我國鐵路工程機制砂混凝土應用現(xiàn)狀及存在問題

趙有明，韓自力，李化建，黃法禮，王振，易忠來

（中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

以母巖符合技術要求的巖石、卵石及工程開挖料為原料，經(jīng)除土處理，由機械破碎、篩分、整形制成的粒徑小于4.75 mm且粒形和級配滿足要求的顆粒稱為機制砂[1]。日本以及大部分歐美國家已普遍應用機制砂，在機制砂整形、粒度優(yōu)化等領域的工藝與裝備處于領先水平，早在20世紀90年代，日本就制定了 JIS A 5005—2009《Crushed Stone and Manufactured Sand for Concrete》等標準指導機制砂混凝土的應用[2]。1966年四川映秀灣電站工程中建立的第1條60萬t機制砂生產線標志著我國機制砂規(guī)?；こ虘玫拈_始，隨后三峽大壩等重點工程的建設推進了我國機制砂的應用和發(fā)展[3]。貴州省于1987年制定了我國第1個機制砂地方標準，隨后云南、河南等地相繼頒布了機制砂標準和應用規(guī)程。機制砂可就地取材、工業(yè)化生產等特點使其具有經(jīng)濟效益高、質量可控性強、產量易調節(jié)等優(yōu)勢，使用機制砂大幅降低了河砂的外運費用和混凝土生產成本，也緩解了因河砂開采造成的自然環(huán)境壓力。機制砂替代河砂作混凝土原材料是砂石骨料未來發(fā)展的主要趨勢，應用機制砂是緩解鐵路工程混凝土河砂資源嚴重短缺的主要措施，也是高速鐵路綠色建造技術的重要方向[4]。結合鐵路工程特點和機制砂及其混凝土性能特點，分析機制砂在我國鐵路工程中的應用問題，指出機制砂及其混凝土的應用可行性和發(fā)展方向。

1 鐵路混凝土工程特點

鐵路作為我國經(jīng)濟發(fā)展的運輸動脈，到2020年建設里程預計達到15萬km，其中高速鐵路達到3萬km。隨著鐵路建設技術的不斷發(fā)展，我國鐵路建設最初以低強度普通混凝土為工程材料，經(jīng)歷了替代鋼材和木材制備鐵路預應力軌枕的低塑性高強階段，發(fā)展到現(xiàn)今的鐵路高性能混凝土階段[5]。鐵路工程結構條帶狀分布和跨越區(qū)域大、混凝土原材料需求分散且供貨難及結構復雜等特點，要求鐵路混凝土必須具有與結構部位和施工方法相匹配的工作性能、力學性能、耐久性能和長期穩(wěn)定性能。

（1）條帶狀分布、跨越區(qū)域大。鐵路工程是一種條帶狀結構形式，客觀上必須穿越不同環(huán)境區(qū)域，具有跨距大、就地取材難、作用環(huán)境復雜等特點。不同地域原材料性能差異與鐵路混凝土原材料必須就地取材之間的矛盾是制約鐵路工程機制砂混凝土應用最為關鍵的問題。

（2）混凝土原材料需求分散、供貨難。由于鐵路工程條帶狀分布、跨越區(qū)域大的特點，形成了鐵路獨有的“一線多點”的工作模式，即一定區(qū)域內的鐵路建設需要多個標段來共同完成。造成鐵路混凝土原材料需求的分散性。此外，由于混凝土原材料種類較多，除砂石外，還有水泥、外加劑和多種礦物摻合料，考慮到鐵路施工單位周邊交通不便，這些因素也造成了混凝土原材料供貨難的特點。

