溫郁斌，張靜曉，孫艷鵬

(1.山西昔榆高速公路有限公司，山西 晉中 030600； 2.長(zhǎng)安大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，陜西 西安 710000；3.長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

0 引言

在公路建設(shè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量棄渣，棄渣堆積占用了大量土地，同時(shí)在工程建造過程中需要大量的建筑材料。在此背景下，根據(jù)公路建設(shè)特點(diǎn)以及考慮工程建設(shè)對(duì)于建筑材料的使用需求，對(duì)工程棄渣用作混凝土摻和料的特性研究具有重要意義。國(guó)際上許多國(guó)家已經(jīng)開始對(duì)棄渣進(jìn)行再利用，并達(dá)到一定的應(yīng)用水平。德國(guó)、日本等針對(duì)棄渣的利用頒布了相關(guān)法規(guī)。其中，德國(guó)在 1994年提出隧道棄渣利用的相關(guān)計(jì)劃[1]。日本在1997年提出，原則上必須將建筑垃圾進(jìn)行再利用處理[2]。我國(guó)的棄渣資源再利用目前處于起步階段[3-4]。鐘恩等[5]通過集成減量化破碎、全自動(dòng)壓磚等核心技術(shù)，將建筑固體廢物再次利用。楊銳鋒等[6]從鐵路建設(shè)臨時(shí)用地原有生態(tài)環(huán)境功能恢復(fù)的角度出發(fā)，對(duì)鐵路建設(shè)過程中的臨時(shí)用地進(jìn)行復(fù)墾，有效解決棄渣浪費(fèi)土地的問題。王棟等[7]運(yùn)用環(huán)境保護(hù)、水土保持和資源節(jié)約等相關(guān)理念，并將有效措施應(yīng)用到公路工程中，改變傳統(tǒng)的棄渣處理方式，創(chuàng)造性地將棄渣用作邊坡綠化。隨著棄渣研究的進(jìn)一步深入，棄渣不僅作為填充物，也可用作工程材料?？子袂宓萚8]對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)棄渣中的優(yōu)質(zhì)泥漿在卵礫地層中的再利用問題進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，使優(yōu)質(zhì)泥漿在泥水盾構(gòu)施工中得以重復(fù)利用。張連玉等[9]從棄渣對(duì)環(huán)境的影響出發(fā)，在鶴大高速公路工程建設(shè)項(xiàng)目中成功利用隧道棄渣生產(chǎn)了碎石。戴勇等[10]針對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)隧道工程掘進(jìn)線路處于黏土地層的問題,提出了棄渣取代同步注漿原材料，這一方案成功將棄渣用作注漿材料。然而目前對(duì)于棄渣再利用的研究，局限于將棄渣作為填充物，少部分研究將棄渣作為注漿材料使用[10]，尚未有針對(duì)粉碎性黃土地區(qū)棄渣砂巖利用的研究，本文所依托的昔榆高速工程位于粉碎性黃土地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，在工程建設(shè)過程中產(chǎn)生大量的破碎棄渣砂巖，堆積、搬運(yùn)耗費(fèi)大量人力物力。

為解決昔榆高速項(xiàng)目的棄渣問題，本文首次考慮將棄渣砂巖作為混凝土集料使用。通過一系列棄渣砂巖與混凝土性能有關(guān)的試驗(yàn)研究，有效解決以下問題：①使用高效減水劑，極大緩解了砂巖集料混凝土高需水量的問題，同時(shí)減少了混凝土中大水珠的比例；②提高總膠凝材料用量，一是緩解砂巖集料粗糙表面對(duì)砂漿的消耗，更重要的是分散水，阻礙混凝土中大水珠形成，降低自由水低溫結(jié)晶膨脹應(yīng)力；③超摻粉煤灰的使用，一是粉煤灰形成的凝膠堵塞混凝土毛細(xì)孔，阻止外部水進(jìn)入混凝土內(nèi)部，提高抗凍性，二是粉煤灰水化反應(yīng)緩慢，60d甚至90d都在進(jìn)行水化反應(yīng)，消耗混凝土中自由水，使混凝土抗凍性能提高；④使用引氣劑，在混凝土中形成微孔，給混凝土中自由水結(jié)晶預(yù)留出膨脹應(yīng)力釋放空間；⑤混凝土成型坍落度對(duì)抗凍性有一定影響，控制混凝土的成型坍落度可提高混凝土抗凍性。

