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人工砂在隧道喷射混凝土支护中的应用人工砂在隧道喷射混凝土支护中的应用
随着基础设施建设的快速发展，隧道工程的数量和规模不断增加，喷射混凝土作为隧道支护的重要手段，在保证隧道施工安全和稳定性方面发挥着关键作用。然而，由于天然砂资源日益枯竭以及环保政策的限制，人工砂逐渐成为喷射混凝土中不可或缺的骨料选择。
人工砂是由天然岩石或矿山废石经过破碎、筛分等工艺加工而成的细骨料，其颗粒形状、级配及表面特性可以根据实际需求进行优化调整。与天然砂相比，人工砂具有更强的可塑性和更高的压碎值，能够显著改善喷射混凝土的力学性能和耐久性。在隧道喷射混凝土支护中，人工砂的应用表现出以下优势：
在实际工程中，为了充分发挥人工砂的优势，需结合具体项目条件进行科学配比设计。例如，适当增加粉煤灰或矿渣微粉掺量以弥补人工砂较高的需水量；同时，合理选择外加剂（如减水剂、速凝剂）以优化喷射混凝土的工作性能和硬化性能。总之，人工砂在隧道喷射混凝土支护中的广泛应用，不仅为解决原材料短缺问题提供了新路径，也为推动隧道工程建设向高效、环保方向发展作出了重要贡献。
db13／t 5468-2021 固定污染源废气 湿度的测定 重量法APPLICATIONOFARTIFICIALSANDSINSHOTCRETESUPPORT
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WangZhaodong'，Xu Guangmiao'，Chen Jianping Institute of Rockand Soil Mechanics，The ChineseAcademy ofSciences，Wuhan 1430071China) (²China University of Geology，Wuhan430075China)
人工砂是机制砂和混合砂的总称，其中，机制 砂即用破碎机械将高强度石子轧碎成砂粒状细石 子，在砂源缺乏的地区(如山区、海岛和为保护河岸 禁止采砂地区)，用人工砂来代替天然砂使用在混 凝土中[1.2]。从2002年2月起，文[3]规定：可以使 用人工砂(包括机制砂和混合砂，本文所指人工砂为 机制砂)作为天然砂的代替砂3.4]。
隧道施工的工地常位于偏僻而无砂源的山区， 要大量地使用天然砂，必须从数十公里至数百公里 以外运送，因此，天然砂的成本以低则数倍、高则 数十倍上升。为此，不少工程使用高强度岩石轧碎 的人工砂，以降低用砂成本。在隧道施工中，对是 否可以使用人工砂作为喷射混凝土细骨料口，规范 中没有明确规定。笔者通过试验，分析人工砂的物 理力学特性，结合在河南焦晋高速公路孤山隧道工 程中使用机制人工砂作为喷射混凝土细骨料的效 果，探讨使用人工砂的可行性。
2002年10月24日收到初稿，2002年12月26日收到修改稿。 作者王朝东简介：男，47岁，1982年毕业于中国地质大学探矿工程系掘进工程专业，现任助理研究员，主要从事地下工程方面的研究工作
喷射混凝土的设计强度一般为C15和C20。隧 道支护对喷射混凝土有抗渗性、抗腐蚀性、抗碳化 性、抗干缩性以及长期强度的要求。作为一种特殊 的混凝土施工工艺，隧道支护喷射混凝土对用砂还 有特定的工艺要求。试验证明，喷射混凝土用砂最 好选用中粗砂，细度模数大于2.5，含泥量小于 5%，含水量按质量计以5%～7%为宜。砂子过细， 会使干缩增大；砂子过粗，则会增大喷射过程中的 回弹。一般粒径小于0.2mm的颗粒不超过20%， 否则，由于骨料周围粘有灰尘，会降低水泥的水化 作用，影响混凝土的强度。
工砂代替天然砂的技术可行性分析
3.1人工砂与天然砂物理力学特性比较
人工砂是通过人工采集未风化高强度的岩石轧 碎而成的，天然砂是岩石在自然条件下经风化、流 水冲刷、搬运、沉积后形成。两者相比，天然砂风 化较严重、强度较低、稳定性较差。人工砂的表观 密度p一般为2650～2720kg/m²，而天然砂的表观 密度p一般则为2600～2650kg/m²。焦晋高速公路 孤山隧道工程所用人工砂细度模数为3.0～3.6，属 中粗砂。其颗粒级配为0.08～2.5mm，筛余量较大。
用来加工人工砂的岩石单轴抗压强度应大于所 配置的混凝土的强度？。孤山隧道喷射混凝土支护 用砂母材灰岩饱水单轴极限抗压强度一般都不低于 80～100MPa，所轧制的人工砂用于隧道喷射混凝 土支护均能满足强度要求。
.3化学性质及杂质含量
孤山隧道喷射混凝土支护所用人工砂均采用灰 岩扎制，其主要化学成分是CaCO3，水泥中水化硅 酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙及氢氧化钙与非活 性材料CaCO几乎不发生化学反应，CaCO甚至还 能与水泥更好地粘结，使混凝土密实度增加，使其 抗压强度增大。影响混凝土强度的因素主要是人工 砂针片状颗粒和0.08mm以下的颗粒，因此，要求 制砂工艺较高，筛洗干净。 天然砂的化学成份主要是SiO2，一般情况下是 非活性的，但也应注意防止含有活性氧化硅的安山
