TBM洞挖料作为中强混凝土粗骨料的试验研究

赵卫国，史天聪，张保胜，王婧红，杨海燕*

(1.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056038；2.山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006)

采用TBM开挖隧道在工作效率、安全、环保及综合效益等方面都有着巨大优势[1-3]。多数工程中TBM洞挖料被当作废料进行处理，如果能将其利用起来，那将减少工程造价及对环境的影响[4-5]。国外研究人员对TBM洞挖料回收利用方面的研究开始的较早，在实际工程上也有回收利用TBM洞挖料的实例[4-7]。在国外,工程人员将TBM洞挖料掺加天然骨料或者碎石作为混凝土使用，但对材料的级配、形状、力学性能、处理方法等缺少严格控制。这些方面都造成了混凝土在抗压强度方面存在较大的差异性。国内研究显示[8-9]，破碎加工可降低岩石中针片状颗粒含量。并对针片状骨料对混凝土性能的影响进行了相关研究[10-12]。本文通过对施工现场收集的TBM开挖材料进行处理，并采用其中坚硬的岩石作为混凝土骨料制作混凝土。采用不同骨料级配以及五种不同的水胶比制作混凝土，研究不同情况下TBM混凝土的抗压强度。

1 TBM洞挖料

1.1 TBM料源及筛分

TBM洞挖料来源于山西省吕梁市临县地区TBM第二标段工程的开挖废料。由于TBM在挖掘隧道的同时需要不断地喷水降温降尘，并且施工现场缺乏对TBM洞挖料的管理，以及下雨等天气原因，TBM材料含土量和含水量较高(图1(a))，要对TBM洞挖料进行翻晒处理(图1(b))。

图1 TBM洞挖料Fig.1 TBM hole excavated material

为了将TBM洞挖料应用于制作混凝土，需要将TBM洞挖料进行筛分处理。使用筛具筛径为：5、10、20、40、60、80、100、120 mm，采用人工筛分方式进行筛分，并使用电子秤称量各粒径等级的重量。根据筛分的结果统计该次TBM洞挖料的各粒径的占比如表1所示。其中TBM粗骨料较多分布在5～80 mm区间内，其占比为77.3%。5～40 mm的TBM骨料占比为38.8%，40～60 mm占比为24.8%。

1.2 TBM颗粒形状

根据相关研究表明[13]，TBM开挖料的尺寸由刀具对岩石的穿透程度和刀具轨迹之间的距离所决定，而穿透程度取决于有效的TBM推力。TBM洞挖料趋于片状，某些粗骨料的比例可达到30∶15∶1，但大多数达不到这么高的比例。相对于粗骨料而言，细骨料的维度比例更加均匀[4]。根据图2可以看出，TBM洞挖料随粒径的增大趋向于片状结构，随粒径的减小趋向于立方体结构(普通颗粒形状)。

1.3 TBM最大粒径选择及级配

骨料粒径越大比表面积越小，这将减少包裹骨料所需的水泥浆。所以采用较大的粒径骨料制作混凝土可以节约水泥的用量。但是混凝土骨料粒径并不是越大越好，其一骨料粒径越大其内部存在缺陷的概率越大；其二在拌制混凝土过程中粒径越大的骨料下沉速度越快，骨料粒径越大其拌制混凝土内部骨料分布越容易不均匀。这些不利因素都可能降低大粒径骨料成品混凝土的抗压强度[14]。余红发等人[15]将片状骨料于普通颗粒形状的骨料进行了对比，发现在相同重量的条件下，片状骨料的表面积和截面积较大。而较大的表面积和截面积会造成坍落度损失的增加及坍落度的下降。

为了减少TBM洞挖料在制作混凝土上颗粒形状的不利影响以及增加混凝土强度，在级配方面采用连续级配。同时考虑表1中TBM各粒径骨料的占比结果，为了尽可能使用TBM洞挖料，本次试验采用最大骨料粒径为80 mm。采用试验的方法确定粗骨料级配，具体级配如表2所示。

表1 TBM洞挖料筛分结果Tab.1 The Screening results of material in TBM hole

图2 筛分处理的TBM洞挖料Fig.2 The sieve treated TBM hole material

表2 TBM粗骨料级配Tab.2 Gradation of TBM coarse aggregate

1.4 TBM洞挖料性能分析

为了分析TBM洞挖料对混凝土抗压强度的影响，需要分析TBM洞挖料的岩性，以及压碎试验。此次TBM洞挖料中的岩石属于片麻岩，不会引起碱-骨料反应，可以用于制作混凝土。其它测量信息如表3所示，TBM洞挖料粒径越大的骨料空隙率越大。这也从试验测量的角度反应了TBM洞挖料中岩石颗粒的特征。