1 工程概況

昔陽(晉冀界)至榆次(K0+000—K128+115)項(xiàng)目采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)(以下簡(jiǎn)稱昔榆)，設(shè)計(jì)速度100km/h，整體式路基寬度26.0m，全長(zhǎng)125.370km。一般互通立交4處、樞紐互通式立交2處，服務(wù)區(qū)3處，養(yǎng)護(hù)工區(qū)3處，路段管理中心2處，隧道管理站3座，匝道收費(fèi)站5處，主線超限站1處；閆莊連接線7.137km，馬坊至松塔連接線21.246km，總占地11 178.8畝(1畝≈666.7m2)，橋隧比55%。

2 公路沿線棄渣特性分析

昔榆高速沿線有近1 800萬m3棄渣，以砂巖為主，但砂巖品質(zhì)參差不齊，部分風(fēng)化嚴(yán)重，含有泥巖。砂巖屬于沉積巖，可分為鈣質(zhì)、砂質(zhì)、鐵質(zhì)、黏土質(zhì)等，主要特點(diǎn)為強(qiáng)度較低，吸水率大，易風(fēng)化崩解，且成分波動(dòng)性太大，勻質(zhì)性差，導(dǎo)致其無法如石灰石等硬質(zhì)巖類一樣直接破碎使用，亟待提出一種合理有效的資源化利用途徑。因此分析昔榆砂巖類棄渣的特性，評(píng)價(jià)分析其穩(wěn)定性，并將其分級(jí)破碎加工成不同品質(zhì)的集料分別用于混凝土、路面基層等公路工程中，實(shí)現(xiàn)沿線棄渣在高速公路中的高效利用[11-14]。

2.1 成分分析

砂巖是一種沉積巖，是源區(qū)巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)在盆地中堆積形成，由碎屑和填隙物兩部分構(gòu)成。碎屑礦物包括：石英、長(zhǎng)石、白云母、方解石、黏土礦物、白云石、鮞綠泥石、綠泥石等；填隙物包括膠結(jié)物和碎屑雜基兩種組分。

鑒于砂巖風(fēng)化與巖石成分具有重要關(guān)系，為驗(yàn)證各標(biāo)段砂巖的風(fēng)化情況，選取不同標(biāo)段的樣品，并進(jìn)行標(biāo)號(hào)試驗(yàn)，分別為1～7號(hào)，對(duì)砂巖類棄渣的礦物成分進(jìn)行分析。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可知，各標(biāo)段砂巖成分復(fù)雜，但是均含有SiO2，Al2O3，CaO以及MgO等成分，除了3號(hào)試驗(yàn)結(jié)果之外，其他結(jié)果均顯示SiO2均大于其他成分含量，表明昔榆高速項(xiàng)目砂巖抗壓強(qiáng)度大。此外，部分樣品中的K，Na含量偏高。

2.2 砂巖表面電子顯微觀察

對(duì)昔陽至榆次高速項(xiàng)目工程沿線砂巖堆存點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研取樣。分析砂巖類棄渣的微觀結(jié)構(gòu)，測(cè)定其力學(xué)性能和耐久性，明確砂巖類棄渣在公路工程中應(yīng)用的技術(shù)可行性。

通過電子顯微鏡觀察，在放大100倍觀察中，砂巖表面出現(xiàn)不規(guī)則的細(xì)小顆粒，與石灰?guī)r相比砂巖表面更為粗糙；在放大2 000倍觀察中，石灰?guī)r表面也出現(xiàn)了不規(guī)則的顆粒物，只是兩者顆粒物的大小不同。

通過對(duì)昔榆高速工程項(xiàng)目沿線堆砌的棄渣砂巖取樣，對(duì)棄渣砂巖成分、風(fēng)化程度進(jìn)行研究，結(jié)合砂巖的巖性分析，對(duì)沿線棄渣砂巖進(jìn)行等級(jí)劃分，并與石灰?guī)r性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析。為下文對(duì)棄渣砂巖混凝土工作性能試驗(yàn)與集料試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

3 砂巖混凝土性能試驗(yàn)研究

3.1 砂巖集料對(duì)混凝土工作性能的影響

3.1.1砂巖粗集料對(duì)混凝土工作性能的影響

1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)砂巖表面粗糙度、吸水率以及考慮未水化自由水對(duì)混凝土抗凍性的影響，進(jìn)行比較性能試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)后再調(diào)整。以第1組混凝土配合比為基準(zhǔn)配合比，分別設(shè)置4組對(duì)比試驗(yàn)，如表1所示。

