渝黔铁路天坪隧道机制砂生产关键技术研究

房玉中，谢国强，陈晓成，罗先刚，徐世均（.中铁隧道集团一处有限公司，重庆 40400；.河南理工大学，河南焦作 454003）

渝黔铁路天坪隧道机制砂生产关键技术研究

房玉中1，谢国强2，陈晓成1，罗先刚1，徐世均1
（1.中铁隧道集团一处有限公司，重庆 404100；2.河南理工大学，河南焦作 454003）

摘要：在机制砂生产过程中，机制砂级配断档和环水保是影响机制砂生产的2个技术难题。渝黔铁路天坪隧道机制砂生产中采取增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱，并安装多档调节电气开关控制转速和加压过滤设备的方式，将0.075～0.15 mm档流失的砂子回收利用，使机制砂颗粒级配断档得到弥补。通过混凝土试验进行验证，得出机制砂颗粒级配是影响机制砂性能参数的关键因素；同时，增加过滤设备并将小于0.075 mm的石粉与水分离，使生产机制砂排出的污水干净清澈，实现污水零排放，对周边环境完全无污染；最后得出，在生产中要对这些关键生产技术加以控制，才能达到技术、经济和环保的最佳匹配。

关键词：铁路隧道；机制砂；级配曲线；细度模数；机制砂混凝土；环水保；经济

0　引言

随着基础设施建设的快速发展和环境保护的不断加强，天然砂资源越来越匮乏，使用机制砂成为必然的趋势。美国地质勘探局（USGS）在1996年对全美国制砂母岩进行了一次调查，发现生产原料的67%是石灰岩，19%是花岗岩，剩余的14%包括白云岩、暗色岩、砂岩和石英岩。我国虽没有具体的统计数字，但生产机制砂的原材料也是石灰岩、花岗岩、玄武岩等。贵州地区没有天然砂，但石灰岩等储料丰富，这也是贵州最早研究机制砂混凝土的原因［1］。

机制砂的质量很大程度上取决于母岩的物理性能、加工工艺和机械设备等因素。国内水电系统的砂厂生产规模大，设备较为先进，机制砂生产通常采用棒磨机加工，再通过洗砂机脱水而得，产品质量好。工程

单位采用螺旋洗砂机，细砂流失严重，加之目前国内机制砂行业没有专业化的设计理念、生产工艺落后、规模小、管理混乱等，很多高达30%～50%。孙永涛［2］对纳黔高速公路施工现场的机制砂加工工艺进行了调研，分析了所调研合同段机制砂的基本属性，发现纳黔高速公路生产的机制砂普遍存在断档问题，并对现场工艺进行改进，回收了一部分细砂，还发现机制砂与天然砂掺配虽能达到理想的中砂要求，但是级配不能满足Ⅰ区级配要求，使用效果仍然不好。王稷良［3］指出级配好的机制砂和级配差的机制砂均可以拌制出强度符合要求的混凝土，但级配好的机制砂对于提高硬化混凝土强度更加有利。落后的机制砂生产工艺和生产线生产的机制砂不但级配不合理，而且细砂和石粉随河水排出，严重污染了当地生态环境，更有甚者，危害到人类的健康和生存条件；因此，有必要对现有的机制砂生产工艺进行改进和优化，制造出级配良好、质精价优的机制砂，以满足企业对机制砂的质量和经济环保效益的需要［4］。本文在前人研究的基础上，针对机制砂生产中常见的机制砂级配断档和环水保技术难题进行了研究，并对机制砂生产工艺进行了改进，取得了一些成果。

1　工程概况

渝黔铁路天坪隧道为单洞双线隧道，位于重庆与贵州交界的桐梓县境内，正洞全长13 978 m，平导长11 775 m，项目沿线天然砂匮乏，而石灰岩石料及混凝土骨料储量丰富，如果在沿线采石制备机制砂，成本要比外购天然砂降低很多；因此，用机制砂替代天然砂非常经济，也是形势所需。

