高速鐵路隧道工程機(jī)制砂應(yīng)用探討

另本春，邵林，王國鳳 （中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023）

我國多數(shù)地區(qū)建筑工程大量應(yīng)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(zhǎng)距離運(yùn)輸。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(jī)制砂在鐵路工程方面逐步推廣應(yīng)用，本文介紹鐵路項(xiàng)目自建干法生產(chǎn)線自加工機(jī)制砂在高速鐵路隧道混凝土工程的應(yīng)用實(shí)踐，主要對(duì)隧道工程機(jī)制砂的進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)、配合比設(shè)計(jì)、拌和物性能，力學(xué)與長(zhǎng)期性能進(jìn)行分析，為機(jī)制砂在鐵路高性能混凝土方面的推廣應(yīng)用提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 工程應(yīng)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(zhǎng)289.807km，設(shè)計(jì)速度350km/h。本項(xiàng)目高速鐵路隧道洞渣機(jī)制砂加工場(chǎng)位于安徽省休寧縣龍?jiān)创寰硟?nèi)，利用棄渣場(chǎng)征地建設(shè)，是國內(nèi)首個(gè)環(huán)保化、自動(dòng)化、智能化程度最高的大型機(jī)制砂加工場(chǎng)，占地約3hm（45畝），設(shè)計(jì)加工能力300t/h，主要承擔(dān)東山隧道進(jìn)口、東山隧道橫洞和云頭山隧道進(jìn)口等隧道棄渣的綜合利用，設(shè)計(jì)加工總量約120萬噸。昌景黃鐵路本著以質(zhì)量為本、扎實(shí)穩(wěn)妥的原則，同意在C40以下非預(yù)應(yīng)力及無砟軌道道床板以外的部位使用。

2 機(jī)制砂進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量控制

2.1 機(jī)制砂成品質(zhì)量參數(shù)

本項(xiàng)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(shù)指標(biāo)，母巖抗壓強(qiáng)度：128～150MPa；堿活性：潛在堿硅酸鹽反應(yīng)骨料，快速砂漿棒法結(jié)果：0.04～0.14%。成品機(jī)制砂指標(biāo)滿足《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10424-2018），細(xì)度模數(shù)為2.8-3.2，顆粒級(jí)配為Ⅱ區(qū)，其他指標(biāo)見表1。

機(jī)制砂質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果匯總表 表1

2.2 質(zhì)量控制措施

機(jī)制砂進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)分常規(guī)檢驗(yàn)和型式檢驗(yàn)。常規(guī)檢驗(yàn)，機(jī)制砂進(jìn)場(chǎng)經(jīng)物資部門報(bào)驗(yàn)，連續(xù)進(jìn)場(chǎng)時(shí)間在6h以內(nèi)累計(jì)不超過600t可組成一批次。首先經(jīng)工地試驗(yàn)室按照進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)流程對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行初驗(yàn)，加快機(jī)制砂進(jìn)入待檢環(huán)節(jié)，減少24h檢測(cè)退場(chǎng)率。初驗(yàn)主要包括目測(cè)、顆粒級(jí)配、石粉含量、亞甲藍(lán)，一般在2h內(nèi)完成。初驗(yàn)合格后方可卸料，料倉標(biāo)記為待檢標(biāo)識(shí)。工地試驗(yàn)室同步開始進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)的其他參數(shù)，如泥塊含量、壓碎值、有機(jī)物含量、輕物質(zhì)含量、云母含量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后轉(zhuǎn)換為合格標(biāo)識(shí)。

型式檢驗(yàn)，工地試驗(yàn)室每半年抽檢委托第三方檢測(cè)單位對(duì)機(jī)制砂原材料及成品進(jìn)行型式檢驗(yàn)，根據(jù)日常進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)參數(shù)的波動(dòng)，并參考機(jī)制砂場(chǎng)型式檢驗(yàn)的波動(dòng)情況，必要時(shí)加大型式檢驗(yàn)頻率，確保機(jī)制砂質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

為做好機(jī)制砂配合比的應(yīng)用，進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)除應(yīng)符合規(guī)范要求外，還應(yīng)保持進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量穩(wěn)定，機(jī)制砂的質(zhì)量波動(dòng)對(duì)混凝土拌和物及實(shí)體質(zhì)量影響較大。機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在±0.2，石粉含量應(yīng)控制在±1.5%，亞甲藍(lán)值應(yīng)盡可能降低，并在±0.2范圍內(nèi)。

