渝黔鐵路天坪隧道機制砂生產關鍵技術研究

房玉中，謝國強，陳曉成，羅先剛，徐世均（.中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 40400；.河南理工大學，河南焦作 454003）

渝黔鐵路天坪隧道機制砂生產關鍵技術研究

房玉中1，謝國強2，陳曉成1，羅先剛1，徐世均1
（1.中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 404100；2.河南理工大學，河南焦作 454003）

摘要：在機制砂生產過程中，機制砂級配斷檔和環水保是影響機制砂生產的2個技術難題。渝黔鐵路天坪隧道機制砂生產中采取增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙，并安裝多檔調節電氣開關控制轉速和加壓過濾設備的方式，將0.075～0.15 mm檔流失的砂子回收利用，使機制砂顆粒級配斷檔得到彌補。通過混凝土試驗進行驗證，得出機制砂顆粒級配是影響機制砂性能參數的關鍵因素；同時，增加過濾設備并將小于0.075 mm的石粉與水分離，使生產機制砂排出的污水干凈清澈，實現污水零排放，對周邊環境完全無污染；最后得出，在生產中要對這些關鍵生產技術加以控制，才能達到技術、經濟和環保的最佳匹配。

關鍵詞：鐵路隧道；機制砂；級配曲線；細度模數；機制砂混凝土；環水保；經濟

0　引言

隨著基礎設施建設的快速發展和環境保護的不斷加強，天然砂資源越來越匱乏，使用機制砂成為必然的趨勢。美國地質勘探局（USGS）在1996年對全美國制砂母巖進行了一次調查，發現生產原料的67%是石灰巖，19%是花崗巖，剩余的14%包括白云巖、暗色巖、砂巖和石英巖。我國雖沒有具體的統計數字，但生產機制砂的原材料也是石灰巖、花崗巖、玄武巖等。貴州地區沒有天然砂，但石灰巖等儲料豐富，這也是貴州最早研究機制砂混凝土的原因［1］。

機制砂的質量很大程度上取決于母巖的物理性能、加工工藝和機械設備等因素。國內水電系統的砂廠生產規模大，設備較為先進，機制砂生產通常采用棒磨機加工，再通過洗砂機脫水而得，產品質量好。工程

單位采用螺旋洗砂機，細砂流失嚴重，加之目前國內機制砂行業沒有專業化的設計理念、生產工藝落后、規模小、管理混亂等，很多高達30%～50%。孫永濤［2］對納黔高速公路施工現場的機制砂加工工藝進行了調研，分析了所調研合同段機制砂的基本屬性，發現納黔高速公路生產的機制砂普遍存在斷檔問題，并對現場工藝進行改進，回收了一部分細砂，還發現機制砂與天然砂摻配雖能達到理想的中砂要求，但是級配不能滿足Ⅰ區級配要求，使用效果仍然不好。王稷良［3］指出級配好的機制砂和級配差的機制砂均可以拌制出強度符合要求的混凝土，但級配好的機制砂對于提高硬化混凝土強度更加有利。落后的機制砂生產工藝和生產線生產的機制砂不但級配不合理，而且細砂和石粉隨河水排出，嚴重污染了當地生態環境，更有甚者，危害到人類的健康和生存條件；因此，有必要對現有的機制砂生產工藝進行改進和優化，制造出級配良好、質精價優的機制砂，以滿足企業對機制砂的質量和經濟環保效益的需要［4］。本文在前人研究的基礎上，針對機制砂生產中常見的機制砂級配斷檔和環水保技術難題進行了研究，并對機制砂生產工藝進行了改進，取得了一些成果。

1　工程概況

渝黔鐵路天坪隧道為單洞雙線隧道，位于重慶與貴州交界的桐梓縣境內，正洞全長13 978 m，平導長11 775 m，項目沿線天然砂匱乏，而石灰巖石料及混凝土骨料儲量豐富，如果在沿線采石制備機制砂，成本要比外購天然砂降低很多；因此，用機制砂替代天然砂非常經濟，也是形勢所需。

天坪隧道設機制砂生產線3個，用砂需求總量超過30萬m3，母材均來自于洞內棄砟，機制砂廠址均建立在棄砟場附近，便于取材，每個機制砂生產線均配套設置沉淀池和過濾廢水回收設備。

2　機制砂生產關鍵技術問題的產生

機制砂的質量很大程度上取決于其生產工藝；因此，有必要對渝黔鐵路天坪隧道機制砂廠生產的機制砂和機制砂混凝土進行研究，并在實踐中對生產工藝進行改進，以便制出符合規范要求的機制砂，同時，精心調試配合比使配制出的機制砂混凝土符合設計規范。

