機制砂的特性及其在高速鐵路工程中的應用

摘 要：【目的】為了充分發(fā)揮機制砂的排水性能，研究機制砂對高速鐵路工程的影響?！痉椒ā客ㄟ^介紹機制砂的基本特性，分析機制砂的生產(chǎn)工藝，合理發(fā)揮機制砂的應用效果。【結(jié)果】結(jié)果表明，將機制砂應用到高速鐵路方面，能提供較強的力學性能，能保持良好的工程性能，可加強高速鐵路線路的穩(wěn)定性?！窘Y(jié)論】機制砂特性的研究與應用，推動了機制砂在高速鐵路等領域的應用，對保障我國高鐵工程等項目砂料供給具有十分重要的意義。

關鍵詞：機制砂；高速鐵路工程；應用

中圖分類號：U215.2 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）17-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.015

The Characteristics of Machine-Made Sand and Its Application in High Speed Railway Engineering

WU Yifeng

（Engineering Measurement and Testing Branch of China Railway Tunnel Bureau Group Co.， Ltd.， Suzhou 234300， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to fully utilize the drainage performance of machine-made sand and determine the impact of machine-made sand on high-speed railway engineering. [Methods] This article introduces the basic characteristics of machine-made sand， analyzes the production process of machine-made sand， and reasonably controls the application effect of machine-made sand. [Findings] Through practical application， it was found that applying machine-made sand to high-speed railways can provide strong mechanical properties， maintain good engineering performance in any weather， and strengthen the stability of high-speed railway lines. [Conclusions] The research and application of the characteristics of machine-made sand is 24dab531413bf98b33febfce19d353fb8766d4e0cadfbbf0f46ad72c175fb965of great significance for promoting the use of machine-made sand in high-speed railways and other fields， and ensuring the supply of sand materials for projects such as high-speed rail engineering in China.

Keywords： machine-made sand; high-speed railway project; application

0 引言

近年來，隨著我國高速鐵路建設的快速發(fā)展，機制砂作為一種新型的鐵路基礎材料，受到了廣泛的關注和應用。機制砂以其優(yōu)異的性能和可持續(xù)發(fā)展的特點，在高速鐵路工程中發(fā)揮了重要作用。機制砂是通過人工制造的砂子，其由天然礦石經(jīng)過破碎、篩分等物理處理后得到，具有堅固耐用、顆粒均勻、形狀良好等特點，能較好地滿足高速鐵路工程對材料性能的要求。同時，機制砂顆粒形狀較好，能提供更好的力學性能。顆粒均勻的機制砂能在高速列車通過時提供更好的穩(wěn)定性，減小路基沉降和變形的風險。機制砂的物理性能穩(wěn)定，很難受天氣、季節(jié)變化的影響，使得機制砂在各種氣候條件下都能保持較好的工程性能，確保鐵路線路的安全和穩(wěn)定。當然，在機制砂的研究與應用中也存在各種問題，機制砂生產(chǎn)需要消耗大量天然礦石資源，機制砂生產(chǎn)過程會對環(huán)境造成較大的污染，需要采取相應的環(huán)保措施。綜上所述，機制砂在高速鐵路工程中具有廣闊的應用前景，但需要進行深入研究和探索，進一步完善機制砂的生產(chǎn)工藝，提高其性能和質(zhì)量。

