人工砂混凝土在铁路工程中的应用技术研究

刘世喜，王中美，左才慧

(1.贵州省交通建设工程质量监督局，贵州 贵阳 550003；2.贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳550025； 3.贵阳学院 马克思主义学院，贵州 贵阳 550005)

人工砂混凝土在铁路工程中的应用技术研究

刘世喜1，王中美2*，左才慧3

(1.贵州省交通建设工程质量监督局，贵州 贵阳 550003；2.贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳550025； 3.贵阳学院 马克思主义学院，贵州 贵阳 550005)

随着建筑规模的日益扩大，对生态环境的保护更加重视，使用人工砂逐步替代天然河砂作为建筑材料已经成为建筑的主流。本文结合贵阳市域快速铁路建设工程，分析人工砂对混凝土性能的影响，即人工砂质量控制要求，人工砂在粒形、级配、石粉含量方面特性对混凝土性能的影响，总结人工砂混凝土的配制特点，认为人工砂混凝土能满足贵州铁路工程高性能混凝土使用要求，具有广阔应用前景。

人工砂；高性能混凝土；配合比；石粉

砂是混凝土的重要组成材料，天然河砂是一种短时间内不可再生的自然资源，储量有限，目前，我国部分地区经多年开采使用，已出现资源短缺情况，因此利用人工砂配制混凝土，成为今后混凝土发展的方向，人工砂配制高性能混凝土的发展地位尤其突出。贵州是以山地为主，喀斯特地貌极其发育的地区，石灰岩和白云岩分布广泛，这些特点决定主要成分为硅质的天然河砂产量极少，用灰岩生产建筑用砂成为首选，因此贵州使用人工砂历史也较早。人工砂是指经除土处理的机制砂、混合砂的统称，机制砂是由机械破碎、筛分制成，公称粒径小于5.00 mm的岩石颗粒，要求母岩质地均匀坚固。

上世纪50年代末，贵州猫跳河修文水电站开始使用人工砂配制大坝混凝土，至今，人工砂在贵州建筑工程中使用已有50多年的历史，特别是到20世纪90年代，随着贵州公路、铁路、水利及城市建设快速发展，人工砂配制混凝土大量运用于建设工程中，人工砂混凝土配制技术已较为成熟。2005年以后，我国高速铁路建设蓬勃发展，高性能混凝土在铁路工程中得到广泛应用，对混凝土的配制和使用提出了新的要求，具体体现在：

(1)大量新材料的使用，如磨细矿物掺合料、高性能减水剂的使用；

(2)大量新的施工工艺使用，对混凝土配制提出了更高要求，如大流动度自流平、长时间保坍，凝结时间可调可控等要求；

(3)高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，在硬化后期具有较小的收缩变形；

(4)高性能混凝土具有更长的使用寿命，要求安全可靠使用50～100年，甚至更久，因此耐久性是高性能混凝土应用的主要目的。

本文根据人工砂混凝土在贵阳市域铁路某工程项目使用情况，结合贵州人工砂生产现状，以人工砂配制铁路工程用高性能混凝土，进行人工砂高性能混凝土相关性能试验研究。概述了人工砂质量控制要点，人工砂粒形、级配、含石粉等特性对混凝土性能的影响，人工砂混凝土与天然河砂混凝土配制特点比较，并对后续研究探索提出建议。

1 人工砂存在的问题及人工砂混凝土使用现状

1.1 人工砂存在问题

(1)人工砂主要为通过机械破碎、筛分制成的机制砂，贵州因灰岩分布广泛，以开采灰岩山体为主，灰岩岩体抗压强度高(一般在70～140 MPa)，硬度大，加工难度大，能耗消耗大，对破碎设备的磨损较大，特别是对筛网的磨损大，加工出来的砂颗粒级配较难满足规范要求，主要体现为：“两头大，中间小”，既5.00 mm以上颗粒含量大，0.16 mm以下石粉含量大，0.63 mm筛档颗粒含量小，颗粒级配不合理。当前贵州人工砂生产以干式制砂为主，生产过程中除粉尘污染严重外，砂下落堆放过程中易产生分离，发生砂料堆上部的细度模数小，下部细度模数大的现象，使用过程中因取料点的不同而造成细度模数的变化较大，影响混凝土均匀性。

