摘" 要：該文結(jié)合元溪高速公路路基施工的氣候、水文、地質(zhì)條件，以隧道工程施工中的礦渣粉、粉煤灰、礦粉3種不同的摻合料為例，結(jié)合項(xiàng)目施工的特點(diǎn)，按照不同的摻配比例進(jìn)行混凝土正交組合，通過對(duì)加入混合摻合料后的混凝土進(jìn)行坍落度、擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度、電通量的試驗(yàn)和結(jié)果處理，確定最優(yōu)礦渣粉、粉煤灰和礦粉的摻配比例。對(duì)于其他類似工程都有著非常好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：礦渣粉;高速公路;隧道工程;混凝土;應(yīng)用;研究

中圖分類號(hào)：V445" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0051-07

Abstract： This paper combines the climatic， hydrological and geological conditions of Yuanxi Expressway subgrade construction， takes the three different admixtures of slag powder， fly ash and mineral powder in tunnel construction as examples， combines the characteristics of project construction， and carries out orthogonal combination of concrete according to different blending ratios. Through testing and processing the results of slump， expansion， compressive strength and electrical flux of the concrete added with the mixed admixtures， the optimal blending ratio of slag powder， fly ash and mineral powder is determined. It has very good reference significance for other similar projects.

Keywords： slag powder; highway; tunnel engineering; concrete; application; research

本文所指的礦渣粉的全稱是?；郀t礦渣（granulated blast-furnace slag），是生產(chǎn)水泥的一種原材料，是由鋼鐵廠冶煉生鐵時(shí)產(chǎn)生的廢渣在高爐煉鐵熔融的礦渣驟冷時(shí)，來不及結(jié)晶而形成的大部分玻璃態(tài)物質(zhì)，簡(jiǎn)稱礦渣;礦渣中除玻璃態(tài)物質(zhì)外，還有很少量硅酸二鈣、鈣黃長(zhǎng)石、硅酸一鈣等礦物，因此，有很弱的自身水硬性。在堿性或硫酸鹽的激發(fā)劑作用下，可表現(xiàn)出較高的水硬性，產(chǎn)生和水泥相近的強(qiáng)度。常用激發(fā)劑有石灰、石膏、硅酸鹽水泥等。礦渣中二氧化硅多的為酸性礦渣，氧化鋁和氧化鈣多的為堿性礦渣。堿性礦渣的活性比酸性礦渣高。性狀呈細(xì)粒狀。熔融的礦渣直接流入水池中冷卻的又叫水淬礦渣，俗稱水渣。礦渣經(jīng)干燥、粉磨磨細(xì)后加工而成的具有一定活性的粉末狀材料經(jīng)磨細(xì)后，是水泥的活性混合材料，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求，并經(jīng)干燥、粉磨達(dá)到相當(dāng)細(xì)度且符合相應(yīng)活性的粉體。

1" 工程概況

明溪胡坊至三元巖前高速公路項(xiàng)目起點(diǎn)（K0+000）位于明溪縣胡坊鎮(zhèn)，改建既有泉南高速明溪南互通為樞紐互通接泉南高速，路線整體呈西南—東北走向，經(jīng)胡坊鎮(zhèn)南側(cè)設(shè)胡坊互通連接明溪連接線服務(wù)明溪火車站、胡坊鎮(zhèn)，經(jīng)朱南坑、白葉坑后，上跨在建興泉鐵路后折向東北側(cè)，繞避規(guī)劃的三元區(qū)紅葉谷溫泉度假核心區(qū)及華興螢石礦后，從星橋村北側(cè)經(jīng)過，設(shè)置星橋互通連接規(guī)劃路服務(wù)星橋村及眉山火車站，路線從鎮(zhèn)坊北側(cè)經(jīng)過，設(shè)巖前樞紐互通接莆炎高速，終點(diǎn)樁號(hào)K25+480.485，路線全長(zhǎng)25.481 km。全線設(shè)置明溪南（樞紐）、胡坊、星橋和巖前（樞紐）4處互通式立交，并設(shè)置主線服務(wù)區(qū)1處、出入口服務(wù)區(qū)2處，在K15+740和K17+945位置設(shè)置避險(xiǎn)車道。同步建設(shè)必要的互通連接線、交通工程和服務(wù)設(shè)施。

全線采用雙向四車道的高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度按照26 m控制，汽車荷載等級(jí)采用公路I級(jí)。

