铁路工程机制砂混凝土的使用现状和问题

徐 楠

(北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100855)

砂作为混凝土的细骨料，在传统工程建筑过程中常用天然河沙为主体，但随着工程建设规模不断拓展，河沙资源呈现逐年递减的趋势，甚至很多地方的河沙资源出现枯竭问题，而河沙属于不可再生资源，不可能在短时间内进行再生，很容易给周围生态环境带来严重影响，所以政府部门针对河沙资源制定相关政策，如河沙限采政策、禁采政策等。同时，由于我国供砂需求量不断上升，天然河沙资源根本无法满足工程建设要求，机制砂代替天然砂是未来发展的必然趋势，其是通过利用采矿场所产生的尾矿，经过多次破碎所形成，其具有可靠性高、稳定性强、无泥质杂质污染等特征，能形成科学的粒形，确保整个建筑工程施工能顺利进行。机制砂在日常生产过程中很容易产生大量石粉，这些石粉是指在机制砂中颗粒直径低于75μm的颗粒。针对该种情况，生产厂家通常会利用湿法作业将砂表面吸附的石粉全部清洗干净，但根据大量实验结果显示，在机制砂混凝土中的石粉不是越干净质量越好，石粉物质能给混凝土不同项目带来积极作用，甚至会影响到混凝土性能[1]。

1 铁路混凝土工程基本特征

铁路作为我国社会经济发展的重要枢纽，直至2021年，我国铁路建设总里程超过30km，其中高速铁路里程数量达到5万KM。随着铁路建设技术不断更新换代，国内铁路建设工作从以往利用低强度普通混凝土为主要材料，向高性能混凝土材料发展，工程项目具有混凝土原材料需求分散、结构条带状分布大、结构复杂等特征，对混凝土提出更高要求，其必须具有和施工方法相同的性能，如耐久性、力学性能、工作性能等[2]。

(1)混凝土原材料供货难、需求分散。由于铁路工程具有跨越区域大、条带状分布等特征，自动构成特殊的一线多点工程模式，即在相同区域中工作人员需要建立大量标段来进行施工，且建设铁路工程所使用的混凝土原材料具有较强的分散性。同时，混凝土原材料种类趋于多样化，如水泥、砂石、外加剂等，再加上铁路施工周围运输受到严重限制，给铁路工程施工带来混凝土原料供货难的问题。

(2)铁路工程结构复杂、混凝土性能需求高。铁路工程主要由下部基础结构和上部轨道结构两个环节构成，其中上部轨道结构分为无砟轨道和有砟轨道两种类型，下部基础结构则拥有路基、隧道、桥梁等环节，不同结构铁路混凝土对其性能要求不同。如在双块式轨枕、轨道板等铁路施工中，其混凝土塌落度要控制在160mm范围内，强度等级为C60，利用蒸汽养护、工厂预制等方式进行施工；隧道衬砌、灌注桩等铁路混凝土塌落度不得超过200mm，强度等级不能高于C50，使用斗送、泵送等方式进行施工。

(3)施工模式多样化。由于铁路工程性能要求和结构特征愈发复杂，导致铁路混凝土施工方式趋于多样化。如有利用泵送施工方式的隧道衬砌、墩身承台等现浇结构；有使用自密实混凝土施工的灌注桩；有采用斗送方式施工的轨枕预制构件结构[3]。

2 现行标准对机制砂性能要求

2.1 石粉含量限值

机制砂在日常生产过程中很容易产生大量石粉，这些石粉是指在机制砂中颗粒直径低于75μm的颗粒。针对该种情况，生产厂家通常会利用湿法作业将砂表面吸附的石粉全部清洗干净，但根据大量实验结果显示，在机制砂混凝土中的石粉不是越干净质量越好，石粉物质能给混凝土不同项目带来积极作用，因此石粉含量对混凝土性能具有至关重要的影响。随着石粉含量不断增加，混凝土坍落度会呈现先增加再降低的趋势，在石粉含量增加到10%左右时，混凝土坍落度性能最高。而导致出现该种现象的主要因素，是由于石粉细度和水泥细度基本相同，一旦将石粉和混凝土相互结合，其会和混凝土中的水泥、水进行融合，最终形成柔软的浆体，能有效填充骨料间的孔隙，降低骨料间的摩擦力，从而解决机制砂表面粗糙、棱角多的问题，有效提升混凝土坍落度。但由于石粉具有表面体积大、吸水性强等特征，一旦石粉含量高于10%时，拌合物需水量会不断上升，在胶凝材料和水灰比相同情况下，拌合物会出现黏稠、坍落度降低、粘聚性增加等情况[4]。同时，当石粉含量降低到5%时，拌合物会出现轻度泌水现象，随着石粉含量不断提升，泌水情况会逐渐消失。另外，石粉能有效吸收拌合物水分，确保混凝土保水性能满足日常要求，但值得注意的是，在日常应用过程中，工作人员要注重坍落度对混凝土泵送性能影响，为优化混凝土可泵性，可将适量拌合物掺合在减水剂中。另外，由于不同国家对于机制砂石粉定义不同：一种式石粉颗粒粒度界定值；一种式石粉含量限值要求(如表1所示)。

表1 不同国家机制砂石粉粒度和含量界定

2.2 颗粒级配曲线

细度模数能准确体现砂的粗细程度，细度模数是表示机制砂粗细程度的宏观标准，在机制砂细度模数相同情况下，其颗粒级配很容易出现较强变动性，根本无法准确反馈出机制砂基本情况(如表2所示)。

表2

从表2发现，英国对机制砂单粒级颗粒含量要求较广，而中国、日本、美国等国家对机制砂颗粒含量控制严格。同时，国外并未将机制砂严格按照《建设用砂》标准来分类，在我国对于机制砂分类更加具体。

