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121现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 2 期2024 年 1 月Vol.3 No.2Jan.2024混合砂在地铁盾构衬砌管片混凝土中的应用研究简相印中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京101300摘要：旨在对比分析混合砂混凝土与河砂混凝土在工作性能、强度和抗氯离子渗透能力等方面的表现，进而评估混合砂混凝土在工程实际中的可行性和经济效益。通过实验室试验对比了混合砂混凝土与河砂混凝土在相同配合比下的坍落度、早期及后期强度，并测定了两者的抗氯离子渗透性能。实验表明，预制混凝土衬砌管片各项检测指标均符合设计要求。混合砂混凝土尽管在工作性能上略逊于河砂混凝土，但其后期强度和抗氯离子渗透性能表现出较高优越性，且预制混凝土衬砌管片的各项检测均满足设计要求。因此，混合砂混凝土在工程实际中具有一定的可行性和经济效益，值得进一步推广和应用。关键词：混合砂；管片混凝土；工作性能；强度中图分类号：U455.43;U231.3 文献标识码：AResearch on the Application of Mixed Sand in the Concrete of Subway Shield Tunnel Lining SegmentsJian XiangyinChina Railway 19th Bureau Group Rail Transit Engineering Co.Ltd.,Beijing 101300Abstract:Intended to compare and analyze the performance of mixed sand concrete and river sand concrete in terms of workability,strength,and resistance to chloride ion penetration,in order to evaluate the potential application and economic benefits of mixed sand concrete in engineering practice.The slump,early and late strength of mixed sand concrete and river sand concrete were compared through laboratory experiments at the same mix ratio,and their resistance to chloride ion penetration was measured.The experiment shows that all detection indicators of prefabricated concrete lining segments meet the design requirements.Although mixed sand concrete is slightly inferior to river sand concrete in terms of working performance,its later strength and resistance to chloride ion penetration performance show high superiority,and the various tests of prefabricated concrete lining segments meet the design requirements.Therefore,mixed sand concrete has certain feasibility and economic benefits in engineering practice,and is worth further promotion and application.Keywords:mixed sand;concrete for pipe segments;working performance;strength作者简介：简相印（1996），男，中铁十九局集团轨道交通工程有限公司助理工程师，研究方向为地铁施工技术。