明溪胡坊至三元巖前高速公路項(xiàng)目的控制性工程、重難點(diǎn)工程重難點(diǎn)工程之一——丁家山隧道，作為重難點(diǎn)工程，丁家山隧道作為先行開工點(diǎn)，丁家山隧道區(qū)屬低山地貌，地形起伏大，下緩上陡，天然山坡坡度約15～35°，山脊（頂）陡峭。隧道進(jìn)口段自然坡度30～35°，出口段自然坡度20～25°，隧道軸線最大海拔標(biāo)高730 m，山體表層植被較發(fā)育。

丁家山隧道是高速公路分離式/小凈距隧道，左右洞進(jìn)口位于直線段，出口位于曲線段，左線平曲線半徑為∞/4 300 m，右線平曲線半徑為∞/4 000 m。左線起點(diǎn)樁號(hào)為ZK7+590，出口樁號(hào)為ZK9+168，長(zhǎng)1 578 m，縱坡為-1.2%;右線起點(diǎn)樁號(hào)為YK7+590，出口樁號(hào)為YK9+175，長(zhǎng)1 585 m，縱坡為-1.2%，屬長(zhǎng)隧道，最大埋深約196 m，深部圍巖為中—微風(fēng)化花崗巖，為較硬巖，巖體多呈塊體狀，局部節(jié)理裂隙發(fā)育。本隧道屬于低應(yīng)力區(qū)，發(fā)生巖爆的可能性小。

隧道進(jìn)口側(cè)自然山坡坡度15～30°，地表植被較發(fā)育。圍巖為坡積土層及全風(fēng)化—砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，坡積層中零星分布有有滾（孤）石，結(jié)構(gòu)較松散，開挖后穩(wěn)定性較差，在暴雨、爆破震動(dòng)等作用下，坡體易坍塌。洞口邊坡及仰坡開挖較高，最高達(dá)48 m，坡體主要為坡積土層及全風(fēng)化—砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，屬土質(zhì)邊坡，結(jié)構(gòu)較松散，穩(wěn)定性較差，坡體易失穩(wěn)坍塌。洞口邊坡采取放坡開挖，開挖坡率1∶1.00～1∶1.25，并結(jié)合砌石護(hù)面墻、預(yù)應(yīng)力錨索框架、三維網(wǎng)植草護(hù)面等支護(hù)措施。由于開挖后坡體穩(wěn)定性較差，進(jìn)洞較困難。

出口側(cè)自然山坡坡度約25～35°，地表植被發(fā)育，現(xiàn)狀自然山坡穩(wěn)定。洞口圍巖為坡殘積土層及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。左右線隧道出口開挖邊坡高約9～10 m，坡體主要為坡積粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化巖，坡積層中零星分布有滾（孤）石，結(jié)構(gòu)較松散，開挖后穩(wěn)定性較差，在暴雨、爆破震動(dòng)等作用下，坡體易坍塌。洞口邊坡采取放坡開挖，開控坡率1∶0.75～1∶1.25，并結(jié)合砌石護(hù)面墻、三維網(wǎng)植草護(hù)面等支護(hù)措施。由于坡體主要為坡積粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化巖，厚度大，且局部分布有孤滾石，坡體易坍塌，進(jìn)洞較困難，進(jìn)洞口應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探結(jié)果，隧道洞身圍巖為中—微風(fēng)化花崗巖，屬較硬—堅(jiān)硬巖，但受多條構(gòu)造破碎帶影響，隧址區(qū)巖體總體較破碎，洞身圍巖級(jí)別以Ⅱ—Ⅳ為主，構(gòu)造破碎帶附近圍巖級(jí)別以V—V級(jí)為主。對(duì)圍巖穩(wěn)定不利，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)監(jiān)測(cè)和支護(hù)，防止開挖出現(xiàn)涌水、崩塌冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害。

隧道進(jìn)出口有較長(zhǎng)的路段存在偏壓，且圍巖以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主，該圍巖為類土狀圍巖，結(jié)構(gòu)松散，泡水易軟化，受擾動(dòng)后強(qiáng)度將明顯降低，對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定極其不利，而且該路段地下水位受降雨影響大，水位年最大變幅大于15 m。依據(jù)合同約定隧道施工采用機(jī)械化成套技術(shù)，機(jī)械化配置要求高，施工難度大，故本隧道列為項(xiàng)目重難點(diǎn)工程。

