机制砂混凝土在隧道二衬中的应用
成果报告
浙江省交通工程建设集团有限公司
方俊杰QC小组
二0一二年三月
目录
一、工程概况 (2)
二、QC小组简介 (2)
三、选择课题 (3)
四、设定目标 (4)
五、提出各种方案并提出最最佳方案 (4)
六、制定对策 (6)
七、对策实施 (6)
八、效果检查 (15)
九、巩固措施和标准化 (17)
十、总结及下一步打算 (17)
机制砂混凝土在隧道二衬中的应用
浙江省交通工程建设集团有限公司方俊杰QC小组发表人：龙继冬一、工程概况
湖北省谷竹高速公路32合同段路线全长9.35km，共计隧道2座（左线全长3150m,右线全长3125m)，双洞合计长度6275m。隧道采用复合式衬砌，混凝土方量约为71055m3，隧道工程造价2亿余元，占本标段合同价46.4%，是本项目主要工程。隧道地质构造复杂，地层为碎石土、角砺、强~弱风化泥板岩，由于岩体极破碎，雨水下渗，本地大气降水较丰富，隧道防排水措施极其重要，做好隧道防排水控制是本项目实现质量与经济效益目标的关键。
二、小组简介
小组名称浙江省交通工程建设集团有限
公司方俊杰QC小组
成立时间2011年5月1日
课题名称机制砂混凝土在隧道二衬中的应用
小组类型创新型组长方俊杰
活动时间2011年5月至12月注册时间2011年5月10日课题组注册ZJTQC2011-3-4 小组注册号QC2011-3-4 活动频次3次/月出勤率96% 小组人数9人
制表：王奇2011年5月10日
本QC小组曾获得的荣誉：
1、获得2004年交通部优秀质量管理小组。
2、获得2006年交通部优秀质量管理小组。
3、获得2008年浙江省优秀质量管理小组成果发布会二等奖。
小组成员简介
序号组内职务姓名性别年龄学历职务小组分工
QC 教育时间
1 组长方俊杰男35 本科项目总工策划60
2 副组长杨延龙男38 本科项目经理组织60
3 组员龙继冬男38 本科试验室主任组织协调58
4 组员傅永刚男41 本科质量负责人员培训55
5 组员唐凯男25 研究生技术负责外场调研56
6 组员林斌男43 专科试验员混凝土试验55
7 组员邓利兵男29 专科试验员拌合站检测53
8 组员肖飞男25 专科试验员原材料检测55
9 组员王奇男26 专科试验员统计总结53 制表人：王奇日期：2011年5月10日
三、选择课题
（一）课题的提出
1、机制砂配制隧道二衬防水混凝土配合比在我公司上属首次，无现
成技术资料可查，必须研发新的机制砂砼配合比。满足项目部施工进度、质量及经济要求。
2、项目地处高山峻岭中，满足施工要求的河砂需到陕西安康（运距140Km），十堰（运距220Km）运到现场，而且在雨季及冬季几乎无货可供，工程进度很难保证，因此必须创新出新的砼原材料代替。
3、高速公路竞争激烈中标价低，必须控制施工成本，确保单位及项
目部利益。
（二）选择课题要达到什么样的效果
1、创新的机制砂砼配合比方案必须经过驻地办，中心试验室验证通过。
2、选用机制砂砼强度及抗渗性满足国家规范要求。
3、在公司指导下，依靠项目部力量，对创新方案不断完善改进，实
现低造价、高质量及快进度的要求。
（三）如何实现课题
1、广泛收集资料，开展机制砂使用条件的的分析研究，使创新方法能取得实效。
2、为确保机制砂配制砼方案行之有效，邀请有关专家对创新施工方法进行论证，吸收各方意见，保证方案理论可靠，操作可行。
四、设定目标
（一）目标
机制砂防水混凝土强度、抗渗性能超过国家标准规范要求。
（二）目标可行性论证
1、有利条件
①、机制砂砼配合比方案得到公司总师室的大力支持，并多次到工地进行现场指导。
②、项目部聘请了武汉理工大学材料专家朱光霖教授进行了多次讲座，并在现场直接指导，解决许多关键技术问题，开拓了QC小组创新思路。
③、贵州及湖北省多条高速公路已有成功的施工案例，可通过参观学习取经。
④、竹溪县当地有丰富的岩性较好的石灰岩，料源丰富。