進口處機制砂生產線原石料中的污染物和石粒含量為4%～20%，機制砂加工中粉末為5%～15%，這些污物和沖洗水一起集中到砂料一級。為了控制砂石料的質量，常用較多的水沖洗，主要采用FG1000螺旋式洗砂機進行沖洗，由于FG1000洗砂機螺軸轉速較快，現場一般為11 r／min，以致分級脫水時溢流速度過大，水洗過程中將0.075～0.15 mm這檔沖走，不僅影響了機制砂級配的均勻性，還破壞了當地環境。

為確定細砂流失問題是否僅存在于渝黔鐵路，進行了大量內業文獻資料調查，發現以往工程也存在這一問題。據統計，劉家峽工程細砂損失達30%～35%；烏江渡工程平均約為12.6%，其中溢流料中有10%～30%是粒徑在0.074 mm以上的細砂。細砂的損失不僅影響了機制砂級配的合規性，導致機制砂性能不能滿足現場施工生產需要，若通過補充水泥來解決斷檔問題，還會導致水泥用量增大，不僅經濟損失巨大，而且大量的細砂和石粉被水沖走，會造成資源浪費和環境破壞；因此，需要對細砂回收利用。

3　機制砂生產關鍵技術問題的解決

為解決0.075～0.15 mm這檔細砂流失的問題，采用增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙（見圖1和圖2），并安裝多檔調節電氣開關控制轉速的方式，確保螺旋轉速下降，將粗砂過濾后的混水中含的細砂再次提洗0.075～0.15 mm檔的細砂出來，與粗砂混合，使機制砂顆粒級配斷檔得到彌補，解決了機制砂級配斷檔的技術難題，有效地改善了混凝土的和易性，從而能夠滿足機制砂級配合理性。

圖1　增設的FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙Fig.1 FG500 spiral sand washing machine and circuitous water filter cartridge

圖2　連接FG500螺旋洗砂機和FG1000螺旋式洗砂機水槽Fig.2 Water tank connecting FG500 spiral sand washing machine and FG1000 spiral sand washing machine

為了確定現場增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙后是否成功回收0.075～0.15 mm檔的細砂，以及回收后機制砂級配是否得到優化，對改進前后的工藝生產的機制砂質量及機制砂混凝土進行了研究。

3.1增設前后機制砂級配變化研究

現場試驗主要針對增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙前后加工出來的機制砂的關鍵參數，并結合GB／T 14684—2011《建設用砂》（簡稱國標）和TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》（簡稱鐵標）的相關規定進行研究。

國標和鐵標目前只對0.15～9.5 mm檔做了規定，并沒有對0.075～0.15 mm檔做相關規定，并在0.15～0.3 mm檔的上下限方面有少許的差別。

為研究渝黔鐵路天坪隧道進口處機制砂的質量，首先對增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙前后生產的機制砂進行篩分（見表1）。

表1　每檔集料通過率Table 1 Percentage of particles passing the sieve　%

對篩分后的每檔集料結合國標和鐵標的Ⅰ級級配和Ⅱ級級配區間進行比較，做出篩分曲線圖，如圖3—6所示。

圖3　國標Ⅰ級級配區間篩分曲線Fig.3 Sieving curve of GradeⅠparticles specified in GB／T 14684—2011

圖4　鐵標Ⅰ級級配區間篩分曲線Fig.4 Sieving curve of GradeⅠparticles specified in TB 10424—2010

圖5　國標Ⅱ級級配區間篩分曲線Fig.5 Sieving curve of GradeⅡparticles specified in GB／T 14684—2011

圖6　鐵標Ⅱ級級配區間篩分曲線Fig.6 Sieving curve of GradeⅡparticles specified in TB 10424—2010

由篩分曲線分析可知，無論對于國標還是鐵標的機制砂顆粒級配，增設前后的級配曲線基本都在Ⅰ區上限和下限之間，超出Ⅱ區上限很多，可以判斷渝黔鐵路天坪隧道機進口處機制砂屬于Ⅰ區砂。

由細度模數公式

式中：Mx為細度模數；A1、A2、A3、A4、A5、A6分別為4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15 mm檔的累計篩余百分率。

由增設前后的細度模數可以看出，在增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙后，細度模數有所降低，但仍屬于粗砂。根據現場采集的樣本，發現渝黔鐵路天坪隧道進口處生產的機制砂基本上都屬于粗砂，少數屬于中砂。

為拓展研究機制砂性能參數，需要對每檔集料所占百分比進行研究，由于國標和鐵標沒有針對0.15 mm以下的機制砂進行研究，所以在接下來的試驗中對現場生產的機制砂增加0.15 mm檔以下的數據（見表2）。

表2　每檔集料所占百分比Table 2 Percentage of particles of each grade %

由表2可以看出，增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙后，0.3～9.5 mm檔基本沒有變化，變化最大的是0.075～0.15 mm檔?？梢酝瞥?，增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙前，0.075～0.15 mm檔流失最為嚴重，增設后含量明顯增大。

