鐵路工程機(jī)制砂混凝土的使用現(xiàn)狀和問題

徐 楠

(北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100855)

砂作為混凝土的細(xì)骨料，在傳統(tǒng)工程建筑過程中常用天然河沙為主體，但隨著工程建設(shè)規(guī)模不斷拓展，河沙資源呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢，甚至很多地方的河沙資源出現(xiàn)枯竭問題，而河沙屬于不可再生資源，不可能在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行再生，很容易給周圍生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重影響，所以政府部門針對河沙資源制定相關(guān)政策，如河沙限采政策、禁采政策等。同時(shí)，由于我國供砂需求量不斷上升，天然河沙資源根本無法滿足工程建設(shè)要求，機(jī)制砂代替天然砂是未來發(fā)展的必然趨勢，其是通過利用采礦場所產(chǎn)生的尾礦，經(jīng)過多次破碎所形成，其具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、無泥質(zhì)雜質(zhì)污染等特征，能形成科學(xué)的粒形，確保整個(gè)建筑工程施工能順利進(jìn)行。機(jī)制砂在日常生產(chǎn)過程中很容易產(chǎn)生大量石粉，這些石粉是指在機(jī)制砂中顆粒直徑低于75μm的顆粒。針對該種情況，生產(chǎn)廠家通常會(huì)利用濕法作業(yè)將砂表面吸附的石粉全部清洗干凈，但根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在機(jī)制砂混凝土中的石粉不是越干凈質(zhì)量越好，石粉物質(zhì)能給混凝土不同項(xiàng)目帶來積極作用，甚至?xí)绊懙交炷列阅躘1]。

1 鐵路混凝土工程基本特征

鐵路作為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要樞紐，直至2021年，我國鐵路建設(shè)總里程超過30km，其中高速鐵路里程數(shù)量達(dá)到5萬KM。隨著鐵路建設(shè)技術(shù)不斷更新?lián)Q代，國內(nèi)鐵路建設(shè)工作從以往利用低強(qiáng)度普通混凝土為主要材料，向高性能混凝土材料發(fā)展，工程項(xiàng)目具有混凝土原材料需求分散、結(jié)構(gòu)條帶狀分布大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，對混凝土提出更高要求，其必須具有和施工方法相同的性能，如耐久性、力學(xué)性能、工作性能等[2]。

(1)混凝土原材料供貨難、需求分散。由于鐵路工程具有跨越區(qū)域大、條帶狀分布等特征，自動(dòng)構(gòu)成特殊的一線多點(diǎn)工程模式，即在相同區(qū)域中工作人員需要建立大量標(biāo)段來進(jìn)行施工，且建設(shè)鐵路工程所使用的混凝土原材料具有較強(qiáng)的分散性。同時(shí)，混凝土原材料種類趨于多樣化，如水泥、砂石、外加劑等，再加上鐵路施工周圍運(yùn)輸受到嚴(yán)重限制，給鐵路工程施工帶來混凝土原料供貨難的問題。

(2)鐵路工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、混凝土性能需求高。鐵路工程主要由下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部軌道結(jié)構(gòu)兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，其中上部軌道結(jié)構(gòu)分為無砟軌道和有砟軌道兩種類型，下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)則擁有路基、隧道、橋梁等環(huán)節(jié)，不同結(jié)構(gòu)鐵路混凝土對其性能要求不同。如在雙塊式軌枕、軌道板等鐵路施工中，其混凝土塌落度要控制在160mm范圍內(nèi)，強(qiáng)度等級為C60，利用蒸汽養(yǎng)護(hù)、工廠預(yù)制等方式進(jìn)行施工；隧道襯砌、灌注樁等鐵路混凝土塌落度不得超過200mm，強(qiáng)度等級不能高于C50，使用斗送、泵送等方式進(jìn)行施工。

(3)施工模式多樣化。由于鐵路工程性能要求和結(jié)構(gòu)特征愈發(fā)復(fù)雜，導(dǎo)致鐵路混凝土施工方式趨于多樣化。如有利用泵送施工方式的隧道襯砌、墩身承臺(tái)等現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)；有使用自密實(shí)混凝土施工的灌注樁；有采用斗送方式施工的軌枕預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)[3]。

