張瑞芳 王利英 王婧紅

（1.山西省水利建筑工程局有限公司 山西太原030006；2.河北工程大學水利水電學院 河北邯鄲056038）

1 概述

我國TBM 掘進法開挖隧洞已在道路、水利、市政等隧洞工程中得到廣泛應用。開挖隧洞產(chǎn)生大量洞挖料，因各種因素制約大多數(shù)作為廢料丟棄，不僅造成資源浪費，而且對環(huán)境造成污染。現(xiàn)如今建筑行業(yè)天然混凝土骨料的資源越來越匱乏，而大量的開采造成環(huán)境破壞，在保護生態(tài)環(huán)境就是保護生產(chǎn)力，改善生態(tài)環(huán)境就是發(fā)展生產(chǎn)力的理念下指導下，大家都在尋求骨料的新來源，現(xiàn)已成熟的有再生混凝土粗細骨料，它由建（構）筑廢物中的混凝土、砂漿、石、磚瓦等加工而成，通過檢驗滿足國家相關要求，配制成再生混凝土應用到建筑施工中；再有膠結顆粒料利用天然砂礫料、人工砂礫料和開挖石渣料與水泥及摻合料制成砂漿、混凝土等膠結材料用于水利工程，如山西大同守口堡水庫樞紐大壩、四川的順江堰、金雞溝用膠凝砂礫石筑壩，四川岷江犍為航電樞紐工程用膠凝砂礫石防砌筑護堤；而國內(nèi)外研究人員對TBM 洞挖料回收利用的研究著重于TBM 洞挖料可作為居住區(qū)的回填材料，道路和鐵路的路基材料、景觀材料、垃圾掩埋，或將TBM 洞挖料粒徑大于10 mm 的材料進行破碎處理摻加天然骨料或者碎石作為混凝土使用。本文將TBM 洞挖料直接用于膠凝砂礫石配制低強度混凝土，用于低強度大體積混凝土的回填及強度要求不高的工程部位，經(jīng)過大量試驗得出，混凝土強度能夠滿足試配強度，可以變廢為寶，保護環(huán)境。

2 TBM 洞挖料直接用于膠凝砂礫石時大、小試件強度相關性分析的意義

因采用的TBM 洞挖料最大粒徑為120 mm，在施工過程中需要用同條件養(yǎng)護450 mm 的混凝土立方體試件的抗壓強度控制混凝土質量，其試件的制作、養(yǎng)護和抗壓強度試驗需要大量的人力和物力，操作困難，且試驗周期長，為解決這些問題，本文通過研究分析標準養(yǎng)護28 d 的150 mm 混凝土立方體試件與同條件養(yǎng)護450 mm 的混凝土立方體試件抗壓強度的相關性，得出抗壓強度關系曲線，從而用標準養(yǎng)護28 d的150 mm 混凝土立方體試件的抗壓強度并配以少量大試件的驗證，來控制混凝土質量；通過研究分析標準養(yǎng)護28 d 與同條件養(yǎng)護180 d 的150 mm 混凝土立方體試件抗壓強度的相關性，得出抗壓強度關系曲線，用標準養(yǎng)護28 d 抗壓強度推斷同條件養(yǎng)護180 d的抗壓強度是否滿足設計要求，既提高了檢驗檢測效率，又在確保工程質量的前提下加快施工進度，從而降低工程成本。

3 四種不同水膠組合的配合比情況

3.1 混凝土的配合比試配方案

本次混凝土配合比設計方案中混凝土設計強度為6.0 MPa，設計齡期為180 d，配制強度為8.1 MPa，保證率系數(shù)t 取值為0.840，抗壓強度標準差取2.5 MPa，表觀密度為2 500 kg/m3。骨料直接采用不大于120 mm的TBM 洞挖料。膠凝材料基于《膠結顆粒料筑壩技術導則》（SL678-2014）中規(guī)定膠凝材料用量不宜低于80 kg/m3，其中水泥熟料用量不宜低于32 kg/m3的基礎上，膠凝材料中水泥和粉煤灰分別采用50 kg 和40 kg、40 kg 和40 kg、30 kg 和50 kg、30 kg 和40 kg 四種組合。

