张 雷

(山东临沂水利工程总公司，山东 临沂 276000)

大型水利工程一般由大坝、溢洪道以及引(输)水隧洞等建筑物构成。随着施工技术的发展和进步，在长距离引(输)水隧洞建设中，盾构技术的应用日渐广泛。在水工隧洞盾构施工过程中，往往会产生数量巨大的开挖料。对于这些开挖弃料，目前的通用做法是设置弃碴场永久堆放，这不仅会占用大量的土地资源，还会对周边的生态环境造成严重破坏[1]。基于此，强化盾构开挖料的综合利用研究就显得尤为重要。其中，将开挖料筛分之后用于替代混凝土骨料就是其中一例。另一方面，水利工程建设往往需要大体积混凝土浇筑，砂石料的单价也就成为影响工程造价的重要指标。因此，将盾构开挖料用于替代混凝土骨料，有利于降低水利工程的造价，具有重要经济意义[2]。基于此，此次研究通过室内试验的方式，从材料强度的视角探讨水工隧洞盾构开挖料用于胶凝砂砾石材料的可行性，并探讨相关参数的具体影响，以便工程层面的应用提供有益的借鉴和支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

在胶凝砂砾石材料中，水泥是主要的胶凝材料且用量较小，因此对材料的强度存在较为明显的影响[3]。因此，在胶凝砂砾石材料的制作和使用过程中，对水泥的选择尤为重要，在此次研究中，综合考虑强度、耐久性以及工程的经济性，在试验中选择P.O42.5普通硅酸盐水泥。

在胶凝砂砾石材料中掺入一定量的粉煤灰，不仅有助于提高胶凝砂砾材料的强度，还可以提升其拌合性和流动性[4]。同时，由于粉煤灰属于工业废料，在实际工程中应用对生态环境也具有一定的帮助。此次试验中选择是电厂出产的Ⅱ级粉煤灰，其密度为2.11g/cm3，需水量为102%。

试验中使用的骨料为天然河道原状砂砾石和盾构开挖料。其中天然河道原状砂砾石取自于河道砂石料厂，其料源充足，级配完整；水工隧洞盾构开挖料取自某重点水利工程输水隧洞的盾构施工现场。对取得的样品按照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》中的方法和原理进行检验，结果显示其堆积密度为1460kg/m3；表观密度为2650kg/m3；含泥量为4%；压碎率为8.7%。检验结果均符合相关要求，材料的质量相对较好。试验用细骨料为河沙，其含泥量小于2.7%，细度模数为2.58。试验用水为普通自来水。

1.2 试件的制作

胶凝砂砾石材料的拌合采用的是单卧轴混凝土搅拌机。首先将称量好的骨料、胶凝材料依次倒入搅拌仓搅拌30s，然后加入水再搅拌2min，直至胶凝材料和骨料充分接触并均匀包裹住骨料为止[5]。将搅拌均匀的胶凝砂砾石料装入尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试模，然后从边缘至中心进行插捣，插捣次数不少于50次。将时间运输到磁性振动台振动12～20s，然后用抹刀将表面抹平，静置24h拆模[6]。将拆模后的试件逐一编号后移入标准养护室养护至规定龄期。

1.3 试验方法

待立方体试件达到试验确定的养护龄期之后，将试件从养护时取出并尽快进行抗压强度试验。在试验开始之前，首先测量试件的尺寸，并将测量结果精确到1mm之内。将时间放置并移动到压力机下压板的中心部位，然后调节上压板与试件上面接触。将加载速率调整为0.3MPa/s，然后开始均匀加载，在试件达到破坏临界变形后停止试验并记录破坏荷载[7]。根据试验数据计算出试件的抗压强度值，计算利用如下：

(1)

式中，fcc—试件的抗压强度，MPa；F—试件破坏时的荷载，N；A—试件的承压面积，mm2。

劈裂抗拉强度试验和抗压强度试验的试模尺寸一致，试验中将试件放在压力试验机的中心位置，在压板和试件之间垫上垫条，然后以0.01MPa/s的加载速率进行试验，直至试件破坏并记录下破坏荷载，然后利用如下公式计算试件的劈裂抗拉强度[8]。

(2)

