我国铁路工程机制砂混凝土应用现状及存在问题

2019-08-20赵有明韩自力李化建黄法礼王振易忠来

中国铁路 2019年8期

赵有明，韩自力，李化建，黄法礼，王振，易忠来

（中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

以母岩符合技术要求的岩石、卵石及工程开挖料为原料，经除土处理，由机械破碎、筛分、整形制成的粒径小于4.75 mm且粒形和级配满足要求的颗粒称为机制砂[1]。日本以及大部分欧美国家已普遍应用机制砂，在机制砂整形、粒度优化等领域的工艺与装备处于领先水平，早在20世纪90年代，日本就制定了 JIS A 5005—2009《Crushed Stone and Manufactured Sand for Concrete》等标准指导机制砂混凝土的应用[2]。1966年四川映秀湾电站工程中建立的第1条60万t机制砂生产线标志着我国机制砂规模化工程应用的开始，随后三峡大坝等重点工程的建设推进了我国机制砂的应用和发展[3]。贵州省于1987年制定了我国第1个机制砂地方标准，随后云南、河南等地相继颁布了机制砂标准和应用规程。机制砂可就地取材、工业化生产等特点使其具有经济效益高、质量可控性强、产量易调节等优势，使用机制砂大幅降低了河砂的外运费用和混凝土生产成本，也缓解了因河砂开采造成的自然环境压力。机制砂替代河砂作混凝土原材料是砂石骨料未来发展的主要趋势，应用机制砂是缓解铁路工程混凝土河砂资源严重短缺的主要措施，也是高速铁路绿色建造技术的重要方向[4]。结合铁路工程特点和机制砂及其混凝土性能特点，分析机制砂在我国铁路工程中的应用问题，指出机制砂及其混凝土的应用可行性和发展方向。

1 铁路混凝土工程特点

铁路作为我国经济发展的运输动脉，到2020年建设里程预计达到15万km，其中高速铁路达到3万km。随着铁路建设技术的不断发展，我国铁路建设最初以低强度普通混凝土为工程材料，经历了替代钢材和木材制备铁路预应力轨枕的低塑性高强阶段，发展到现今的铁路高性能混凝土阶段[5]。铁路工程结构条带状分布和跨越区域大、混凝土原材料需求分散且供货难及结构复杂等特点，要求铁路混凝土必须具有与结构部位和施工方法相匹配的工作性能、力学性能、耐久性能和长期稳定性能。

（1）条带状分布、跨越区域大。铁路工程是一种条带状结构形式，客观上必须穿越不同环境区域，具有跨距大、就地取材难、作用环境复杂等特点。不同地域原材料性能差异与铁路混凝土原材料必须就地取材之间的矛盾是制约铁路工程机制砂混凝土应用最为关键的问题。

（2）混凝土原材料需求分散、供货难。由于铁路工程条带状分布、跨越区域大的特点，形成了铁路独有的“一线多点”的工作模式，即一定区域内的铁路建设需要多个标段来共同完成。造成铁路混凝土原材料需求的分散性。此外，由于混凝土原材料种类较多，除砂石外，还有水泥、外加剂和多种矿物掺合料，考虑到铁路施工单位周边交通不便，这些因素也造成了混凝土原材料供货难的特点。

（3）铁路工程结构复杂、混凝土性能需求高。铁路工程包括上部轨道结构和下部基础结构两大部分，上部轨道结构分为有砟轨道和无砟轨道两大类，下部基础结构含有桥梁、隧道和路基等不同类型[6]。不同结构铁路混凝土对其工作性能、力学性能和耐久性能需求不同。例如，轨道板和双块式轨枕等铁路混凝土坍落度不高于160 mm，强度等级为C60，采用工厂预制和蒸汽养护的方式制备；灌注桩、墩承台、隧道衬砌等铁路混凝土坍落度在200 mm左右，强度等级在C30～C50[7]，采用泵送、斗送的施工方式；CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土扩展度≤680 mm，采用自密实方式成型[8]。值得注意的是，铁路混凝土还使用了超高强度等级的活性粉末混凝土，如电缆槽盖板的强度等级为C120。此外，为保证混凝土在特定服役环境下的耐久性，同一强度等级混凝土在抗冻性、抗渗性、抗侵蚀性、抗磨蚀性等方面又提出了不同要求。

（4）施工方式多样。铁路工程复杂的结构特征和性能要求决定了铁路混凝土施工方式的多样性。例如，有采用泵送方式施工的墩身承台、隧道衬砌、无砟轨道等现浇结构，有采用自密实混凝土施工的灌注桩、CRTSⅢ型板式无砟轨道充填层，还有采用泵送或斗送方式施工的轨道板、轨枕、梁等预制构件结构。

