鐵路工程機制砂混凝土的使用現狀和問題

徐 楠

(北京鐵城建設監理有限責任公司，北京 100855)

砂作為混凝土的細骨料，在傳統工程建筑過程中常用天然河沙為主體，但隨著工程建設規模不斷拓展，河沙資源呈現逐年遞減的趨勢，甚至很多地方的河沙資源出現枯竭問題，而河沙屬于不可再生資源，不可能在短時間內進行再生，很容易給周圍生態環境帶來嚴重影響，所以政府部門針對河沙資源制定相關政策，如河沙限采政策、禁采政策等。同時，由于我國供砂需求量不斷上升，天然河沙資源根本無法滿足工程建設要求，機制砂代替天然砂是未來發展的必然趨勢，其是通過利用采礦場所產生的尾礦，經過多次破碎所形成，其具有可靠性高、穩定性強、無泥質雜質污染等特征，能形成科學的粒形，確保整個建筑工程施工能順利進行。機制砂在日常生產過程中很容易產生大量石粉，這些石粉是指在機制砂中顆粒直徑低于75μm的顆粒。針對該種情況，生產廠家通常會利用濕法作業將砂表面吸附的石粉全部清洗干凈，但根據大量實驗結果顯示，在機制砂混凝土中的石粉不是越干凈質量越好，石粉物質能給混凝土不同項目帶來積極作用，甚至會影響到混凝土性能[1]。

1 鐵路混凝土工程基本特征

鐵路作為我國社會經濟發展的重要樞紐，直至2021年，我國鐵路建設總里程超過30km，其中高速鐵路里程數量達到5萬KM。隨著鐵路建設技術不斷更新換代，國內鐵路建設工作從以往利用低強度普通混凝土為主要材料，向高性能混凝土材料發展，工程項目具有混凝土原材料需求分散、結構條帶狀分布大、結構復雜等特征，對混凝土提出更高要求，其必須具有和施工方法相同的性能，如耐久性、力學性能、工作性能等[2]。

(1)混凝土原材料供貨難、需求分散。由于鐵路工程具有跨越區域大、條帶狀分布等特征，自動構成特殊的一線多點工程模式，即在相同區域中工作人員需要建立大量標段來進行施工，且建設鐵路工程所使用的混凝土原材料具有較強的分散性。同時，混凝土原材料種類趨于多樣化，如水泥、砂石、外加劑等，再加上鐵路施工周圍運輸受到嚴重限制，給鐵路工程施工帶來混凝土原料供貨難的問題。

(2)鐵路工程結構復雜、混凝土性能需求高。鐵路工程主要由下部基礎結構和上部軌道結構兩個環節構成，其中上部軌道結構分為無砟軌道和有砟軌道兩種類型，下部基礎結構則擁有路基、隧道、橋梁等環節，不同結構鐵路混凝土對其性能要求不同。如在雙塊式軌枕、軌道板等鐵路施工中，其混凝土塌落度要控制在160mm范圍內，強度等級為C60，利用蒸汽養護、工廠預制等方式進行施工；隧道襯砌、灌注樁等鐵路混凝土塌落度不得超過200mm，強度等級不能高于C50，使用斗送、泵送等方式進行施工。

(3)施工模式多樣化。由于鐵路工程性能要求和結構特征愈發復雜，導致鐵路混凝土施工方式趨于多樣化。如有利用泵送施工方式的隧道襯砌、墩身承臺等現澆結構；有使用自密實混凝土施工的灌注樁；有采用斗送方式施工的軌枕預制構件結構[3]。