（3）鐵路工程結構復雜、混凝土性能需求高。鐵路工程包括上部軌道結構和下部基礎結構兩大部分，上部軌道結構分為有砟軌道和無砟軌道兩大類，下部基礎結構含有橋梁、隧道和路基等不同類型[6]。不同結構鐵路混凝土對其工作性能、力學性能和耐久性能需求不同。例如，軌道板和雙塊式軌枕等鐵路混凝土坍落度不高于160 mm，強度等級為C60，采用工廠預制和蒸汽養(yǎng)護的方式制備；灌注樁、墩承臺、隧道襯砌等鐵路混凝土坍落度在200 mm左右，強度等級在C30～C50[7]，采用泵送、斗送的施工方式；CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土擴展度≤680 mm，采用自密實方式成型[8]。值得注意的是，鐵路混凝土還使用了超高強度等級的活性粉末混凝土，如電纜槽蓋板的強度等級為C120。此外，為保證混凝土在特定服役環(huán)境下的耐久性，同一強度等級混凝土在抗凍性、抗?jié)B性、抗侵蝕性、抗磨蝕性等方面又提出了不同要求。

（4）施工方式多樣。鐵路工程復雜的結構特征和性能要求決定了鐵路混凝土施工方式的多樣性。例如，有采用泵送方式施工的墩身承臺、隧道襯砌、無砟軌道等現(xiàn)澆結構，有采用自密實混凝土施工的灌注樁、CRTSⅢ型板式無砟軌道充填層，還有采用泵送或斗送方式施工的軌道板、軌枕、梁等預制構件結構。

2 現(xiàn)行標準對機制砂性能的要求

河砂在河床中經(jīng)過河水長年反復的沖撞和摩擦，表面光滑，棱角較少，粒形較為圓潤。目前機制砂加工水平良莠不齊，與天然河砂相比，機制砂普遍存在石粉含量高、顆粒級配差、顆粒棱角尖銳等問題。

2.1 石粉含量限值

表1 不同國家機制砂石粉粒度和含量界定

機制砂與河砂最明顯的區(qū)別在于含有石粉，石粉也是機制砂材料特性中最關鍵的性能參數(shù)之一。石粉是機制砂生產制備過程中不可避免的副產物，其顆粒粒徑小于75 μm且礦物組成和化學成分與機制砂母巖相同。各國標準對機制砂石粉的定義有兩方面不同：一是石粉顆粒粒度的界定值，二是石粉含量的限值要求。世界各國關于石粉粒度界定和石粉含量限值見表1[1-2，9-12]。由表1可知，中國、美國、日本對機制砂中石粉含量要求較為嚴格，其他國家要求較為寬泛。我國相關規(guī)范對機制砂的石粉粒度及含量限值的規(guī)定見表2，可以看出，對于同一規(guī)范，隨著進一步的修訂和完善，機制砂中石粉含量限值范圍在不斷放寬[13]。

表2 我國相關標準機制砂石粉含量與粒度界定

2.2 顆粒級配曲線

細度模數(shù)可以簡便快速表征砂的粗細程度，但艾長發(fā)等[14]指出，細度模數(shù)是表征機制砂粗細程度的宏觀指標，相同細度模數(shù)機制砂，其顆粒級配可能存在較大變動性，無法真實反映機制砂的級配情況。世界各國標準規(guī)范中對機制砂顆粒級配的要求見表3。由表3可知，英國對機制砂單粒級顆粒含量范圍的要求最為寬泛，美國、日本及中國對于機制砂各粒級含量范圍控制較為嚴格。不同于《建設用砂》，國外標準未將機制砂按照技術要求分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，相比而言，我國標準對機制砂的分類更為精細。《建設用砂》對機制砂（Ⅱ區(qū)砂）的級配要求見表3，可以看出，0.15 mm篩孔尺寸的通過百分率規(guī)定為6%～20%，較大程度地拓寬了0.15 mm以下顆粒含量的范圍，但也容易導致機制砂級配中出現(xiàn)“兩頭大、中間小”的問題，即粒徑大于2.36 mm和小于0.15 mm的顆粒含量高，而粒徑0.30～1.18 mm的顆粒含量少。

