隧道洞渣机制砂特性对混凝土坍落度的影响研究

黄 伟，于得水

（1.重庆交大建设工程质量检测中心有限公司，重庆市400074；2.重庆交通大学，重庆市400074）

0 引 言

公路隧道的修建可缩短行驶路程、提高运输效率，但开挖过程中产生的洞渣一方面需要土地资源堆放，若未经压实容易改变该区域的地貌，处于雨季易发的山洪使其形成堰塞湖危及下游环境，引发泥石流等次生灾害等[1]。因此，积极利用隧道洞渣作为公路建设的原材料具有积极意义。目前，隧道洞渣主要应用于路基、路面的建设中[2-4]，尤其是将洞渣加工为机制砂作为水泥混凝土的细集料使用，既解决天然砂的供需矛盾、运输成本，也达到建设绿色公路的目的[5]。

近年来，国内外对于机制砂能用于混凝土的研究做了大量工作。Jarvenpaa H[6]认为影响机制砂混凝土流动性的因素为细集料颗粒形状。Sharopouluo[7]利用DIP技术分析了河砂及机制砂的颗粒特性中的平均圆度及丰满比，从而解释了用两者拌制混凝土性能的差别。Li Beixing[8]的研究认为在低标号混凝土中石粉含量增加会提高抗氯离子渗透，以及耐硫酸盐侵蚀的能力增强，但少量石粉会导致抗冻性能降低；而对于高标号混凝土，石粉掺量在0～15%范围内对抗渗及抗冻性能影响较小。黎鹏平[9]以云桂铁路线为背景，认为采用干法制备的机制砂在筛分、破碎方式、除尘等环节更容易控制，并对混凝土的抗水压渗透、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀等性能研究，结果表明石粉掺量合理可以对耐久性的提升有促进作用。余川[10]的研究表明，配置C30混凝土时石粉含量控制在8%～12%范围，D0.15粒级含量控制在13%～20%范围内；建议配置C50混凝土时石粉含量控制在4%～8%范围，D0.15粒级含量控制在7%～15%范围内。艾长发[11]将机制砂颗粒分为＜1.18 mm为Ⅱ组分，≥1.18 mm为Ⅰ组分，对六个不同级配配制的混凝土进行和易性试验，结果表明，当I组分含量过多时，混凝土出现泌水的现象；而II组分含量过多时，混凝土在相同用水量下会变粘稠不利于浇筑。

综上，机制砂的特性对混凝土的性能具有一定的影响。对此，该项试验着重研究由池祁高速某隧道洞渣加工而成的机制砂在形貌特征、级配，以及石粉含量等方面对C50机制砂混凝土坍落度的影响，为机制砂在混凝土中的应用及隧道洞渣的处理提供思路。

1 试验材料与配比

1.1 试验材料

试验水泥采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，粗集料为池祁高速某隧道洞渣加工生产的5～10 mm、10～20 mm石灰岩，细集料为洞渣制备的石灰岩机制砂，减水剂为苏博特公司生产的减水剂。

1.2 机制砂特性

取不同制砂机生产的三个砂样并对其特性展开试验，其结果见表1～表3所列。

表1 不同砂样的颗粒形状特征参数表

表3 不同砂样亚甲蓝值一览表

1.3 C50机制砂混凝土配合比

采用正交试验设计法，结合既有工程经验，以水泥用量、水灰比、砂率、减水剂掺量作为主要因素，设置三个水平，测试拌和物初始坍落度值、坍落度经时损失值及混凝土硬化后各龄期的抗压强度值，经验证优选配比参数为水泥用量455 kg/m3，水灰比为0.30，砂率为40%，减水剂为1.0%。