式中，fts—劈裂抗拉强度，MPa；P—破坏荷载，N；A—试件的承压面积，mm2。

试验中对每组试验方案选择3个试件进行试验，将试验结果的均值作为最终试验结果。

1.4 试验方案

在利用水工隧洞盾构开挖料制作胶凝砂砾石材料的过程中，材料最终的抗压强度不仅和盾构开挖料对河道砂砾石的取代率有关，同时和胶凝材料用量存在显著的关联[9]。基于此，此次研究中结合相关研究成果和工程经验，设计30、35、40、45、50、55、60kg/m3等7种不同的胶凝材料用量；设计0、20%、40%、60%、80%、100%等5个不同的水工隧洞盾构开挖料取代率对试件7d和28d龄期的抗压强度和劈裂抗拉强度进行试验。根据试验结果，探讨水工隧洞盾构开挖料掺量对水工混凝土强度的影响。

2 试验结果与分析

2.1 盾构开挖料取代率

为了控制试验次数，降低试验成本，研究中保持40kg/m3的胶凝材料用量不变，对不同盾构开挖料取代率条件下的胶凝砂砾石材料的抗压强度和劈裂抗拉强度进行试验[10]，试验结果见表1。由表中可以看出，盾构开挖料取代率对胶凝砂砾石材料的抗压强度和劈裂抗拉强度存在较为明显的影响，随着盾构开挖料用量的增加，胶凝砂砾石材料的强度呈现出不断减小的变化趋势。

表1 不同盾构开挖料取代率的胶凝砂砾石材料强度试验结果

为了进一步明确盾构开挖料掺量对胶凝砂砾石材料强度的影响规律，根据试验结果绘制出不同龄期条件下胶凝砂砾石材料抗压强度和劈裂抗拉强度随盾构开挖料取代率的变化曲线，结果如图1—2所示。由图3—4可以看出，利用一定量的盾构开挖料取代胶凝砂砾石材料中的天然骨料不会对材料的强度造成显著影响。当盾构开挖料的取代率小于60%时，胶凝砂砾石材料的抗压强度和劈裂抗拉强度值下降不明显，当盾构开挖料的取代率大于60%时，胶凝砂砾石材料的抗压强度和劈裂抗拉强度值会迅速降低。由此可见，在具体工程应用中，建议用盾构开挖料的取代60%的天然骨料，不仅有利于降低工程成本和保护环境，同时也不会对材料的强度性能造成明显影响。

图1 抗压强度随盾构开挖料取代率变化曲线

图2 劈裂抗拉强度随盾构开挖料取代率变化曲线

2.2 胶凝材料用量

在研究中保持60%的盾构开挖料取代率和其他配合比参数不变，对不同胶凝材料用量条件下的胶凝砂砾石材料的抗压强度和劈裂抗拉强度进行试验，试验结果见表2。由表中可以看出，胶凝材料的含量会对60%的盾构开挖料取代率条件下的胶凝砂砾石材料的抗压强度和劈裂抗拉强度存在较为明显的影响，随着胶凝材料用量的增加，胶凝砂砾石材料的强度呈现出不断增长的变化趋势。由此可见，选择合适的胶凝材料用量对保证胶凝砂砾石材料的强度和工程经济性居于重要意义。

表2 不同胶凝材料用量的胶凝砂砾石材料强度试验结果

为了进一步明确胶凝材料含量对胶凝砂砾石材料强度的影响规律，根据试验结果绘制出不同龄期条件下胶凝砂砾石材料抗压强度和劈裂抗拉强度随胶凝材料用量的变化曲线，结果如图3—4所示。由图3—4可以看出，当胶凝材料用量小于45kg/m3时，胶凝砂砾石材料的抗压强度和劈裂抗拉强度值增长较为迅速，当胶凝材料用量大于45kg/m3时，胶凝砂砾石材料的抗压强度和劈裂抗拉强度值增长较为有限。结合试验结果和工程的经济性，建议在工程施工中采用45kg/m3的胶凝材料用量。

图3 抗压强度随胶凝材料用量变化曲线

图4 劈裂抗拉强度随胶凝材料用量变化曲线

3 结语

水利工程建设往往会产生大量的弃渣，其随意堆放会对周边的生态环境造成严重破坏。因此，加强对工程弃渣的资源化利用研究具有重要的经济意义和生态意义。此次研究通过室内试验的方式，探讨了水工隧洞盾构施工开挖料用于胶凝砂砾石材料的可行性。试验结果显示，利用盾构开挖料取代一定量的天然骨料，不会对胶凝砂砾石材料的强度产生显著影响，具有一定的工程应用和推广价值。当然，此次研究受到诸多因素的影响，试验组数相对较少且仅进行了强度试验，今后的研究中需要进一步开展渗透性和防冻性方面的研究，进一步论证其工程应用的可行性。