1 機制砂的基本特性

機制砂通過人工制造的方式，將巖石破碎并進行精細加工而成的，具有以下特性。①堅硬耐磨。其采用高硬度的巖石作為原料，經(jīng)過破碎、篩分和洗凈等多道工序處理，使得其顆粒形狀規(guī)則，具有良好的耐磨性。因此，機制砂在使用過程中不易磨損，能更好地承受外力的沖擊和壓力，具備較長的使用壽命。②粒度分布均勻。在生產(chǎn)過程中，科學合理的篩分工藝可控制機制砂粒度分布，使得其顆粒大小相對均勻，有助于機制砂在混凝土、瀝青等材料中的使用，可提高材料的密實性和穩(wěn)定性，從而增加工程的承載能力和使用壽命。③形狀特征。相較于天然砂，機制砂的顆粒形狀更加規(guī)則，表面更加平滑，有助于減少材料之間的空隙，提高材料的填充性和緊密性，從而增加材料的強度和穩(wěn)定性。同時，機制砂平滑的表面使其與其他材料可以更好地結(jié)合，有效提高工程的整體質(zhì)量。同時，在制作機制砂過程中應根據(jù)不同需要添加適量的添加劑，進一步提升其抗沖擊性能，使其能承受更大的外力沖擊，以保證工程的安全性和穩(wěn)定性［1］。

2 機制砂的生產(chǎn)工藝

機制砂的生產(chǎn)工藝主要由粗破、細破、制砂等3個環(huán)節(jié)組成。粗破是通過顎式破碎機將母巖加工成直徑小于18 cm的集料；細破是通過輸送帶把直徑小于18 cm的集料輸送到反擊破碎機加工成小于3 cm的集料，將細破的集料通過輸送帶送到振動篩，分篩成直徑為16～31.5 mm的成品料，將這兩種料送到反擊式制砂機進行二次加工得到直徑為5～10 mm的規(guī)格料，再通過2號振動篩分篩水洗分別得出直徑為5～10 mm碎石、10～20 mm碎石、0～4 mm的粉料和機制砂，機制砂通過水輪轉(zhuǎn)洗脫水加粉得到細度模數(shù)為2.7～3.2的合格機制砂。機制砂生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

3 機制砂的質(zhì)量控制

3.1 母材質(zhì)量控制

母材質(zhì)量的好壞是影響機制砂性能指標的關鍵，母巖的性能在很大程度上決定了機制砂的性能。

3.1.1 母材檢測。機制砂生產(chǎn)前，相關人員對母材進行全項檢測試驗，確保其化學指標、物理力學性能（主要為抗壓強度及堿含量）符合《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB 10753—2018）及《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB 10424—2018）相關要求。生產(chǎn)過程中實行動態(tài)管理，圍巖出現(xiàn)較大變化時，母材質(zhì)量可能發(fā)生變化，因此需要及時進行取樣檢驗，待檢驗合格后方可繼續(xù)生產(chǎn)。圍巖未出現(xiàn)較大變化時，保證每月2次的取樣檢驗頻率［2］。

3.1.2 含泥量、夾泥塊控制。安排專人負責檢查母料外觀，對夾泥、含泥量大等不符合要求的毛料不允許進入母料儲存區(qū)。

3.1.3 混入雜物的全過程控制。在母料儲存區(qū)安排專人揀除毫秒管引線、編織袋等雜物，杜絕雜物進入生產(chǎn)線。

3.2 含粉量控制

石粉是石料在加工機制砂過程中形成的粒徑<75 μm的粉體物質(zhì)，其礦物組成和化學成分與被加工母巖相同。石粉含量太少起不到增加漿體體積，降低混凝土泌水、離析的目的，石粉含量也不宜過高，過高會造成需水量增加，引起混凝土性能降低。適量的石粉可填充在水泥、細砂的空隙之間，有利于改善混凝土的工作性能和混凝土的綜合力學性能。因此，在工藝設計中，采取如下措施：篩分后的砂水混合物先經(jīng)沉砂箱再進入洗砂機，并通過細砂回收脫水篩對石粉及有效的細顆粒進行回收，以減少石粉的流失，同時提高脫水效果。石粉含量除滿足混凝土使用要求外，還應符合《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB 10753—2018）及《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB 10424—2018）的要求，機制砂石粉含量控制在7%～10%范圍，使用效果較好［3］。