⑤、项目部QC小组施工经验丰富，取得三项浙江省二等奖以上的QC成果。
2、不利因素
①、机制砂采购的质量受到生产厂家的规模、加工冲洗设备以及母材的影响，给我们质量控制带来难度。
②、公司无系统的机制砂防水砼施工资料可参考，准备及施工过程需
要QC小组成员摸索创新。
五、提出各种方案，并确定最佳方案
（一）方案的提出
方案1：
首先用河砂作为混凝土细集料第一方案，由于河砂处于地表便于采集，河砂应用时间比较久，技术相对成熟，河砂选用安康桑树沟产，粗集料石子选用金丰石料厂，4.75-26.5mm石子，水泥选用金龙42.5级水泥，外加剂为湖北恒利HL型防水剂（复合型具有减水率）设计坍落度140-180mm，满足泵送砼要求，配制泵送防水混凝土，测其工作性，28天抗压强度及其抗渗性能。
方案2：
采用掺粉煤灰与机制砂方案：粉煤灰采用超量取代法，改善混凝土的和易性及可泵性增大润滑性减少机制砂棱角性产生可泵性不足问题，同时降低水化热，节约水泥。其余粗集料水泥、防水剂采用与方案一同一型号。方案3：
采用机制砂配制，机制砂采用轮式洗砂机，调节轮式洗砂机冲洗用水型，控制机制砂中石粉含量，通过试验室适配不同石粉含量配合比，优选出强度最高时石粉含量，抗渗性能符合要求的配合比，其余粗集、料水泥、防水剂采用与方案一相同。
（二）方案的分析、评估及选定
方案优点缺点结论
1、河砂砼配合比①施工工艺成熟，可供参考资料
多。
②地表开采、筛选方便。
③配制混凝土流动性好，易于施
工，强度质量容易保证。
①运距远，货源量季节性不足，
不能满足施工进度要求，价
格高，到场价格为180元/m3
②缺少0.075mm以下颗粒，级
配不完美，影响和易性、工
作性。
③当地河沙由于母岩为板岩、
页岩，使得河沙总体呈现细长扁
平颗粒，压碎值、粒型极差，存
在过度开采、影响生态环境，破
坏河道防洪。当地无大江大河，
不适合大量开采。
不合理
2、机制砂+粉煤灰砼配合比①掺粉煤灰后混凝土流动性增强，
粘聚性、保水性均得到提高，混凝
土外观较好，前期强度虽低但是后
期强度较好。
②可以降低砼水泥水化热。
①本地最近货源在十堰市，运
距为240公里，货源不足不能满
足施
②价格高，平均价格为300元/
吨。
不合理
3、机制砂砼配合比①混凝土粘聚性和保水性均提高，
通过对机制砂石粉含量进行控制，
同样可以配制出和易性好强度满足
要求的混凝土
②本地料源丰富，不需远运，质量
易控制
③价格低，到场价格为80元/m3，
预计每方砼节约55元。
①细长扁平颗粒偏多，表面粗
糙，棱角性强，级配不良，无法
整形修复。
②比表面积大，所需水泥浆多。
合理
经综合研究分析，确定选用方案3：机制砂砼配合比。
六、制定对策
根据明确的要求，小组成员制定了对策措施，见下表：
制表人：王奇 日期：2011年5月11日
七、对策实施
实施一：加强对技术人员的培训，提高对机制砂的认识：
实施时间 2011.06.20
实施地点
办公室
实施人员
龙继冬 傅永
刚
检验标准
学习国家规范，了解机制砂的性能
实施过程：
邀请专家对机制砂进行理论指导：机制砂是指岩石经除土开采、机械破碎、筛分制成的，公称粒径在4.75 mm 以下的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒，亦称破碎砂。对于机制砂而言，除MB 值、细度模数以外，最为重要的指标就是石粉含量（机制砂中粒径小于75μm 的颗粒含量）。很多技术人员将石粉等同于泥粉，认为石粉过多会大大增加需水量，阻碍水泥与骨料的结合，影响混凝土的强度等。石粉主要是碎石破碎产生的副产物，其物理化学性质与母岩性状完全相同，其中70%颗粒分布集中在16μm 以上，平均粒径在45μm 左右。
石粉这样的粒度分布，不但不会阻碍水泥与骨料的结合，相反，填补了混凝土骨料之间的空隙，在一定程度上提高了混凝土保水性和粘聚性，改善了离析泌水现象，使得混凝土易于成型振捣，改善了混凝土工作性。