表3 各國規(guī)范中對機制砂顆粒級配的要求

2.3 顆粒形貌

機制砂外形富有棱角、表面粗糙，對混凝土的工作性能有不利影響。如何評價細骨料的顆粒形貌目前沒有公認的標準方法，JTG E42《公路工程集料試驗規(guī)程》中提出的流動時間法和間隙率法參考了美國和歐洲的標準[15]。細骨料流動時間越長表明其表面越粗糙，間隙率越大表明其內摩擦角越大，棱角圓潤顆粒含量越少表明顆粒粒形越尖銳。李艷等[16]研究表明，流動時間和間隙率2種評價方法相關性較差。美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）[17]提出一種利用測定單粒級骨料的顆粒指數(shù)來整體性表征樣品的顆粒形狀和紋理特征的方法，但測試和計算十分復雜。當前圖像分析和處理技術逐漸在細骨料形貌研究中應用，以骨料顆粒投影的長徑比和圓形度來表征細骨料形貌特征是較為便捷的方法[18]。

3 機制砂混凝土性能特點

3.1 工作性能

與河砂相比，機制砂棱角尖銳、不規(guī)則形狀顆粒含量高，因此機制砂比表面積更大，達到與河砂混凝土相同工作狀態(tài)時的單方用水量增加，導致機制砂混凝土制備過程中存在泌水隱患，從而引發(fā)混凝土結構缺陷的問題，但由機制砂制備的低強度等級混凝土，其黏聚性和保水性通常優(yōu)于相同條件的河砂混凝土，這與機制砂石粉含量大、膨脹性黏土礦物含量高和對減水劑吸附性能強等因素有關[19]。中國鐵道科學研究院集團有限公司（簡稱鐵科院）采用機制砂制備的梁體和軌道板，通過優(yōu)化機制砂關鍵指標參數(shù)，同時多摻2～3 kg/m3的聚羧酸減水劑，能夠達到與河砂混凝土相同的狀態(tài)[20]。

3.2 力學性能

機制砂中石粉具有填充混凝土孔隙和改善骨料顆粒級配的作用，適量石粉通過發(fā)揮級配和填充效應提高了機制砂混凝土力學性能[21-22]。同時，機制砂中不規(guī)則粒形顆粒之間摩擦力大，咬合作用強，漿體與骨料之間的黏結力提高，混凝土的力學性能增強。研究表明，采用機制砂和河砂分別制備相同水泥用量和拌合物稠度的混凝土，機制砂混凝土的力學性能整體優(yōu)于河砂混凝土，機制砂混凝土28 d抗折強度比河砂混凝土高1%～5%，28 d抗壓強度比河砂混凝土高8%～26%[23]。鐵科院制備的預應力結構用機制砂混凝土，前期機制砂混凝土抗壓強度高于河砂混凝土，后期強度與河砂混凝土相近，2種混凝土28 d齡期前抗壓強度增長迅速，28 d齡期后增長趨于平緩，且其力學性能均能滿足鐵路工程的設計要求[20]。

3.3 耐久性能

石粉含量是影響機制砂混凝土耐久性的重要因素。低強度等級混凝土中，機制砂混凝土抗凍性小于河砂混凝土，但抗氯離子滲透性能高于河砂混凝土，表明適量石粉在混凝土中發(fā)揮級配效應和填充效應，改善了機制砂混凝土的密實性；高強度等級混凝土中，機制砂混凝土抗氯離子滲透性和抗凍性與河砂混凝土相當[24]。李婷婷等[25]認為10%～15%含量的石粉明顯改善了C30機制砂混凝土的抗?jié)B性，C60機制砂混凝土在石粉含量小于15%時抗?jié)B性無明顯變化，C80機制砂混凝土的抗?jié)B性則隨著石粉摻量增大而降低。王雨利等[26]研究發(fā)現(xiàn)，機制砂混凝土中石粉摻量小于5%時抗凍性略有提升，在石粉摻量處于5%～10%時混凝土抗凍性最好，而石粉摻量大于15%時混凝土抗凍融循環(huán)次數(shù)明顯減小，抗凍性劣化顯著。鐵科院研究發(fā)現(xiàn)，預應力結構用機制砂混凝土的氯離子擴散系數(shù)和電通量均小于河砂混凝土，其中梁體機制砂混凝土56 d氯離子擴散系數(shù)和電通量分別為3.1×10-12m2/s和407 C，軌道板用機制砂混凝土56 d氯離子擴散系數(shù)和電通量分別為2.3×10-12m2/s和393 C，兩者均具有良好的抗氯離子滲透性[20]。

