摘要：结合贵阳地铁3号线混凝土管片预制，贵州地区缺少天然河砂的情况，就用机制砂代替天然河砂配置C50高性能混凝土进行探讨，如何使混凝土工作性能及耐久性指标满足设计和规范要求，确保地铁盾构施工工期进行阐述，总结机制砂在地铁盾构混凝土管片预制中的运用，解决天然河砂资源溃泛现实问题。
关键词：贵阳地铁、机制砂、地铁盾构、管片混凝土
一、概述
贵阳市地下地质属于喀斯特岩山结构，未曾有盾构法施工的地铁经验，故地铁1、2线均采用矿山法进行开挖施工，开挖面大、工期长，严重影响城市交通系统运行。为此在地铁3、S2号线建设前，提出了盾构法进行地下施工，减少地面开挖工程量，加快施工进度的要求。
地铁3号线一期工程起点于花溪的桐木岭站，终点为乌当区洛湾站。线线路全长43.191km，其中地下线41.833km，预制盾构管片约35000环，35万m3 高性能C50耐久性混凝土。
二、地铁盾构管片的结构形式及技术要求
1.盾构隧道的结构采用平板型单层管片衬砌，采用错缝拼装方式，其设计参数如下：
直径：外径∅6200mm，内径∅5500mm
厚度：350mm 环宽：1500mm
衬砌环型式：通用楔形环楔形量45mm（双面楔形）
2.管片技术要求
强度要求：每天需随机取样成型三组试件，分别用于脱模和出厂强度检验及评定混凝土28d抗压强度。
管片需按设计要求进行抗弯、抗渗、三环拼装、抗拔检验，其检验标准及要求详见GB/T 22082-2017《预制混凝土衬砌管片》及相关规范、规程及标准。
三、管片混凝土材料耐久性设计与性能要求。
1.耐久性设计要求
盾构管片混凝土设计使用年限为100年，根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》，按照环境类别与作用等级为Ⅰ-C进行耐久性设计。混凝土须选用R42.5的PO、PI、PⅡ型水泥以及坚固耐久、级配合格、粒形良好的骨料为原料；添加优质粉煤灰（≥Ⅱ级灰）等超细矿物掺和料、高效减水剂（减水率≥25%），配制耐久性为重点的高性能混凝土。控制混凝土初期开裂与收缩裂缝，以确保结构混凝土自防水性能。具体要求如下：
1）混凝土强度等级≥C50，抗渗等级≥P12；2）胶凝材料用量360kg/m3 ~480kg/m3；
3）水胶比≤0.36；
4）混凝土氯离子扩散系数≤3.0×10-12/m2；
5）碱含量≤3kg/m3；
6）氯离子含量不超过胶凝材料重量的0.06%.
2.混凝土耐久性要求
1）混凝土碱含量检验
在确定混凝土原材料及配合比前，必须进行混凝土碱含量检验和水泥碱含量和骨料碱活性测试。碱含量及骨料碱活性分别按GB175-2007《通用硅酸盐水泥》、JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》进行。
2）混凝土耐久性检验
检测范围：确定配合比前，须进行原材料的氯离子含量、碱含量等检测；另还须进行混凝土碱含量、氯离子含量、混凝土快速碳化深度、混凝土抗裂性、电通量和氯离子扩散系数的检测。
3.混凝土施工工作性能要求
混凝土坍落度为50-80mm，初凝时间30min，7h脱模强度大于15MPa。
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四、机制砂的特点
1．机制砂的生产方式不同的特点
贵州地区基本是使用岩石加工机制砂，大致分为专业化生产的精品砂和碎石破碎生产的砂两个种类，前者是利用专业制砂设备按需要控制砂的粒形、细度模数、粉含量和颗粒级配等指标生产，砂颗粒级配、粒形好，质量优良，便于混凝土生产控制，但价格较高，市场接受程度差。大量充斥着市场的是碎石破碎生产的机制砂，该类砂粒形、级配差、石粉含量不稳定等，特别是经水洗除粉的砂级配更差。
2．颗粒粒形与级配
目前使用的机制砂由机械破碎获得，粒形多呈长方体、三角体或片状，表面粗糙、多棱角。表面粗糙有利于提高水泥浆体与其粘结能力，但较大的比表面积和粗糙的表面使得用水量增加，为克服颗粒间摩擦力，提高流动性，骨料表面浆体厚度增加。