2 现行标准对机制砂性能的要求

河砂在河床中经过河水长年反复的冲撞和摩擦，表面光滑，棱角较少，粒形较为圆润。目前机制砂加工水平良莠不齐，与天然河砂相比，机制砂普遍存在石粉含量高、颗粒级配差、颗粒棱角尖锐等问题。

2.1 石粉含量限值

表1 不同国家机制砂石粉粒度和含量界定

机制砂与河砂最明显的区别在于含有石粉，石粉也是机制砂材料特性中最关键的性能参数之一。石粉是机制砂生产制备过程中不可避免的副产物，其颗粒粒径小于75 μm且矿物组成和化学成分与机制砂母岩相同。各国标准对机制砂石粉的定义有两方面不同：一是石粉颗粒粒度的界定值，二是石粉含量的限值要求。世界各国关于石粉粒度界定和石粉含量限值见表1[1-2，9-12]。由表1可知，中国、美国、日本对机制砂中石粉含量要求较为严格，其他国家要求较为宽泛。我国相关规范对机制砂的石粉粒度及含量限值的规定见表2，可以看出，对于同一规范，随着进一步的修订和完善，机制砂中石粉含量限值范围在不断放宽[13]。

表2 我国相关标准机制砂石粉含量与粒度界定

2.2 颗粒级配曲线

细度模数可以简便快速表征砂的粗细程度，但艾长发等[14]指出，细度模数是表征机制砂粗细程度的宏观指标，相同细度模数机制砂，其颗粒级配可能存在较大变动性，无法真实反映机制砂的级配情况。世界各国标准规范中对机制砂颗粒级配的要求见表3。由表3可知，英国对机制砂单粒级颗粒含量范围的要求最为宽泛，美国、日本及中国对于机制砂各粒级含量范围控制较为严格。不同于《建设用砂》，国外标准未将机制砂按照技术要求分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，相比而言，我国标准对机制砂的分类更为精细。《建设用砂》对机制砂（Ⅱ区砂）的级配要求见表3，可以看出，0.15 mm筛孔尺寸的通过百分率规定为6%～20%，较大程度地拓宽了0.15 mm以下颗粒含量的范围，但也容易导致机制砂级配中出现“两头大、中间小”的问题，即粒径大于2.36 mm和小于0.15 mm的颗粒含量高，而粒径0.30～1.18 mm的颗粒含量少。

表3 各国规范中对机制砂颗粒级配的要求

2.3 颗粒形貌

机制砂外形富有棱角、表面粗糙，对混凝土的工作性能有不利影响。如何评价细骨料的颗粒形貌目前没有公认的标准方法，JTG E42《公路工程集料试验规程》中提出的流动时间法和间隙率法参考了美国和欧洲的标准[15]。细骨料流动时间越长表明其表面越粗糙，间隙率越大表明其内摩擦角越大，棱角圆润颗粒含量越少表明颗粒粒形越尖锐。李艳等[16]研究表明，流动时间和间隙率2种评价方法相关性较差。美国材料与试验协会（ASTM）[17]提出一种利用测定单粒级骨料的颗粒指数来整体性表征样品的颗粒形状和纹理特征的方法，但测试和计算十分复杂。当前图像分析和处理技术逐渐在细骨料形貌研究中应用，以骨料颗粒投影的长径比和圆形度来表征细骨料形貌特征是较为便捷的方法[18]。

3 机制砂混凝土性能特点

3.1 工作性能

与河砂相比，机制砂棱角尖锐、不规则形状颗粒含量高，因此机制砂比表面积更大，达到与河砂混凝土相同工作状态时的单方用水量增加，导致机制砂混凝土制备过程中存在泌水隐患，从而引发混凝土结构缺陷的问题，但由机制砂制备的低强度等级混凝土，其黏聚性和保水性通常优于相同条件的河砂混凝土，这与机制砂石粉含量大、膨胀性黏土矿物含量高和对减水剂吸附性能强等因素有关[19]。中国铁道科学研究院集团有限公司（简称铁科院）采用机制砂制备的梁体和轨道板，通过优化机制砂关键指标参数，同时多掺2～3 kg/m3的聚羧酸减水剂，能够达到与河砂混凝土相同的状态[20]。

