高速鐵路隧道工程機制砂應用探討

另本春，邵林，王國鳳 （中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023）

我國多數(shù)地區(qū)建筑工程大量應用天然砂，而天然砂是一種地方性資源，短期內(nèi)不可再生，也不利于長距離運輸。隨著我國基礎設施建設的日益發(fā)展，不少地區(qū)天然砂資源逐步短缺，甚至出現(xiàn)無砂可用的狀況，混凝土用砂供需矛盾尤為突出。

近年來機制砂在鐵路工程方面逐步推廣應用，本文介紹鐵路項目自建干法生產(chǎn)線自加工機制砂在高速鐵路隧道混凝土工程的應用實踐，主要對隧道工程機制砂的進場檢驗、配合比設計、拌和物性能，力學與長期性能進行分析，為機制砂在鐵路高性能混凝土方面的推廣應用提供參考經(jīng)驗。

1 工程應用背景

昌景黃鐵路安徽段位于贛東北和皖南地區(qū)，西起江西省南昌市，途經(jīng)江西省上饒市、景德鎮(zhèn)市，東至安徽省黃山市，全長289.807km，設計速度350km/h。本項目高速鐵路隧道洞渣機制砂加工場位于安徽省休寧縣龍源村境內(nèi)，利用棄渣場征地建設，是國內(nèi)首個環(huán)保化、自動化、智能化程度最高的大型機制砂加工場，占地約3hm（45畝），設計加工能力300t/h，主要承擔東山隧道進口、東山隧道橫洞和云頭山隧道進口等隧道棄渣的綜合利用，設計加工總量約120萬噸。昌景黃鐵路本著以質(zhì)量為本、扎實穩(wěn)妥的原則，同意在C40以下非預應力及無砟軌道道床板以外的部位使用。

2 機制砂進場質(zhì)量控制

2.1 機制砂成品質(zhì)量參數(shù)

本項目母巖材質(zhì)以深成的火成巖和變質(zhì)巖為主，具體為花崗巖為主，綠泥絹云千枚狀板巖為輔，主要技術指標，母巖抗壓強度：128～150MPa；堿活性：潛在堿硅酸鹽反應骨料，快速砂漿棒法結果：0.04～0.14%。成品機制砂指標滿足《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB10424-2018），細度模數(shù)為2.8-3.2，顆粒級配為Ⅱ區(qū)，其他指標見表1。

機制砂質(zhì)量檢測結果匯總表 表1

2.2 質(zhì)量控制措施

機制砂進場檢驗分常規(guī)檢驗和型式檢驗。常規(guī)檢驗，機制砂進場經(jīng)物資部門報驗，連續(xù)進場時間在6h以內(nèi)累計不超過600t可組成一批次。首先經(jīng)工地試驗室按照進場檢驗流程對機制砂進行初驗，加快機制砂進入待檢環(huán)節(jié)，減少24h檢測退場率。初驗主要包括目測、顆粒級配、石粉含量、亞甲藍，一般在2h內(nèi)完成。初驗合格后方可卸料，料倉標記為待檢標識。工地試驗室同步開始進行進場檢驗的其他參數(shù)，如泥塊含量、壓碎值、有機物含量、輕物質(zhì)含量、云母含量檢驗，檢驗合格后轉換為合格標識。

型式檢驗，工地試驗室每半年抽檢委托第三方檢測單位對機制砂原材料及成品進行型式檢驗，根據(jù)日常進場檢驗參數(shù)的波動，并參考機制砂場型式檢驗的波動情況，必要時加大型式檢驗頻率，確保機制砂質(zhì)量符合標準要求。

為做好機制砂配合比的應用，進場檢驗除應符合規(guī)范要求外，還應保持進場質(zhì)量穩(wěn)定，機制砂的質(zhì)量波動對混凝土拌和物及實體質(zhì)量影響較大。機制砂細度模數(shù)應控制在±0.2，石粉含量應控制在±1.5%，亞甲藍值應盡可能降低，并在±0.2范圍內(nèi)。

3 混凝土配合比設計分析

本項目通過對C40以下機制砂混凝土配合比進行試驗分析，包括C25噴射混凝土、C35二襯、C20填充混凝土，具體見表2。依據(jù)鐵路相關標準要求機制砂混凝土配合比設計應考慮機制砂的石粉含量、顆粒級配等因素對混凝土性能的影響，其中參數(shù)中的砂率宜比河砂混凝土提高2%～4%。