机制砂的级配也很不合理，特别是为降低石粉含量经水洗后的机制砂，一般表现为“两头大，中间小”，甚至出现某一粒级断档、部分粗颗粒太多。用这样的机制砂拌制的混凝土拌合物和易性较差，甚至泌水。
3．石粉对混凝土工作性影响
机制砂的显著特点是含有一定量的石粉含量，含泥量波动较大，质量难以控制。石粉对混凝土工作性既有正面影响也有负面影响，一方面石粉会吸附一定的水及外加剂，增加混凝土用水量或外加剂掺量，混凝土坍落度损失难以控制、收缩增大；另一方面，石粉可以改善由于机制砂级配较差，易离析、泌水的缺点，增加混凝土稠度，改善混凝土和易性，提高混凝土的密实性。
机制砂中石粉含量不能太高也不能太低，控制一个合适的范围，对于C50管片混凝土，机制砂中含有7%～10%的石粉可以补充胶凝材料，增加浆体量，改善混凝土的和易性。
五、机制砂配合比设计思路
1.配合比设计
现在配制机制砂混凝土时，需充分考虑机制砂的特点，对配制混凝土中的一些敏感因素（如外加剂种类及掺量、矿物掺合料以及砂率、石粉含量等）及相互之间的关联进行实质性的研究。
2.工作性能
机制砂与天然砂相比，机制砂有级配差、细度模数较大，表面粗糙、颗粒尖锐有棱角、吸水性大于天然河砂等特点，这都造成混凝土用水量偏高，坍落度损失大。骨料和水泥之间的粘结增加，使混凝土拌合物的阻力增大，混凝土工作性能差，流动性不良。在配制混凝土时，应适当提高砂率，增加用水量，以改善混凝土的工作。且其优良的粘结性能并不会使混凝土强度降低。
3.综合考虑机制砂特点，采用的贵阳地铁管片C50混凝土配合比如下：
水泥：粉煤灰：精品砂：机制砂：碎石5-10：碎石10-20：减水剂：水=370：10：120：720：120：965：3.5：130，水泥：P.O42.5硅酸盐泥，外掺料：Ⅱ级粉煤灰，减水剂：早强型聚羧酸减水剂
六、配合比设计的注意事项
结合机制砂的特点，在配合比设计时应充分考虑其特点，有的放矢，调整传统河砂配制混凝土的思路，配合比设计时做以下探索：
1.机制砂中石粉不同于泥粉且含量较大，使得混凝土中粉状级别材料从传统的“水泥+外掺料”演变成“水泥+外掺料+石粉”，设计时应将胶凝材料重新设计。机制砂中的石粉可以考虑部分替代粉煤灰等外掺料。
设计前应就砂中石粉（小于75μm）进行筛分，检测其中小于45μm的质量（约占石粉量的50%）乘以约1.1的系数后考虑替换量（须扣除泥粉量），并据其参量考虑强度相应的影响系数。使用中应注意量的把握，取代量不要超过胶材的10%。
2.考虑到机制砂表面粗糙，级配不好，特别是水洗砂，混凝土工作性能差等。在配合比设计时可考虑单独掺加一定量的精品细砂，以调节砂的级配，保证级配的稳定。
3.石粉含量偏多时，需考虑其对外加剂的物理吸附作用。针对机制砂调整减水剂配方，如适当增加引气成份以改善和易性。在保证混凝土工作性能的前提下尽可能降低混凝土的粘稠度，以减少管片表面气泡数量，提高产品外观质量。
4.机制砂的泥粉与小于15μm石粉应区别对待，严格控制泥粉含量，在干燥状态下可以其颜色与其母岩颜色接近程度来快速初步判断，颜色越接近泥粉含量就越低。
5.砂率的大小对混凝土工作性具有重要影响，一般来说随着砂率的增加混凝土的粘聚性先增加后降低，需找到一个最佳砂率，并适当提高砂率3%～5%改善砂浆对粗骨料的包裹性，减少施工后管片表面混凝土浆体量过多容易收裂的现象，方便管片外弧面成型施工。
当细度模数偏高时，粒径较大的部分在配合比设计时可以将其作为部分粗骨料考虑，调整粗骨料级配。
结束语
贵阳地铁3号线从2019年开始建设，用机制砂已预制混凝土管片4000多环，完成2000余环管片的盾构施工。管片混凝土的耐久性、强度、工艺性能、产品性能等指标均满足设计和规范要求。用机制砂混凝土预制地铁管片，解决了天然河砂资源溃泛、供应量逐渐减少且外地运输成本较高的现实问题，满足贵阳地铁工程的建设需要，降低工程造价，节约成本，取得较好的社会和经济效益。
论文作者:张家均
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/2/24
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