天坪隧道设机制砂生产线3个，用砂需求总量超过30万m3，母材均来自于洞内弃砟，机制砂厂址均建立在弃砟场附近，便于取材，每个机制砂生产线均配套设置沉淀池和过滤废水回收设备。

2　机制砂生产关键技术问题的产生

机制砂的质量很大程度上取决于其生产工艺；因此，有必要对渝黔铁路天坪隧道机制砂厂生产的机制砂和机制砂混凝土进行研究，并在实践中对生产工艺进行改进，以便制出符合规范要求的机制砂，同时，精心调试配合比使配制出的机制砂混凝土符合设计规范。

进口处机制砂生产线原石料中的污染物和石粒含量为4%～20%，机制砂加工中粉末为5%～15%，这些污物和冲洗水一起集中到砂料一级。为了控制砂石料的质量，常用较多的水冲洗，主要采用FG1000螺旋式洗砂机进行冲洗，由于FG1000洗砂机螺轴转速较快，现场一般为11 r／min，以致分级脱水时溢流速度过大，水洗过程中将0.075～0.15 mm这档冲走，不仅影响了机制砂级配的均匀性，还破坏了当地环境。

为确定细砂流失问题是否仅存在于渝黔铁路，进行了大量内业文献资料调查，发现以往工程也存在这一问题。据统计，刘家峡工程细砂损失达30%～35%；乌江渡工程平均约为12.6%，其中溢流料中有10%～30%是粒径在0.074 mm以上的细砂。细砂的损失不仅影响了机制砂级配的合规性，导致机制砂性能不能满足现场施工生产需要，若通过补充水泥来解决断档问题，还会导致水泥用量增大，不仅经济损失巨大，而且大量的细砂和石粉被水冲走，会造成资源浪费和环境破坏；因此，需要对细砂回收利用。

3　机制砂生产关键技术问题的解决

为解决0.075～0.15 mm这档细砂流失的问题，采用增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱（见图1和图2），并安装多档调节电气开关控制转速的方式，确保螺旋转速下降，将粗砂过滤后的混水中含的细砂再次提洗0.075～0.15 mm档的细砂出来，与粗砂混合，使机制砂颗粒级配断档得到弥补，解决了机制砂级配断档的技术难题，有效地改善了混凝土的和易性，从而能够满足机制砂级配合理性。

图1　增设的FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱Fig.1 FG500 spiral sand washing machine and circuitous water filter cartridge

图2　连接FG500螺旋洗砂机和FG1000螺旋式洗砂机水槽Fig.2 Water tank connecting FG500 spiral sand washing machine and FG1000 spiral sand washing machine

为了确定现场增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱后是否成功回收0.075～0.15 mm档的细砂，以及回收后机制砂级配是否得到优化，对改进前后的工艺生产的机制砂质量及机制砂混凝土进行了研究。

3.1增设前后机制砂级配变化研究

现场试验主要针对增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱前后加工出来的机制砂的关键参数，并结合GB／T 14684—2011《建设用砂》（简称国标）和TB 10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（简称铁标）的相关规定进行研究。

国标和铁标目前只对0.15～9.5 mm档做了规定，并没有对0.075～0.15 mm档做相关规定，并在0.15～0.3 mm档的上下限方面有少许的差别。

为研究渝黔铁路天坪隧道进口处机制砂的质量，首先对增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱前后生产的机制砂进行筛分（见表1）。

表1　每档集料通过率Table 1 Percentage of particles passing the sieve　%

对筛分后的每档集料结合国标和铁标的Ⅰ级级配和Ⅱ级级配区间进行比较，做出筛分曲线图，如图3—6所示。

图3　国标Ⅰ级级配区间筛分曲线Fig.3 Sieving curve of GradeⅠparticles specified in GB／T 14684—2011

图4　铁标Ⅰ级级配区间筛分曲线Fig.4 Sieving curve of GradeⅠparticles specified in TB 10424—2010

图5　国标Ⅱ级级配区间筛分曲线Fig.5 Sieving curve of GradeⅡparticles specified in GB／T 14684—2011

