基于闪长岩机制砂的隧道喷射混凝土配合比设计

Mix Proportion Design of Tunnel Shotcrete Based on Diorite Manufactured Sand

摘要

隧道施工会产生大量废弃洞渣，受多种因素制约，洞渣未能得到有效利用，如以隧道洞渣制备机制砂替代天然砂，可节约资源、降低成本和保护环境。该文以西（安）—十（堰）高铁项目为依托，测试了隧道沿线闪长岩物理力学性质，对比研究了机制砂和天然砂的物理特性及混凝土性能，并通过设计多组配合比试验，分析水胶比和砂率对喷射混凝土的性能影响。结果表明：闪长岩杂质少、稳定性好，且放射性指标较低，适用于制备机制砂；相比于天然砂，机制砂颗粒具有表面粗糙、细度模数高和需水量大等特点，同时，机制砂混凝土流动性稍差但强度更高；当水胶比为0.41~0.43、砂率为51%~52%时，机制砂喷射混凝土各项性能最佳，且设计的配合比在现场试喷中应用效果良好。将闪长岩机制砂用于喷射混凝土切实可行，能够满足隧道喷射混凝土的工程需求，未来可进一步推广其在混凝土材料中的应用。

Abstract

Tunnel construction produces a large amount of waste slag, which cannot be effectively utilized due to various factors. By using tunnel slag to prepare manufactured sand to replace natural sand, resources can be saved; costs can be reduced, and the environment can be protected. Based on the Xi’an‒Shiyan high-speed railway project, the physical and mechanical properties of diorite along the tunnel were tested; the physical properties and concrete performance of manufactured sand and natural sand were comparatively studied, and the effects of water-binder ratio and sand ratio on the performance of shotcrete were analyzed by designing multiple sets of mix proportion tests. The results indicate that diorite has few impurities, good stability, and a low radioactivity index, which is suitable for preparing manufactured sand; compared with natural sand, manufactured sand particles are characterized by rough surfaces, a high fineness modulus, and a high water demand, and meanwhile, the manufactured sand concrete has slightly poorer fluidity but higher strength; when the water-binder ratio is 0.41‒0.43, and the sand ratio is 51%‒52%, the overall performance of the manufactured sand shotcrete is optimal, and the designed mix proportion shows a good application effect in field trial spraying. It is practicable to apply diorite manufactured sand in shotcrete, which can meet the engineering requirements of tunnel shotcrete, and its application in concrete materials can be further promoted in the future.

Graphical abstract

关键词

机制砂 / 闪长岩 / 隧道喷射混凝土 / 配合比 / 工作性能 / 力学性能

Key words

manufactured sand / diorite / tunnel shotcrete / mix proportion / workability / mechanical property

0 引言

近年来高铁、客运专线快速发展，隧道作为高速铁路穿越山区的常见构筑物，不可避免地会产生大量洞渣。目前受施工工艺、组织管理等方面因素制约，洞渣往往得不到很好利用和合理调配，需要占用土地（甚至是耕地农田）作为弃渣场，不仅污染环境、破坏生态系统平衡，而且浪费较好石材资源，同时后期还需要投入人力物力解决环境问题。因此，以隧道弃渣为石料加工机制砂并代替资源短缺的天然砂，解决平原、丘陵、山地等区域间砂料供应不均衡的问题，并满足隧道施工对混凝土用砂的巨大需求，是一种较为经济的良好做法^［1-4］。

对于机制砂，目前已有不少相关标准，但由于地区差异，机制砂的矿源、设备和工艺不同，导致机制砂在外观、化学成分、粒形级配及石粉含量等方面不尽相同。机制砂品质对混凝土工作性能、力学性能以及耐久性均存在显著影响^［5-7］。冯玉钏等^［8］组合了不同的母岩和石粉含量，通过EDS能谱、XRD、SEM等微观分析，指出不同母岩的机制砂混凝土强度各不相同；芮捷等^［9］研究了多种不同级配下混凝土的性能，发现合理的机制砂级配，不仅能优化混凝土工作性能，还可提升其抗压强度；王稷良等^［10］认为母岩的矿物组成和云母等特性，对混凝土力学性能、耐久性、体积稳定性会造成影响。