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)分析

本項(xiàng)目通過對(duì)C40以下機(jī)制砂混凝土配合比進(jìn)行試驗(yàn)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)制砂的石粉含量、顆粒級(jí)配等因素對(duì)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(shè)計(jì)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(jī)制砂混凝土配合比在相同膠凝材料的情況下，為達(dá)到預(yù)期相似的拌和物性能，配合比設(shè)計(jì)參數(shù)有以下差異特點(diǎn)：?jiǎn)畏接盟浚瑱C(jī)制砂比河砂偏高；砂率，機(jī)制砂比河砂略高；水膠比，機(jī)制砂比河砂高；除此之外，實(shí)際機(jī)制砂應(yīng)用外加劑有所不同，河砂應(yīng)用減水劑固含量18%，減水率26%～29%；機(jī)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(xué)性能與長(zhǎng)期性能 表4

噴射混凝土C25使用機(jī)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(qiáng)；同等工藝下，噴射混凝土回彈率低。據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際統(tǒng)計(jì)分析，河砂噴射混凝土實(shí)際消耗量（超挖與回彈損耗等總和）與設(shè)計(jì)比為170%，回彈率34%；使用機(jī)制砂使用機(jī)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(qiáng)，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮石粉含量作為膠凝材料的補(bǔ)充。注意亞甲藍(lán)值及石粉含量的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致單位用水量的波動(dòng)，實(shí)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(jī)制砂相比河砂細(xì)度模數(shù)偏大、顆粒形貌較粗糙，為提供相同的比表面積，達(dá)到相同的流動(dòng)性目標(biāo)下，砂率應(yīng)適當(dāng)提高。二是機(jī)制砂本身吸水率較河砂大，一般河砂在0.8%～1.0%,本項(xiàng)目機(jī)制砂實(shí)測(cè)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(lán)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(biāo)要求，如石灰石粉甲藍(lán)值小于1.0，且其他指標(biāo)滿足要求時(shí)可比照礦物摻合料進(jìn)行摻入。

根據(jù)混凝土配合比及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體試驗(yàn)段試驗(yàn)數(shù)據(jù)看：機(jī)制砂與河砂混凝土7d與28d齡期抗壓強(qiáng)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(qiáng)度與取芯強(qiáng)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(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢；90d混凝土強(qiáng)度與電通量機(jī)制砂與河砂大致相同。

4 機(jī)制砂及混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制

機(jī)制砂加工場(chǎng)要重點(diǎn)關(guān)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(jī)制砂細(xì)度模數(shù)、石粉含量、亞甲藍(lán)值（泥粉含量）參數(shù)對(duì)單方用水量的影響較大，會(huì)直接影響拌和物性能的穩(wěn)定。

干法生產(chǎn)機(jī)制砂通常在制備、運(yùn)輸、配料過程存在離析現(xiàn)象，為防止離析，應(yīng)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(jī)制砂生產(chǎn)的混凝土包裹性、黏聚性要強(qiáng)于河砂，但受石粉含量及亞甲藍(lán)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(dāng)?shù)卦龃蠡炷恋某鯔C(jī)坍落度有利于現(xiàn)場(chǎng)施工。

加強(qiáng)對(duì)出機(jī)混凝土的管理，試驗(yàn)人員對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，隨時(shí)關(guān)注混凝土質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、機(jī)制砂質(zhì)量波動(dòng)情況、其他原材料變化、氣候變化等因素，及時(shí)合理地調(diào)整配合比措施。

5 總結(jié)及前景展望

機(jī)制砂作為混凝土工程材料應(yīng)用成為必然趨勢(shì)，鐵路、公路工程項(xiàng)目應(yīng)用也將會(huì)越來越廣泛，機(jī)制砂及混凝土配合比設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)和改進(jìn)建議：

①機(jī)制砂的使用應(yīng)保持材料穩(wěn)定，保持制砂工藝、級(jí)配與細(xì)度模數(shù)、石粉含量及亞甲藍(lán)值對(duì)混凝土的應(yīng)用至關(guān)重要，其中控制亞甲藍(lán)值是是機(jī)制砂混凝土能否利用的最關(guān)鍵因素；

②機(jī)制砂的粒形粒貌、吸水率、石粉含量對(duì)混凝土單方用水量影響較大；

③在混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)合理砂率，適當(dāng)提高單方用水量，選擇合理減水劑是用好機(jī)制砂混凝土應(yīng)用的重要措施；

④當(dāng)亞甲藍(lán)值低于1.0時(shí)，石粉含量應(yīng)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。