3.2 力学性能

机制砂中石粉具有填充混凝土孔隙和改善骨料颗粒级配的作用，适量石粉通过发挥级配和填充效应提高了机制砂混凝土力学性能[21-22]。同时，机制砂中不规则粒形颗粒之间摩擦力大，咬合作用强，浆体与骨料之间的黏结力提高，混凝土的力学性能增强。研究表明，采用机制砂和河砂分别制备相同水泥用量和拌合物稠度的混凝土，机制砂混凝土的力学性能整体优于河砂混凝土，机制砂混凝土28 d抗折强度比河砂混凝土高1%～5%，28 d抗压强度比河砂混凝土高8%～26%[23]。铁科院制备的预应力结构用机制砂混凝土，前期机制砂混凝土抗压强度高于河砂混凝土，后期强度与河砂混凝土相近，2种混凝土28 d龄期前抗压强度增长迅速，28 d龄期后增长趋于平缓，且其力学性能均能满足铁路工程的设计要求[20]。

3.3 耐久性能

石粉含量是影响机制砂混凝土耐久性的重要因素。低强度等级混凝土中，机制砂混凝土抗冻性小于河砂混凝土，但抗氯离子渗透性能高于河砂混凝土，表明适量石粉在混凝土中发挥级配效应和填充效应，改善了机制砂混凝土的密实性；高强度等级混凝土中，机制砂混凝土抗氯离子渗透性和抗冻性与河砂混凝土相当[24]。李婷婷等[25]认为10%～15%含量的石粉明显改善了C30机制砂混凝土的抗渗性，C60机制砂混凝土在石粉含量小于15%时抗渗性无明显变化，C80机制砂混凝土的抗渗性则随着石粉掺量增大而降低。王雨利等[26]研究发现，机制砂混凝土中石粉掺量小于5%时抗冻性略有提升，在石粉掺量处于5%～10%时混凝土抗冻性最好，而石粉掺量大于15%时混凝土抗冻融循环次数明显减小，抗冻性劣化显著。铁科院研究发现，预应力结构用机制砂混凝土的氯离子扩散系数和电通量均小于河砂混凝土，其中梁体机制砂混凝土56 d氯离子扩散系数和电通量分别为3.1×10-12m2/s和407 C，轨道板用机制砂混凝土56 d氯离子扩散系数和电通量分别为2.3×10-12m2/s和393 C，两者均具有良好的抗氯离子渗透性[20]。

3.4 收缩徐变性能

Çelik等[27]研究发现，机制砂石粉含量在10%以内时，机制砂混凝土收缩增大；机制砂石粉含量在10%～30%时，机制砂混凝土收缩减小。郭育霞等[28]指出，机制砂混凝土干缩随着石粉内掺量增加而增大，而外掺石粉量大于15%时，机制砂混凝土干缩减小。Malhotra等[29]研究发现，机制砂石粉含量小于5%时，机制砂混凝土徐变应变小于基准混凝土；而机制砂石粉含量大于10%时，机制砂混凝土的徐变应变比基准混凝土增大22%～26%。影响混凝土干缩的主要因素有胶凝材料、水灰比、骨料种类和含量、养护条件等，适当含量的石粉和级配良好的机制砂，可以完善浆体颗粒级配、填充浆体孔隙和限制水泥浆体变形，降低了混凝土的干缩。铁科院研究认为，机制砂颗粒棱角尖锐的特性提高了骨料颗粒间的咬合作用，加强了对水泥浆体变形的约束力，降低了混凝土徐变变形，但机制砂中含有石粉增大了水泥浆体的体积含量，一定程度提高了机制砂混凝土徐变变形，当机制砂混凝土中不同因素占主导作用时，最终徐变变形呈现出不同的宏观状态。预应力结构用机制砂混凝土受压徐变规律与河砂混凝土一致，2种混凝土强度等级高，最终的徐变系数均较小[20]。

4 机制砂在铁路工程中的应用

4.1 现浇结构

宜万铁路龙王庙大桥23个百米墩台采用机制砂泵送混凝土浇筑，在调整机制砂级配、选择适当水泥用量和掺加粉煤灰等矿物掺合料的配合比优化措施上，机制砂混凝土浇筑顺利，后期强度符合设计要求，机制砂混凝土在高墩施工技术中具有良好的应用前景[30]。石武客专二标线下工程中，采用机制砂混凝土制备了桩基、承台和墩柱等结构，实体结构中混凝土56 d强度大于40 MPa，56 d电通量小于750 C，符合该铁路结构的设计要求[31]。在京沪高铁14和22工区内，优化机制砂级配区间和控制石粉含量，采用机制砂制备了桩基、承台和墩柱用机制砂混凝土，混凝土坍落度为160～210 mm，28 d抗压强度为33.6～43.7 MPa，满足混凝土工作性能和力学性能要求[32]。铁科院利用工矿业排放量最大的固体废物（尾砂）替代桩中河砂，制备出远距离泵送性能好、平均强度为28.8 MPa的尾砂桩体材料，并将尾砂桩体材料成功应用于京沪高铁DK190+124.0—DK190+140.0，减少了桩头截取量，降低了桩体原材料成本[33]。

