高原隧道洞渣加工骨料压碎值的差异性对混凝土性能的影响研究

高原隧道洞渣加工骨料压碎值的差异性对混凝土性能的影响研究

杨晚军,吴媛媛

中铁五局贵州铁建工程质量检测咨询有限公司 贵州省贵阳市        550000

摘要：本文基于西藏林芝地区隧道片麻岩洞渣绿色资源化利用，测试了片麻岩洞渣及骨料性能，混凝土拌和物性能、力学性能和耐久性能。研究表明，以该地区片麻岩生产的粗细骨料为非碱活性集料，除压碎值外，相关物理化学指标可满足C40及以下铁路混凝土要求；粗细骨料的压碎值受母岩矿物组成、晶粒粒度和抗压强度所影响；C30-B与C30-A混凝土相比，使用较高压碎值的骨料拌制对工作性能影响较小，对混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等力学性能影响较为明显，对混凝土劈裂抗拉强度影响较小，抗渗性能可达P14以上，电通量均小于1000C，混凝土密实性良好；较高压碎值的粗细骨料拌制混凝土，具备较好的施工工作性能、力学性能和耐久性能，满足相关铁路混凝土配合比设计需求，可提高隧道工程洞渣资源化利用率，有效降低施工成本。

关键词：高原；隧道洞渣；骨料压碎值；混凝土性能

1 引言

在隧道工程建设过程中，其混凝土工程需要大量的粗细骨料，在隧道洞渣利用方面，Olbrecht等[[1]]对隧道洞渣应用于混凝土骨料进行研究，表明部分较好的隧道洞渣可应用于泵送混凝土；范光美等[[2]]探讨了将山地丘陵隧道洞渣应用于建筑材料，可实现减少弃渣场容量并带来额外收益；陈书平等[[3]]基于马安高速公路项目，对隧道洞渣生产机制砂进行研究，表明隧道洞渣生产机制砂工艺可行。

2 原材料、混凝土配合比及试验方法

2.1 混凝土原材料

试验混凝土原材料品种规格。试验选择西藏林芝地区片麻岩为母岩生产砂石料，以粗骨料压碎值12%、细骨料压碎值21%~25%作为试验组C30-A，粗骨料压碎值13%~16%、细骨料压碎值26%~30%作为试验组C30-B。试验组C30-A、C40-B选择粗骨料中5~10mm、10~20mm、16~31.5mm粒级的比例应按照碎石空隙率最小值进行确定为2:5:3；细骨料细度模数为2.5~2.8；减水剂减水率≥25%，含气量≤3.0%；引气剂减水率≥6%，含气量≥3.0%。

2.2 混凝土配合比设计

试验设计混凝土强度等级为C30，试验组C30-A、C30-B采用相同混凝土配合比。为使混凝土强度保证率不低于95%，配制强度按下式计算，即得试验混凝土配合比，其中水胶比为0.40。

3混凝土的拌制、拌合物性能测试及试件成型

试验采用HJS100型双卧轴混凝土试验搅拌机拌制混凝土。每批混土的拌制按60L称量各原材料，然后将砂、碎石、水泥、粉煤灰依次加入搅拌机中，开机干拌20s，再加入水和减水剂、引气剂，继续搅拌至120s。按标准GB/T 50080-2016测试每批混凝土拌和物出机时坍落度、扩展度、含气量、容重，并观察混凝土拌和物和易性。混凝土拌和物性能中，坍落度按180mm±10mm、含气量按4.0%~6.0%进行控制。

按GB/T 50081-2019制作尺寸为150mm的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试件、150×150×300mm的棱柱体轴心抗压强度和弹性模量试件、φ175×φ185×150mm的圆台体抗渗试件，采用150mm立方体试件加工为φ100×50mm的圆柱体电通量试件。

2.4力学性能测定

各组混凝土试件养护至龄期后，按GB/T 50081-2019分别测试7、28、56、90d龄期的立方体抗压强度，28、56d龄期的劈裂抗拉强度、轴心抗压强度和弹性模量。

3 试验结果与分析

3.1 混凝土骨料性能

C30-A用骨料母岩岩相图，结合骨料母岩矿物组成可以看出，该片麻岩结构构造为花岗结构，块状构造；主要由石英、长石构成，含少量黑云母、角闪石等。长石以碱性长石为主，含少量斜长石，粒度变化较大，0.1-1mm不等。石英呈他形粒状，粒度0.1-0.8mm。石英、长石不均匀混杂分部，构成岩石主体。黑云母呈条片状，粒度（长轴）0.2-1mm，略定向分布于岩石之中。角闪石呈半自形-他形粒柱状，粒度0.3-1mm不等，零星分布于长英质之间。由此可见，岩石矿物晶粒粒度均小于1mm，为细晶粒块状构造。[[4]]