混凝土管片在设计时需要保证其低坍落度、优异的施工性能、高强度及出色的耐久性。传统的地铁预制混凝土管片主要以天然河砂为关键材料。然而，由于天然河砂资源逐渐减少，寻找满足管片设计要求的河砂变得日益困难，这意味着继续依赖河砂来生产地铁衬砌管片可能不是一个长期可行的策略。因此，寻找替代材料迫在眉睫。机制砂作为一个备选方案，在多个项目如水利、城市建设、居民楼和核电站中已得到广泛应用。然而，由于其颗粒形态、较为粗糙的表面和不完美的粒度分布，使用机制砂的混凝土工作性能常常不如河砂混凝土。但通过选择高质量的机制砂、混凝土并优化配比，以及强化生产流程监控，可生产高品质的机制砂混凝土管片。本研究采纳了机制砂与天然河砂的混合方案，即混合砂，并验证混合砂在地铁盾构衬砌管片混凝土中的应用潜力1。1预制混凝土管片设计标准1.1管片混凝土规范要求混凝土管片应采用C50高性能混凝土，其抗透性能需满足或超越P10标准。黏结材料的含量设定为450 500kg/m，而水粘比不得超过0.35。混凝土中的氯含量限定为0.06%以下，碱性物质含量则不应超过3.0kg/m。当达到56天时，电阻值应低于或为1000C，而氯离子的扩散率RCM不得超过3.010-12m/s。如果混凝土管片不能满足氯离子扩散率的技术规定或在侵蚀性环境中使用，必须考虑给管片添加外部防护涂层的解决方案。1222024 年 1 月第 3 卷第 2 期现 代 工 程 科 技1221.2外观及尺寸偏差标准管片的表面要求应呈现整洁无明显瑕疵，其中的严重缺陷如蜂巢、空隙、露出的钢筋、杂质、疏漏及明显裂纹都应被避免。而对于边缘损伤、不光滑区域、粗糙表面、附着、表面起砂及偶尔出现的小气泡，是可以接受并进行修补的。管片的外观评估和标准化应根据 预制混凝土管片技术准则（GB/T 220822017）的要点来执行。在制造流程中，每完成30套管片的生产，应随机挑选1套进行形状误差的检查。每块管片的形状误差容许范围是：宽度1mm、厚度范围13mm、钢筋的保护层范围35mm。1.3水平组装及成品泄漏测试水平配合试验的核心是确认管片在接合处的匹配度能否达到设计标准。按照现有的相关规则和设计指导，决定管片水平配合的样本检测频次。完工防渗性能检验则需要按照 预制混凝土管片技术规格（GB/T 220822017）附录A的准则来完成。按照技术标准，在1.0MPa的水压试验压力中，持续3h，应确保无水渗漏，且水渗入深度不能超过8cm。关于管片完工防渗的检验取样频次，也应根据当前的相应规定和设计指引来执行。1.4抗弯、抗拉性能测试管片的弯曲强度检验应按 预制混凝土管片技术标准（GB/T 220822017）附录B的方向操作，并确保测试数据达到设计规范。而拉伸强度的评估则需遵循 预制混凝土管片技术规格（GB/T 220822017）附录C的指示来完成。2材料选择与性能检测2.1水泥混凝土管片推荐使用不低于42.5强度等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，其特性应包括质量稳定性、低热水化和较低的碱含量。在本试验中，选用52.5级硅酸盐水泥，其性能测试结果如表1所示。2.2矿物掺合物采用高品质的粉煤灰及颗粒化的高炉渣作为超微粒矿性添加剂，可有效增强管片混凝土的防渗特性。这些矿物质也有助于限制混凝土在初期形成的裂纹及缩小裂隙，进而增强混凝土的自身防水性能2。粉煤灰应符合 水泥和混凝土用粉煤灰技术规范（GB/T 15962017）中的级或更高标准。在此研究中，采用了F型级粉煤灰，相应的技术测试结果见表2。而颗粒化高炉渣应达到 水泥、砂浆及混凝土用高炉渣粉技术规范（GB/T 180462017）中S95级或以上的标准。在这次试验中，采用了S95级矿渣粉，性能测试结果见表3。