3.2 試驗原材料

1）水泥：采用山西華潤福龍水泥有限公司生產(chǎn)的潤豐牌P·O 42.5，檢驗結果見表1，滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）中P·O 42.5 標準要求。

表1 水泥物理檢驗結果

2）粉煤灰：采用侯馬市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)佳聯(lián)環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的粉煤灰，檢驗結果見表2，滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2017）中Ⅱ級灰標準要求。

表2 粉煤灰物理、化學檢驗結果

3）水：試驗室自來水：pH 值為7 左右。

4）骨料：采用山西省呂梁市臨縣地區(qū)TBM 第二標段工程的開挖洞挖料，該石料的母巖屬于片麻巖，不會引起堿-骨料反應，可用于制作混凝土，根據(jù)相關研究表明，TBM 開挖料的尺寸由刀具對巖石的穿透程度和刀具軌跡之間的距離所決定，而穿透程度取決于有效的TBM 推力，TBM 洞挖料趨于片狀，見圖1。本次使用的TBM 洞挖料經(jīng)篩分，其中粒徑小于5 mm 的分計篩余量平均占20.0%，5～40 mm 的分計篩余量平均占35.7%，40～120 mm 的分計篩余量平均占54.7%，而粒徑大于120 mm 的分計篩余量平均占0%，所以TBM 洞挖料全部作為骨料。檢驗結果見表3，滿足《水工混凝土施工規(guī)程》（SL677-2014）中小于30 MPa 混凝土用骨料要求。

圖1 TBM 洞挖料圖片

表3 TBM 洞挖料中5～120 mm 粒徑檢驗結果

3.3 四種不同水膠組合的配合比

四種不同水膠組合的配合比見表4。

表4 直接利用洞挖料四組配合比情況

4 混凝土大、小抗壓強度試件制作的不同

本次采用的TBM 洞挖料，最大粒徑為120 mm，混凝土抗壓強度試件的制作參照《膠結顆粒料筑壩技術導則》（SL678-2014）及《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006）中碾壓混凝土要求，制作150 mm 混凝土立方體時，篩除40 mm 以上的骨料，一次加料加壓振動成型，振動時間為VC 值的2～3 倍；制作450 mm混凝土立方體時，采用全部混凝土拌合物，混凝土拌合物分4～5 次裝入試模，用平板振搗器振動壓實，振動時間底層為拌合物VC 值的2 倍，上層為VC 值的2～3 倍，以表面泛漿為準，拋錨后進行下一裝料。大小試件成型后馬上進行抹面，沿模口抹平。

5 混凝土大、小抗壓強度試件的養(yǎng)護條件和養(yǎng)護方法

采用標準養(yǎng)護的150 mm 立方體試件帶模用塑料布遮蓋，在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護36 h 后拆模、編號，拆模后的試件仍放于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至試驗齡期；采用同條件養(yǎng)護的150 mm 立方體試件帶模用塑料布遮蓋同條件養(yǎng)護3 d 后拆模、編號，拆模后的試件同條件養(yǎng)護至試驗齡期；采用同條件養(yǎng)護的450 mm 立方體試件帶模用土工布遮蓋定期噴灑水，同條件養(yǎng)護至180 d。

6 混凝土大試件同條件養(yǎng)護180 d 抗壓強度，小試件標準養(yǎng)護28 d 抗壓強度數(shù)據(jù)

6.1 混凝土抗壓強度試驗采用設備

150 mm 混凝土立方體試件抗壓強度試驗采用YAW4206 微機控制電液伺服壓力試驗機（美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司），其最大試驗力2 000 kN，精度為試驗力分辨力優(yōu)于10 N、試驗力示值相對誤差±1%以內(nèi)；450 mm 混凝土立方體試件抗壓強度試驗由太原理工大學結構試驗室完成，采用長春試驗機有限公司生產(chǎn)的YAW-5000 微機控制電液伺服壓力試驗機，其最大試驗力5 000 KN，精度為試驗力示值相對誤差±1%以內(nèi)。