表1 砂巖粗集料混凝土工作性對(duì)比 kg·m-3

2)試驗(yàn)結(jié)果

粗集料是混凝土的重要組成部分，用量通常會(huì)影響混凝土的配合比，用不同石子粒徑的摻量比例調(diào)控混凝土配合比，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

第1組與第2組試驗(yàn)結(jié)果說明，在保證其他試驗(yàn)條件相同的前提下，采用砂巖粗集料代替石灰?guī)r粗集料，第2組的初始坍落度為130mm，明顯低于第1組的初始坍落度205mm。60min時(shí)的坍落度比較，第2組的坍落度為0mm，說明使用砂巖作為粗集料以后，混凝土的初始流動(dòng)性比較差，坍落度的損失也比較大。在第2組試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，在第3組試驗(yàn)時(shí)加入針對(duì)砂巖集料特性調(diào)整的復(fù)合外加劑，試驗(yàn)結(jié)果與第1組相比，初始坍落度滿足要求，但是60min時(shí)的坍落度與初始坍落度相差較大，說明加入外加劑以后，雖然初始坍落度滿足混凝土性能要求，但是坍落度的損失還是比較大。

經(jīng)過前3組試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在改用砂巖粗集料時(shí)混凝土的流動(dòng)性受到較大影響，損失較大。在第4組試驗(yàn)時(shí)，將石子10～30mm和5～10mm粒徑的比例由75∶25調(diào)整到85∶15，與第3組試驗(yàn)結(jié)果相比，坍落度的損失程度有所改善，說明調(diào)整不同粒徑石子的比例有助于改善混凝土坍落度損失。在第4組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)調(diào)整粗細(xì)石子比例，由85∶15調(diào)整為90∶10，試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土的工作性能基本滿足使用要求。

3.1.2砂巖細(xì)集料對(duì)混凝土工作性能的影響

1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

砂巖破碎后，篩取粒徑4.75mm以下集料作砂巖機(jī)制砂試驗(yàn)。砂巖機(jī)制砂破碎后粒徑0.75mm以下集料偏多，試驗(yàn)用砂巖機(jī)制砂，將粒徑0.75mm以下集料含量控制在5%以內(nèi)，如表3所示。

表3 砂巖細(xì)集料混凝土工作性對(duì)比 kg·m-3

2)試驗(yàn)結(jié)果

昔榆高速工程項(xiàng)目采用砂巖粉碎后作為機(jī)制砂使用，為了驗(yàn)證砂巖機(jī)制砂作為細(xì)集料對(duì)混凝土性能的影響，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果看，只使用砂巖機(jī)制砂作為細(xì)集料使用時(shí)，初始坍落度與60min時(shí)坍落度均不能滿足混凝土性能要求。第2組試驗(yàn)選擇使用一半砂巖與一半石灰?guī)r的混合使用，結(jié)果表明使用混合機(jī)制砂的混凝土初始坍落度與60min坍落度均能滿足混凝土性能要求，即砂巖機(jī)制砂與石灰?guī)r機(jī)制砂對(duì)半摻配使用可行。

3.2 砂巖集料對(duì)混凝土抗凍性的影響

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于砂巖混凝土的高吸水性，其抗凍性能是否能夠達(dá)到混凝土使用要求尤為重要[15]。為驗(yàn)證砂巖混凝土的抗凍性能，以下以C30混凝土進(jìn)行調(diào)整抗凍性試驗(yàn)。

1)混凝土抗凍試驗(yàn)1條件(見表5) 第1組混凝土成型坍落度205mm，第2組混凝土成型坍落度195mm。3組砂巖石子浸水24h，風(fēng)干至表干狀態(tài)試驗(yàn)，混凝土成型坍落度200mm。

表5 混凝土抗凍試驗(yàn)1

2)混凝土抗凍試驗(yàn)2條件(見表6) 第1組混凝土成型坍落度210mm，第2組混凝土成型坍落度185mm，第3組砂巖石子浸水24h，風(fēng)干至表干狀態(tài)試驗(yàn)，混凝土成型坍落度180mm。