混凝土配合比設計參數(shù)表 表2

通過上述隧道工程C25噴射、C35二襯、C20填充配合比綜合分析，機制砂混凝土配合比在相同膠凝材料的情況下，為達到預期相似的拌和物性能，配合比設計參數(shù)有以下差異特點：單方用水量，機制砂比河砂偏高；砂率，機制砂比河砂略高；水膠比，機制砂比河砂高；除此之外，實際機制砂應用外加劑有所不同，河砂應用減水劑固含量18%，減水率26%～29%；機制砂固含量22%，減水率33%～35%。

混凝土拌合物性能表 表3

混凝土力學性能與長期性能 表4

噴射混凝土C25使用機制砂，混凝土拌和物性能黏聚性、保水性更好，抗離析、泌水能力強；同等工藝下，噴射混凝土回彈率低。據(jù)本項目實際統(tǒng)計分析，河砂噴射混凝土實際消耗量（超挖與回彈損耗等總和）與設計比為170%，回彈率34%；使用機制砂使用機制砂為150%，回彈率14%。

隧道二襯混凝土C35及填充混凝土C20，混凝土拌和物一般相較河砂混凝土存在黏聚性、保水性好，抗離析能力強，在配合比設計時可以考慮石粉含量作為膠凝材料的補充。注意亞甲藍值及石粉含量的波動會導致單位用水量的波動，實際使用過程中更多為坍落度損失的變化相較河砂更大。

分析原因主要有：一是機制砂相比河砂細度模數(shù)偏大、顆粒形貌較粗糙，為提供相同的比表面積，達到相同的流動性目標下，砂率應適當提高。二是機制砂本身吸水率較河砂大，一般河砂在0.8%～1.0%,本項目機制砂實測吸水率在1.8%～2.0%；母巖潔凈程度、顆粒形貌、石粉含量及亞甲藍值的影響較大，相同膠凝材料及拌和物性能情況下，單方用水量、水膠比、外加劑均略有增大。其中水膠比的增大未考慮石粉作為礦物摻合料的作用，根據(jù)TB10424-2018中石灰石粉的指標要求，如石灰石粉甲藍值小于1.0，且其他指標滿足要求時可比照礦物摻合料進行摻入。

根據(jù)混凝土配合比及現(xiàn)場實體試驗段試驗數(shù)據(jù)看：機制砂與河砂混凝土7d與28d齡期抗壓強度無明顯差異；隧道二襯及仰拱填充為高性能混凝土，56d回彈強度與取芯強度要略低于河砂，考慮石粉作為礦物摻合料的影響，前期混凝土強度增長緩慢；90d混凝土強度與電通量機制砂與河砂大致相同。

4 機制砂及混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制

機制砂加工場要重點關注母巖性質(zhì)變化，母巖巖性變化直接影響吸水、石粉、粒形粒貌等變化，機制砂細度模數(shù)、石粉含量、亞甲藍值（泥粉含量）參數(shù)對單方用水量的影響較大，會直接影響拌和物性能的穩(wěn)定。

干法生產(chǎn)機制砂通常在制備、運輸、配料過程存在離析現(xiàn)象，為防止離析，應使含水量穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，可根據(jù)不同的母巖以及不同的生產(chǎn)工藝確定最佳防離析含水量。

機制砂生產(chǎn)的混凝土包裹性、黏聚性要強于河砂，但受石粉含量及亞甲藍值的影響，夏季施工混凝土坍落度損失較河砂大，選擇合適的減水劑，適當?shù)卦龃蠡炷恋某鯔C坍落度有利于現(xiàn)場施工。

加強對出機混凝土的管理，試驗人員對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，隨時關注混凝土質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)場情況、機制砂質(zhì)量波動情況、其他原材料變化、氣候變化等因素，及時合理地調(diào)整配合比措施。

5 總結及前景展望

機制砂作為混凝土工程材料應用成為必然趨勢，鐵路、公路工程項目應用也將會越來越廣泛，機制砂及混凝土配合比設計有以下特點和改進建議：

①機制砂的使用應保持材料穩(wěn)定，保持制砂工藝、級配與細度模數(shù)、石粉含量及亞甲藍值對混凝土的應用至關重要，其中控制亞甲藍值是是機制砂混凝土能否利用的最關鍵因素；

②機制砂的粒形粒貌、吸水率、石粉含量對混凝土單方用水量影響較大；

③在混凝土配合比設計時合理砂率，適當提高單方用水量，選擇合理減水劑是用好機制砂混凝土應用的重要措施；

④當亞甲藍值低于1.0時，石粉含量應考慮作為礦物摻合料的積極作用，符合高性能混凝土以及綠色環(huán)保的發(fā)展方向。