陈立军，李国盛，伍国星

（中交路桥华东工程有限公司，上海 201203）

1 引言

贵州高速公路的建设总里程已突破8 000 km，在“十四五”规划期间，还将开工建设一大批省际通道、普通公路以及高速公路等，继续为贵州的高质量发展提供重要支撑，由于高速公路的大量建设且桥隧比占比大，混凝土的需求量大，尤其是中低标号混凝土对砂石需求量很大，在西南地区，优质河沙资源匮乏，且运输距离远，成本高，并且运输受限，而石灰岩母材蕴藏较为丰富，就地取材加工为机制砂及碎石，既能减少弃渣占用的土地，又能作为资源合理化利用。

2 工程概况

毛栗坪隧道位于贵州省铜仁市石阡县石固乡与青阳乡境内，隧道全长4 691 m，弃渣约为100万m3，开挖揭示含有石灰岩地层。贵阳矿产资源监督检测中心岩矿鉴定报告显示，矿物组分主要为方解石，含少量白云岩、黏土矿物、褐铁矿等（方解石占90%，白云石占5%~10%，黏土占2%~3%，褐铁矿占1%），经过对弃渣进行筛选与试验，对强度、密度、含泥量及吸水率等进行测定，可作为加工机制砂母材，但为高含粉量机制砂。

3 试验目的

主要利用隧道石灰岩弃渣作为母材加工机制砂，该机制砂石粉含量高，石粉含量作为机制砂中重要指标之一[1]，试验通过筛洗和掺入不同含粉量机制砂进行优化中低标号混凝土配合比，使混凝土满足施工和设计要求，通过对经筛洗为无石粉含量的机制砂进行基准配合比设计及确定机制砂中筛洗出的石粉与亚甲蓝值（MB）线性关系，在无石粉含量机制砂中掺配不同量的石粉，与水泥、粉煤灰及外加剂等进行搅拌，最后，对拌和混凝土的工作特性、力学性质等进行对比分析，优化高石粉含量机制砂混凝土的配合比设计，利用优化后的配合比在实际施工中进行亚甲蓝MB值测定，完成中低标号混凝土的配合比设计及施工应用。

4 试验材料

根据现场实际选择隧道弃渣加工的机制砂、碎石以及当地外购的水泥、粉煤灰外加剂等开展试验，具体材料来源及主要特性指标为：

1）石粉：隧道弃渣加工机制砂，经对机制砂筛洗或风选，选择通过75μm筛孔径且未经过二次磨细的原状石粉。

2）水泥：贵州铜仁市海螺盘江水泥厂生产的P·O42.5R水泥，经试验，细度、初凝时间、终凝时间及强度等主要技术指标全部合格。

3）粉煤灰：粉煤灰为贵州黔东火电厂生产的F类II级粉煤灰。

4）细骨料：采用隧道弃渣中经筛分加工的中砂。

5）碎石：筛选隧道弃渣中经加工的碎石，5~25 mm连续级配。

6）外加剂：四川信高通科技有限公司XGT-HPWR-S型聚羧酸高性能减水剂。

7）拌和水：净化检验合格的河沟水。

其主要材料技术性能指标见表1~表3。

表1 水泥主要材料技术性能指标

表2 粉煤灰主要技术性能指标%

表3 机制砂主要级配指标

5 试验过程

在隧道弃渣加工生产的机制砂中取样，然后进行水洗，筛取或风选粒径小于75μm筛孔的石，按不同掺配数量加入经过清洗无石粉的机制砂中，在此基础上调整水泥、粉煤灰、矿粉及外加剂等掺量，优化中低标号混凝土配合比。

5.1 利用亚甲蓝法测含粉量

亚甲蓝溶液按国家相关标准规定的方法进行配制，通过亚甲蓝法试验和结果评定确定机制砂石粉含量。

取一定质量筛洗的石粉按定质量进行添加，记录每个石粉重量下需要的亚甲蓝溶液用量，绘制机制砂含粉量和亚甲蓝溶液消耗量的关系，可以直接通过亚甲蓝溶液试验测得机制砂的含粉量，为混凝土配比提供数据参考。

5.2 砂率

随着石粉掺入量的增多，砂率也有一定的提高。而由于石粉颗粒粒径一般小于75μm，同水泥、粉煤灰颗粒尺寸相近，理解为在机制砂中掺入石粉相当于为混凝土中添加了胶凝材料，而机制砂的（75μm~4.75 mm）用量也将下降，所以，需要增加机制砂的使用量，提高砂率。

