關于鐵路混凝土中機制砂的應用分析

付建偉

（中鐵十一局集團有限公司第四工程有限公司，湖北 武漢 430074）

機制砂是指對巖石進行爆破、破碎、沖洗和篩分，使其成為顆粒粒徑小于5mm，級配合理、細度模數適中、石粉含量滿足要求的人工砂。與天然河砂相比，機制砂棱角突出、機械咬合力強、內摩擦力大、配制的混凝土強度高，但機制砂石粉含量高、2.5～5mm顆粒多，級配不如河砂好（機制砂級配一般是2.5～5mm，顆粒多、石粉多），堅固性比河砂差，因此在鐵路混凝土的應用過程中，必須解決好傳統機制砂的缺點問題，嚴格按照標準規范要求控制機制砂的各項物理參數及有害物質的含量，保證鐵路混凝土結構質量滿足規范和設計要求。

1 機制砂在鐵路混凝土中的質量控制要點

1.1 生產機制砂母材的選取

母材是機制砂成品質量的基礎，要想生產出優質的機制砂，必須選用料源優質穩定、強度高、風化石及軟石含量少、巖體夾層及表層黏土含量少的母材。

按照標準規范要求，用于生產碎石、機制砂的母材宜選取砂巖、石英巖、花崗巖等強度高、質地堅硬的巖石；生產粗細骨料用母巖強度宜為混凝土強度等級的1.5倍以上，且母巖軟化系數不得低于0.8。

按照規范要求定期對母材進行堿活性礦物含量、硫化物及硫酸鹽、氯離子等有害化學物質含量檢測，確保從根源上解決機制砂混凝土的化學穩定性和長期耐久性問題，從而達到鐵路建設高性能混凝土的要求。

1.2 機制砂生產工藝流程

傳統機制砂是生產碎石的尾料經過篩分后得到的產品，其級配、粒形和石粉含量無法控制。目前鐵路項目生產機制砂是在碎石生產線中加入專門制砂機，通過整形、篩分等措施控制級配、粒形和石粉含量，從而使機制砂質量達到標準規范要求，滿足鐵路工程高性能混凝土的需要。

1.3 機制砂級配及針片狀含量

機制砂的級配和針片狀含量關系到機制砂混凝土拌和物的工作性能。傳統機制砂2.5～5mm及0.075mm以下的顆粒較多，其中間顆粒較少，導致顆粒級配不連續、細度模數較大，不滿足標準規范中粗砂的級配要求，配制的混凝土易出現泌水泌漿，漏石嚴重，保水性、和易性較差；0.075mm以下細顆粒偏多，導致集料比表面積增大，相同膠凝材料用量的情況下混凝土強度較低；機制砂針片狀顆粒較多，棱角明顯，導致混凝土吸水量和摩擦阻力增大，混凝土流動性差，泵送混凝土施工性能差。目前項目使用專用制砂機生產的機制砂，級配和顆粒形狀得到有效改善。結合項目混凝土試拌經驗及檢測結果，鐵路工程高性能混凝土機制砂需滿足細度模數為2.6～3.1，級配滿足Ⅱ區要求，2.5～5mm顆粒含量小于25%，0.075mm以下顆粒含量為4%～7%。

1.4 石粉的含量

根據《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》（TB10424—2018）要求，機制砂的石粉含量標準值與其MB值有關，MB值越大，石粉含量標準值應越小；MB值越小，石粉含量標準值可以較大。同時根據混凝土拌和物性能試驗，機制砂石粉含量較小時，混凝土保水性較差，易泌水泌漿、漏石；機制砂石粉含量較大時，混凝土需水量增大、黏稠、施工性能較差，硬化混凝土強度偏低。結合項目機制砂混凝土試拌經驗及檢測結果，目前項目生產使用機制砂石粉含量為4%～7%。

1.5 有害物質的含量

機制砂所含云母、有機物、輕物質、硫化物及硫酸鹽、氯化物等有害物質將影響機制砂混凝土的強度和耐久性能，應嚴格按照標準規范要求，定期對有害物質進行檢測，且相關指標符合規范要求，防止機制砂混凝土結構物產生質量缺陷或損害，耐久性不滿足要求。