在机制砂混凝土中，水胶比和砂率的调控至关重要。水胶比影响混凝土的工作性和强度，砂率则影响骨料的级配和堆积密度，进而影响混凝土的整体性能^［11-12］。Ma等^［13］通过研究发现，合理的砂率可减少混凝土内部空隙，从而显著提升其耐久性；而较低的砂率有助于改善混凝土的力学性能，通过适度调整水胶比，可以在保持良好工作性能的前提下进一步优化混凝土的耐久性；张广田等^［14］研究发现，混凝土强度为C30时，凝灰岩机制砂混凝土的最佳砂率为43%；混凝土强度为C35时，凝灰岩机制砂混凝土的最佳砂率为41%；张恒等^［15］通过研究指出，在选择机制砂喷射混凝土配合比时，可加大粉煤灰掺入量，降低单位用水量和水胶质量比，以此提高混凝土的工作性；唐富学^［16］采用隧道弃渣自制机制砂配备喷射混凝土，通过试验得到水灰比为0.45~0.50，喷射混凝土回弹率最低，当水灰比减少或增加时，回弹率均呈增加趋势。综上可知，机制砂在普通混凝土中已得到广泛应用，机制砂混凝土性能受母岩、粒形级配、石粉含量等因素影响和控制。但针对机制砂喷射混凝土的研究和实践仍然非常有限，尤其在隧道支护领域，缺乏相关配合比研究，亟须开展相关研究工作。

本文以西十高铁项目为依托，拟通过测试隧道沿线闪长岩物理力学性质，对比闪长岩机制砂和天然砂的物理特性及混凝土性能。设计多组机制砂喷射混凝土配合比，测试机制砂喷射混凝土的工作性能和力学性能，探究闪长岩机制砂用于喷射混凝土的可行性和最佳配合比区间，以期为机制砂喷射混凝土用于隧道施工提供参考和借鉴。

1 依托工程概况

西十高铁为连接陕西西安至湖北十堰的高速铁路，是《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》项目。西十高铁陕西段4标段位于商洛市，线路贯穿南秦岭山区，地形复杂，包含3座隧道（总长11 550.4 m），占正线75.3%。隧道范围内地层主要分布在第四系松散堆积层及古老变质岩与侵入岩区，洞渣主要类型包括混合花岗岩、辉长岩和闪长岩等，其中闪长岩硬度高且形貌优良，适宜用作机制砂母岩。洞渣中不宜直接用于制砂的地层主要为粉质黏土、碎石类土及角砾土等第四系堆积层，需在机制砂生产中进行剔除或洗选。

依托工程穿越秦岭山区，由于隧道长度较大，在开挖过程中会产生大量的废弃洞渣，故沿线设立了8座弃渣场和弃土场。据统计，单条隧道施工所产生的废弃洞渣总量约占施工中开挖总量的70%以上。这些洞渣的运输和处理面临较高的经济成本，如未能得到合理利用，不仅会占用大量土地（用于堆放），还可能对周边生态环境造成严重破坏。因此，将隧道洞渣进行资源化利用，将其制成机制砂用于隧道喷射混凝土具有重要的现实意义。

2 机制砂物理特性研究

2.1 机制砂母岩

机制砂的性能很大程度上取决于母岩的质量和性质，并对混凝土结构的长期稳定性至关重要。西十高铁隧道洞渣样品如图1所示。

本文采用的闪长岩主要矿物成分为斜长石和角闪石，斜长石约占40%，角闪石约占60%。斜长石呈半自形柱状，粒径1~3 mm，多数斜长石表面发生轻微绢云母化；角闪石多数发生次生蚀变由原来的柱状转变为针柱状或纤维状集合体，呈团块状集中分布，单偏光下呈浅黄绿色，正交偏光下干涉色二级橙黄。母岩具体试验结果见表1。

由表1可知：该材料块体干密度较高，为2 710 kg/m³，吸水率则低至0.36%，硫化物、氯化物含量低，云母、轻物质等杂质含量极少，有机物含量也在标准范围内。坚固性指标为2%，显示出良好的稳定性。饱和状态下单轴抗压强度为113 MPa，烘干状态下为117 MPa，强度较高且软化系数达0.97，耐水性好。同时，放射性指标内照射指数I_Ra=0.1、外照射指数I_r=0.2，处于较低水平，安全可靠。说明该材料在多个方面表现出优良的性能，适用于建筑工程等领域。

2.2 机制砂与天然砂性能对比试验

2.2.1 物理特性

机制砂和天然砂在颗粒形貌、粒径分布、矿物成分等方面存在明显差异，对混凝土的工作性能、力学性能和耐久性等都有影响。本节选取天然砂与西十高铁隧道洞渣机制砂进行对比研究，分析机制砂和天然砂的粒形级配、密度和化学成分等，结果见表2、图2和图3。