本項(xiàng)目所在地福建三明地區(qū)受地域限制和環(huán)境保護(hù)影響，傳統(tǒng)礦物摻合料粉煤灰、礦粉已經(jīng)出現(xiàn)資源短缺、價(jià)格上漲、質(zhì)量參差不齊的現(xiàn)象。而三明地區(qū)擁有大型鋼鐵廠，鋼鐵廠尾渣資源相對(duì)比較豐富、容易獲取、品質(zhì)容易控制、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)勢(shì)，從經(jīng)濟(jì)性、可操作性和混凝土穩(wěn)定性方面考慮，在混凝土中摻加鋼鐵廠尾渣加工而形成的礦渣粉有著巨大的應(yīng)用前景。本文以礦渣粉、粉煤灰、礦粉3種不同摻配比例進(jìn)行混凝土正交組合，通過對(duì)混凝土的耐久性、力學(xué)性、工作性能的多次試驗(yàn)，確定最優(yōu)礦渣粉、粉煤灰和礦粉的摻料配合比例，以滿足隧道工程施工對(duì)混凝土坍落度、流動(dòng)性、和易性的指標(biāo)，從而滿足強(qiáng)度、耐久性能。

2" 原材料的選擇

2.1" 水泥

按照J(rèn)TG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》、JTG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊(cè) 土建工程》等相關(guān)規(guī)范的要求，福建建福牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1，水泥主要力學(xué)、物理等技術(shù)指標(biāo)滿足施工要求。

2.2" 粉煤灰

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)拌制混凝土和砂漿用粉煤灰技術(shù)要求，福建省永安市生產(chǎn)、提供的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，經(jīng)過試驗(yàn)室的分析，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2，也是符合規(guī)范要求的。

2.3" 礦粉

礦粉來自于福建省鋼源粉體材料有限公司，經(jīng)過試驗(yàn)室的分析，其主要技術(shù)指標(biāo)見表3，也是符合規(guī)范要求的。

2.4" 礦渣粉

福建省三鋼（集團(tuán)）有限責(zé)任公司提供的礦渣粉，經(jīng)過試驗(yàn)室的分析，其主要技術(shù)指標(biāo)見表4，也是符合規(guī)范要求的。

2.5" 機(jī)制砂

機(jī)制砂由三明市交通發(fā)展集團(tuán)有限公司的下屬碎石場(chǎng)提供，經(jīng)過試驗(yàn)室的分析，其主要技術(shù)指標(biāo)見表5，也是符合規(guī)范要求的。

2.6" 碎石

碎石由三明市交通發(fā)展集團(tuán)有限公司的下屬碎石場(chǎng)提供，經(jīng)過試驗(yàn)室的分析，其主要技術(shù)指標(biāo)見表6，也是符合規(guī)范要求的。

2.7" 減水劑

廈門君科聚羧酸高性能減水劑提供的減水劑，經(jīng)過外委試驗(yàn)室的分析，其主要技術(shù)指標(biāo)見表7，是符合規(guī)范要求的。

2.8" 拌合水

明溪胡坊至三元巖前高速公路項(xiàng)目部2號(hào)拌合站提供的施工生產(chǎn)用水，經(jīng)過試驗(yàn)室的分析，其主要技術(shù)指標(biāo)見表8，是符合規(guī)范要求的。

3" 正交配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Orthogonalexperimental design）是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分析因式設(shè)計(jì)的主要方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

試驗(yàn)按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，以明溪胡坊至三元巖前高速公路項(xiàng)目部C30隧道工程用泵送混凝土為基準(zhǔn)，膠凝材料摻合料采用內(nèi)摻法，等量替代水泥，內(nèi)摻總比例為30%，礦物摻合料采用粉煤灰、礦粉和礦渣粉以不同比例進(jìn)行摻配。為保證正交試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，所有配合比的砂率規(guī)定為45%，水灰比規(guī)定為0.38，減水劑摻量規(guī)定為1.2%，單位用水量規(guī)定為168 kg/m3。正交配合比見表9。

4" 混凝土工作性能分析

依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)正交試驗(yàn)配合比進(jìn)行拌制，依次對(duì)新拌混凝土拌合物工作性能（即拌合物坍落度和擴(kuò)展度）進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

通過A-1、A-2、A-3和A-4這4組混凝土拌合物工作性能的對(duì)比，可知礦渣粉和粉煤灰雙摻的組合中，新拌混凝土的坍落度隨礦渣粉摻量的增加而增大，但擴(kuò)展度變化很小。在礦渣粉摻量為30%時(shí)，混凝土出現(xiàn)明顯的泌水現(xiàn)象，并且氣泡數(shù)量明顯增加。

由編號(hào)為A-4、B-4、C-4和D-4混凝土拌合物工作性能，可知細(xì)度很大的礦粉導(dǎo)致用水量增加，隨著礦粉摻量的增加，新拌混凝土的擴(kuò)展度和坍落度急劇減小，礦粉還可以提高混凝土的黏結(jié)力和保水性。