表6 混凝土抗凍試驗(yàn)2

3)混凝土抗凍試驗(yàn)3條件(見表7) 第1組混凝土加入引氣劑，成型坍落度190mm；第2組混凝土加入引氣劑，成型坍落度175mm；第3組砂巖石子浸水24h，風(fēng)干至表干狀態(tài)試驗(yàn)，混凝土加入引氣劑，成型坍落度180mm。

表7 混凝土抗凍試驗(yàn)3

4)混凝土抗凍試驗(yàn)4條件(見表8) 第1組混凝土加入引氣劑，成型坍落度185mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，干養(yǎng)32d；第2組混凝土加入引氣劑，成型坍落度180mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，干養(yǎng)32d；第3組砂巖石子浸水24h，風(fēng)干至表干狀態(tài)試驗(yàn)?；炷良尤胍龤鈩?，成型坍落度185mm，標(biāo)樣28d，干養(yǎng)32d。

表8 混凝土抗凍試驗(yàn)4

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

1)從試驗(yàn)1中第2組和第3組試驗(yàn)對(duì)比來看，相同抗凍次數(shù)條件下，在砂巖石子浸水24h風(fēng)干至表干狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果顯示第2組的質(zhì)量損失率為5.3%，第3組的質(zhì)量損失率為5.7%，表明增加了砂巖的吸水性會(huì)增加砂巖作為粗集料的混凝土的質(zhì)量損失率，試驗(yàn)2、試驗(yàn)3和試驗(yàn)4的第2組和第3組試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)出這個(gè)現(xiàn)象。

2)從試驗(yàn)1的第2組和第3組結(jié)果對(duì)比來看，在相同的抗凍次數(shù)的試驗(yàn)條件下，使用石灰?guī)r作為粗集料時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失率為5.1%，使用砂巖作為粗集料時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失率為5.3%，說明砂巖和石灰?guī)r作為粗集料時(shí)混凝土的質(zhì)量損失率相差不大。試驗(yàn)2、試驗(yàn)3和試驗(yàn)4的第2組和第3組試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)出這個(gè)現(xiàn)象。

3)從試驗(yàn)3和試驗(yàn)2結(jié)果來看，在試驗(yàn)3增加了引氣劑并增加了粉煤灰摻量的條件下，增加混凝土的抗凍次數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明加入引氣劑和增加粉煤灰的摻量的混凝土質(zhì)量損失率會(huì)有所降低，說明引氣劑和粉煤灰的加入影響到混凝土的抗凍性，在加入引氣劑和增加粉煤灰摻量以后，混凝土的質(zhì)量損失率降低，抗凍性較好。

4)從試驗(yàn)3和試驗(yàn)4的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，在改變混凝土的養(yǎng)護(hù)條件的情況下，在標(biāo)養(yǎng)28d，干養(yǎng)32d的養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的質(zhì)量損失率明顯降低。

綜合從以上4個(gè)試驗(yàn)中，可以得到砂巖骨料混凝土在加入粉煤灰、引氣劑以及控制混凝土坍落度185以內(nèi)時(shí)，砂巖骨料混凝土在山西省的應(yīng)用滿足混凝土抗凍性要求。

4 應(yīng)用成效

分析砂巖自身物理力學(xué)性能、破碎類型、破碎工藝、振動(dòng)篩選尺寸，在昔榆高速項(xiàng)目中成果研發(fā)出一套砂巖類棄渣集料制備技術(shù)，制備技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 砂巖類制備技術(shù)流程

成分分析顯示昔榆高速工程項(xiàng)目的棄渣砂巖成分以硅鈣質(zhì)為主，高硬度砂巖集料用于混凝土中易導(dǎo)致混凝土工作性變差，采用調(diào)整配合比、調(diào)整外加劑、復(fù)合配砂等方式調(diào)控砂巖混凝土的工作性能，如圖2所示。

圖2 硬質(zhì)砂巖混凝土工作性能的調(diào)控技術(shù)

經(jīng)過試驗(yàn)段鋪筑工作，確定粒徑10～20mm與20～30mm砂巖粗集料摻配5～10mm石灰?guī)r粗集料、0～5mm石灰?guī)r細(xì)集料混合料7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。同時(shí)，砂巖碎石在底基層中應(yīng)用，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：①砂巖碎石檢測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求；②砂巖碎石摻量需根據(jù)試配確定，滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)只允許摻配粒徑≥9.5mm的粗集料；③嚴(yán)格把關(guān)施工質(zhì)量，試驗(yàn)段鋪筑完各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)合格后方可推廣應(yīng)用。