2 機制砂試驗結果分析

2.1 自產機制砂與地方機制砂質量對比

對自產機制砂近期試驗檢測數據進行統計，并與地方傳統機制砂進行對比，結果如表1所示。由試驗結果可以看出，自產機制砂石粉含量、泥塊含量、壓碎指標值、細度模數、顆粒級配等指標均滿足C45及以下等級混凝土標準要求，與地方傳統機制砂比較有質的提高。

2.2 自產機制砂與天然河砂質量對比

對自產機制砂近期試驗檢測數據進行統計，并與江西寧都天然河砂進行對比，結果如表2所示。自產機制砂質量與河砂基本一致，各項指標均滿足C45及以下等級混凝土技術要求，其品質達到甚至優于河砂，并且自產機制砂最大的特點是各項指標穩定可控、質量波動小。

3 機制砂混凝土試驗研究分析

3.1 混凝土原材料情況

水泥：福建建福水泥股份有限公司（P·O42.5）；粉煤灰：福建永安瑞祥粉煤灰有限公司（F類Ⅱ級）；細骨料（機制砂）：峰果嶺隧道進口碎石場，細度模數MX=2.9；細骨料（河砂）：寧都縣梅江鎮華沅砂場，細度模數MX=2.7；粗骨料：清流縣嵩溪起航采石場，碎石5～31.5mm（5～10mm∶10～20mm∶16～31.5mm=20%∶60%∶20%）；減水劑：中鐵十一局集團橋梁公司撫州工業分公司（聚羧酸高性能緩凝型）；水：飲用水。

表1 自產機制砂與地方機制砂試驗結果對比表

表2 自產機制砂與天然河砂試驗結果對比表

3.2 混凝土試拌配合比

混凝土試拌配合比采用鐵路隧道工程用C40二襯泵送混凝土配合比，各項性能指標設計值為坍落度180～220mm，擴展度≥500mm，含氣量2.0%～4.0%，容重2400×（1±2%），電通量≤1200C，抗滲等級P10。具體配合比各原材料用量如表3所示。

表3 隧道C40混凝土配合比

3.3 機制砂混凝土試驗研究方案

根據3.2中混凝土配合比，細骨料采用機制砂和天然河砂，其他原材料保持不變，試拌自產機制砂和天然河砂混凝土，觀察其混凝土拌和物和易性，檢測混凝土拌和物坍落度、擴展度、含氣量、容重、強度和耐久性等指標，通過比選確定機制砂混凝土的優缺點。

3.4 機制砂與河砂混凝土試驗分析

通過試拌機制砂和天然河砂混凝土，相關性能分析如下。（1）混凝土拌和物和易性和外觀方面。觀察兩種細骨料混凝土拌和物，由于其含有較多石粉，因此機制砂混凝土較黏稠，保水性較好，但機制砂顆粒棱角較多，混凝土拌和物流動性稍差，坍落度和擴展度檢測指標較小。天然河砂混凝土細粉含量較少，混凝土周邊有稍微泌漿，且由于河砂顆粒粒形圓潤光滑，因此混凝土拌和物流動性稍好，易插搗，坍落度和擴展度指標稍大。（2）混凝土含氣量。機制砂混凝土與河砂混凝土相比含氣量較低，經初步分析與機制砂的顆粒棱角性及表面吸附性有關，其具體機理原因有待進一步研究。（3）混凝土強度耐久性。通過對比機制砂和河砂混凝土7d、28d和56d抗壓強度值，機制砂混凝土抗壓強度均比河砂混凝土稍高，且在耐久性電通量和抗滲性指標方面機制砂混凝土表現較好。河砂混凝土與機制砂混凝土各項性能檢測指標如表4～表5所示。

表4 天然河砂混凝土性能指標檢測結果

表5 機制砂混凝土性能指標檢測結果

4 結束語

通過兩種細骨料混凝土的試拌檢測研究發現，在機制砂及其他原材料各項性能指標滿足標準規范要求，且檢測結果相近的情況下，機制砂混凝土具有更為優異的力學性能和耐久性能，機制砂混凝土拌和物各項性能均能達到設計要求，且部分性能優于天然河砂混凝土，能夠滿足鐵路工程高性能混凝土施工的需要，值得進一步推廣應用。