序号 要求 对策 目标 措施 地点 时间 负责人 1
机制砂知识的教育
邀请专家研究指导
提高机制砂认知
研讨理解
办公室 2011.05.20
龙继冬 傅永刚 2
拌合站人
员培训上岗
招聘培训以老换新 特殊工总持证上岗
奖优罚劣、保证
素质 拌合站 2011.06.10
方俊杰 唐凯 3 拌合厂、设备检修与标
定 设备检修，设备标定 设备完好 专业人员维护 拌合站 2011.06.20 邓利兵 肖飞 4 料源质量控
制 质量保证专人督检 料源质量合格 增加厂家投入，保证质量 料场 2011.06.10—.11.30 龙继冬 傅永刚 5
制定机制砂配合比
精心配制各方验证
最经济合理的配合
比
精心对比得出最优配合比
试验室
2011.06.15
杨延龙林斌
而且石粉在填充骨料空隙的情况下，不会增大需水量。
武汉理工大学针对石灰岩机制砂配制的不同强度等级泵送混凝土的研究和实践表明：石粉可以增加机制砂混凝土拌和物的粘聚性和保水性，有利于改善离析泌水现象，且石粉含量对混凝土坍落度的影响不如对坍落扩展度影响敏感，混凝土黏度明显增大的原因所致， C30、C60、C80机制砂混凝土工作性较佳的石粉含量范围分别在10%~15%，7%~10%及3%~5%范围；石粉含量的增加对C30、C60机制砂混凝土的强度基本上有提高作用，而对C80机制砂混凝土的强度有降低作用，C30、C60、C80机制砂混凝土抗压强度最高的石粉含量约为20%，10%、3%。
C30、C60机制砂混凝土的早期干缩率随石粉含量的增加而增大，而后期干缩率分别在石粉含量10%和7%时最大，但差距不明显。C30、C60机制砂混凝土的抗氯离子渗透性随石粉含量增加而增强，石粉含量的增加对抗冻性略有改善，高强机制砂混凝土具有很高的抗冻性。由此建议C30以下、C30~C60、C60以上混凝土用机制砂中的石粉含量限值可由国标GB/T 14684-2001规定的7%、5%、3%分别放宽到10%、7%、5%。（见《机制砂在混凝土中应用技术指南》，人民交通出版社，2009年）
实施二：拌合站人员培训上岗：
实施时间2011.06.10 实施地点拌合站实施人员方俊杰唐凯检验标准特种工种持证上岗100%，工作3年以上人员比例达到50%
实施过程在选用特种工种时，优先考虑有三年以上工作经历的持证人员，对部分未持证人员项目部联系十堰市质监站特殊工种培训机构，进行培训考核
合格后给予发证。
引进特殊工种培训次数培训人员合格率持证率
10 3 8 100% 100%
检验结果特殊工种人员按规范要求配齐，并全部持证上岗
实施三：拌合厂设备检修与标定
实施时间 2011.08.01 实施地点 拌合站 实施人员 邓利兵 肖飞
检验标准
拌合站建设完善，机械设备型号及配备满足施工要求，管理规范。 实施过程
定期对拌合设备进行检查，及时发现可能出现的隐患，减少不必要的损失，对已发现的故障要及时修理；每个月要对拌合设备的计量系统进行标定，精确控制料斗的计量精度，已做到严格按照配合比进行施工，保证质量
检验结果
场地、机械、设备、材料等均符合规范和施工方案
实施四：料源质量控制
实施时间2011.06.20—
2011.11.30 实施地点料场实施人员
龙继冬
傅永刚
检验标准满足机制砂国家标准，以及驻地办和业主的指导意见
图7-1为金丰机制砂的表观形貌，图7-2为金丰石场的机制砂生产场地情况。可以看出，金丰机制砂粒形较好，表面洁净，细长扁平颗粒含量少，对于存在的问题应从以下几个方面改进：
1）对于金丰机制砂偶尔存在的MB值超标情况，应对入场机制砂加大检验频次，不合格者及时清场；在生产环节，选择质量合格且不含有害物质的母岩，注意去除山皮土、夹层土和风化层，原料采用振动给料机喂料，且振动给料机筛条间距不小于5cm，保证能筛除掉表皮土、夹层土及其它杂质。
2）针对金丰机制砂细度模数过大，级配不合理的情况，选择合适的筛网尺寸，一般筛网尺寸应控制在3.5mm或4.0mm为宜。