3.2影響機制砂品質的關鍵因素

解決0.075～0.15 mm檔流失問題后，為進一步深入探討決定機制砂品質好壞的關鍵指標，特以Ⅰ區機制砂級配范圍為標準，設計了6組具有代表性的級配類型，即偏于級配上限、接近級配中值、偏于級配下限、級配上限過渡到下限、級配下限過渡到上限和級配不良6種類型。以1.18 mm篩檔中值為轉折控制點［5－6］，對各組級配機制砂的基本參數進行統計，如表3所示。

表3　各組級配基本參數Table 3 Basic parameters of each gradation

圖7　各組級配機制砂顆粒級配曲線Fig.7 Gradation curves of mechanicalcrushed sands of different grades

由圖7可以看出，級配不良曲線在1.18及2.36 mm篩檔嚴重超出級配范圍，類型2、3、4符合機制砂Ⅰ區級配要求；因此，在生產中通過控制篩網孔徑，并以1.18 mm篩檔中值為標準控制好機制砂各孔徑累計篩余百分率就可以得到理想的機制砂。以機制砂級配為基礎，得到機制砂細度模數、孔隙率及表觀密度，為進一步探討細度模數和機制砂性能的關系，特將細度模數與孔隙率和表觀密度的關系做成圖8和圖9。

圖8　細度模數與空隙率變化曲線Fig.8 Correlation between fineness modulus and voids ratio

圖9　細度模數與表觀密度變化曲線Fig.9 Correlation between fineness modulus and appearance density

由表3和圖7可以看出，從類型1到類型6，機制砂細度模數逐漸增大，并逐步由中砂變為粗砂，其中類型1和類型2是中砂，類型3到類型6均為粗砂，除類型6不符合國標Ⅰ區機制砂級配標準外，其他均符合；并且類型2和類型4的級配類似瀝青混合料的間斷級配，分別具有倒S型和S型級配特征，前者有利于形成骨架結構，后者更容易形成懸浮結構；類型3屬于連續級配；類型1、5、6均屬于不良級配。

由表3、圖8和圖9可以看出，從類型1到類型6，雖然細度模數逐漸增大，但其表觀密度和空隙率出現“先降—后增—再降”的變化趨勢，說明細度模數與這2個指標之間沒有直接相關關系，細度模數僅是表征砂的粗細程度的宏觀指標，無法反映顆粒級配的真實情況，而對機制砂基本性質起確定性作用的是顆粒級配。

3.3機制砂級配對混凝土性能的影響及機制研究驗證

在配合比設計參數相同的條件下［7－8］，按照表3的顆粒級配類型進行混凝土性能分析，因顆粒級配的不同，各組級配在工作性能及強度上存在較大的差異。以C35混凝土為例，采用的配合比如表4所示。

表4　C35混凝土試配參數Table 4 Trial mixing proportion of C35 concrete

3.3.1工作性能影響

試驗采用6種類型級配的機制砂對照表4的配合比分別施作6種類型的混凝土試件，將試驗中不同類型的級配對混凝土工作性能影響的試驗數據進行統計［9－10］，如表5所示。

由圖10可以看出，在相同配合比條件下，坍落度隨細度模數的增大呈拋物線趨勢變化，當細度模數達到3.17附近時（即級配中值），拌合物坍落度達到高峰，隨后急劇下降；但擴展度隨細度模數的增大呈上升趨勢，當細度模數為3.17時，出現轉折。由圖11可以看出當細度模數小于3.17時，坍落度和擴展度變化趨勢一致，均呈上升趨勢，之后2者曲線的相反走向說明拌合物工作性能變差，出現離析現象。主要原因是細集料含量過多，比表面積大，不僅增加用水量，還降低混凝土的流動度，影響混凝土的工作性能。當粗集料含量增大時，顆粒組成趨于合理，工作性能逐漸優化；

當粗顆粒含量增多時，比表面積減小，自由水含量增大，加速了細顆粒在粗集料表面的流動，導致拌合物保水性及黏聚性降低，在坍落過程中水泥膠漿與骨料離析，從而造成中間骨料堆積，水泥膠漿流失，坍落度減小，擴展度增大；但在一定的用水量及減水劑摻量范圍內，可以看出細度模數小的級配在保水性和黏聚性方面均優于細度模數大的級配，能有效粘接在粗集料的表面，在骨料之間起潤滑作用，能增大混凝土的流動性，利于混凝土的泵送，且不易產生離析。因此，細顆粒含量的多少對混凝土工作性能至關重要。

表5　不同級配對混凝土性能的影響Table 5 Influence of different gradations on concrete performance

