高速铁路隧道工程机制砂应用探讨

另本春，邵林，王国凤 （中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230023）

我国多数地区建筑工程大量应用天然砂，而天然砂是一种地方性资源，短期内不可再生，也不利于长距离运输。随着我国基础设施建设的日益发展，不少地区天然砂资源逐步短缺，甚至出现无砂可用的状况，混凝土用砂供需矛盾尤为突出。

近年来机制砂在铁路工程方面逐步推广应用，本文介绍铁路项目自建干法生产线自加工机制砂在高速铁路隧道混凝土工程的应用实践，主要对隧道工程机制砂的进场检验、配合比设计、拌和物性能，力学与长期性能进行分析，为机制砂在铁路高性能混凝土方面的推广应用提供参考经验。

1 工程应用背景

昌景黄铁路安徽段位于赣东北和皖南地区，西起江西省南昌市，途经江西省上饶市、景德镇市，东至安徽省黄山市，全长289.807km，设计速度350km/h。本项目高速铁路隧道洞渣机制砂加工场位于安徽省休宁县龙源村境内，利用弃渣场征地建设，是国内首个环保化、自动化、智能化程度最高的大型机制砂加工场，占地约3hm（45亩），设计加工能力300t/h，主要承担东山隧道进口、东山隧道横洞和云头山隧道进口等隧道弃渣的综合利用，设计加工总量约120万吨。昌景黄铁路本着以质量为本、扎实稳妥的原则，同意在C40以下非预应力及无砟轨道道床板以外的部位使用。

2 机制砂进场质量控制

2.1 机制砂成品质量参数

本项目母岩材质以深成的火成岩和变质岩为主，具体为花岗岩为主，绿泥绢云千枚状板岩为辅，主要技术指标，母岩抗压强度：128～150MPa；碱活性：潜在碱硅酸盐反应骨料，快速砂浆棒法结果：0.04～0.14%。成品机制砂指标满足《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2018），细度模数为2.8-3.2，颗粒级配为Ⅱ区，其他指标见表1。

机制砂质量检测结果汇总表 表1

2.2 质量控制措施

机制砂进场检验分常规检验和型式检验。常规检验，机制砂进场经物资部门报验，连续进场时间在6h以内累计不超过600t可组成一批次。首先经工地试验室按照进场检验流程对机制砂进行初验，加快机制砂进入待检环节，减少24h检测退场率。初验主要包括目测、颗粒级配、石粉含量、亚甲蓝，一般在2h内完成。初验合格后方可卸料，料仓标记为待检标识。工地试验室同步开始进行进场检验的其他参数，如泥块含量、压碎值、有机物含量、轻物质含量、云母含量检验，检验合格后转换为合格标识。

型式检验，工地试验室每半年抽检委托第三方检测单位对机制砂原材料及成品进行型式检验，根据日常进场检验参数的波动，并参考机制砂场型式检验的波动情况，必要时加大型式检验频率，确保机制砂质量符合标准要求。

为做好机制砂配合比的应用，进场检验除应符合规范要求外，还应保持进场质量稳定，机制砂的质量波动对混凝土拌和物及实体质量影响较大。机制砂细度模数应控制在±0.2，石粉含量应控制在±1.5%，亚甲蓝值应尽可能降低，并在±0.2范围内。

3 混凝土配合比设计分析

本项目通过对C40以下机制砂混凝土配合比进行试验分析，包括C25喷射混凝土、C35二衬、C20填充混凝土，具体见表2。依据铁路相关标准要求机制砂混凝土配合比设计应考虑机制砂的石粉含量、颗粒级配等因素对混凝土性能的影响，其中参数中的砂率宜比河砂混凝土提高2%～4%。

混凝土配合比设计参数表 表2

通过上述隧道工程C25喷射、C35二衬、C20填充配合比综合分析，机制砂混凝土配合比在相同胶凝材料的情况下，为达到预期相似的拌和物性能，配合比设计参数有以下差异特点：单方用水量，机制砂比河砂偏高；砂率，机制砂比河砂略高；水胶比，机制砂比河砂高；除此之外，实际机制砂应用外加剂有所不同，河砂应用减水剂固含量18%，减水率26%～29%；机制砂固含量22%，减水率33%～35%。