3 机制砂混凝土性能特点

3.1 工作性能

和河砂相比，机制砂棱角非常尖锐，其中含有大量颗粒，所形成形状呈现不规则状，所以机制砂表面体积较大， 其用水量和河沙混凝土用水量相同，导致机制砂在混凝土制作过程中很容易出现泌水隐患，甚至会引起混凝土产生结构缺陷问题。但由于机制砂配备低强度混凝土， 无形中提高机制砂保水性和粘结性，造成其性能远超相同条件的河砂混凝土，这和机制砂对减水剂吸附性能强、石粉含量大有直接关系。同时，我国铁科院利用机制砂制作的轨道板和梁体，利用改善机制砂重要指标数据，再往里面加入适量的聚羧酸减水剂，能确保机制砂达到河沙混凝土性能要求。

3.2 力学性能

经过大量实践结果显示，利用河砂和机制砂来制作相同数量的混凝土，机制砂混凝土力学性能要远超河砂混凝土，机制砂混凝土28d力学性能要高于河砂混凝土1%～5%,抗压强度要超过河砂混凝土8%～26%。相关工作人员将机制砂混凝提应用到预应力结构方面，发现前期机制砂混凝土抗压强度要多于河砂混凝土，随着时间不断推移，其后期强度逐渐向河砂混凝土强度靠拢，但这两种混凝土力学性能都能满足铁路工程设计要求。

4 石粉含量对机制砂混凝土的影响

4.1 石粉含量对机制砂混凝土工作性能的影响

经过大量实践证明，随着石粉含量不断增加，混凝土坍落度会呈现先增加再降低的趋势，在石粉含量增加到10%左右时，混凝土坍落度性能最高。而导致出现该种现象的主要因素，是由于石粉细度和水泥细度基本相同，一旦将石粉和混凝土相互结合，其会和混凝土中的水泥、水进行融合，最终形成柔软的浆体，能有效填充骨料间的孔隙，降低骨料间的摩擦力，从而解决机制砂表面粗糙、菱角多的问题，有效提升混凝土坍落度。但由于石粉具有表面体积大、吸水性强等特征，一旦石粉含量高于10%时，拌合物需水量会不断上升，在胶凝材料和水灰比相同情况下，拌合物会出现黏稠、坍落度降低、粘聚性增加等情况。同时，在实验过程中，当石粉含量降低到5%时，拌合物会出现轻度泌水现象，随着石粉含量不断提升，泌水情况会逐渐消失。

4.2 石粉含量对机制砂混凝土7d和28d抗压强度影响

从混凝土试块7d和28d抗压强度分析来看，混凝土7d和28d抗压强度会跟随石粉含量上升而提高，当其7d和28d抗压强度上升趋势稳定时，上升曲线会呈现线性改变；当石粉含量提升到25%时，7d和28d抗压强度平均值能达到最高值。可见，在胶凝材料相同条件下，石粉对提升C30等级混凝土7d和28d抗压强度具有至关重要的作用，归根结底是由于石粉在混凝土中会产生微集料作用，有效优化骨料级配，将混凝土拌合物的孔隙填充起来。同时，随着工作人员掺合大量石粉，整个拌合物愈发粘稠，给拌合物密实度带来不同程度的提升，从而提高混凝土7d和28d抗压强度。另外，个别石粉石灰在初期能提升水泥水化速度，诱导水泥的水化产物进行分析，推动混凝土早期强度发展。但值得注意的是，石粉对于混凝土强度来说，并非越多越好，当石粉含量越高，骨料比表面积会逐渐增加，包裹骨料水泥砂浆严重不足，会降低混凝土整体强度。

5 机制砂在铁路工程中的应用

5.1 现浇结构

在宜万铁路中有大量百米墩台时利用机制砂混凝土浇筑而成，根据现场实际情况，选择合适的水泥用量、机制砂级配、矿物掺合料配合比等措施后，不仅让混凝土后期强度能满足行业标准，还能延长铁路工程使用年限。同时，在石武客专二工程中，通过采用机制砂混凝土来制作墩柱、桩基、承台等结构，确保实体结构中混凝土强度超过40MPa，其电通量低于750°，才能满足后期铁路工程施工要求。在渝怀铁路隧道建设中，利用机制砂制作了隧道衬砌混凝土，该种混凝土具有粘结性好、流动性强等特征，能确保衬砌隧道在脱模后外观光滑性，并保障其强度能满足设计要求。通过上述这些实例能充分说明机制砂在铁路工程现浇混凝土结构中具有至关重要的作用。

5.2 预应力构件

早在20世纪，铁科院就将机制砂应用到铁路工程中，通过制作机制砂混凝土轨枕，来提高铁路预应力构件安全性。为解决铁路工程天然河砂资源严重不足的问题，铁科院进一步研究机制砂生产工作，让机制砂生产向信息化方向发展。工作人员在机制砂生产过程中掺合相当计量的泥粉，这些泥粉会对混凝土质量带来不同程度的影响，工作人员必须对其进行严格控制。

5.3 技术瓶颈和标准约束

由于天然河砂资源极度匮乏，目前我国西南地区铁路工程混凝土全部是采用机制砂为主体，如仰拱、墩身、桩基等环节全部采用机制砂制作，而轨道板、梁、轨枕等预应力构件是通过运输天然河砂来建设，由于受到河砂限采政策影响，河砂出现连续供应困难、成本高等特征。

6 总 结

综上所述，本文通过分析我国铁路混凝土工程特点，让工作人员对机制砂性能要求有基本认知，再从不同方面帮助工作人员掌握机制砂混凝土特征，从而分析机制砂在我国铁路工程建设过程中的应用现状，进而针对问题提出有效解决措施，来提高铁路工程机制砂混凝土质量。