3.4 收縮徐變性能

?elik等[27]研究發(fā)現(xiàn)，機制砂石粉含量在10%以內時，機制砂混凝土收縮增大；機制砂石粉含量在10%～30%時，機制砂混凝土收縮減小。郭育霞等[28]指出，機制砂混凝土干縮隨著石粉內摻量增加而增大，而外摻石粉量大于15%時，機制砂混凝土干縮減小。Malhotra等[29]研究發(fā)現(xiàn)，機制砂石粉含量小于5%時，機制砂混凝土徐變應變小于基準混凝土；而機制砂石粉含量大于10%時，機制砂混凝土的徐變應變比基準混凝土增大22%～26%。影響混凝土干縮的主要因素有膠凝材料、水灰比、骨料種類和含量、養(yǎng)護條件等，適當含量的石粉和級配良好的機制砂，可以完善漿體顆粒級配、填充漿體孔隙和限制水泥漿體變形，降低了混凝土的干縮。鐵科院研究認為，機制砂顆粒棱角尖銳的特性提高了骨料顆粒間的咬合作用，加強了對水泥漿體變形的約束力，降低了混凝土徐變變形，但機制砂中含有石粉增大了水泥漿體的體積含量，一定程度提高了機制砂混凝土徐變變形，當機制砂混凝土中不同因素占主導作用時，最終徐變變形呈現(xiàn)出不同的宏觀狀態(tài)。預應力結構用機制砂混凝土受壓徐變規(guī)律與河砂混凝土一致，2種混凝土強度等級高，最終的徐變系數(shù)均較小[20]。

4 機制砂在鐵路工程中的應用

4.1 現(xiàn)澆結構

宜萬鐵路龍王廟大橋23個百米墩臺采用機制砂泵送混凝土澆筑，在調整機制砂級配、選擇適當水泥用量和摻加粉煤灰等礦物摻合料的配合比優(yōu)化措施上，機制砂混凝土澆筑順利，后期強度符合設計要求，機制砂混凝土在高墩施工技術中具有良好的應用前景[30]。石武客專二標線下工程中，采用機制砂混凝土制備了樁基、承臺和墩柱等結構，實體結構中混凝土56 d強度大于40 MPa，56 d電通量小于750 C，符合該鐵路結構的設計要求[31]。在京滬高鐵14和22工區(qū)內，優(yōu)化機制砂級配區(qū)間和控制石粉含量，采用機制砂制備了樁基、承臺和墩柱用機制砂混凝土，混凝土坍落度為160～210 mm，28 d抗壓強度為33.6～43.7 MPa，滿足混凝土工作性能和力學性能要求[32]。鐵科院利用工礦業(yè)排放量最大的固體廢物（尾砂）替代樁中河砂，制備出遠距離泵送性能好、平均強度為28.8 MPa的尾砂樁體材料，并將尾砂樁體材料成功應用于京滬高鐵DK190+124.0—DK190+140.0，減少了樁頭截取量，降低了樁體原材料成本[33]。

在渝懷鐵路金洞隧道和旗號嶺隧道中，采用機制砂制備了流動性高、黏聚性好的隧道襯砌混凝土，脫模后隧道襯砌表面平整光亮，外觀效果好，28 d強度測試結果也滿足設計要求[34]。貴廣高鐵中斗篷山隧道與胡家寨隧道中，將開挖的母巖制備成機制砂，用于隧道內噴射混凝土，粉煤灰摻量40%、水膠比0.37的噴射機制砂混凝土凝結時間短、回彈少、強度高、表面平整[35]。

上述實例可證明機制砂在鐵路工程現(xiàn)澆混凝土結構中的應用具有可行性。

4.2 預應力構件

早在20世紀90年代初，鐵科院在都勻橋梁廠和太原軌枕廠均采用機制砂制備了機制砂混凝土軌枕[36]，研究采用機制砂混凝土制備鐵路預應力構件的可能性。

為解決鐵路工程天然河砂資源嚴重短缺及機制砂混凝土預應力構件技術儲備少等突出問題，近年來，鐵科院圍繞實現(xiàn)鐵路工程機制砂生產監(jiān)測信息化、面向不同巖性機制砂混凝土制備及機制砂混凝土預應力構件服役性能控制等關鍵技術問題開展系統(tǒng)研究，提出鐵路工程預應力混凝土構件用機制砂性能與生產技術要求，實現(xiàn)了機制砂生產過程的在線監(jiān)測和實時傳輸，配制出滿足標準要求的機制砂混凝土T梁、軌道板、軌枕，部分科研成果已通過原中國鐵路總公司科技和信息化部組織的試用評審并已上線試用。