3.3 出廠檢驗

機制砂出廠前應由駐廠試驗檢測組進行檢測，檢測項目包括：顆粒級配（Ⅱ區(qū)）、石粉含量、亞甲藍（MB）值、含水率（≤10%），檢測結(jié)果應符合《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》（TB 10424—2018）及《建設用砂》（GB/T 14684—2011）等標準中有關機制砂的要求，檢測頻率按照400 t或200 m3為一批，檢測合格后由檢測組出具出廠合格證方可出廠，拌和站物資人員見到出廠合格證后方可收料，進入料倉的機制砂必須為合格產(chǎn)品，料倉內(nèi)不允許存在待檢機制砂［4］。

4 機制砂在高速鐵路工程的研究與應用

4.1 工程概述

張吉懷鐵路4標位于湖南省湘西州，線路全長18.079 km，工期為43個月。標段內(nèi)工程有隧道4座（永順隧道12 083 m、蘭花隧道4 383 m、新村一號隧道241 m、新村二號隧道1 275 m）、橋梁1座（蘭花洞中橋63 m）、路基1段（33 m），以隧道工程為主，占線路總長的99.5%。其中永順隧道（12 083.27 m）、蘭花隧道（4 382.67 m）為Ⅰ級風險隧道，是全線控制性工程。標段內(nèi)除永順隧道進口1 km為頁巖外，其余均為灰?guī)r，Ⅱ、Ⅲ級圍巖占72.9%，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占27.1%。

截至2019年5月5日，累計完成正洞開挖10 813 m，占 17 983 m的60%（新村一號隧道及新村二號隧道已貫通）。

4.2 嚴格控制機制砂MB值

MB值表示的是機制砂中含泥量（或石粉含量）的大小，亞甲藍試驗也是為了確定機制砂中是否存在膨脹性黏土礦物，并確定其含量的整體指標。在生產(chǎn)機制砂的過程中不可避免地產(chǎn)生粒徑小于75 μm顆粒，這些粉顆粒既可能是石粉也可能是泥粉。石粉和泥粉是兩種截然不同的物質(zhì)，一方面石粉和泥粉粒徑都比較小，在混凝土漿體中可以起到填充作用；另一方面二者的結(jié)構(gòu)完全不同，石粉結(jié)構(gòu)密實，對水僅存在表面物理吸附，而泥粉是類似于海綿的層狀松散結(jié)構(gòu)，吸水率較高，吸附水后通常會發(fā)生膨脹，進而影響混凝土強度和耐久性；再者泥粉的主要成分是蒙脫石、伊利土和高嶺土等，其對外加劑有強烈的吸附作用，石粉通常是機制砂生產(chǎn)過程中形成的細小顆粒，與母巖化學性質(zhì)一致，對外加劑吸附作用較小。泥粉與石粉雖然粒徑比較相近，但二者存在本質(zhì)區(qū)別，對混凝土產(chǎn)生的影響也不同。隨著機制砂中泥粉含量的增加，泥粉吸附水和外加劑的能力相應增加，混凝土用水量提高且坍落度損失加快。當泥粉含量較大時，也會對混凝土的強度及抗凍性、抗?jié)B性等耐久性能產(chǎn)生不利影響［5］。