混凝土拌合物性能表 表3

混凝土力学性能与长期性能 表4

喷射混凝土C25使用机制砂，混凝土拌和物性能黏聚性、保水性更好，抗离析、泌水能力强；同等工艺下，喷射混凝土回弹率低。据本项目实际统计分析，河砂喷射混凝土实际消耗量（超挖与回弹损耗等总和）与设计比为170%，回弹率34%；使用机制砂使用机制砂为150%，回弹率14%。

隧道二衬混凝土C35及填充混凝土C20，混凝土拌和物一般相较河砂混凝土存在黏聚性、保水性好，抗离析能力强，在配合比设计时可以考虑石粉含量作为胶凝材料的补充。注意亚甲蓝值及石粉含量的波动会导致单位用水量的波动，实际使用过程中更多为坍落度损失的变化相较河砂更大。

分析原因主要有：一是机制砂相比河砂细度模数偏大、颗粒形貌较粗糙，为提供相同的比表面积，达到相同的流动性目标下，砂率应适当提高。二是机制砂本身吸水率较河砂大，一般河砂在0.8%～1.0%,本项目机制砂实测吸水率在1.8%～2.0%；母岩洁净程度、颗粒形貌、石粉含量及亚甲蓝值的影响较大，相同胶凝材料及拌和物性能情况下，单方用水量、水胶比、外加剂均略有增大。其中水胶比的增大未考虑石粉作为矿物掺合料的作用，根据TB10424-2018中石灰石粉的指标要求，如石灰石粉甲蓝值小于1.0，且其他指标满足要求时可比照矿物掺合料进行掺入。

根据混凝土配合比及现场实体试验段试验数据看：机制砂与河砂混凝土7d与28d龄期抗压强度无明显差异；隧道二衬及仰拱填充为高性能混凝土，56d回弹强度与取芯强度要略低于河砂，考虑石粉作为矿物掺合料的影响，前期混凝土强度增长缓慢；90d混凝土强度与电通量机制砂与河砂大致相同。

4 机制砂及混凝土生产质量控制

机制砂加工场要重点关注母岩性质变化，母岩岩性变化直接影响吸水、石粉、粒形粒貌等变化，机制砂细度模数、石粉含量、亚甲蓝值（泥粉含量）参数对单方用水量的影响较大，会直接影响拌和物性能的稳定。

干法生产机制砂通常在制备、运输、配料过程存在离析现象，为防止离析，应使含水量稳定在规定范围内，可根据不同的母岩以及不同的生产工艺确定最佳防离析含水量。

机制砂生产的混凝土包裹性、黏聚性要强于河砂，但受石粉含量及亚甲蓝值的影响，夏季施工混凝土坍落度损失较河砂大，选择合适的减水剂，适当地增大混凝土的初机坍落度有利于现场施工。

加强对出机混凝土的管理，试验人员对生产过程进行监控，随时关注混凝土质量。根据现场情况、机制砂质量波动情况、其他原材料变化、气候变化等因素，及时合理地调整配合比措施。

5 总结及前景展望

机制砂作为混凝土工程材料应用成为必然趋势，铁路、公路工程项目应用也将会越来越广泛，机制砂及混凝土配合比设计有以下特点和改进建议：

①机制砂的使用应保持材料稳定，保持制砂工艺、级配与细度模数、石粉含量及亚甲蓝值对混凝土的应用至关重要，其中控制亚甲蓝值是是机制砂混凝土能否利用的最关键因素；

②机制砂的粒形粒貌、吸水率、石粉含量对混凝土单方用水量影响较大；

③在混凝土配合比设计时合理砂率，适当提高单方用水量，选择合理减水剂是用好机制砂混凝土应用的重要措施；

④当亚甲蓝值低于1.0时，石粉含量应考虑作为矿物掺合料的积极作用，符合高性能混凝土以及绿色环保的发展方向。