图6　铁标Ⅱ级级配区间筛分曲线Fig.6 Sieving curve of GradeⅡparticles specified in TB 10424—2010

由筛分曲线分析可知，无论对于国标还是铁标的机制砂颗粒级配，增设前后的级配曲线基本都在Ⅰ区上限和下限之间，超出Ⅱ区上限很多，可以判断渝黔铁路天坪隧道机进口处机制砂属于Ⅰ区砂。

由细度模数公式

式中：Mx为细度模数；A1、A2、A3、A4、A5、A6分别为4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15 mm档的累计筛余百分率。

由增设前后的细度模数可以看出，在增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱后，细度模数有所降低，但仍属于粗砂。根据现场采集的样本，发现渝黔铁路天坪隧道进口处生产的机制砂基本上都属于粗砂，少数属于中砂。

为拓展研究机制砂性能参数，需要对每档集料所占百分比进行研究，由于国标和铁标没有针对0.15 mm以下的机制砂进行研究，所以在接下来的试验中对现场生产的机制砂增加0.15 mm档以下的数据（见表2）。

表2　每档集料所占百分比Table 2 Percentage of particles of each grade %

由表2可以看出，增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱后，0.3～9.5 mm档基本没有变化，变化最大的是0.075～0.15 mm档。可以推出，增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱前，0.075～0.15 mm档流失最为严重，增设后含量明显增大。

3.2影响机制砂品质的关键因素

解决0.075～0.15 mm档流失问题后，为进一步深入探讨决定机制砂品质好坏的关键指标，特以Ⅰ区机制砂级配范围为标准，设计了6组具有代表性的级配类型，即偏于级配上限、接近级配中值、偏于级配下限、级配上限过渡到下限、级配下限过渡到上限和级配不良6种类型。以1.18 mm筛档中值为转折控制点［5－6］，对各组级配机制砂的基本参数进行统计，如表3所示。

表3　各组级配基本参数Table 3 Basic parameters of each gradation

图7　各组级配机制砂颗粒级配曲线Fig.7 Gradation curves of mechanicalcrushed sands of different grades

由图7可以看出，级配不良曲线在1.18及2.36 mm筛档严重超出级配范围，类型2、3、4符合机制砂Ⅰ区级配要求；因此，在生产中通过控制筛网孔径，并以1.18 mm筛档中值为标准控制好机制砂各孔径累计筛余百分率就可以得到理想的机制砂。以机制砂级配为基础，得到机制砂细度模数、孔隙率及表观密度，为进一步探讨细度模数和机制砂性能的关系，特将细度模数与孔隙率和表观密度的关系做成图8和图9。

图8　细度模数与空隙率变化曲线Fig.8 Correlation between fineness modulus and voids ratio

图9　细度模数与表观密度变化曲线Fig.9 Correlation between fineness modulus and appearance density

由表3和图7可以看出，从类型1到类型6，机制砂细度模数逐渐增大，并逐步由中砂变为粗砂，其中类型1和类型2是中砂，类型3到类型6均为粗砂，除类型6不符合国标Ⅰ区机制砂级配标准外，其他均符合；并且类型2和类型4的级配类似沥青混合料的间断级配，分别具有倒S型和S型级配特征，前者有利于形成骨架结构，后者更容易形成悬浮结构；类型3属于连续级配；类型1、5、6均属于不良级配。

由表3、图8和图9可以看出，从类型1到类型6，虽然细度模数逐渐增大，但其表观密度和空隙率出现“先降—后增—再降”的变化趋势，说明细度模数与这2个指标之间没有直接相关关系，细度模数仅是表征砂的粗细程度的宏观指标，无法反映颗粒级配的真实情况，而对机制砂基本性质起确定性作用的是颗粒级配。

3.3机制砂级配对混凝土性能的影响及机制研究验证

在配合比设计参数相同的条件下［7－8］，按照表3的颗粒级配类型进行混凝土性能分析，因颗粒级配的不同，各组级配在工作性能及强度上存在较大的差异。以C35混凝土为例，采用的配合比如表4所示。

