有良好的物理和化学性能。因此在砂浆和低标号混凝土中广泛应用，此外，其施工配合比的设计技术也相对成熟。

综上，选择黎平宏图砂石建材贸易有限公司作为喷射砼机制砂的供应商。

2.2 破碎机选用及生产工艺优化

由于原产机制砂级配不良，颗粒形状中的针片状含量过大，故对黎平宏图砂石建材贸易有限公司现场机制砂生产破碎、筛分进行工艺优化和调整。

颚破式破碎机适合一级破碎，因为它有较大的破碎比和均匀的产品粒度，同时结构简单。反击式破碎机是通过冲击作用使岩石沿着其脆弱层裂开破碎，该工艺生产的碎石呈立方体的比率最高，且针片状颗粒含量的百分比不超过10%，砂粒的形态较优。相比之下，颚式、圆锥和辊式破碎机的破碎比很难超过20%，并且它们产生的针片状颗粒的百分比含量往往高于15%[1]。故要求生产现场的一级破碎采用鄂破式破碎机，二次破碎则采用反击式破碎机实施。

岩石破碎之后，对机制砂的质量有着重要影响的是破碎料筛分工序，其决定了机制砂级配、颗粒形态和压碎值。圆孔筛与方孔筛的试验比较表明，采用圆孔进行集料筛分较方孔筛分可使状片颗粒含量降低10%左右，且圆孔筛对于椭圆形颗粒的筛选更为有利，故要求制砂现场采用圆孔筛，以便更好地控制机制砂颗粒形状及级配。

3 机制砂的性能特点及机制砂喷射混凝土配合比的设计

采用生产的机制砂进行常规喷射混凝土的试配，各材料用量如表1 所示，其拌和物力学性能和工作性能如表2所示。

表1 常规配合比各材料用量

表2 常规配合比的砼性能检测结果

试配过程表明，砼易性差，泵送效果不佳，需要大量用水，用水过大对砼强度及砼的速凝效果造成影响，回弹量过高，增加了施工成本，同时，也使得喷射砼初支的承载能力和外观质量降低。进行了常规配合比的现场试喷，结果表明砼附着性较差，呈现松散状，并导致高达23%的回弹量。表明常规配合比的设计不合理，需进行调整。

4 配合比的调整

根据试喷砼产生的问题，为了了解机制砂各性能指标对喷砼特性的影响程度及规律，拟通过分别改变配合比的某一设计参数，以检验喷砼强度、回弹量及工作性能的变化情况。根据变形情况找出规律，进行喷砼配合的调整及优化，以期设计出满足施工要求的配合比。

4.1 砂率对混凝土性能的影响研究

分析认为，砂率对喷射砼的工作性能具有重要的影响。因为机制砂的细度模数超过了3.0，且级配较差，如果配合比的砂率与天然砂近似时，机制砂对拌和物粗集料间的间隙的填筑效果和产生的润滑作用较天然砂要低得多[2]，故需要增加机制砂的用量，以改善砼的黏聚性和减少回弹量。在改变配合比的砂率情况下，回弹量、强度与砂率关系曲线见图1。

图1 回弹量、强度与砂率关系曲线

从试验看来，随着砂率的提高，砼拌和物在黏聚性、保水性方面得到明显的改善，甚至强度也稍有提高。现场喷射试验表明，随着砂率的提高，起初回弹量整体呈下降的趋势，且喷射砼面平整度也得到改善，但砂率超过0.65 时，砼性能指标呈现下降趋势。由图1 中可看出，砂率在0.60～0.65 之间较为适宜。

4.2 水泥用量对喷射砼性能的影响研究

为了研究水泥用量对喷射砼性能的影响，在改变配合比水泥用量情况下，回弹量、强度与水泥用量关系曲线见图2。

图2 回弹量、强度与水泥用量关系曲线

从试验看来，随着水泥用量的提高，砼拌和物在黏聚性、保水性方面得到明显的改善。现场喷射试验表明，随着水泥用量的提高，回弹量整体呈下降的趋势，且喷射砼面平整度也逐渐得到改善。由图2 可知，当水泥用量为530kg/m3时，可得较好的效果。