由編號(hào)為B-2、B-3、C-2、C-3、D-2和D-3混凝土拌合物工作性能，可知礦粉和礦渣粉的摻量對(duì)混凝土工作性能的影響有2種。礦粉含量的增加導(dǎo)致擴(kuò)展度和坍落度的降低，而礦渣粉含量的增加導(dǎo)致擴(kuò)展度和坍落度的增加。

5" 混凝土力學(xué)性能分析

混凝土試件的成型依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，每個(gè)配合比成型5組試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±2 ℃，濕度大于95%）中養(yǎng)護(hù)，并測(cè)定其7、14、28、56、90 d抗壓強(qiáng)度，各組混凝土試件抗壓強(qiáng)度見表11。

編號(hào)為A-1、A-2、A-3和A-4組成的粉煤灰和礦渣粉組合，其不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度如圖1所示。由圖1可知，加入摻量為10%的礦渣粉并不會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)?shù)V渣粉摻量大于10%時(shí)，混凝土強(qiáng)度降低。礦渣粉摻量在20%時(shí)，混凝土56 d抗壓強(qiáng)度已不能滿足試配強(qiáng)度要求，90 d抗壓強(qiáng)度略高于試配強(qiáng)度;礦渣粉摻量在30%時(shí)，混凝土56 d抗壓強(qiáng)度和90 d抗壓強(qiáng)度已不能滿足試配強(qiáng)度要求。

編號(hào)為A-4、B-4、C-4和D-4組成的礦粉和礦渣粉組合，其不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度如圖2所示。從圖2可以看出，礦粉的加入會(huì)增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，且會(huì)大大增加混凝土后期強(qiáng)度。礦粉摻量在3%，礦渣粉摻量在27%時(shí)，混凝土56 d抗壓強(qiáng)度不能滿足試配強(qiáng)度要求，90 d抗壓強(qiáng)度略高于試配強(qiáng)度;礦粉摻量在6%，礦渣粉摻量在24%時(shí)，混凝土56 d和90 d抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到試配強(qiáng)度的要求。

由編號(hào)為B-2、B-3、C-2、C-3、D-2和D-3組成的粉煤灰、礦粉和礦渣粉組合，其不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度如圖3所示。由圖3可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度穩(wěn)步提升，在7、14、28 d齡期時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度離散性較大，到56 d和90 d齡期時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度離散性收窄，上述各配合比56 d和90 d混凝土抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到試配強(qiáng)度要求。

6" 混凝土耐久性能分析

依據(jù)規(guī)范GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》成型混凝土試件，試件尺寸Φ100 mm×50 mm，在粉煤灰和礦渣粉的組合中每個(gè)配合比成型1組試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±2 ℃，濕度大于95%）中養(yǎng)護(hù)，測(cè)定其90 d電通量，混凝土電通量測(cè)試值見表12，電通量測(cè)試值折線圖如圖4所示。

由圖4可知，礦渣粉摻量的增加會(huì)導(dǎo)致混凝土的電通量增大，在編號(hào)為A-1、A-2和A-3的配合比中，不同比例的粉煤灰發(fā)生二次水化使混凝土結(jié)構(gòu)變密實(shí);在編號(hào)為A-4的配合比中，由于沒有摻入粉煤灰，混凝土電通量陡然增加。

7" 結(jié)論

通過對(duì)礦渣粉、粉煤灰、礦粉3種不同摻配比例的混凝土配合比正交試驗(yàn)，以及對(duì)混凝土拌合物性能試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度、電通量的試驗(yàn)，結(jié)合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下結(jié)論。

1）礦渣粉是不能完全代替水泥，單獨(dú)使用在大摻量礦物摻合料的混凝土中。

2）在粉煤灰和礦渣粉組成的礦物摻合料中，當(dāng)粉煤灰和礦渣粉的比例在1∶1時(shí)，對(duì)混凝土的各方面性能來說比較合適的。

3）由礦粉—礦渣粉組成的改良礦渣粉中，礦粉與礦渣粉的比例在1∶7～1∶5較為合適，是可以滿足C30混凝土的隧道工程施工。

4）由粉煤灰—礦粉—礦渣粉混合組成的礦物摻合料中，粉煤灰、礦粉和礦渣粉的比例為3∶1∶6是比較合適的，可以達(dá)到混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

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第一作者簡(jiǎn)介：錢治國(guó)（1975-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榈缆放c鐵道工程。