表1砂中有害物质含量表 Table 1 Content of harmful impurities in sands
3.2人工砂与天然砂试验比较
3.2.1人工砂的缺除
般情况下，人工砂的颗粒级配较差，尤其大 于2.5mm和小于0.08mm的颗粒明显多于天然砂 且级配波动较大。这种缺陷直接导致混凝土的和易 性变差，并容易造成混凝土外观质量上的缺陷；人 工砂混凝土的用水量大于天然砂配制的混凝土，在 混凝土中，单纯用人工砂配制不可避免地造成水泥 用量偏高。另外，人工砂的级配受母材材质的影 响很大，随着母材的变化，人工砂质量状况有很大 的差异，给施工质量的控制带来了较大的难度。 目前，全国多数使用单位对人工砂还是陌生的。 从其外观上看，人工砂与天然砂有明显的不同：天
然砂外观呈黄色，含泥量高也不易看出；而人工砂 多数呈灰白色或黑色，颗粒尖锐，看上去石粉很多， 这是人工砂与天然砂最明显的区别之一。石粉的粒 径虽小于75μum，但真正的石粉与天然砂中的泥成 分不同，粒径分布不同，在使用中所起的作用不同。 天然砂中的泥对混凝土是有害的，必须严格控制其 含量；而人工砂中适量的石粉对混凝土和砂浆的和 易性是有利的，特别是强度等级低的混凝土和水 泥砂浆的和易性很差，而有适量石粉的存在，则弥 补了这一缺陷。此外，由于石粉主要是由40～75um 的微粒组成，它的掺入对完善混凝土细骨料的级 配，提高混凝土密实性都有益处，进而起到提高混 凝土综合性能的结果。
3.2.2试验数据分析
首先，对水洗后的机制砂样进行筛分试验，计 算砂样的分级筛余，累计筛余和通过百分率如表2 所示。
制砂的细度模数可表示
可见，该机制砂属于粗砂，根据试验结果绘制 出筛分曲线，如图1所示。由筛分曲线图可知，该
以下是工地现场试验室对天然砂和经水洗后的 机制人工砂配制混凝土标准件7和28d强度对比试 验结果，如表3所示。 根据文[6]隧道初期支护的配合比中，灰骨比为 1：4～1：5，骨料含砂率为45%～60%，水灰比为 0.4～0.5。在孤山隧道中，初期支护使用的配合比为 1：2：2：0.45：0.03，其中，碎石与人工砂之比为 1：1。因为喷射混凝土回弹率较大，骨料在喷射时 回弹骨料的含量损失了一部分，所以其含砂率远远 超出一般的混凝土。 试验结果表明，人工砂代替天然砂在隧道中应 用，混凝土强度不受影响，且抗渗效果较天然砂好， 不掺防水剂抗渗指标也能达到S8要求。 从技术可行性分析得出结论：人工砂代替天然 砂在隧道中应用，物理力学性质满足要求，试验结 果可行。
根据孤山地区现场调查，就地购买人工砂成品 单价为16元/m’（自采远低于此价)dg∕tj 08-2114-2020 公共建筑能源审计标准，然而从数百公 里运距的信阳地区所采购的天然砂到场价为130
表3天然砂和人工砂混凝土标准件强度 Table 3Strengths of standard specimens for natural sand concrete and artificial sand concrete
元/m。孤山隧道喷射混凝土工程总量4599.14m， 仰拱混凝土3117.41m”，片石混凝土7249.35m²， 折算后，砂料总用量为5085m”。估算结果显示， 不考虑天然砂运输困难对工期的影响和二次倒运损 耗等间接费用，用人工砂代替天然砂可节省的直接 费用约58万元，如表4所示。
表4天然砂和人工砂费用对比 Table4 Comparison in costs between natural sands and artificialsands
而且，现场采制人工砂还有投入少、回收快、 运输方便等优点。总之，用人工砂代替天然砂，！ 在 此是非常经济的
下面以喷射混凝土为例，探讨人工砂在隧道应 用中的效果与意义。
40%，边墙不超过30%，挂网后可放宽5%。所以 人工砂的含泥量是影响喷射混凝土强度的关健，在 孤山隧道施工中均是使用要求经水冲洗后含泥量控 制在5%以下的机制砂，达到保证质量的目的。 (2）喷射混凝土中，工作气压与水压也直接影 响喷射混凝土的强度。 喷射时，工作气压为0.12～0.18MPa，水压由 喷手控制，水压过小时拌合不均匀，回弹量过大； 水压较大时，拌和水超出凝结用水量，喷射后混凝 土往下塌落形成向下凸面，既影响外观质量，也影 响强度，还不便于控制喷射厚度。
人工砂配制混凝土虽然没有黄砂(天然砂)配制 混凝土的和易性好，但实践表明基础钢筋绑扎术交底，经水洗后，级配 良好的人工砂能够完全满足输送的要求，在喷射过 程中，不会出现堵管、输送困难等现象。由于人工 砂颗粒较大，在喷射后回弹量较黄砂小，所以在喷 射混凝土中，使用人工砂反而比使用黄砂效果更 好。
(1）通过对人工砂在孤山隧道应用中的技术可 行性、经济可行性和实施可行性等多方面的探讨与 论证，显示人工砂完全可以代替黄砂应用在隧道喷 射混凝土、片石混凝土和仰拱混凝土中。 (2）实施中一定要保证人工砂的质量。