4.3 水胶比对混凝土性能的影响研究

在改变配合比水胶比情况下，砼强度、回弹量间与水胶比的关系曲线见图3。

图3 回弹量、试件强度与水胶比关系曲线

试验表明：水胶比对喷射砼的回弹量有着显著的影响。通常情况下，水胶比越低砼的流动性越差，粘聚性越强，回弹量也就越高。然而，如果水胶比过高，砼的强度和密实性将会受到影响，也会导致回弹量的升高。因此，需要选择适当的水胶比，以获得较低的回弹量和良好的砼性能。本项目适宜的水灰为0.45～0.50。

4.4 根据上述研究结果优化施工配合比

综合分析上述试验的数据结果，进行配合比的调整和优化。得出如表3 所示配合比再进行试验。

表3 配合比各材料用量

按上述配合比拌制的砼黏聚性、保水性方面均较好，28d 强度为32.6MPa，但是回弹量还是较高，达到12%，不是很理想。且该配合比水泥用量较大，经济成本过高，故还需进行配合比的改善与优化。

5 机制砂喷射砼掺粉煤灰配合比性能试验

为了解决上述问题，采用掺入粉煤灰的试验研究方法[3]。在表3 所示配合比的基础上，采用分别掺入20%、30%、40%、50%粉煤灰对水泥进行等质量替换试验。

5.1 未掺粉煤灰喷砼配合比与掺入粉煤灰喷砼配合比的性能对比

①喷射砼用水量。当喷射砼中添加粉煤灰后，在确保坍落度一样的情况下，砼的用水量均明显减少，且随着粉煤灰掺入量的增大减少更多，证明粉煤灰的减水作用明显，有利于提高砼密实度和强度。

②喷射砼工作性能。相对于没有添加粉煤灰的喷射砼，添加了粉煤灰的喷射砼在黏聚性、保水性方面均得到了明显的提高和改善。且随着粉煤灰掺量的增加而得到更进一步的改善。

③喷射砼的强度。相对于没有添加粉煤灰的喷射砼，添加了粉煤灰的喷射砼在7d 龄期前的强度要偏低，且随着粉煤灰掺量的增加而逐渐降低。但在7d 龄期以后，添加了粉煤灰的喷射砼强度得到迅速提高，28d 龄期强度超过未添加粉煤灰的喷射砼，且强度超过值随着粉煤灰掺量的增加而增大。

5.2 现场施工对比

在现场进行了砼喷射的对比试验，主要是对所拌制的喷射砼的可泵性、回弹量、凝结（硬化）时间、推算强度（采用现场回弹法测定）、喷砼的外观质量等进行对比。

回弹量、强度与粉煤灰掺量关系曲线如图4 所示。

图4 回弹量、强度与粉煤灰掺量关系曲线

未掺粉煤灰的喷射砼外观粗糙，回弹量高，可泵性较差。掺入粉煤灰的喷射砼外观平整，且随着粉煤灰掺量的增加，外观改善效果更加明显。因为，粉煤灰的添加能够有效减少拌合用水量，使喷射砼和易性得到很好的改善，减少了喷射的回弹量，同时，也对喷射砼的外观效果起到了很好的改善作用。由于粉煤灰需要二次水化反应，故早期强度较低[4]，且随着粉煤灰量增加而减少，但7d 龄期以后喷射砼得到快速提搞，28d 龄期强度均超过未掺粉煤灰喷射砼。（表4、表5）

表4 最终施工配合比各材料用量

表5 最终施工配合比的砼性能检测结果

按最终选定的掺入比例粉煤灰的配合比进行现场实喷检验。喷射砼具有良好的黏聚性、保水性，回弹量为7%，喷面平整，呈一定光泽状，经推断，28d 龄期砼强度为33.9MPa，表明所设计的机制砂制备隧道喷砼配合比达到规范及设计要求。

6 结束语

机制砂作为一种新型的环保型建筑材料，具有许多优点和应用范围，可以有效地解决河砂开采和利用的问题，减少对自然环境的污染，同时也可以节约能源和减少废气排放。但是，机制砂在隧道喷射砼中的推广和应用还需要一定的时间和努力，需要加强技术研究等方面的工作，才能够让人工砂真正成为一种环保型的新型建筑材料。