表4　C35混凝土试配参数Table 4 Trial mixing proportion of C35 concrete

3.3.1工作性能影响

试验采用6种类型级配的机制砂对照表4的配合比分别施作6种类型的混凝土试件，将试验中不同类型的级配对混凝土工作性能影响的试验数据进行统计［9－10］，如表5所示。

由图10可以看出，在相同配合比条件下，坍落度随细度模数的增大呈抛物线趋势变化，当细度模数达到3.17附近时（即级配中值），拌合物坍落度达到高峰，随后急剧下降；但扩展度随细度模数的增大呈上升趋势，当细度模数为3.17时，出现转折。由图11可以看出当细度模数小于3.17时，坍落度和扩展度变化趋势一致，均呈上升趋势，之后2者曲线的相反走向说明拌合物工作性能变差，出现离析现象。主要原因是细集料含量过多，比表面积大，不仅增加用水量，还降低混凝土的流动度，影响混凝土的工作性能。当粗集料含量增大时，颗粒组成趋于合理，工作性能逐渐优化；

当粗颗粒含量增多时，比表面积减小，自由水含量增大，加速了细颗粒在粗集料表面的流动，导致拌合物保水性及黏聚性降低，在坍落过程中水泥胶浆与骨料离析，从而造成中间骨料堆积，水泥胶浆流失，坍落度减小，扩展度增大；但在一定的用水量及减水剂掺量范围内，可以看出细度模数小的级配在保水性和黏聚性方面均优于细度模数大的级配，能有效粘接在粗集料的表面，在骨料之间起润滑作用，能增大混凝土的流动性，利于混凝土的泵送，且不易产生离析。因此，细颗粒含量的多少对混凝土工作性能至关重要。

表5　不同级配对混凝土性能的影响Table 5 Influence of different gradations on concrete performance

图10　细度模数与坍落度的关系Fig.10 Correlation between fineness modulus and slump

图11　细度模数与扩展度的关系Fig.11 Correlation between fineness modulus and expansion

因此，可以得出，混凝土工作性能虽然受不同颗粒比表面积及组成比例的影响，但实质上是颗粒级配起决定作用（即细颗粒与粗颗粒含量之间的平衡度）。

3.3.2强度影响

通过对不同类型级配的机制砂分组及按照相同的配合比做成的试件进行长期养护，并进行强度测试，发现颗粒级配对混凝土强度影响比较明显，如图12所示。

由表5和图12可以看出，级配类型2、3、5的混凝土强度均高于其他组，在配合比设计参数相同的条件下，混凝土强度相差有7～10 MPa，由于混凝土设计均采用相同原材料，仅仅是机制砂颗粒级配发生变化，所以影响混凝土强度的关键因素便是骨架在混凝土中的组成结构及混凝土内部的密实性。

图12　细度模数与抗压强度的关系Fig.12 Correlation between fineness modulus and compressive strength

综上所述，根据对不同级配机制砂基本属性的分析，发现颗粒级配的组成对机制砂细度模数、表观密度等影响很大。机制砂应以1.18 mm筛档含量作为关键筛档控制，便于平衡混凝土工作性能和机制砂粗细颗粒比例。

4　机制砂经济性和环水保分析

以天坪隧道进口处机制砂生产线为例进行分析研究。

4.1经济性

渝黔铁路天坪隧道进口处机制砂投产后，根据隧道设计用砂量为10万m3，按此计算收益，机制砂实际成本为28元／m3，市场上河沙成本为120元／m3，机制砂相对于河沙节约92元／m3，共节约920万元。从当地买石头制砂价格为95元／m3，相对于购买机制砂节约67元／m3，共节约670万元。

增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱后，平

均节约细砂10万×12.6%×30%＝0.378万m3，挽回直接经济损失0.378万×28＝10.584万元。

4.2环水保

在机制砂生产线设计和选型时充分考虑噪音和粉尘的影响，安装洒水喷头，设置音障和个人防护，在生产线设置三级沉淀池。机制砂生产过程中排出的废水对沿线居民生活和生产造成了不好的影响，为使排出的废水达标，引进一套过滤设备，此设备具有价格低、占地少和排水效果好等优点。