3）洗砂环节对机制砂级配破坏最严重，洗走的不仅有有用的石粉，同时还洗走0.015mm、0.3mm、0.6mm甚至更大的有益颗粒含量，建议减小洗砂环节的清洗力度。
实施五：制定最佳机制砂砼配合比
实施时间2011.06.30—
2011.08.15 实施地点办公室实施人员杨延龙林斌
检验标准机制砂配合比设计强度满足国家规范要求，同时体现经济上的优势。实施过程：配合比试验研究
按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011和《机制砂在混凝土中应用技术指南》，研究水灰比、砂率、石粉含量等对机制砂防水衬砌混凝土拌合物工作性、粘聚性、物理力学性能的影响规律，确定二次衬砌防水混凝土的基准配合比，提出原材料的控制指标。
1）、水灰比的影响
为选取合适的水灰比，满足配制强度的同时保证适当的强度富余，通过试验，确定机制砂混凝土水灰比W/C与强度的关系。
固定用水量为170 kg/m3，砂率为46%，固定防水剂掺量为水泥质量的4%，使用石粉含量为14%的机制砂进行试验，研究水灰比按0.46、0.48、0.50、0.52、0.54变化时，水灰比与强度之间的变化规律。试验配合比及试验结果如表1所示：
表1 水灰比对机制砂混凝土的影响试验
编号水粉比W/C 砂率
配合比(kg/m3)
水泥用水量机制砂碎石减水剂
1 0.34
2 0.45 46 376 170 867 1017 15.04
2 0.352 0.47 46 360 170 874 1026 14.40
3 0.362 0.49 46 346 170 880 103
4 13.84
4 0.372 0.51 46 333 170 886 1041 13.32
5 0.381 0.53 4
6 321 170 892 104
7 12.84
所测得机制砂混凝土的强度与水灰比W/C 的关系如图7-4所示：
y = -136x + 103.64
R 2 = 0.9603
2025303540450.43
0.450.470.490.510.530.55
抗压强度
7d 强度28d 强度
图7-3机制砂混凝土抗压强度与水灰比的关系
由图7-3可以看出：
（1）机制砂混凝土的抗压强度与水灰比存在良好的回归关系，其28d 抗压强R 28与水灰比W/C 之间的关系为：R 28=-136（W/C ）+103.64，相关系数R 2=0.9603。.
（2）C25强度等级机制砂混凝土的配制强度fcu.o=33.2 MPa ，为保证满足配制强度要求，同时在配制强度基础上有合适的强度富余，28d 实际强度R28在35 MPa 左右时比较合适，根据该回归关系，选取水灰比W/C=0.49。 2）、砂率的影响
砂率的变动会使骨料的空隙率和骨料的表面积显著改变，从而对混凝土拌合物的和易性产生显著影响。机制砂混凝土的砂率宜按“五点法”进行，每间隔2%选取一个砂率进行和易性试验，以混凝土的和易性达到最佳为合理砂率。固定水灰比0.49，用水量170 kg/m3，防水剂掺量为水泥质量的4%，混凝土砂率按40%、42%、44%、46%、48%变化，研究砂率对混凝土性能的影响，具体配合比见下表：
砂率对混凝土性能的影响试验
编号 水粉比 W/C 砂率 水泥 用水量 机制砂 碎石 防水剂 1 0.375 0.49 40 346 170 766 1148 13.84 2 0.371 0.49 42 346 170 804 1110 13.84 3 0.366 0.49 44 346 170 842 1072 13.84 4 0.362 0.49 46 346 170 880 1034 13.84 5
0.358
0.49
48
346
170
919
995
13.84
砂率对混凝土工作性及抗压强度的影响如图7-4、图7-5所示：
60
80100120140160
18020040
42
4446
48
砂率/%
塌落度/m m