4.3 技術瓶頸與標準制約

在鐵路工程混凝土領域，以TB/T 3275《鐵路混凝土》為代表的基礎標準規(guī)定細骨料應選用級配合理、質地堅固、吸水率低、孔隙率小的潔凈天然河砂或母材檢驗合格、經(jīng)專門機組生產的機制砂，不應使用海砂。而鐵路工程混凝土梁、軌枕、軌道板等預應力制品標準中均要求細骨料應完全使用天然河砂[37-42]。

由于天然河砂資源短缺，目前我國西南地區(qū)鐵路線下工程混凝土大都采用機制砂，如樁基、承臺、墩身、初支、二襯、仰拱等結構部位。而梁、軌枕、軌道板等預應力構件均采用外運天然河砂。受河砂限采政策的影響，河砂成本高達350元/t，且連續(xù)供應困難。工程實踐表明，機制砂在我國鐵路工程中的應用仍存在以下問題：

（1）機制砂生產“小亂差”，品質不一。機制砂基于地方礦石資源生產加工而成，由于鐵路工程條帶狀分布、跨區(qū)域廣的特點導致其面臨母材巖性復雜、管理困難的問題。此外受傳統(tǒng)輕視混凝土骨料觀念、我國機制砂生產設備水平及市場因素的影響，致使一些企業(yè)生產的機制砂品質難以滿足鐵路工程混凝土技術要求，不同廠家甚至同一廠家不同批次生產的機制砂性能也存在很大差異。

（2）機制砂標準體系不完善。目前我國鐵路行業(yè)標準允許低強度等級、非預應力結構采用機制砂制備混凝土，但是缺少機制砂的生產與質量控制、機制砂混凝土配合比設計等規(guī)范性指導文件，而在預應力結構中，現(xiàn)行仍禁止機制砂在預制梁、軌道板、軌枕等預應力構件中應用。

（3）機制砂混凝土結構性能技術儲備少。在機制砂混凝土配合比設計層面，目前通常借鑒河砂混凝土配合比設計方法，但機制砂中含有一定量的石粉，其對混凝土性能影響極為顯著，在配合比設計過程中，石粉以膠凝材料還是細骨料予以劃分依然無定論，基于水膠比的設計理念也必然受到質疑，因此，目前業(yè)內就機制砂混凝土的配合比設計理念仍相對混亂。在性能研究方面，目前研究多集中在機制砂混凝土自身性能或機制砂混凝土與河砂混凝土性能差異的研究，缺少對機制砂混凝土體積穩(wěn)定性、鋼筋黏結強度、應力-應變曲線等結構性能方面的研究，這也是導致我國鐵路工程預應力構件限制采用機制砂的主要原因之一。

5 結論與建議

（1）建立適應于鐵路工程特點的機制砂標準體系。為提高鐵路工程中機制砂及機制砂混凝土質量，應從機制砂母材選取、生產工藝和加工設備、成品性能指標及機制砂混凝土配合比設計與施工應用等方面建立相關標準體系。

（2）加強鐵路工程機制砂生產過程質量控制。鐵路工程機制砂生產具有一線多點的特征，因此對機制砂生產過程質量的控制必須嚴格要求。目前機制砂的性能評價多基于實驗室檢測結果，對于機制砂的生產而言存在一定滯后性，因此應就機制砂生產過程質量控制監(jiān)測等方面開展研究，以確保機制砂產品質量。

（3）深化機制砂混凝土結構性能研究。模擬列車疲勞荷載作用，研究機制砂混凝土實體結構性能演變規(guī)律，獲得機制砂在鐵路工程預應力構件中的適用性，并提出相關性能指標。