该设备主要由压滤机机架、滤布、滤板、液压站、压力表、液压油管和水嘴组成，通过将沉淀池的污水抽到过滤机过滤，将细砂石粉等小颗粒与水分开，排出的废水清澈如自来水，实现了机制砂生产线污水零排放的效果（见图13）。

图13　增加过滤设备后排出的废水Fig.13 Waste water released after filtering equipment is installed

5　结论与建议

针对机制砂级配断档和环水保这2个技术难题，对原有的机制砂生产工艺进行改进，并对改进后的工艺和改进前的工艺生产的机制砂进行试验对比，通过机制砂混凝土试件现场试验验证，取得了一些成果，并对下一步研究提供了一些建议。

5.1结论

1）通过对增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水舱制造的机制砂颗粒级配曲线进行分析，发现渝黔铁路天坪山隧道进口处机制砂颗粒级配曲线符合国标和铁标Ⅰ区级配要求，增设后0.075～0.15 mm档得到补充，虽然现行的国标和铁标对此档没有进行要求，但实际上此档起很大的作用，不仅能改善混凝土的工作性能，而且对于挽回经济损失和环境保护都有重要的作用。

2）通过对不同级配类型的机制砂在配合比设计参数相同的情况下，进行混凝土试件分组试验，并对细度模数和颗粒级配研究发现：细度模数只是表征机制砂粗细程度的宏观指标，无法反映颗粒级配的真实情况，而颗粒级配才是决定机制砂质量好坏的关键因素，在生产时应调整筛网加以控制。同时，对混凝土强度、坍落度、扩展度进行研究发现，机制砂应以1.18 mm筛档含量作为关键筛档控制，便于平衡混凝土工作性能和机制砂粗细颗粒比例。

5.2建议

1）机制砂中的中砂（Ⅱ区）是最理想的材料，渝黔铁路天坪隧道改进后的机制砂生产线生产的机制砂属于中粗砂（Ⅰ区）。因此，下一步仍需对机制砂生产线和生产工艺进行研究和改进，以便得到理想的中砂。

2）机制砂混凝土含适量的石粉是十分有益的，因此下一步应针对回收的石粉的用途以及石粉对机制砂混凝土的影响进行研究，以实现技术和经济效益的最大化。

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Study on Key Technologies for Mechanicalcrushed Sands Used for Tianping Tunnel on ChongqingGuiyang Railway

FANG Yuzhong1，XIE Guoqiang2，CHEN Xiaocheng1，LUO Xiangang1，XU Shijun1
（1.The First Construction Division Co.，Ltd.of China Railway Tunnel Group，Chongqing 404100，China；2.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，Henan，China）

Abstract：The production of mechanicalcrushed sands faces two problems，i.e.，interrupted gradation and environmental pollution.In the production of the mechanicalcrushed sands for Tianping tunnel on ChongqingGuiyang railway，FG500 spiral sand washing machines，circuitous water filter cartridges and pressured filter equipment with multiphased electrical switches and intermitted operation functions are installed，so as to recover the sands with particle size ranging from 0.075 mm to 0.15 mm，and in turn to compensate the missing grades of the sands.Furthermore，trial concrete mixing is made to verify the study results，which shows that the gradation of the mechanicalcrushed sands is one of the key factors that have influence on the performance of the mechanicalcrushed sands.Besides this，filtering equipment is installed to separate the stone fumes with particle size being less than 0.075 mm from the water，so as to prevent the environment from being polluted by water released in the production of the mechanicalcrushed sands.Conclusion is drawn that these key technologies should be well implemented in the production so as to achieve a good coordination among technology，economy and environment protection.

Keywords：railway tunnel；mechanicalcrushed sand；gradation curve；fineness modulus；mechanicalcrushed sand concrete（MSC）；environment and water conservation；economy

作者简介：第一房玉中（1983—），男，湖北钟祥人，2010年毕业于河南理工大学，桥梁与隧道工程专业，硕士，工程师，主要从事隧道及地下工程方向的研究工作。

收稿日期：2015－05－20；修回日期：2015－06－23

中图分类号：U 454

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2015）09－0883－08

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.09.005