隧道洞渣加工机制砂在预制T梁中的应用研究*

张立人 王 岩 张仲权 张凌强 李北星

(1.中交二公局第四工程有限公司 洛阳 471000； 2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

三峡翻坝江北高速公路位于湖北省宜昌市夷陵区境内山岭重丘区，路线全长35.78 km，桥隧比例高，其中桥梁30座，总长约9 644 m，隧道10座，总长约11 665 m。隧道开挖产生大量洞渣需要处置，与此同时，项目的桥涵与隧道修建需要消耗大量砂石集料来配制混凝土，而项目周边河砂和优质碎石资源匮乏，环境保护要求又高。因此，将隧道洞渣加工成机制砂石用于公路工程混凝土施工中，对于保护环境、节约资源和提高经济效益具有重要意义。近年来，我国有少数高速公路、铁路工程中开展了利用隧道洞渣加工成机制砂石集料应用于混凝土工程的探索[1-4]。

近年来，国内外围绕机制砂混凝土的配制与性能及应用技术开展了大量相关研究，但这些研究多以石灰岩机制砂为对象[5-7]。花岗岩由于用于装饰石材价值更高，故很少加工成砂石集料配制混凝土，导致国内外对花岗岩机制砂混凝土的研究与应用较少[8-10]，应用主要是在C40及以下混凝土工程中。由于对花岗岩机制砂混凝土的长期收缩徐变性能、荷载疲劳性能和耐久性能认识还不足，导致目前还不敢用于C50及以上的预应力混凝土结构中，对于利用隧道花岗岩洞渣加工机制砂的品质及制备预制T梁的使用性能更是心存疑虑。针对上述问题，本文依托三峡翻坝江北高速公路项目，研究隧道花岗岩洞渣加工的机制砂特性，优化预制T梁用C50机制砂混凝土的配合比并对其强度、弹性模量，以及耐久性能进行了试验研究，通过静载试验测试了该花岗岩机制砂混凝土预制T梁的承载能力，以期为花岗岩洞渣机制砂在混凝土预制T梁工程中的应用提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1) 水泥。为葛洲坝当阳水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥和P·O 52.5水泥，其主要性能指标见表1。

表1 水泥的主要性能指标

2) 粉煤灰。为华能岳阳发电有限责任公司F类I级粉煤灰，主要性能指标见表2。

表2 粉煤灰的主要性能指标

3) 花岗岩机制砂。该机制砂与碎石采用砂石联产湿法工艺进行生产，隧道花岗岩洞渣经人工初选后，喂入振动给料机，通过颚式破碎机粗碎、圆锥式破碎机中碎、立轴式冲击破碎机细碎三段破碎工艺制成砂，再经轮式洗砂机除粉制得所需石粉含量的成品砂。试验所用机制砂的级配曲线见图1，其主要性能指标见表3。

图1 花岗岩机制砂级配曲线

表3 花岗岩机制砂性能指标

由表3和图1可以看出，该机制砂属于2区级配，各项指标均符合JTG/T F50-2011 《公路桥涵施工技术规范》I类砂规定。

4) 花岗岩碎石：5～20 mm连续级配，由4.75～9.5 mm与9.5～19 mm粒级按质量比20∶80搭配而成，主要性能指标见表4。

表4 花岗岩碎石性能指标

5) 外加剂：湖北天安聚羧酸高性能减水剂，含固量23%，减水率27%，含气量3.1%。

1.2 试验方法

混凝土工作性能测试依据GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；力学性能试验依据GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，抗压强度试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，弹性模量试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm。

混凝土抗渗性能、抗冻性能试验依据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。抗渗性能采用快速氯离子迁移系数法(RCM法)试验，试件直径×高度=100 mm×50 mm短圆柱体，养护龄期28，84 d。抗冻性试验按快冻法进行，试件为100 mm×100 mm×400 mm棱柱体，养护28 d龄期后开始冻融试验，每冻融循环50次测定1次试件的动弹模量，共冻融循环300次。

混凝土T梁静载试验依据JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》和JTG/T J21-01-2015《公路桥梁荷载试验规程》进行。

2 结果与分析

2.1 T梁C50机制砂混凝土配合比设计

根据JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》和JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》的相关规定，并结合相关工程经验，设计了12个C50机制砂混凝土配合比供T梁预制优选，主要考察水泥强度等级、胶凝材料用量、粉煤灰掺量、砂率等因素的影响。其混凝土配合比设计及工作性和强度试验结果见表5。

表5 T梁C50混凝土配合比设计及工作性和强度试验结果

续表5

由表5试验结果可知：

1) 1号～8号配比为采用42.5 P·O水泥掺入10%～15%粉煤灰配制的C50机制砂混凝土，9号～12号为采用52.5 P·O水泥掺入13%～18%粉煤灰配制的C50机制砂混凝土，上述12个配比混凝土的7 d抗压强度均大于设计强度值(50 MPa)，满足7 d张拉强度要求，28 d抗压强度均大于59.9 MPa，满足28 d试配强度要求。因此，42.5 P·O和52.5 P·O水泥都可以用于该C50 T梁混凝土的配制。

与52.5 P·O水泥相比，42.5 P·O水泥的水化热低、比表面积小，因此采用42.5 P·O水泥配制的C50混凝土早期水化热温升和收缩率低于52.5 P·O水泥的混凝土，且42.5 P·O水泥配制的混凝土材料成本更低，因此选定42.5 P·O水泥进行C50机制砂混凝土预制T梁的施工。