表3 TBM粗骨料表观密度及空隙率Tab.3 Apparent density and void fraction of TBM coarse aggregate

粗骨料的抗压强度应大于等于其成品混凝土抗压强度的1.5倍，工程上通常采用压碎指标来衡量粗骨料的强度。根据相关规范要求[16]，本次压碎试验取TBM洞挖料粒径为9.5～13.2 mm的岩石进行压碎测试。每次取3 000 g岩石进行试验，共试验3次。试验结果显示TBM洞挖料的压碎指标为8.6%。本次TBM洞挖料中的岩石为片麻岩，其压碎指标符合混凝土为C35以及C40到C60抗压强度等级使用的骨料要求。

2 试验设计

2.1 试验材料

(1)水泥：P·O 42.5。在标准养护条件下进行养护，分别测试了该水泥3 d和28 d抗压强度和抗折强度。结果显示3 d标准养护条件下，抗折强度为4.3 MPa，抗压强度为22.2 MPa。28 d标准养护下，抗折强度为7.0 MPa，抗压强度为50.6 MPa。

(2)水：试验室自来水,pH值为7左右。

(3)粗骨料：经筛分处理的TBM洞挖料，具体级配如表2所示。

(4)细骨料：天然砂，其相关数据如表4所示。

2.2 配合比设计及制作

TBM出的岩石骨料趋于片状，在粒径及重量相同的条件下，TBM骨料的颗粒数量远大于普通骨料颗粒的数量。根据相关研究[14]证明，片状骨料的颗粒数项约为骨料颗粒数量的1.85倍左右。这就意味着在骨料最大粒径相同的条件下，TBM骨料会更均匀地分布在混凝土中，使混凝土抗压强度大小更加稳定。少量超过40 mm的TBM骨料并不会破坏混凝土强度大小的稳定性，其抗压强度依然具有代表性。

基于上述考虑，本次试验中采用150 mm×150 mm×150 mm混凝土标准立方体试件，并将水胶比作为试验变量。混凝土抗压强度代表值以三个混凝土试件为一组进行测量，具体内容参照相关规范[17]执行。采用试配方法确定水、水泥、砂、TBM骨料的用量，采用目测的方法保证混凝土的和易性，具体TBM骨料混凝土配合比如表5所示。

2.3 抗压强度试验

为了缩短试验周期，不同配合比的混凝土一次制作12块，并将TBM混凝土试块随机分为4组，每组包括3个混凝土试块。同一批次混凝土抗压试块的抗压强度代表值由4组混凝土抗压强度代表值的均值表示。制作的TBM混凝土试块养护方法和混凝土抗压强度测试方法均按照相关规范[18]来执行。

表4 细骨料：砂Tab.4 Fine aggregate:sand

表5 TBM混凝土配合比及抗压强度Tab.5 Combination ratio and compression strength of TBM concrete

3 试验结果及分析

3.1 TBM混凝土抗压强度

标准养护条件下28 d龄期的试验组1和组2的TBM混凝土抗压强度试验结果如表5所示，其混凝土抗压强度随水胶比的变化如图3所示。除试验组1中0.70水胶的TBM混凝土抗压强度出现突增外，试验组1和组2中TBM混凝土抗压强度随水胶比的增大而减小。

图3 TBM混凝土抗压强度Fig.3 Compression strength of TBM concrete

引起试验组1中0.70水胶的TBM混凝土抗压强度突增的原因，可能是制作混凝土时造成TBM骨料在混凝土产生的不同空间分布。根据相关研究[19]，片状骨料在混凝土中趋向于水平排列，这种分布特点会导致混凝土各向异性的力学性能，并且当机械压力垂直于混凝土中片状骨料时测得的混凝土抗压强度较高。

测试混凝土抗压强度时，通常采用成型混凝土的侧面作为上下受压面。也就是说在混凝土抗压测试中TBM片状骨料在混凝土中于受压面易成垂直状态和机械压力易成平行状态，见图4(a)。此时骨料抵抗压力的作用较差，压力易绕过骨料形成断裂面。在小概率下片状骨料于受压面成平行状态和机械压力成垂直状态，见图4(b)。评价TBM混凝土抗压强度时，采用较低的抗压强度值作为其混凝土抗压强度的代表值更为合理。