2 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)制砂性能要求

2.1 石粉含量限值

機(jī)制砂在日常生產(chǎn)過程中很容易產(chǎn)生大量石粉，這些石粉是指在機(jī)制砂中顆粒直徑低于75μm的顆粒。針對該種情況，生產(chǎn)廠家通常會(huì)利用濕法作業(yè)將砂表面吸附的石粉全部清洗干凈，但根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在機(jī)制砂混凝土中的石粉不是越干凈質(zhì)量越好，石粉物質(zhì)能給混凝土不同項(xiàng)目帶來積極作用，因此石粉含量對混凝土性能具有至關(guān)重要的影響。隨著石粉含量不斷增加，混凝土坍落度會(huì)呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢，在石粉含量增加到10%左右時(shí)，混凝土坍落度性能最高。而導(dǎo)致出現(xiàn)該種現(xiàn)象的主要因素，是由于石粉細(xì)度和水泥細(xì)度基本相同，一旦將石粉和混凝土相互結(jié)合，其會(huì)和混凝土中的水泥、水進(jìn)行融合，最終形成柔軟的漿體，能有效填充骨料間的孔隙，降低骨料間的摩擦力，從而解決機(jī)制砂表面粗糙、棱角多的問題，有效提升混凝土坍落度。但由于石粉具有表面體積大、吸水性強(qiáng)等特征，一旦石粉含量高于10%時(shí)，拌合物需水量會(huì)不斷上升，在膠凝材料和水灰比相同情況下，拌合物會(huì)出現(xiàn)黏稠、坍落度降低、粘聚性增加等情況[4]。同時(shí)，當(dāng)石粉含量降低到5%時(shí)，拌合物會(huì)出現(xiàn)輕度泌水現(xiàn)象，隨著石粉含量不斷提升，泌水情況會(huì)逐漸消失。另外，石粉能有效吸收拌合物水分，確保混凝土保水性能滿足日常要求，但值得注意的是，在日常應(yīng)用過程中，工作人員要注重坍落度對混凝土泵送性能影響，為優(yōu)化混凝土可泵性，可將適量拌合物摻合在減水劑中。另外，由于不同國家對于機(jī)制砂石粉定義不同：一種式石粉顆粒粒度界定值；一種式石粉含量限值要求(如表1所示)。

表1 不同國家機(jī)制砂石粉粒度和含量界定

2.2 顆粒級配曲線

細(xì)度模數(shù)能準(zhǔn)確體現(xiàn)砂的粗細(xì)程度，細(xì)度模數(shù)是表示機(jī)制砂粗細(xì)程度的宏觀標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)相同情況下，其顆粒級配很容易出現(xiàn)較強(qiáng)變動(dòng)性，根本無法準(zhǔn)確反饋出機(jī)制砂基本情況(如表2所示)。

表2

從表2發(fā)現(xiàn)，英國對機(jī)制砂單粒級顆粒含量要求較廣，而中國、日本、美國等國家對機(jī)制砂顆粒含量控制嚴(yán)格。同時(shí)，國外并未將機(jī)制砂嚴(yán)格按照《建設(shè)用砂》標(biāo)準(zhǔn)來分類，在我國對于機(jī)制砂分類更加具體。

3 機(jī)制砂混凝土性能特點(diǎn)

3.1 工作性能

和河砂相比，機(jī)制砂棱角非常尖銳，其中含有大量顆粒，所形成形狀呈現(xiàn)不規(guī)則狀，所以機(jī)制砂表面體積較大， 其用水量和河沙混凝土用水量相同，導(dǎo)致機(jī)制砂在混凝土制作過程中很容易出現(xiàn)泌水隱患，甚至?xí)鸹炷廉a(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷問題。但由于機(jī)制砂配備低強(qiáng)度混凝土， 無形中提高機(jī)制砂保水性和粘結(jié)性，造成其性能遠(yuǎn)超相同條件的河砂混凝土，這和機(jī)制砂對減水劑吸附性能強(qiáng)、石粉含量大有直接關(guān)系。同時(shí)，我國鐵科院利用機(jī)制砂制作的軌道板和梁體，利用改善機(jī)制砂重要指標(biāo)數(shù)據(jù)，再往里面加入適量的聚羧酸減水劑，能確保機(jī)制砂達(dá)到河沙混凝土性能要求。

3.2 力學(xué)性能

經(jīng)過大量實(shí)踐結(jié)果顯示，利用河砂和機(jī)制砂來制作相同數(shù)量的混凝土，機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能要遠(yuǎn)超河砂混凝土，機(jī)制砂混凝土28d力學(xué)性能要高于河砂混凝土1%～5%,抗壓強(qiáng)度要超過河砂混凝土8%～26%。相關(guān)工作人員將機(jī)制砂混凝提應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)方面，發(fā)現(xiàn)前期機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度要多于河砂混凝土，隨著時(shí)間不斷推移，其后期強(qiáng)度逐漸向河砂混凝土強(qiáng)度靠攏，但這兩種混凝土力學(xué)性能都能滿足鐵路工程設(shè)計(jì)要求。