如表2、图2和图3所示，机制砂与天然砂都满足《建设用砂》（GB∕T 14684—2022）中相关规定，但二者在颗粒形态、颗粒级配、细度模数、表面特性及杂质含量等物理特性上存在一定差异。机制砂颗粒形态具有明显的棱角化和表面粗糙的特征，且具有较高的细度模数和吸水率，而天然砂颗粒形状更规则、表面光滑，级配自然、细度模数较低，吸水率较小。由于机制砂物理特性的可控性更强，尽管需水量较高，但其特性可通过工艺调整以满足不同混凝土配合比的要求。相比之下，天然砂级配均匀，杂质含量视产地而定，需适当处理以确保其在混凝土中的适用性。

2.2.2 混凝土性能

在相同配合比条件下，以闪长岩机制砂和天然砂分别配制C25喷射混凝土，测试其流动性和抗压强度，取3组试验结果平均值，结果如表3和表4所示。

由表3和表4可以看出：机制砂混凝土早期含气量和坍落度略高，凝结时间稍慢，流动性能略差于天然砂混凝土，但其强度较高。

两者的性能差异在工程施工应用中的影响较小，因此闪长岩机制砂可作为天然砂的有效替代材料，满足隧道喷射混凝土施工的工程需求。

3 机制砂喷射混凝土配合比设计

3.1 原材料

（1） 水泥：普通硅酸盐水泥，强度等级为P·O42.5，3 d抗折强度5.4 MPa，3 d抗压强度28.0 MPa，比表面积339 m²/kg，初凝时间176 min，终凝时间230 min。

（2） 机制砂：西十高铁隧道沿线洞渣，混合岩机制砂。

（3） 碎石：级配组成5~10 mm，最大粒径16.0 mm，表观密度2 820 kg/m³，紧密孔隙率38%。

（4） 其他材料：① 减水剂：BY聚羧酸高性能减水剂，减水率27%，含气量2.4%，掺量1%；② 速凝剂：BY-S无碱液体速凝剂，pH值为4.7，1 d抗压强度为11.7 MPa，初凝时间4.15 min，终凝时间8 min，掺量7%；③ 粉煤灰：F类Ⅱ级粉煤灰，细度20%，烧失量2.56%，需水比为1，游离CaO含量0.52%。

3.2 配合比设计

参照《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424—2018）、《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）、《铁路隧道湿喷混凝土施工技术规程》（Q/CR 9249—2020）、《铁路混凝土》（TB/T 3275—2018）、《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB 10005—2010），配置C25机制砂喷射混凝土用于隧道初期支护。根据规范要求，水胶比（W/B）取经验值0.41，砂率选用51%。基准配合比如表5所示。用水量保持不变，水胶比较基准配合比分别按0.02增加和减少，砂率分别按1%增加和减少，设计配合比见表6。

3.3 试验方法

依据《喷射混凝土应用技术规程》（JGJ∕T 372—2016），《铁路隧道湿喷混凝土施工技术规程》（Q/CR 9249—2020），《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016），测定喷射混凝土工作性能和力学性能。采用坍落筒测试评估机制砂混凝土拌和物的流动性和坍落度，通过压力法测定拌和物的内部气体含量。将拌制好的混凝土通过喷射设备喷射至450 mm×350 mm×120 mm试模，喷射时要注意喷射速度和喷射距离，通常喷嘴距离为0.8~1.5 m，确保混凝土能够均匀附着于模板内壁，达到设计厚度。喷射完成后，在喷射混凝土终凝前用抹刀刮平混凝土表面，采用贯入法进行1 d早期强度测试。湿润环境下养护1 d后脱模，将模板移入养护室，标准养护7 d后可用切割法加工成100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，在标准条件下养护28 d进行试验。

3.4 工作性能

水胶比与砂率在调控混凝土性能中具有关键作用。二者通过调整骨料级配、水泥浆含量和孔隙结构，影响浆体的流动性和水化反应进程，以及骨料与浆体间的界面黏结强度，从而显著影响混凝土拌和物的强度、和易性和施工性能。为了研究水胶比和砂率对混凝土拌和物性能的具体影响，本文根据表6，测试了7组配合比含气量、坍落度和凝结时间，结果见图4和表7。

由图4可知：① 7组配合比下拌和物的初始坍落度和初始含气量较高，经过1 h后均有降低，表明随着时间的推移，混凝土内部的气体含量在减少，并且流动性有所降低；② 随着水胶比和砂率的增加，初始坍落度、含气量和1 h坍落度、含气量均呈上升趋势，但在水胶比为0.41~0.43、砂率为51%~52%时，初始含气量和坍落度分别趋近于4.5%和175 mm，且变化较为平缓，此时拌和物工作性能最优。表明在此区间内的水胶比和砂率对混凝土性能的影响趋于最佳，混凝土的工作性能达到稳定状态。因此，配合比在此范围内可以有一定的容忍度，即在保持工作性能良好的前提下略微调整水胶比或砂率不会显著影响混凝土拌和物性能，从而有助于优化材料成本和施工灵活性。