2 结果与分析

2.1 石粉含量对坍落度的影响

在机制砂混凝土体系中，一定量的石粉有益于混凝土的工作性[12]，测试不同石粉含量机制砂混凝土拌和物的坍落度，试验结果见图1所示。

图1 不同石粉含量的坍落度值曲线图

由图1可知，混凝土的坍落度值随石粉含量的增加逐渐增大，当石粉含量超过5.4%时，坍落度明显呈下降趋势。其原因为：（1）石粉的比表面积接近于水泥，补充了浆体材料的数量给予拌和物一定的粘聚性使得混凝土拌和物的坍落度值不会降低；（2）由于机制砂及碎石表面较粗糙，并存在凹凸分布，石粉的加入正好填补了界面凹凸处，一定程度上降低混凝土拌和物的内阻力，改善了混凝土的工作性。上述均为石粉含量适宜的积极作用。若当石粉含量超限时，将耗费大量水分导致拌和物流动性过好而造成坍落度下降，同时石粉中钙质成分也会对减水剂进行吸附导致Zeta电位降低，使得颗粒间排斥作用降低，影响混凝土拌和物的工作性。

2.2 级配对坍落度的影响

采用3种级配的机制砂拌制混凝土，砂样级配见表2所列，测试其坍落度，试验结果见图2所示。

表2 不同砂样的级配筛分参数表

图2 不同级配的坍落度值柱状图

由图2可知，机制砂级配不同导致混凝土坍落度不同。JP1中1.18 mm筛孔以上的颗粒含量远大于JP2和JP3，较粗的颗粒易形成孔隙就需要水泥浆去填充使得起到润滑作用的水泥浆数量减少，相应地降低了混凝拌和物的流动性。而JP3中不同粒径的颗粒含量大致与JP2相当，但其0.075 mm以下颗粒含量却多余JP2，虽然粉料填充了粒径较大的颗粒形成的孔隙，然而导致了集料的比表面积增大，吸附一部分水导致混凝土的流动性降低，从而造成坍落度减小[13]。

2.3 砂粒形状特征参数对坍落度的影响

砂粒的棱角性、粗糙度等都会对混凝土的流动性产生影响，将3种不同制砂机生产的机制砂拌制混凝土进行坍落度试验，结果见图3所示。

图3 砂粒形状特征参数与坍落度的相关性曲线图

由图3可知，纵横比、丰满比、圆度值与坍落度的相关性较好，而棱角度稍弱。由砂粒形状特征参数的概念可知，纵横比、丰满比、圆度值的数值接近1时认为颗粒形状圆润，而棱角度大于1并且一直递增则说明颗粒凹凸面越多。由于砂粒的圆度值、丰满比较对辊式制砂机及双锤式制砂机大，且棱角度和纵横比小，生产的砂粒更加圆润，因此建议采用立轴式制砂机生产的机制砂用于混凝土中所测试的坍落度要更大，流动性更优[12]。

2.4 机制砂MB值对坍落度的影响

由于隧道洞渣的生产的机制砂经质量控制使得MB值在0.3～0.5范围内，为扩大研究范围选用洞渣场不同MB值的泥粉代替部分石粉拌制混凝土进行坍落度试验，结果见图4所示。

图4 不同MB值机制砂混凝土坍落度试验结果曲线图

由图4可知，随着MB值增大，机制砂混凝土的坍落度逐渐减小。其原因在于，MB值越大，说明石粉中的泥粉含量较多，而泥粉颗粒较细，比表面积更大，会吸收一部分水，导致混凝土实际用水量降低，造成机制砂混凝土坍落度减小[13]。

3 结论

（1）随着石粉含量的增加，机制砂混凝土的坍落度先增大，当含量超过5.4%后逐渐减小，为保证拌和物流动性，应适当控制石粉含量。

（2）根据机制砂级配对混凝土坍落度的影响表明，减少大于1.18 mm，以及小于0.075 mm的颗粒含量可以获得较大的坍落度。

（3）不同制砂机生产的机制砂圆润程度和棱角性有差异，机制砂颗粒特征参数与坍落度具有线性关系，相较而言，立轴式制砂机生产的机制砂可对混凝土具有良好的流动性。

（4）机制砂混凝土的坍落度随MB值的增大而减小，考虑泥粉对混凝土的其他危害，应在生产控制中限制MB值。