2025303540
4538
40
42
4446
48
50
砂率/%
抗压强度/M P a
7d 强度28d 强度
图7-4砂率对坍落度的影响 图7-5 砂率对抗压强度的影响
由图7-4、图7-5可以看出：
（1）砂率对机制砂混凝土的工作性影响较大，而对混凝土抗压强度的影响相对较小。
（2）从本试验看，当砂率选取为46%，混凝土在获得较好流动性的同时，粘聚性、保水性良好，是使混凝土和易性达到最佳的合理砂率。 3）、石粉含量的影响
在固定用水量条件下研究石粉含量对低强大流态混凝土性能的影响。固定用水量为170 kg/m3，水灰比为0.49，砂率为46%，减水剂掺量为水泥用量的4%，分别使用石粉含量为8%、10%、12%、14%、16%、18%
的机制砂进行试验，研究石粉含量对C25低强大流态机制砂混凝土性能工作性、力学性能的影响，石粉含量对混凝土性能的影响试验配合比如表2所示：
表2 石粉含量对混凝土性能的影响
编号 石粉 水粉比 W/C 砂率
配合比(kg/m 3) 水泥 用水量
机制砂 碎石 减水剂 1 8 0.408 0.49 46 346 170 880 1034 13.84 2 10 0.392 0.49 46 346 170 880 1034 13.84 3 12 0.376 0.49 46 346 170 880 1034 13.84 4 14 0.362 0.49 46 346 170 880 1034 13.84 5 16
0.349
0.49
46
346
170
880
1034
13.84
石粉含量对混凝土工作和力学性能的影响如下图7-6、7-7所示：
80
100120140160180
2008
10
12
14
16
石粉/%
塌落度/m m
510152025303540458%
10%
12%14%
16%
石粉（%）
28天抗压强度（M P a )
图7-6 石粉含量对坍落度的影响 图7-7 石粉含量对抗压强度的影响
图7-8 石粉含量14%时的拌合物状态
由图7-6、7-7可以看出：
⑴、随着石粉含量的增加，混凝土的坍落度先增大后减小，在石粉含量为12%~14%时塌落度最大，粘聚性、包裹性均呈最佳状态，如图7-8所示。这是因为石粉含量较低时，浆体偏稀且松散，导致泌水流浆；石粉含量偏高，浆体过粘，导致流动性不足；当石粉含量适中时，用水量和粉料的比例较为恰当，浆体稠度适中，在获得较好流动性的同时粘聚性、保水性良好，从而获得较好的工作性。
⑵、随着石粉含量的增加，混凝土的抗压强度先增加后减小，在石粉含量为12%~14%时取得最大值。在石粉含量不超过14%时，石粉对混凝土的微细集料“填充作用”提高了混凝土的抗压强度；超过14%后，相对过多的石粉可能由于过度填充，减弱了骨料与浆体之间的粘结强度，反而降低了混凝土的强度。
.4）、河砂与高石粉含量机制砂的对比
在上述试验的基础上，固定水灰比为0.49，外加剂掺量为胶凝材料用量的4%，采用河砂与石粉含量14%的机制砂进行对比，由于河砂细度模数较机制砂小，河砂砂率调整为43%，对比两种混凝土的工作性能和物理力学性能。试验配合比如表3所示：
表3 河砂与高石粉含量机制砂对比试验配合比
编号石粉水粉比W/C 砂率
配合比(kg/m3)
水泥用水量机制砂碎石减水剂
1 14 0.36
2 0.49 46 346 170 880 1034 13.84
2 河砂/ 0.49 4
3 346 170 823 1091 13.84
表4 河砂与高石粉含量机制砂混凝土性能对比
编号坍落度/mm 容重/kg﹒m-3
强度/MPa
状态描述7d 28d
1(机制砂) 180 2440 30.2 39.1 粘聚性、工作性
均很好
2(河砂) 150 2400 27.6 35.8 工作性较好，粘聚性略差
从表4中可以看出：
（1）采用河砂与高石粉含量机制砂进行对比，河砂混凝土的粘聚性略差于机制砂混凝土，整体略微松散，有轻微跑浆。