2) 在胶凝材料用量、水胶比和砂率等配合比参数相同情况下，掺有粉煤灰10%～15%的2号、3号和4号配比，其流动性优于纯水泥混凝土1号配比，7 d强度略高或相差不大，28 d强度高于纯水泥混凝土2.2～3.9 MPa；当粉煤灰掺量10%时，混凝土28 d强度最高，达到64.1 MPa。

3) 在粉煤灰掺量同为10%、水胶比同为0.31情况下，与胶凝材料用量483 kg/m3的2号配比相比，胶凝材料用量497 kg/m3的5号配比混凝土流动性有所增大，强度略有提高。考虑到实际施工中机制砂质量波动较大，推荐了胶凝材料用量497 kg/m3，其配制的混凝土工作性和强度富余更大。

4) 在固定水胶比和单位用水量下，砂率对混凝土强度的影响相对较小，而对混凝土工作性影响较大。当砂率由39%提高到41%，混凝土坍落度和扩展度均下降，这是因为砂率的增加导致集料总比表面积增加且由机制砂带入的石粉数量增大，引起混凝土拌合物黏滞性增大而降低混凝土的流动性。考虑混凝土的各项性能，本试验砂率选定40%。

通过上述机制砂T梁混凝土工作性能和强度试验，优选出7号配合比供C50混凝土预制T梁施工使用，即：42.5 P·O水泥∶粉煤灰∶机制砂∶碎石∶水∶减水剂=437∶60∶720∶1 080∶154∶6.71(质量比)。

2.2 T梁C50机制砂混凝土耐久性能

对优选的7号机制砂混凝土配合比进一步进行弹性模量和耐久性试验验证，结果见表6。

表6 C50机制砂混凝土优化配比的弹性模量、氯离子扩散系数和抗冻性测试结果

由表6可知，混凝土7，28 d弹性模量均大于规范要求的3.45×104MPa指标值；84 d氯离子扩散系数为1.89×10-12m2/s，小于2.5×10-12m2/s，抗氯离子渗透性达到GB 50164-2011《混凝土质量控制标准》中的RCM-IV级，抗氯离子渗透性好；经过300次冻融循环后，混凝土相对动弹性模量大于90%，表明利用该隧道花岗岩洞渣机制砂制备的C50混凝土抗冻等级远大于F300级，具有很高的抗冻性。

2.3 C50机制砂混凝土T梁静载试验

按上述优化的C50机制砂混凝土配合比，预制了一片25.5 m 预应力混凝土T梁(三峡翻坝江北高速公路乐天溪互通主线桥左幅10-3号 T梁)，养护达到28 d龄期后对该T梁进行静载试验。加载方式采用加载梁移动集中荷载实行分级加载，在跨中堆载1.0 m宽度的配重块方式进行荷载。梁体应变采用电阻式混凝土应变进行测定，挠度采用挠度计进行测定。

试验荷载按该桥中梁跨中设计弯矩值2 860 kN·m控制，T梁静载试验分6级加载、逐级卸载，荷载等级分别为573.8，978.8，1 464.8，2 038.5，2 443.5，2 929.5 kN·m 6级，现场实际加载试验弯矩为2 929.5 kN·m，荷载效率为1.02，满足JTG/T J21-2011对试验效率介于0.95～1.05的要求。以T梁跨中截面作为主要应变控制截面，沿高度方向布置5个应变测点；T梁的挠度布置测试截面5个，分别位于跨中截面、四分跨截面、支座截面。加载过程中检测应变值、挠度值，同步对试验梁裂缝的产生及发展进行观测，静载试验相关结果见表7～表10。

表7 各级荷载作用下T梁跨中截面应力检测结果

表8 最大试验荷载下T梁跨中截面应变校验系数和相对残余应变

表9 各级荷载作用下T梁跨中挠度检测结果

表10 最大试验荷载下T梁跨中截面扰度校验系数和相对残余挠度

由表7～表10检测结果分析如下。

1) 由表7和表8可见，受检T梁在试验荷载作用下各应变测点的实测弹性应变值均小于理论计算值；上缘和下缘应变测点最大校验系数分别为0.73、0.72，均小于1，表明T梁强度满足设计要求。

2) 由表9和表10可见，受检T 梁跨中截面在试验荷载作用下的最大实测挠度值、弹性挠度值均小于相应的理论计算值；挠度校验系数为0.78，小于1，表明T梁的竖向刚度满足设计要求。

3) 由表8和表10可见，受检T梁完全卸载后，上缘和下缘的相对残余应变分别为11.1%、10.7%，相对残余挠度为14.11%，均小于20%的允许值，表明该梁处于弹性工作状态。

另外，受检T 梁在加载试验前、试验过程中及加载试验后均未发现裂缝。综上所述，该T梁的刚度、强度及抗裂性均满足设计要求，抗弯承载能力满足设计荷载公路-I级要求。

3 结论

1) 利用隧道开挖的花岗岩洞渣可以生产出满足I类砂要求的机制砂，采用该机制砂配制出了工作性能、强度和弹性模量满足高速公路预制T梁要求的C50混凝土，且该混凝土的抗氯离子渗透性好，抗冻等级超过F300。

2) 采用花岗岩洞渣机制砂试制的C50机制砂混凝土预应力T梁的刚度、强度及抗裂性均满足设计要求，在所施加载荷作用下始终处于弹性工作范围，抗弯承载能力和抗变形性能良好。