在渝怀铁路金洞隧道和旗号岭隧道中，采用机制砂制备了流动性高、黏聚性好的隧道衬砌混凝土，脱模后隧道衬砌表面平整光亮，外观效果好，28 d强度测试结果也满足设计要求[34]。贵广高铁中斗篷山隧道与胡家寨隧道中，将开挖的母岩制备成机制砂，用于隧道内喷射混凝土，粉煤灰掺量40%、水胶比0.37的喷射机制砂混凝土凝结时间短、回弹少、强度高、表面平整[35]。

上述实例可证明机制砂在铁路工程现浇混凝土结构中的应用具有可行性。

4.2 预应力构件

早在20世纪90年代初，铁科院在都匀桥梁厂和太原轨枕厂均采用机制砂制备了机制砂混凝土轨枕[36]，研究采用机制砂混凝土制备铁路预应力构件的可能性。

为解决铁路工程天然河砂资源严重短缺及机制砂混凝土预应力构件技术储备少等突出问题，近年来，铁科院围绕实现铁路工程机制砂生产监测信息化、面向不同岩性机制砂混凝土制备及机制砂混凝土预应力构件服役性能控制等关键技术问题开展系统研究，提出铁路工程预应力混凝土构件用机制砂性能与生产技术要求，实现了机制砂生产过程的在线监测和实时传输，配制出满足标准要求的机制砂混凝土T梁、轨道板、轨枕，部分科研成果已通过原中国铁路总公司科技和信息化部组织的试用评审并已上线试用。

4.3 技术瓶颈与标准制约

在铁路工程混凝土领域，以TB/T 3275《铁路混凝土》为代表的基础标准规定细骨料应选用级配合理、质地坚固、吸水率低、孔隙率小的洁净天然河砂或母材检验合格、经专门机组生产的机制砂，不应使用海砂。而铁路工程混凝土梁、轨枕、轨道板等预应力制品标准中均要求细骨料应完全使用天然河砂[37-42]。

由于天然河砂资源短缺，目前我国西南地区铁路线下工程混凝土大都采用机制砂，如桩基、承台、墩身、初支、二衬、仰拱等结构部位。而梁、轨枕、轨道板等预应力构件均采用外运天然河砂。受河砂限采政策的影响，河砂成本高达350元/t，且连续供应困难。工程实践表明，机制砂在我国铁路工程中的应用仍存在以下问题：

（1）机制砂生产“小乱差”，品质不一。机制砂基于地方矿石资源生产加工而成，由于铁路工程条带状分布、跨区域广的特点导致其面临母材岩性复杂、管理困难的问题。此外受传统轻视混凝土骨料观念、我国机制砂生产设备水平及市场因素的影响，致使一些企业生产的机制砂品质难以满足铁路工程混凝土技术要求，不同厂家甚至同一厂家不同批次生产的机制砂性能也存在很大差异。

（2）机制砂标准体系不完善。目前我国铁路行业标准允许低强度等级、非预应力结构采用机制砂制备混凝土，但是缺少机制砂的生产与质量控制、机制砂混凝土配合比设计等规范性指导文件，而在预应力结构中，现行仍禁止机制砂在预制梁、轨道板、轨枕等预应力构件中应用。

（3）机制砂混凝土结构性能技术储备少。在机制砂混凝土配合比设计层面，目前通常借鉴河砂混凝土配合比设计方法，但机制砂中含有一定量的石粉，其对混凝土性能影响极为显著，在配合比设计过程中，石粉以胶凝材料还是细骨料予以划分依然无定论，基于水胶比的设计理念也必然受到质疑，因此，目前业内就机制砂混凝土的配合比设计理念仍相对混乱。在性能研究方面，目前研究多集中在机制砂混凝土自身性能或机制砂混凝土与河砂混凝土性能差异的研究，缺少对机制砂混凝土体积稳定性、钢筋黏结强度、应力-应变曲线等结构性能方面的研究，这也是导致我国铁路工程预应力构件限制采用机制砂的主要原因之一。