表1水泥性能测试结果项目比表面积（m2/kg）安定性抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）凝结时间（min）3d28d3d28d初凝终凝性能340合格30.159.36.18.5175242表2粉煤灰性能测试结果（单位：%）项目细度需水量比烧失量含水量SO3fCaO性能10.2942.430.20.560.54表3矿粉性能测试结果项目密度（g/cm2）比表面积（m2/kg）活性指数（%）烧失量（质量分数）（）含水量（质量分数）（）流动度 比（）7d28d性能指标2.8941977990.490.21002.3细骨料管片制造过程中主要采用的微型骨料是天然河砂，相关的技术测试数据展示见表4。初次实验尝试纯粹利用机制砂来取代天然河砂。但数据显示，机制砂在混凝土工作性能上稍微弱于天然河砂，导致施工过程中出现了挑战。因此，提议用机制砂与天然微砂的组合，即混合砂，作为微型骨料，其比例基于砂的筛选分析和混凝土的预试验。经过多次试验，混合砂的最佳配比被确定为机制砂微砂=73（按质量计），与此相关的技术测试数据见表5。表4天然河砂性能测试结果项目细度模数泥块含量（%）含泥量（%）氯离子含量（%）性能2.60.00.80.002表5混合砂性能测试结果项目细度模数泥块含量（%）含泥量（%）氯离子含量（%）性能2.70.06.00.0012.4粗骨料采用的粗骨料是一种精选的525mm连续级配碎石，确保混凝土的均匀性和结构完整性。这种粗骨料的特点是其粒度的广泛分布，从较小的5mm到较大的25mm。为了达到最佳的混合效果和性能，碎石是通过结合两个不同大小范围的石料来混合的：510mm的碎石和1020mm的碎石。这种特定的组合方式旨在确保混凝土有足够的强度和紧密性。123简相印：混合砂在地铁盾构衬砌管片混凝土中的应用研究应用科技在粗骨料的混合过程中，比例尤为关键。经过多次试验和优化，确定了510mm碎石和1020mm碎石的最佳质量比为46。这种配比确保了混凝土的连续性和一致性，同时还提供了足够的空隙，使得混凝土在充分压实后能达到预期的强度和耐久性。对于这种混合物的性能情况，有一系列的数据进行支持。这些数据涵盖了各种关键性能指标，包括但不限于抗压强度、抗拉强度和耐久性，如表6所示。2.5减水剂的选择与应用混凝土拌制过程中，减水剂的使用是为了减少水的量，从而实现高性能混凝土的目标。减水剂不仅有助于减少拌和水的用量，还能提高混凝土的工作性和强度。聚羧酸减水剂因其优越的性能而受到广泛推崇。这类减水剂可以显著提高混凝土的浇筑性，同时确保其强度和耐久性。实验中，为了追求更快的强度增长和更好的早期性能，选择聚羧酸高效减水剂（早强型）进行测试。关于此减水剂的各种性能测试，包括它如何影响混凝土的工作性、早期和后期强度以及其他关键性能指标，在表7中进行了详细列举。通过对这些数据的研究，可以为混凝土的配合比选择提供参考。至于混凝土拌制中的用水，应完全满足 混凝土用水标准（JGJ 632006）的 规定。表6粗骨料性能测试结果（%）项目含泥量泥块含量针、片状颗粒总含量压碎值指标性能0.30.026.3 表7 聚羧酸高性能减水剂性能测试结果（%）项目氯离子含量总碱量减水率泌水率比含气量抗压强度比1d3d7d28d性能0.011.2828182.71741681581473配合比的设计与效果评估3.1C50管片混凝土配合比设计对 于 管 片 用 的 混 凝 土，其 坍 落 度 应 保 持 在3070mm，这不仅确保了混凝土具有均匀的搅拌效果和统一的颜色，还保证了其出色的施工性能。此外，需要具备高的早期强度，并且要满足长期耐久性的设计标准，从而可以满足管片的脱模以及钢模的快速周转需求。在本次试验中，采用了混合砂来替代传统的天然河砂，用以制备C50的管片混凝土。具体的混凝土配合比如表8所示。3.2混合砂和天然河砂在C50管片混凝土中的性能比较在进行了一系列的试验后，比较了加入天然河砂和加入混合砂的混凝土在拌合物性质、力学特性和耐久性上的差异。通过全方位的测试和分析，对两种混凝土的性能进行了深入的了解。相关试验数据如表9所示。