通過分析砂巖類棄渣的特性，評(píng)價(jià)分析其穩(wěn)定性，并將其分級(jí)破碎加工成不同品質(zhì)的集料分別用于混凝土、路面基層等公路工程中，所生產(chǎn)的砂巖類棄渣集料滿足路面基層、水泥混凝土、耐磨瀝青混凝土用集料的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)沿線棄渣在昔榆高速公路項(xiàng)目中的高效利用。

1)目前全線已建立碎石加工場(chǎng)13處并開始投入生產(chǎn)，研究已完成用于基層的砂巖成分分析研究、用于基層的砂巖集料特性等工作，總結(jié)形成《昔榆高速砂巖碎石生產(chǎn)與應(yīng)用指南》。

2)根據(jù)砂巖的強(qiáng)度特性，利用自加工的集配碎石填筑施工便道及用于臨建工程，加快施工便道的完成進(jìn)度，推動(dòng)主體工程順利進(jìn)行。

3)通過利用低強(qiáng)度等級(jí)混凝土砂巖加工的集料，節(jié)約防排水工程以及臺(tái)背回填的施工成本，達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、變廢為寶、降低成本的目的。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，研究成果成功在昔榆高速工程項(xiàng)目中推廣應(yīng)用，依托工程路段主線全長(zhǎng)57.522km，支線長(zhǎng)3.367km，所需混凝土約118.73萬m3，混凝土中碎石用量約為800 kg/m3，天然石料價(jià)格按80元/t計(jì)，則以砂巖類棄渣取代天然石料將節(jié)約成本約7 598萬元，極大地降低了施工成本。

在社會(huì)效益方面，昔陽至榆次高速公路沿線有大量的棄渣堆存，不僅占用土地資源，還會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成破壞。將砂巖類棄渣制備成工程集料應(yīng)用于水泥混凝土的工程中，將預(yù)計(jì)可減少天然石料的開采近1 800萬m3，同時(shí)相應(yīng)地，能有效減少天然石料開采與加工過程中的能源消耗、污染氣體排放等環(huán)境問題，具有良好的社會(huì)效益。

5 結(jié)語

大量廢渣的堆存不僅占用土地，污染土壤、水、空氣，腐蝕鋼構(gòu)，還造成有用成分浪費(fèi)等問題。面對(duì)粉碎性黃土地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，本文結(jié)合實(shí)際環(huán)境分析，并經(jīng)過一系列的試驗(yàn)得出如下結(jié)論。

1)昔榆高速沿線棄渣砂巖是一種沉積巖，主要由各種砂粒膠結(jié)而成的，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成分復(fù)雜，主要含硅、鈣、黏土和氧化鐵。全線砂巖品質(zhì)波動(dòng)較大，且混有大量的泥巖、風(fēng)化巖。昔榆高速工程沿線棄渣砂巖表面含有大小不一的晶體，表面粗糙增加了混凝土的黏結(jié)力，可以將其用于混凝土集料。

2)砂巖集料混凝土拌合物工作性滿足施工要求。昔榆砂巖集料吸水率均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但是從砂巖集料混凝土拌合物性能試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，混凝土的需水量遠(yuǎn)比砂巖集料吸水率檢測(cè)值所反映的用水量高得多，且混凝土坍落度損失大。通過調(diào)整外加劑的適應(yīng)性，外加劑復(fù)合優(yōu)質(zhì)保坍劑，砂巖集料水浸預(yù)處理，以及調(diào)整混凝土中砂漿量，有效解決了砂巖集料混凝土拌合物工作性問題。

3)砂巖集料混凝土抗凍性滿足要求。砂巖集料混凝土高需水量不可避免地對(duì)砂巖集料混凝土抗凍性提出了挑戰(zhàn)。通過增加粉煤灰的摻量以及引入引氣劑的措施，粉煤灰形成的凝膠堵塞混凝土毛細(xì)孔，阻止外部水進(jìn)入混凝土內(nèi)部，提高抗凍性。使用引氣劑，在混凝土中形成微孔，給混凝土中自由水結(jié)晶預(yù)留出膨脹應(yīng)力釋放空間。

總體來看，棄渣砂巖的成分、棄渣砂巖集料混凝土均能滿足混凝土的性能使用要求，棄渣砂巖粉碎后的機(jī)制砂可用作該高速工程項(xiàng)目混凝土的集料，并能帶來一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。