周長泉 張 偉 周明凱 詹春波

（1.湖北宜巴高速公路建設指揮部 宜昌 443000；2.武漢理工大學硅酸鹽工程國家重點實驗室 武漢 430070；3.湖北省路橋集團有限公司 武漢 430056）

近些年來，由于天然河沙資源的短缺，山區(qū)高速公路外運砂石料運距和成本顯著增加；另一方面山區(qū)隧道工程的施工產生大量棄渣，占用大量土地資源，因此隧道洞渣的利用受到廣泛關注。我國地域廣闊，隧道開采巖石種類繁多、成分多變、品質差異較大。砂巖洞渣是一種常見的隧道棄渣，在我國四川、湖南、廣東、江西等地均有一定分布。砂巖屬于沉積巖，是巖石經風化剝蝕下沉積于石床，在地殼運動中受到擠壓膠結等物理化學作用形成，通常為碎屑或者層狀結構，具有密度較小，單軸抗壓強度相對較小，孔隙率和吸水率較大，易風化等性質。目前對于砂巖應用最多的是用于路基填筑，研究重點是母巖強度較低的紅砂巖以及分化砂巖［1－3］；砂巖用于瀝青路面材料也有相關報道，研究主要集中在硬質砂巖［4－5］；由于砂巖吸水率和抗壓強度等原因，砂巖作為集料用于混凝土的研究鮮有提及。

砂巖可分為鈣質、硅質、鐵質、粘土質砂巖，雖然砂巖總體強度較低，孔隙率大，吸水率大，但其中優(yōu)質的硅質、鈣質砂巖母巖強度高，結構致密，具有用于混凝土的前景。若采取合理的分選措施和加工工藝，將砂巖洞渣進行分類處理，品質合格的砂巖破碎成機制砂與碎石用于混凝土，不僅解決了遠地調運的成本，也緩解了洞渣堆放造成的土地負擔，將產生巨大經濟效益。宜巴高速公路路段洞渣除渣量大，掘出的砂巖品質高，將該砂巖作為集料配制混凝土應用，有著重要的工程意義。

1 砂巖洞渣特性

宜巴太陽嶺隧道砂巖母巖單側飽和抗壓強度均超過60MPa，平均強度更是達到了70MPa（見表1），為硬質砂巖。經XRD及XRF分析（見表2，圖1），其主要礦物組成為石英和鈉長石，為長石類砂巖；有害成分如SO3含量僅為0.032%，尚未檢測出Cl，可滿足建筑用砂、石中對SO3和Cl有害成分的限制要求。但經巖相分析（見表3，圖2），砂巖中含有少量（約1%）的堿活性成分——燧石。為此進一步采用砂漿長度法來評判砂巖碎石是否為堿活性集料（見表4），檢測結果表明，砂漿棒14d膨脹率小于0.1%，該砂巖不具堿－硅酸反應活性。

表1 分選后可供加工的洞渣巖石單側飽和抗壓強度 MPa

表2 洞渣（砂巖）的XRF分析結果

圖1 洞渣（砂巖）XRD分析結果

表3 砂巖碎石的巖相分析

圖2 砂巖碎石巖相分析

表4 砂巖碎石快速堿－硅酸反應活性檢測結果

2 砂巖集料分析

考慮到本工程主要是低標號混凝土，可采用如下簡化砂、石聯(lián)產工藝制備砂巖集料，見圖3。

圖3 砂巖集料生產工藝

在此工藝中，通過加寬振動喂料機柵條寬度以除去泥土、碎屑和軟弱顆粒，并通過加強收塵器抽風能力，調控機制砂中石粉含量。對生產出的砂、石集料需進行試驗分析，探討其用于混凝土集料的可行性。

2.1 砂巖碎石主要性能測試

參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42－2005）中T0308－2005粗集料密度和吸水率試驗（容量瓶法）、T0314－2000粗集料堅固性試驗方法，對加工的碎石進行測試，結果見5。GB／T 14685－2011將卵石、碎石分為I、II、III類，將各類的吸水率、表觀密度和壓碎值要求列于表5中與砂巖碎石進行對比。

表5 砂巖碎石主要性能指標及相應標準指標要求

砂巖通常吸水率較高，但從宜巴太陽嶺料場加工生產的砂巖碎石吸水率較低，如表5所示可滿足I類碎石的吸水率要求，砂巖碎石其他各指標也較為理想，表觀密度和堅固性指標均能滿足建筑用碎石規(guī)范中I類碎石的要求，含泥量稍高但也能滿足II類碎石要求。

砂巖碎石由4.75～9.5，9.5～16及16～26.5 3檔料組成，當相應摻配比例（質量比）為：0.3∶0.45∶0.25時，摻配后級配符合規(guī)范要求，級配曲線見圖4。