图4 TBM片状骨料在混凝土中的分布特点Fig.4 Distribution characteristics of TBM flake aggregate in concrete

3.2 水胶比对TBM混凝土抗压强度的影响

根据规范[17]，当普通混凝土强度小于C60时，混凝土水胶比可按公式(1)进行计算：

(1)

式中：W/B代表混凝土水胶比；αa、αb代表回归系数，碎石可取0.53、0.20，卵石可取0.49、0.13；fb代表胶凝材料28 d胶砂抗压强度(MPa)；fcu,0代表混凝土配置强度。

以试验组2的TBM混凝土为例，根据式(1)计算在相同混凝土配置强度条件下，采用TBM骨料和采用碎石骨料相应的水胶比，结果如表6所示。可以看出在相同水胶比条件下，TBM骨料降低了混凝土抗压强度。并且随着水胶比的增大，TBM骨料对混凝土抗压强度的降低幅度影响越来越大。这意味着配制相同强度的混凝土使用TBM骨料需要更小的水胶比，也就是需要更多的水泥。

表6 不同骨料对应的水胶比Tab.6 Water glue ratio corresponding to different aggregate

表7 拟合函数信息Tab.7 Information of fitting function

将TBM混凝土的水胶比作为自变量x，并将其对应的抗压强度作为因变量f(x)进行拟合具体函数关系为f(x)=A/x-B。将试验组1和组2的数据作为整体进行拟合并排除异常点，其拟合结果如图5所示，具体参数如表7所示。

图5 数据拟合结果Fig.5 Data fitting results

图5中显示了两种拟合函数，其一是根据式(1)进行的函数拟合，其二是采用Matlab软件进行其它形式函数拟合时保留的最优拟合的函数。可以看出TBM混凝土的抗压强度及其水胶比之间的函数关系更符合f(x)=Ax+B的函数形式。由此可知TBM混凝土的抗压强度及其水胶比之间成一次线性函数关系且为负相关。

3.3 级配对TBM混凝土抗压强度的影响

在相同水胶比条件下，尽管试验组1采用了更多的水泥，但是试验组2中TBM混凝土的抗压强度普遍大于试验组1中TBM混凝土的抗压强度。造成这一现象的原因很有可能是两组试验采用了不同的砂率造成的。根据相关研究[4]，Talbot公式可适用于不同骨料颗粒形状的最优级配，具体的Talbot级配公式如式(2)所示：

(2)

式中：P代表通过筛径d的累计分数；D代表级配的最大骨料粒径(必须于筛径d采用相同单位)；n代表骨料的形状系数。

根据相关研究[4]，对于完美的球形骨料，其形状系数宜取n=0.5。充分的试验显示，骨料的颗粒形状越不趋于球形，其骨料的形状系数n越小。工程上使用的普通碎石骨料，其骨料的形状系数n一般取0.45。对于TBM骨料的片状结构，其骨料的形状系数n应取小于0.45的数值。分别采用n=0.45、n=0.44、n=0.43、……、n=0.30，对比试验组1、组2的级配以及Talbot最优级配曲线。可以发现当n≤0.40时，试验组2更接近Talbot最优级配曲线，如图6所示。

4 结论

1)在相同水胶比下，TBM混凝土的抗压强度比普通碎石制作的普通混凝土的抗压强度低，并且随着水胶比的增大TBM混凝土的抗压强度下降幅度大于普通混凝土。也就是说使用TBM洞挖料制作混凝土时，需要减小水胶比(增加水泥用量)。

2)在0.55～0.75的水胶比范围内，对TBM混凝土抗压强度和水胶比进行函数拟合。其结果显示TBM混凝土抗压强度和水胶比成一次函数关系且为负相关。

3)良好的骨料级配可减少水泥用量，增加混凝土的抗压强度。当缺少骨料级配规范要求和相关经验时，可参考Talbot级配公式。依据试验组1和组2的TBM混凝土抗压强度进行分析，TBM岩石作为混凝土骨料时Talbot公式中的骨料系数n应小于等于0.4。

图6 骨料级配曲线Fig.6 The curve of aggregate gradation