2 現行標準對機制砂性能要求

2.1 石粉含量限值

機制砂在日常生產過程中很容易產生大量石粉，這些石粉是指在機制砂中顆粒直徑低于75μm的顆粒。針對該種情況，生產廠家通常會利用濕法作業將砂表面吸附的石粉全部清洗干凈，但根據大量實驗結果顯示，在機制砂混凝土中的石粉不是越干凈質量越好，石粉物質能給混凝土不同項目帶來積極作用，因此石粉含量對混凝土性能具有至關重要的影響。隨著石粉含量不斷增加，混凝土坍落度會呈現先增加再降低的趨勢，在石粉含量增加到10%左右時，混凝土坍落度性能最高。而導致出現該種現象的主要因素，是由于石粉細度和水泥細度基本相同，一旦將石粉和混凝土相互結合，其會和混凝土中的水泥、水進行融合，最終形成柔軟的漿體，能有效填充骨料間的孔隙，降低骨料間的摩擦力，從而解決機制砂表面粗糙、棱角多的問題，有效提升混凝土坍落度。但由于石粉具有表面體積大、吸水性強等特征，一旦石粉含量高于10%時，拌合物需水量會不斷上升，在膠凝材料和水灰比相同情況下，拌合物會出現黏稠、坍落度降低、粘聚性增加等情況[4]。同時，當石粉含量降低到5%時，拌合物會出現輕度泌水現象，隨著石粉含量不斷提升，泌水情況會逐漸消失。另外，石粉能有效吸收拌合物水分，確保混凝土保水性能滿足日常要求，但值得注意的是，在日常應用過程中，工作人員要注重坍落度對混凝土泵送性能影響，為優化混凝土可泵性，可將適量拌合物摻合在減水劑中。另外，由于不同國家對于機制砂石粉定義不同：一種式石粉顆粒粒度界定值；一種式石粉含量限值要求(如表1所示)。

表1 不同國家機制砂石粉粒度和含量界定

2.2 顆粒級配曲線

細度模數能準確體現砂的粗細程度，細度模數是表示機制砂粗細程度的宏觀標準，在機制砂細度模數相同情況下，其顆粒級配很容易出現較強變動性，根本無法準確反饋出機制砂基本情況(如表2所示)。

表2

從表2發現，英國對機制砂單粒級顆粒含量要求較廣，而中國、日本、美國等國家對機制砂顆粒含量控制嚴格。同時，國外并未將機制砂嚴格按照《建設用砂》標準來分類，在我國對于機制砂分類更加具體。

3 機制砂混凝土性能特點

3.1 工作性能

和河砂相比，機制砂棱角非常尖銳，其中含有大量顆粒，所形成形狀呈現不規則狀，所以機制砂表面體積較大， 其用水量和河沙混凝土用水量相同，導致機制砂在混凝土制作過程中很容易出現泌水隱患，甚至會引起混凝土產生結構缺陷問題。但由于機制砂配備低強度混凝土， 無形中提高機制砂保水性和粘結性，造成其性能遠超相同條件的河砂混凝土，這和機制砂對減水劑吸附性能強、石粉含量大有直接關系。同時，我國鐵科院利用機制砂制作的軌道板和梁體，利用改善機制砂重要指標數據，再往里面加入適量的聚羧酸減水劑，能確保機制砂達到河沙混凝土性能要求。

3.2 力學性能

經過大量實踐結果顯示，利用河砂和機制砂來制作相同數量的混凝土，機制砂混凝土力學性能要遠超河砂混凝土，機制砂混凝土28d力學性能要高于河砂混凝土1%～5%,抗壓強度要超過河砂混凝土8%～26%。相關工作人員將機制砂混凝提應用到預應力結構方面，發現前期機制砂混凝土抗壓強度要多于河砂混凝土，隨著時間不斷推移，其后期強度逐漸向河砂混凝土強度靠攏，但這兩種混凝土力學性能都能滿足鐵路工程設計要求。