表8C50管片混凝土配合比（kg/m3）水泥粉煤灰矿粉混合砂碎石减水剂水3311062365611665.06138表9C50管片混凝土拌合物性能和力学性能测试结果砂种类坍落度（mm）拌合物和易性抗压强度（MPa）56d 氯离子 扩散系数（10-12m2/s）56d 电通量（C）3d7d28d河砂60黏聚性 良好/56.467.62.2876混合砂50黏聚性 一般46.852.869.61.8783从表9的数据来看，当配合比固定时，使用天然河砂的C50管片混凝土的坍落度比使用混合砂的C50管片混凝土稍高，这表明天然河砂混凝土具有更佳的施工性能。在3天的测试中，混合砂混凝土的强度达到了设计强度的94%。虽然到7天时，它的强度相对于河砂混凝土有所下降，但到了28天，它的强度已经超过了使用天然河砂的混凝土。这一数据证明，使用混合砂制备的混凝土能够满足C50管片混凝土的强度和性能要求。根据相关设计资料和常见标准，评估C50管片混凝土的长期性能时，主要考察56天的抗氯离子扩散系数和56天的电通量。通过进一步分析表9，可以发现在56天时，混合砂混凝土在氯离子扩散系数和电通量方面都优于河砂混凝土，显示出更好的抗氯离子渗透性能。而且，混合砂混凝土在这些评价指标上完全符合设计规定的标准3。基于设计参考文档和常见规范，C50管片混凝土的长期稳定性能在很大程度上受到56天的抗氯离子扩散系数和56天的电通量的影响。这两个指标对于评估混凝土的耐久性和抗侵蚀能力尤为关键。从表9的详细数据可以清楚地看出，在相同的制备条件下，混合砂混凝土的56天抗氯离子扩散系数和电通量都比河砂混凝土的数值要低。这些数值的差异揭示了一个重要事实：与传统的河砂混凝土相比，混合砂混凝土具有更强的阻止氯离子侵入的能力。这种能力对于混凝土结构，特别是在氯化物侵蚀环境下的结构，是非常关键的。更进一步说，1242024 年 1 月第 3 卷第 2 期现 代 工 程 科 技124混合砂混凝土不仅在56天的测试中展现出了与河砂混凝土相当，甚至更好的性能，而且还完全满足了设计中的规定标准。这一发现验证了混合砂作为替代材料的可行性和优越性，为现代混凝土技术提供了新的研究 方向4。3.3管片试制及最终产品质量检验采用混合砂生产了50余环管片，并对其成品质量进行了细致的检验。实验数据展示了预制混凝土衬砌管片的各项质量指标，这包括了外观的质量、尺寸的精确性、拼接的水平度、泄漏测试，以及其机械性能，例如抗弯和抗拔性能等关键指标。外观质量：混合砂制作的管片外观整洁、平滑，无明显的缺陷和损伤，满足了工程的基本要求，展现出较高的外观质量；尺寸偏差：所生产的管片尺寸稳定，偏差控制在允许范围内，证明了生产过程的稳定性和可靠性；水平拼装：拼装过程中，管片能够准确、稳定地对接和拼合，没有出现明显的不匹配或稳定性问题；检漏试验：在进行检漏试验中，混合砂制作的管片表现出了良好的密封性，没有检测到明显的泄漏点；抗弯性能和抗拔性能：在机械性能检验中，管片展现了出色的抗弯和抗拔性能，符合了设计预期和标准规定5。总结来看，混合砂制作的预制混凝土衬砌管片在上述检验项目中均表现出了满足设计要求的性能，这也表明混合砂在实际的工程应用中具有较好的应用前景。不仅验证了混合砂在混凝土管片制作上的实用性，同时也为其在类似工程中的应用提供了实验基础和参考。4结语通过对比混合砂混凝土和天然河砂混凝土，笔者发现混合砂混凝土在早期强度略微落后，但后期表现良好，且有出色的抗氯离子渗透性，满足了C50管片混凝土的设计标准。对于预制混凝土衬砌管片，使用混合砂生产的产品在各项性能指标上都达到了设计要求，证明其实际应用的可行性。从经济角度，采用混合砂可以节约材料成本，每立方米可节省约39元，为企业带来经济优势。总体来说，混合砂不仅满足技术要求，还具有经济效益，预计在未来会有更广泛的应用。参考文献1 王晓明,曹玉新,李金武,等.地铁盾构施工管理平台关键技术及应用研究J.建筑机械化,2023,44(9):99-102.2 程晓来,刘翌辰,任龙芳.孤石机制砂与细砂混合比例对混凝土性能的影响J.建材世界,2021,42(4):26-29.3 黄维蓉,晏茂豪,仝赞,等.混合砂对混凝土力学性能及孔隙结构的影响J.重庆交通大学学报(自然科学版),2023,42(8):23-29.4 刘国明,刘志,何良玉.鄂西北地区混合砂复配在高速公路建设过程中的应用研究C/2022年全国土木工程施工技术交流会论文集（下册）,2022:140-144.5 李石高.基于响应面法的机制砂混凝土配合比优化设计及应用研究D.湘潭:湖南科技大学,2022.