由表7可知：当水胶比和砂率增大时，拌和物的初凝时间也随之增大，这是由于较高的水胶比会增加水泥浆中的水分，延缓水泥颗粒的接触，减慢水化反应速度，从而延长混凝土的凝结时间。同时，增加砂率改变了浆体组成，增大了固体颗粒间的距离，减缓了水化进程，也使初凝时间延长。然而，当水胶比和砂率达到一定值后，终凝时间趋于稳定，因为水泥颗粒表面积有限、其他成分制约以及砂子吸附能力饱和等因素，水化反应的速率不再显著变化。

综上所述，混凝土拌和物的含气量和坍落度随水胶比和砂率的增加而提升，同时，拌和物的凝结时间也受其影响。当水胶比为0.41~0.43、砂率为51%~52%时，拌和物状态稳定，利于施工，且性能达到最佳。

3.5 力学性能

不同配合比机制砂喷射混凝土的力学性能试验过程见图5，将大板试块标准养护至龄期后切割磨平成100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，进行抗压强度试验。7组配合比的喷射混凝土1 d和28 d抗压强度测试结果如图6所示。

由图6可知：随着水胶比和砂率增加，抗压强度有明显下降的趋势。除水胶比为0.41~0.43、砂率51%~52%区间外，水胶比每升高0.02，砂率每升高1%，抗压强度约降低17.24%。当水胶比大于0.45且砂率大于53%时，1 d抗压强度小于10 MPa，此时混凝土强度已不满足规范要求。当水胶比为0.41~0.43、砂率为51%~52%时，抗压强度表现较为稳定，1 d和28 d抗压强度均满足规范要求，且此时混凝土拌和物的工作性能也最佳。

4 机制砂喷射混凝土现场试喷

基于前文研究，当水胶比为0.41~0.43、砂率为51%~52%时，混凝土性能较优，因此采用基准配合比：水泥∶粉煤灰∶机制砂∶碎石∶减水剂∶速凝剂∶水=346∶86∶893∶858∶5.18∶30.22∶177，在现场利用湿喷法进行隧道初期支护试喷。

通过现场试喷，对隧道的边墙和拱顶进行力学性能和外观效果的综合评估。现场测试其施工回弹率，使用贯入阻力法检测8 h抗压强度，通过拉拔法检测黏结强度，并对衬砌的外观形貌等指标进行评价，结果见表8。

从表8可以看出：喷射混凝土在拱顶的回弹率较高，是因为拱顶的喷射角度和重力等因素影响了混凝土的附着效果。喷射完成后，衬砌8 h早期抗压强度达到12.7 MPa，黏结强度为1.1 MPa，均符合规范要求（回弹率侧壁小于15%，拱部小于25%；1 d抗压强度>10 MPa，黏结强度>0.8 MPa）。从外观来看，喷射混凝土表面整体平整、密实，整体较稳定，无掉块现象。说明本文设计的机制砂喷射混凝土，在实际工程应用中表现良好。

5 结论

本文以西十高铁项目为依托，对西十高铁沿线隧道闪长岩进行特性分析，对比了闪长岩机制砂与天然砂的性能差异，并通过试验设计了机制砂喷射混凝土配合比，最后经现场试喷验证配合比的合理性。得出以下结论：

（1） 闪长岩具有高密度、低吸水率、杂质少等特点，其制备的机制砂颗粒形状棱角多且粗糙，细度模数和需水性高，但可控性强。与天然砂相比，闪长岩机制砂混凝土工作性能稍差，但强度更高。

（2） 当水胶比为0.41~0.43、砂率为51%~52%时，机制砂混凝土含气量约为4.5%、坍落度约为175 mm，凝结时间保持稳定，1 d抗压强度超过10 MPa，且后期强度增长迅速。此区间内喷射混凝土性能优异，具有一定的调整空间。

（3） 设计的基准配合比在现场实际喷射中表现效果良好。拱顶回弹率为10.6%，边墙回弹率只有3.4%，8 h早期强度达到12.7 MPa，黏结强度为1.1 MPa，满足隧道湿喷混凝土的施工要求。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52178393)

西北旱区生态水利国家重点实验室（西安理工大学）开放基金资助项目(2022KFKT-8)