4 石粉含量對機(jī)制砂混凝土的影響

4.1 石粉含量對機(jī)制砂混凝土工作性能的影響

經(jīng)過大量實(shí)踐證明，隨著石粉含量不斷增加，混凝土坍落度會(huì)呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢，在石粉含量增加到10%左右時(shí)，混凝土坍落度性能最高。而導(dǎo)致出現(xiàn)該種現(xiàn)象的主要因素，是由于石粉細(xì)度和水泥細(xì)度基本相同，一旦將石粉和混凝土相互結(jié)合，其會(huì)和混凝土中的水泥、水進(jìn)行融合，最終形成柔軟的漿體，能有效填充骨料間的孔隙，降低骨料間的摩擦力，從而解決機(jī)制砂表面粗糙、菱角多的問題，有效提升混凝土坍落度。但由于石粉具有表面體積大、吸水性強(qiáng)等特征，一旦石粉含量高于10%時(shí)，拌合物需水量會(huì)不斷上升，在膠凝材料和水灰比相同情況下，拌合物會(huì)出現(xiàn)黏稠、坍落度降低、粘聚性增加等情況。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)石粉含量降低到5%時(shí)，拌合物會(huì)出現(xiàn)輕度泌水現(xiàn)象，隨著石粉含量不斷提升，泌水情況會(huì)逐漸消失。

4.2 石粉含量對機(jī)制砂混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度影響

從混凝土試塊7d和28d抗壓強(qiáng)度分析來看，混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度會(huì)跟隨石粉含量上升而提高，當(dāng)其7d和28d抗壓強(qiáng)度上升趨勢穩(wěn)定時(shí)，上升曲線會(huì)呈現(xiàn)線性改變；當(dāng)石粉含量提升到25%時(shí)，7d和28d抗壓強(qiáng)度平均值能達(dá)到最高值。可見，在膠凝材料相同條件下，石粉對提升C30等級混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度具有至關(guān)重要的作用，歸根結(jié)底是由于石粉在混凝土中會(huì)產(chǎn)生微集料作用，有效優(yōu)化骨料級配，將混凝土拌合物的孔隙填充起來。同時(shí)，隨著工作人員摻合大量石粉，整個(gè)拌合物愈發(fā)粘稠，給拌合物密實(shí)度帶來不同程度的提升，從而提高混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度。另外，個(gè)別石粉石灰在初期能提升水泥水化速度，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物進(jìn)行分析，推動(dòng)混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展。但值得注意的是，石粉對于混凝土強(qiáng)度來說，并非越多越好，當(dāng)石粉含量越高，骨料比表面積會(huì)逐漸增加，包裹骨料水泥砂漿嚴(yán)重不足，會(huì)降低混凝土整體強(qiáng)度。

5 機(jī)制砂在鐵路工程中的應(yīng)用

5.1 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)

在宜萬鐵路中有大量百米墩臺(tái)時(shí)利用機(jī)制砂混凝土澆筑而成，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇合適的水泥用量、機(jī)制砂級配、礦物摻合料配合比等措施后，不僅讓混凝土后期強(qiáng)度能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，還能延長鐵路工程使用年限。同時(shí)，在石武客專二工程中，通過采用機(jī)制砂混凝土來制作墩柱、樁基、承臺(tái)等結(jié)構(gòu)，確保實(shí)體結(jié)構(gòu)中混凝土強(qiáng)度超過40MPa，其電通量低于750°，才能滿足后期鐵路工程施工要求。在渝懷鐵路隧道建設(shè)中，利用機(jī)制砂制作了隧道襯砌混凝土，該種混凝土具有粘結(jié)性好、流動(dòng)性強(qiáng)等特征，能確保襯砌隧道在脫模后外觀光滑性，并保障其強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。通過上述這些實(shí)例能充分說明機(jī)制砂在鐵路工程現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中具有至關(guān)重要的作用。

5.2 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件

早在20世紀(jì)，鐵科院就將機(jī)制砂應(yīng)用到鐵路工程中，通過制作機(jī)制砂混凝土軌枕，來提高鐵路預(yù)應(yīng)力構(gòu)件安全性。為解決鐵路工程天然河砂資源嚴(yán)重不足的問題，鐵科院進(jìn)一步研究機(jī)制砂生產(chǎn)工作，讓機(jī)制砂生產(chǎn)向信息化方向發(fā)展。工作人員在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中摻合相當(dāng)計(jì)量的泥粉，這些泥粉會(huì)對混凝土質(zhì)量帶來不同程度的影響，工作人員必須對其進(jìn)行嚴(yán)格控制。

5.3 技術(shù)瓶頸和標(biāo)準(zhǔn)約束

由于天然河砂資源極度匱乏，目前我國西南地區(qū)鐵路工程混凝土全部是采用機(jī)制砂為主體，如仰拱、墩身、樁基等環(huán)節(jié)全部采用機(jī)制砂制作，而軌道板、梁、軌枕等預(yù)應(yīng)力構(gòu)件是通過運(yùn)輸天然河砂來建設(shè)，由于受到河砂限采政策影響，河砂出現(xiàn)連續(xù)供應(yīng)困難、成本高等特征。

6 總 結(jié)

綜上所述，本文通過分析我國鐵路混凝土工程特點(diǎn)，讓工作人員對機(jī)制砂性能要求有基本認(rèn)知，再從不同方面幫助工作人員掌握機(jī)制砂混凝土特征，從而分析機(jī)制砂在我國鐵路工程建設(shè)過程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)而針對問題提出有效解決措施，來提高鐵路工程機(jī)制砂混凝土質(zhì)量。