C30-B用骨料母岩结合骨料母岩矿物组成可见，该片麻岩结构与构造为花岗结构，块状构造；主要由长石、石英、黑云母构成。长石以碱性长石为主，呈半自形-他形粒状，粒度0.5-4mm不等，石英呈他形粒状，粒度0.1-1mm，不均匀分布于长石颗粒之间。石黑云母呈条片状，粒度（长轴）0.2-1mm，不均匀分布于长石颗粒之间。由此可见，岩石矿物晶粒粒度0.1-4mm不等，且长石含量占比80%，为中晶粒块状构造。[1]

3.2 骨料母岩碱活性分析

C30-A、C30-B用骨料母岩含有一定量的石英，为碱-硅酸盐活性矿物，而母岩含有的长石、黑云母、角闪石等为非碱活性矿物；快速砂浆棒法测试骨料母岩硅酸盐集料碱活性膨胀率均为0.07%，均为非碱活性骨料。

3.3骨料母岩力学性能分析

C30-A用片麻岩饱和抗压强度为81MPa，C30-B用片麻岩饱和抗压强度为72MPa，两者相比，前者母岩饱和抗压强度高于 15%。两种片麻岩软化系数相同，均为0.86。由此可见，C30-A、C30-B以片麻岩骨料母岩，均为不易软化的极硬岩。

3.1骨料基本物理化学性能

除细骨料压碎值、坚固性两项指标外，试验使用细骨料物理指标和化学指标结果相近；而C30-A使用细骨料压碎值、坚固性较C30-B分别高出6%、2%。除粗骨料压碎值、坚固性两项指标外，试验使用粗骨料物理指标和化学指标结果相近；而C30-A使用粗骨料压碎值、坚固性较C30-B分别高出5%、1%。

3.2混凝土拌和物性能

C30-A、C30-B混凝土拌和物可按设计情况拌制，实测容重与设计容重相差不超过2%，混凝土配合比设计合理。此外，两个试验组混凝土和易性良好，能满足隧道混凝土混凝土施工工作性能要求。但相近坍落度控制下，C30-A、C30-B混凝土拌和物扩展度不足500mm，流动性欠佳，在泵送过程可能将会增大泵阻。

3.3混凝土力学性能

3.3.1不同压碎值对混凝土抗压强度的影响

C30-A与C30-B相比，在7、28、56、90d龄期时，前者强度分别是后者的1.16、1.25、1.15、1.13倍。说明较低骨料压碎值拌制混凝土的抗压能力高于较高骨料压碎值拌制的混凝土。在水泥、粉煤灰、外加剂品种规格和使用数量相同，骨料使用数量相同，混凝土水胶比相同情况下，混凝土强度主要受混凝土结构中水泥浆与砂形成的水泥砂浆强度、水泥浆与粗骨料表面的粘结力和粗骨料自身强度等三个因素共同影响。研究表明，试验混凝土中较低骨料压碎值会使这三个因素或部分因素改善，从而表现为具有更高的抗压强度。

3.3.2混凝土抗渗性能和电通量情况

C30-A、C30-B抗渗等级大于P12，电通量小于1200C，说明混凝土密实性性能良好，具备抵抗环境中的水、气和溶解于水中的Cl-等离子良好性能，Cl-离子在混凝土中的渗透能力很低。相比之下，C30-A较C30-B有更高的抗Cl-离子渗透能力，说明较低压碎值骨料拌制混凝土的密实性和抵抗离子渗透性能更好。

4 结论与展望

（1）以西藏林芝地区片麻岩为母岩，生产的混凝土用粗细骨料为非碱活性集料，除压碎值外，相关物理化学指标能满足C40及以下强度等级铁路混凝土要求。粗细骨料的压碎值受母岩矿物组成、晶粒粒度和抗压强度所影响。

（2）C30-B与C30-A混凝土相比，使用较高压碎值的骨料拌制对工作性能影响较小，对混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等力学性能影响较为明显，对混凝土劈裂抗拉强度影响较小，抗渗性能可达P14以上，电通量均小于1000C，混凝土密实性良好。 

（3）较低压碎值的粗细骨料拌制混凝土，具备较好的施工工作性能、力学性能和耐久性能，满足相关铁路混凝土配合比设计需求，可提高隧道工程洞渣资源化利用率，有效降低施工成本。

参考文献：

[[1]] Hp Olbrecht,W.Studer.Use of TBM chips as concrete aggregate.Materials and Structures/Mat-riaux et Conslmctions,Vol.31,April 1990,PP 184-187.

[[2]] 范光美，李世峰等.浙江山地丘陵区公路工程隧道洞渣处理探讨[J].中国水土保持科学,2007,10,5(5):94-97.

[[3]] 陈书平等,隧道洞渣加工机制砂在高速公路建设中的应用[J].公路,2017,62(04):249-252.

[[4]] Hp Olbrecht,W.Studer.Use of TBM chips as concrete aggregate.Materials and Structures/Mat-riaux et Conslmctions,Vol.31,April 1990,PP 184-187.

[2] 舒良树等.普通地质学[M].第三版.北京:地质出版社,2012.9:32.