圖10　細度模數與坍落度的關系Fig.10 Correlation between fineness modulus and slump

圖11　細度模數與擴展度的關系Fig.11 Correlation between fineness modulus and expansion

因此，可以得出，混凝土工作性能雖然受不同顆粒比表面積及組成比例的影響，但實質上是顆粒級配起決定作用（即細顆粒與粗顆粒含量之間的平衡度）。

3.3.2強度影響

通過對不同類型級配的機制砂分組及按照相同的配合比做成的試件進行長期養護，并進行強度測試，發現顆粒級配對混凝土強度影響比較明顯，如圖12所示。

由表5和圖12可以看出，級配類型2、3、5的混凝土強度均高于其他組，在配合比設計參數相同的條件下，混凝土強度相差有7～10 MPa，由于混凝土設計均采用相同原材料，僅僅是機制砂顆粒級配發生變化，所以影響混凝土強度的關鍵因素便是骨架在混凝土中的組成結構及混凝土內部的密實性。

圖12　細度模數與抗壓強度的關系Fig.12 Correlation between fineness modulus and compressive strength

綜上所述，根據對不同級配機制砂基本屬性的分析，發現顆粒級配的組成對機制砂細度模數、表觀密度等影響很大。機制砂應以1.18 mm篩檔含量作為關鍵篩檔控制，便于平衡混凝土工作性能和機制砂粗細顆粒比例。

4　機制砂經濟性和環水保分析

以天坪隧道進口處機制砂生產線為例進行分析研究。

4.1經濟性

渝黔鐵路天坪隧道進口處機制砂投產后，根據隧道設計用砂量為10萬m3，按此計算收益，機制砂實際成本為28元／m3，市場上河沙成本為120元／m3，機制砂相對于河沙節約92元／m3，共節約920萬元。從當地買石頭制砂價格為95元／m3，相對于購買機制砂節約67元／m3，共節約670萬元。

增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙后，平

均節約細砂10萬×12.6%×30%＝0.378萬m3，挽回直接經濟損失0.378萬×28＝10.584萬元。

4.2環水保

在機制砂生產線設計和選型時充分考慮噪音和粉塵的影響，安裝灑水噴頭，設置音障和個人防護，在生產線設置三級沉淀池。機制砂生產過程中排出的廢水對沿線居民生活和生產造成了不好的影響，為使排出的廢水達標，引進一套過濾設備，此設備具有價格低、占地少和排水效果好等優點。

該設備主要由壓濾機機架、濾布、濾板、液壓站、壓力表、液壓油管和水嘴組成，通過將沉淀池的污水抽到過濾機過濾，將細砂石粉等小顆粒與水分開，排出的廢水清澈如自來水，實現了機制砂生產線污水零排放的效果（見圖13）。

圖13　增加過濾設備后排出的廢水Fig.13 Waste water released after filtering equipment is installed

5　結論與建議

針對機制砂級配斷檔和環水保這2個技術難題，對原有的機制砂生產工藝進行改進，并對改進后的工藝和改進前的工藝生產的機制砂進行試驗對比，通過機制砂混凝土試件現場試驗驗證，取得了一些成果，并對下一步研究提供了一些建議。

5.1結論

1）通過對增設FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水艙制造的機制砂顆粒級配曲線進行分析，發現渝黔鐵路天坪山隧道進口處機制砂顆粒級配曲線符合國標和鐵標Ⅰ區級配要求，增設后0.075～0.15 mm檔得到補充，雖然現行的國標和鐵標對此檔沒有進行要求，但實際上此檔起很大的作用，不僅能改善混凝土的工作性能，而且對于挽回經濟損失和環境保護都有重要的作用。

2）通過對不同級配類型的機制砂在配合比設計參數相同的情況下，進行混凝土試件分組試驗，并對細度模數和顆粒級配研究發現：細度模數只是表征機制砂粗細程度的宏觀指標，無法反映顆粒級配的真實情況，而顆粒級配才是決定機制砂質量好壞的關鍵因素，在生產時應調整篩網加以控制。同時，對混凝土強度、坍落度、擴展度進行研究發現，機制砂應以1.18 mm篩檔含量作為關鍵篩檔控制，便于平衡混凝土工作性能和機制砂粗細顆粒比例。

5.2建議

1）機制砂中的中砂（Ⅱ區）是最理想的材料，渝黔鐵路天坪隧道改進后的機制砂生產線生產的機制砂屬于中粗砂（Ⅰ區）。因此，下一步仍需對機制砂生產線和生產工藝進行研究和改進，以便得到理想的中砂。

2）機制砂混凝土含適量的石粉是十分有益的，因此下一步應針對回收的石粉的用途以及石粉對機制砂混凝土的影響進行研究，以實現技術和經濟效益的最大化。

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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

作者簡介：第一房玉中（1983—），男，湖北鐘祥人，2010年畢業于河南理工大學，橋梁與隧道工程專業，碩士，工程師，主要從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

中圖分類號：U 454

文獻標志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）09－0883－08

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