4.3 加強過程管理

機制砂與天然河砂本質(zhì)區(qū)別在于機制砂可以通過調(diào)整制砂參數(shù)，人為地控制機制砂的質(zhì)量，即機制砂的細度模數(shù)、粒形和級配都可以進行調(diào)整和改進。在機制砂生產(chǎn)過程中，因母材的變化易造成機制砂質(zhì)量波動，因此每天都要嚴格對機制砂的質(zhì)量進行檢驗，動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)工藝，確保質(zhì)量合格。在高速鐵路工程中，機制砂的質(zhì)量和性能直接影響著整個工程的安全和穩(wěn)定性，要加強對機制砂的研究與開發(fā)，不斷改進其配方和生產(chǎn)工藝，提高其抗壓強度和穩(wěn)定性，以滿足高速鐵路工程的需求。同時，要加強機制砂的生產(chǎn)過程管理，機制砂生產(chǎn)過程包括原料選取、配料、混合、成型等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都需要嚴格控制，以確保機制砂的質(zhì)量穩(wěn)定。在生產(chǎn)過程中，要加強對原料的檢測和篩選，控制原料的含水量和粒度分布，保證原料的質(zhì)量穩(wěn)定。同時，要建立完善的生產(chǎn)記錄和質(zhì)量管理體系，對每批機制砂進行跟蹤和監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保機制砂的質(zhì)量符合標準要求。此外，還要加強機制砂的施工過程管理，機制砂在高速鐵路工程中主要用于路基填筑和軌道基床，因此，在施工過程中要嚴格按照設計要求進行施工，控制填筑層的厚度和均勻性，確保機制砂的穩(wěn)定性和承載能力。要注意加強現(xiàn)場管理，保證施工過程的質(zhì)量和安全，及時處理施工中出現(xiàn)的問題，防止事故發(fā)生［6］。

4.4 提高程序合規(guī)性

機制砂廠建設前除征得建設單位同意外，還應向地方政府報建，才能做到依法合規(guī)。生產(chǎn)的機制砂僅可用于本項目施工，嚴禁對地方單位及個人外售，相關部門會不定期進行檢查。在機制砂的生產(chǎn)過程中，需要對原材料進行嚴格的篩選和檢測，確保其物理性能指標達到規(guī)定要求。同時，在生產(chǎn)過程中，還需要加強設備的維護和管理，確保生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性和一致性，還要定期進行質(zhì)量檢測和評估，及時發(fā)現(xiàn)和糾正質(zhì)量問題，確保機制砂的質(zhì)量穩(wěn)定可靠。通過大量的現(xiàn)場試驗，了解機制砂在高速鐵路工程中的力學性能、變形特性及抗沖刷性能等方面的表現(xiàn)，為其更好地應用于高速鐵路工程提供科學依據(jù)。同時，應研究機制砂與其他材料的相互作用，探索其與土壤、路基結(jié)構(gòu)等的適應性和兼容性，確保機制砂與其他材料的協(xié)同作用，提高工程的整體性能［7］。

4.5 優(yōu)化環(huán)境保護管理內(nèi)容

施工單位要主動加強與地方鐵路建設協(xié)調(diào)指揮部、環(huán)保部門溝通，主動接受檢查、監(jiān)督。地方生態(tài)環(huán)境部門每季度會不定期（收到舉報除外）進行檢查，若機制砂廠產(chǎn)生的噪聲、 揚塵、 污水、 廢棄物等處理不滿足環(huán)保要求的，一般會進行封廠，整改完成并經(jīng)驗收合格方可恢復生產(chǎn)，對施工現(xiàn)場影響較大，建議在機制砂建設完成后，主動邀請地方生態(tài)環(huán)境部門對環(huán)保措施進行驗收，查漏補缺，過程中加強管理，規(guī)避風險［8］。

5 結(jié)語

綜上所述，機制砂的顆粒形狀和顆粒大小分布合理，使其具有較好的摩擦特性和相對密實性。這些特性有助于提高鐵路路基的穩(wěn)定性和承載能力，減少路基沉降和變形，有效地保證了鐵路線路的長期穩(wěn)定運行。機制砂的顆粒之間存在著較大的孔隙度，這使得機制砂能夠較好地排水，避免積水。在高速鐵路工程中，排水問題對保證路基的穩(wěn)定性和安全性至關重要，因此機制砂的良好排水性能使其成為理想的選擇。機制砂的顆粒之間存在著較好的黏結(jié)性，能有效抵抗凍融循環(huán)帶來的損害。這對于在寒冷地區(qū)建設高速鐵路具有重要意義。

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收稿日期：2024-01-24

作者簡介：吳釔鋒（1989—），男，本科，工程師，研究方向：工程試驗檢測。