（2）机制砂混凝土在物理力学性能上也优于河砂混凝土，其28d抗压强度比河砂混凝土高9.2%。
通过研究水灰比、砂率、石粉含量等配合比设计参数对C25机制砂二次衬砌防水混凝土其工作性与力学性能的影响规律，优选出C25机制砂二次衬砌防水混凝土的配合比为：水泥：水：机制砂：碎石：外加剂=346：170：880：1034：13.84，其中水灰比为0.49，砂率为46%。综合上述研究结果可知，在配制二次衬砌防水混凝土时，机制砂中的石粉含量最佳石粉含量范围是12%~14%。
八、效果检查：
通过QC小组5个月时间不断探索和研究，使得机制砂在隧道二衬混凝土施工中得到很好的应用，在项目部自检、监理抽检及中心试验室巡检中均满足规范要求，完成了课题，达到了预期目标，取得了优异成绩，受
到了各方好评，同时完成本课题确定的目标一要求。
效果一：
通过五个月的跟踪和记录机制砂混凝土强度明显高于天然砂所配制的混凝土强度，超过施工规范要求（见表5）。由于本工程设计图纸对二衬防水混凝土抗渗性能要求为S6级，试验按优选出方案配合比：水泥：水：机制砂：碎石：外加剂=346：170：880：1034：13.84制作抗渗试件试验，加压至设计抗渗等级S6后继续加压提高3个级别至S9后，经8小时后第三个试件仍不渗水，满足设计要求，停止试验。说明该机制砂混凝土抗渗性能良好。
表5 强度跟踪记录表
时间强度2011年
8月
2011年9
月
2011年
10月
2011年
11月
2011年
12月
平均对比
最高值
（MPa）30.4 31.5 31.7 32.5 32.6 31.7
QC活动
前河砂配
合比的平
均值
26.5MP a
最低值
（MPa）
27.2 28.1 27.9 28.8 28.5 28.1
平均值
(MPa)
28.3 29.0 29.3 29.8 30.0 29.3
制表人：王奇日期：2012年2月2日
效果二：
随着机制砂配制防水混凝土的成熟和成功应用，在成本方面下降明显，无形中节约了大量资金（见表6）目前，常用的机制砂除粉工艺是采用水洗，每方水洗砂耗水量大约2~4m3，而洗去的粉体材料，一般约占
10~20%，这不仅浪费了宝贵的矿产资源和水资源，而且石粉副产品大量堆积，排出的污水，经沉淀后形成的泥浆量大且难以处置，无论是排还是放，都将对环境产生严重的污染。我们通过对机制砂配制防水混凝土的系统研究，得出用于防水混凝土的机制砂石粉含量最佳范围为12%~14%，较以往的标准提高许多，减少了石粉的浪费和排放，并能很好的取代河砂作为细骨料，具有巨大的社会效益。
表6 活动前后经济效益对照表
项目单价（元/m3）每方砼所需砂
（m3)
五个月内施工
方量（m3）
剩余抗渗砼
（m3）
天然砂180 823/1500=0.55
18000
48000 机制砂
80 880/1500=0.59
目前节约成本：18000*(0.55*180-0.59*80)=93.24万元,还可以节约248.64万元。
制表人：王奇日期：2012年2月2日
效果三：
项目部于2011年12月30日邀请驻地办工程师，中心试验室及武汉理工大学材料工程学院朱光霖教授，在项目部会议室、指挥部对本次QC 成果进行总结一致认为：机制砂混凝土无论混凝土工作性、强度、抗渗性
均超过施工规范标准，保证了工程进度与质量，成本明显降低，技术经济上具有推广价值，将在本条高速公路上全面推广使用（见图8-1）。
图8-1专家方证机制砂砼配合比论证现场
九、巩固措施和标准化
本次活动后，我们及时对取得的经验进行了归纳总结，并经公司领导和专家的审核形成以下巩固措施：1、提高了关于机制砂生产、机制砂配制防水混凝土方面的技术能力。完善了技术人员对科学设计、试验混凝土配合比的认识和能力，项目部整理下发了《关于机制砂混凝土在隧道二衬中的应用作业指导书》，指导现场施工。
2、本次机制砂配合比隧道二衬中应用方案拟上报集团公司，以供为以后类似工程中使用提供参考。