6.2 不同養(yǎng)護條件不同齡期下，混凝土大小試件的抗壓強度

混凝土大試件同條件養(yǎng)護180 d 抗壓強度檢驗結果見表5。

表5 混凝土大試件同條件養(yǎng)護180 d 抗壓強度檢驗結果

小試件標準養(yǎng)護28 d 和條件養(yǎng)護180 d 抗壓強度數(shù)據(jù)結果見表6。

表6 混凝土小試件標準養(yǎng)護28d 及同條件養(yǎng)護180d 抗壓強度

7 大、小試件28 d 抗壓強度數(shù)據(jù)的相關性分析

1）配合比1 大試件（180 d）與小試件（28 d）及小試件（180 d）與小試件（28 d）的混凝土抗壓強度關系曲線圖見圖2 和圖3。

圖2 大試件180 d 與小試件28 d 抗壓強度關系曲線

圖3 小試件180 d 與小試件28 d 抗壓強度關系曲線

大試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強度關系曲線：y=1.809 7x-0.506 39 相關系數(shù)：r=0.96。

小試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強度關系曲線：y=1.656 39x+2.788 79 相關系數(shù)：r=0.97。

2）配合比2 大試件（180 d）與小試件（28 d）及小試件（180 d）與小試件（28 d）混凝土抗壓強度的關系曲線圖見圖4 和圖5。

圖4 大試件180 d 與小試件28 d 抗壓強度關系曲線

圖5 小試件180 d 與小試件28 d 抗壓強度關系曲線

大試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強度關系曲線：y=8x-13.25 相關系數(shù)：r=0.94。

小試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強度關系曲線：y=1.653 94x+0.386 16 相關系數(shù)：r=0.93。

3）配比3 大試件（180 d）與小試件（28 d）及小試件（180 d）與小試件（28 d）混凝土抗壓強度的關系曲線圖見圖6 和圖7。

大試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強度關系曲線：y=2.173 08x+0.488 46 相關系數(shù)：r=0.99。

小試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強度關系曲線：y=0.816 59x-1.715 38 相關系數(shù)：r=0.85。

4）配合比1 大試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強度關系曲線中r 值為0.96，配合比2 的抗壓強度關系曲線中r 值為0.94，配合比3 的抗壓強度關系曲線中r 值為0.99；配合比1 小試件（180 d）與小試件（28 d）的抗壓強度關系曲線中r 值為0.97，配合比2 的關系曲線中r 值為0.93、配合比3 的關系曲線中r 值為0.85，以上六條抗壓強度關系曲線中r 值均大于0.707，依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T5150-2001）中附錄J 回歸分析2.2 中，規(guī)定“r大于0.707（a=5%）時，直線有意義”，所以該六條直線都有意義。

圖6 大試件180 d 與小試件28 d 抗壓強度關系曲線

圖7 小試件180 d 與小試件28 d 抗壓強度關系曲線

8 結論

本次試驗通過對施工現(xiàn)場的TBM 開挖材料進行翻曬、篩分、清洗等一系列處理，直接用于膠凝砂礫石配制低強度混凝土，經(jīng)過對大、小混凝土試件抗壓強度的相關性分析，得出以下結論：

1）TBM 洞挖料直接用于膠凝砂礫石配制低強度混凝土可行；

2）可以利用標準養(yǎng)護28 d 小試件抗壓強度推斷同條件養(yǎng)護180 d 大試件抗壓強度和標準養(yǎng)護28 d小試件抗壓強度推斷同條件養(yǎng)護180 d 小試件抗壓強度并配以少量大試件進行驗證，來控制混凝土質量，為工程質量控制提供依據(jù)；

3）膠凝材料（水泥30 kg/m3、粉煤灰40 kg/m3）低于80 kg/m3，在不摻外加劑的情況下，配制低強度混凝土不予以實現(xiàn)。