4 石粉含量對機制砂混凝土的影響

4.1 石粉含量對機制砂混凝土工作性能的影響

經過大量實踐證明，隨著石粉含量不斷增加，混凝土坍落度會呈現先增加再降低的趨勢，在石粉含量增加到10%左右時，混凝土坍落度性能最高。而導致出現該種現象的主要因素，是由于石粉細度和水泥細度基本相同，一旦將石粉和混凝土相互結合，其會和混凝土中的水泥、水進行融合，最終形成柔軟的漿體，能有效填充骨料間的孔隙，降低骨料間的摩擦力，從而解決機制砂表面粗糙、菱角多的問題，有效提升混凝土坍落度。但由于石粉具有表面體積大、吸水性強等特征，一旦石粉含量高于10%時，拌合物需水量會不斷上升，在膠凝材料和水灰比相同情況下，拌合物會出現黏稠、坍落度降低、粘聚性增加等情況。同時，在實驗過程中，當石粉含量降低到5%時，拌合物會出現輕度泌水現象，隨著石粉含量不斷提升，泌水情況會逐漸消失。

4.2 石粉含量對機制砂混凝土7d和28d抗壓強度影響

從混凝土試塊7d和28d抗壓強度分析來看，混凝土7d和28d抗壓強度會跟隨石粉含量上升而提高，當其7d和28d抗壓強度上升趨勢穩定時，上升曲線會呈現線性改變；當石粉含量提升到25%時，7d和28d抗壓強度平均值能達到最高值。可見，在膠凝材料相同條件下，石粉對提升C30等級混凝土7d和28d抗壓強度具有至關重要的作用，歸根結底是由于石粉在混凝土中會產生微集料作用，有效優化骨料級配，將混凝土拌合物的孔隙填充起來。同時，隨著工作人員摻合大量石粉，整個拌合物愈發粘稠，給拌合物密實度帶來不同程度的提升，從而提高混凝土7d和28d抗壓強度。另外，個別石粉石灰在初期能提升水泥水化速度，誘導水泥的水化產物進行分析，推動混凝土早期強度發展。但值得注意的是，石粉對于混凝土強度來說，并非越多越好，當石粉含量越高，骨料比表面積會逐漸增加，包裹骨料水泥砂漿嚴重不足，會降低混凝土整體強度。

5 機制砂在鐵路工程中的應用

5.1 現澆結構

在宜萬鐵路中有大量百米墩臺時利用機制砂混凝土澆筑而成，根據現場實際情況，選擇合適的水泥用量、機制砂級配、礦物摻合料配合比等措施后，不僅讓混凝土后期強度能滿足行業標準，還能延長鐵路工程使用年限。同時，在石武客專二工程中，通過采用機制砂混凝土來制作墩柱、樁基、承臺等結構，確保實體結構中混凝土強度超過40MPa，其電通量低于750°，才能滿足后期鐵路工程施工要求。在渝懷鐵路隧道建設中，利用機制砂制作了隧道襯砌混凝土，該種混凝土具有粘結性好、流動性強等特征，能確保襯砌隧道在脫模后外觀光滑性，并保障其強度能滿足設計要求。通過上述這些實例能充分說明機制砂在鐵路工程現澆混凝土結構中具有至關重要的作用。

5.2 預應力構件

早在20世紀，鐵科院就將機制砂應用到鐵路工程中，通過制作機制砂混凝土軌枕，來提高鐵路預應力構件安全性。為解決鐵路工程天然河砂資源嚴重不足的問題，鐵科院進一步研究機制砂生產工作，讓機制砂生產向信息化方向發展。工作人員在機制砂生產過程中摻合相當計量的泥粉，這些泥粉會對混凝土質量帶來不同程度的影響，工作人員必須對其進行嚴格控制。

5.3 技術瓶頸和標準約束

由于天然河砂資源極度匱乏，目前我國西南地區鐵路工程混凝土全部是采用機制砂為主體，如仰拱、墩身、樁基等環節全部采用機制砂制作，而軌道板、梁、軌枕等預應力構件是通過運輸天然河砂來建設，由于受到河砂限采政策影響，河砂出現連續供應困難、成本高等特征。

6 總 結

綜上所述，本文通過分析我國鐵路混凝土工程特點，讓工作人員對機制砂性能要求有基本認知，再從不同方面幫助工作人員掌握機制砂混凝土特征，從而分析機制砂在我國鐵路工程建設過程中的應用現狀，進而針對問題提出有效解決措施，來提高鐵路工程機制砂混凝土質量。