5.3 外加剂掺量

在机制砂中掺入与水泥、粉煤灰粒度相应的石粉，相当于增加胶凝材料。所以，在计算过程中，应把石粉归入胶凝材料，并由此确定外加剂用量。

5.4 石粉含量

对于不同强度等级的水泥，最佳石粉含量差异很大，对于C30强度等级混凝土以下，胶凝材料数量较小，且水泥的和易性差，不易泵送浇筑，所以，对于低强度等级水泥，应采用在不降低混凝土强度等级的前提下的最大石粉含量；对于C30及以上强度稍高的混凝土，本身已具有了较好的和易度，基本可满足泵送现场施工，采用了强度等级增加的最大值。

在外加剂和砂率不变的前提下，通过调整石粉含量，能有效地改变混凝土的特性（增强和易性和强度等）。随着混凝土强度等级，以及胶凝材料比例的提高，和易度改善效果逐步减弱。另外，机制砂中加入适量的石粉数量，有助于增加混凝土强度，但石粉超过一定程度，会对混凝土强度产生很大的负面影响，并增加混凝土坍落率。试验结果证实，随着混凝土强度等级的提高，胶凝材料的总量增大，在混凝土强度等级不变的前提下，石粉的掺入比例变小。

采用机制砂进行基准配合比拌和，得到最优砂率、混凝土外加剂掺入量等数据后，进行对比测试，由于石粉掺入量和水泥强度等级的改变，砂率、混凝土外加剂掺入量需要进行适当的调节，以得到良好的混凝土和易性。所以，在后期试验过程中，同强度级别的混凝土，除石粉掺入量、用砂率和外加剂掺入量需要做适当变化，其余材料用量均不做调节，以对比不同配合比下混凝土特性。实测数值见表4。

表4 混凝土拌和对比数据

由表4可见，不同标号的混凝土掺入一定量的石粉含量后，工作性能指标、力学强度均可满足施工和设计要求。

6 试验结果分析

石粉主要是指岩石经过机械加工后的微细颗粒，混凝土中胶凝材料和水的用量较少，当人工砂中含有适量的石粉时，石粉在砂浆中能替代部分掺合料，与胶凝材料一起起填充空隙和包裹砂粒表面的作用，相当于增加了胶凝材料浆体，能在一定程度上改善灰浆量较少的混凝土拌和物的和易性，增进混凝土的匀质性、密实性、抗渗性。

经过大量试验数据分析得出，胶凝材料用量减少时，石粉的存在可以弥补矿料的空隙，在一定程度上，混凝土的泌水率随着石粉含量的增加而降低，机制砂石粉含量存在最佳值，等级越高，石粉含量的最佳值越低，中低标号强度等级混凝土在不同的强度等级的情况下，均存在对应的最佳石粉含量（见表5）[2]，此时，中低标号强度等级混凝土的工作性、力学性能及耐久性均能满足设计要求。

表5 中低标号强度等级混凝土最优石粉掺入量

机制砂中石粉含量在小于一定比例范围，填充机制砂及矿料之间的空隙，改善级配，有利于提高水泥的水化，从而提高混凝土强度，当机制砂超过一定比例范围时，造成胶集比偏大，削弱了混凝土的强度，为满足优化后的配合比要求，在生产中采用电动吸尘或水洗法进行生产，当要求石粉含量偏低时，必须采用水洗法，但也要保证原有机制砂的级配，在此基础上也要通过试验确定石粉掺量的最优范围[3]，以保证机制砂混凝土的工作性、力学性能及耐久性。

7 结语

综上所述，贵州省黔东南地区河沙资源匮乏，而石灰岩较为丰富，可作为加工机制砂的母材利用。通过大量试验可知，机制砂经筛洗后进行配合比设计，并且在基准配合比的基础上掺入不同量的石粉配制中低标号的混凝土，混凝土的工作特性、力学特性及耐久性等均能满足施工和设计要求。配制过程中，最佳石粉掺量可以作为机制砂加工和中低标号混凝土配置的参考，这样可将弃渣作为机制砂母材本着就地取材，资源得到了有效利用，生产的混凝土质量也能得到保证，同时弃渣占地面积减少，机制砂加工成本较购买在一定程度上也得到节约。