綜合以上各數據來看，砂巖碎石各項指標符合或接近I類碎石的要求，用于配制C60以下混凝土是可行的。

圖4 摻配碎石級配曲線

2.2 砂巖機制砂主要性能測試

參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42－2005）T0350－2005和GBT14684－2011《建筑用砂》，對太陽嶺隧道砂巖生產干砂進行抽樣檢測顯示，機制砂石粉含量為13.5%，最大壓碎值為18%，各粒徑顆粒分布均勻，針片狀顆粒含量少，級配曲線見圖5。

圖5 機制砂篩分曲線

GBT14684－2011《建筑用砂》將機制砂分為I，II，III 3個技術等級，I類砂性能優(yōu)良，是配制混凝土的首選。而利用隧道砂巖洞渣生產的22標太陽嶺料場機制砂的壓碎值指標滿足了I類砂的要求；所產的砂巖機制砂為級配優(yōu)良的中砂，落在II區(qū)范圍內，滿足I類機制砂的要求；所產砂巖機制砂的石粉含量指標相對國家標準GBT14684－2011《建筑用砂》略有超標，但“適當”的高石粉含量能克服高強度等級水泥（P.O42.5）配制C30及以下低強度等級混凝土所帶來的粉料不足、粘聚性差、易離析泌水等問題［6－7］。

2.3 砂巖集料用于混凝土的可行性

綜合砂巖洞渣母巖強度、成分以及由此生產的機制砂、碎石各類指標的實驗結果表明，宜巴砂巖隧道洞渣通過分類處理以及合適破碎工藝所產的碎石重要指標符合建筑用碎石I、II類碎石技術要求，機制砂重要指標滿足建筑用砂I、II類技術要求，因此用作集料配制混凝土是可行的。

3 砂巖洞渣集料在宜巴高速公路中的應用

采用砂巖加工生產的碎石、機制砂作為粗細集料，配制了C15仰拱混凝土C20混凝土、C25二襯混凝土、C30普通及C30水下混凝土，膠凝材料采用華新堡壘牌P.O42.5水泥，具體參數見表6。各標號混凝土配合比、工作性及強度結果見表7。

表6 水泥各項性能參數

表7 砂巖集料配制混凝土配合比

通過上述試驗，水灰比與強度成較好的線性關系，不同水灰比的混凝土強度、工作性均能滿足C15～C30混凝土工程相關設計要求。

依據本項目設計圖紙，C30及C30以下的混凝土主要用于隧道工程（二襯）及橋梁下部構造（樁基、墩柱），經室內試配及優(yōu)化后，各相應部位混凝土的工作性、強度及二襯混凝土的抗?jié)B性均滿足相關設計要求，并提出如下目標配合比，見表8。

表8 砂巖集料配制的C25及C30混凝土配合比

宜巴高速22標在工程初期利用洞渣6萬m3，其中生產機制砂2.3萬m3，生產碎石3.4萬m3，既解決了廢棄洞渣堆場占地問題，又為工程建設提供了急需的砂石料。在保護環(huán)境、節(jié)能減排的同時，節(jié)省了工程成本，為宜巴高速公路建設工程起到了良好的示范作用。

4 結語

宜巴太陽嶺隧道砂巖母巖屬于硬質長石類砂巖，母巖單側飽和抗壓強度高，不含有害化學物質，堿活性低。采用簡化砂、石聯(lián)產工藝生產出砂巖碎石、機制砂可滿足混凝土集料要求，并成功將其用于C30、C25混凝土的配制，解決了廢棄洞渣堆場占地問題，在保護環(huán)境、節(jié)能減排的同時，節(jié)省了工程成本，為隧道洞渣提供了新的利用途徑。

［1］鄧覲宇.高速公路紅硬質砂巖的路用性能及施工工藝研究［J］.巖土工程技術，2003（5）：253－257.

［2］鄺衛(wèi)國，黎 晨.淺談紅砂巖填筑路基施工與質量控制［J］.科技創(chuàng)新導報，2008（29）：60.

［3］史剛雷.風化砂巖填筑路基工程特性研究［D］.西安：長安大學，2008.

［4］沈 鵑.砂巖在瀝青路面抗滑表層中的試驗研究［D］.成都：西南科技大學，2008.

［5］閆紅光.硬質砂巖在四川廣巴高速公路路面基層及底基層中的應用研究［D］.西安：長安大學，2008.

［6］鄧 濤.隧道洞渣制備機制砂及機制砂混凝土應用技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2012.

［7］王稷良，牛開民，劉 英，等.機制砂中石粉對混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀［J］.公路交通科技，2008，25（9）：302－307.