(2)人工砂矿山山体普遍存在上部覆盖厚层土，岩层中间夹土情况。生产企业因山覆盖厚层土除土不彻底、生产过程中除泥不充分，造成人工砂泥块含量、石粉含量不满足规范要求，石粉中泥粉含量占比大。施工企业技术人员往往将石粉和泥粉概念混淆，对人工砂中泥粉危害认识不清，从而被动导致对人工砂中石粉含量，尤其是泥粉含量控制不严。规范对石粉的定义为:人工砂中粒径小于75 μm，且其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同的颗粒物质。石粉和泥粉是有显著区别的，表现为：①细度不同，收集研究资料表明，石粉颗粒分布主要集中在16 μm，而泥粉的颗粒一般在5 μm以下，存在对骨料包裹作用，对水、减水剂的吸附作用强；②矿物组成不同：石粉主要为方解石和白云石，泥粉主要来源于贵州分布最广的红粘土，红粘土的矿物组成主要为高岭石、伊利石和蒙脱石，这些矿物均具有吸水率高，遇水膨胀等特性。石粉和泥粉两者特性差别大，对混凝土的影响差别也是较为显著，试验中发现：用亚甲蓝试验MB=2.2的人工砂拌制混凝土时，减水剂掺量和用水量，较MB=1.2的人工砂拌制混凝土大幅增加，且坍落度经时损失明显。

(3)砂石材料是地域性很强的材料，贵州目前人工砂生产普遍存在生产规模较小，产量低，质量不稳定，产品出厂检验缺失，加之砂石产量整体求大于供，市场竞争不充分，因此生产企业对人工砂加工质量重视不够。人工砂市场价格被用最简单生产方式、最低生产成本、质量较差的砂所决定，而个别生产规模大，产品质量好的砂因生产成本高而销量并不乐观，这也严重制约人工砂的良性发展。

砂是混凝土的重要组成材料，人工砂的质量好坏直接影响到混凝土的性能，为解决人工砂生产无序、产品质量较差现状，政府还应通过必要手段加以协调解决，可从砂石生产企业设置时，提高其市场准入门槛，提高生产规模入手，政府质检部门以产品质量法规为依据，按建筑材料产品要求加强对人工砂产品质量检验，督促生产企业建立产品出厂检验体系，从而保证和提高人工砂产品质量。

1.2 人工砂混凝土配制及使用现状

由于人工砂质量存在“两头大，中间小”的特点，能满足规范要求的人工砂产品很少，形成人工砂国家标准、行业标准偏严，但施工使用时质量控制偏松的矛盾，导致当前贵州人工砂混凝土配制时呈现以下特点：

(1)为满足混凝土泵送施工要求，混凝土配制时普遍存在“四大”，即：砂率较大，用水量大，胶凝材料用量偏大，减水剂掺量偏高；

(2)混凝土浇筑过程中，混凝土易于离析、泌水，坍落度损失大；

(3)浇筑成型后，混凝土结构开裂情况突出，实体混凝土结构强度波动大。

人工砂在铁路工程高性能混凝土配制过程也会面临以上类似问题，因此对存在的问题进行原因分析和研究，制定应对举措，尤为必要。

2 人工砂对高性能混凝土的影响

贵阳市域快速铁路某工程建设项目，为满足该铁路建设项目混凝土用砂需求，在建设项目施工现场建设专门的人工砂生产机组。为确保人工砂料场所生产的人工砂满足施工要求，且保持质量稳定，对人工砂质量提出以下要求：

(1)人工砂母岩强度应≥60 MPa，压碎指标应<25%；

(2)细度模数控制在2.7～3.3范围；

(3)亚甲蓝试验MB<1.40,石粉含量≤7%；

(4)碱活性按《铁路混凝土用骨料碱活性试验方法 岩相法》、《铁路混凝土用骨料碱活性试验方法 快速砂浆棒法》检验合格；

(5)有害物质含量等指标应满足《铁路混凝土工程施工质量验收标准》对C45～C30混凝土用人工砂的技术要求。

人工砂的特性主要体现在：颗粒形状棱角尖锐、表面粗糙、颗粒级配差、粉末含量大,这是人工砂与天然河砂的明显区别，也是人工砂混凝土与天然河砂混凝土特性相异的原因，人工砂配制高性能混凝土时应针对人工砂特性对高性能混凝土性能的影响进行试验研究。

2.1 人工砂对混凝土和易性的影响

以配制C30混凝土为例，选择水胶比0.44，粉煤灰掺量26%，以满足混凝土坍落度200±20 mm为控制条件，调整减水剂及用水量，其它条件不变，经试验，河砂与人工砂配制混凝土单方材料用量的用水量、减水剂掺量差异见表1。

表1 不同石粉含量对混凝土拌和物性能的影响

试验表明：(1)拌制相同坍落度混凝土时，人工砂用水量、减水剂掺量均高于河砂用量，说明人工砂中石粉也与掺和料一样对减水剂有表面吸附作用，在用水量不变情况下，为满足混凝土和易性要求，减水剂掺量应随石粉掺量增加而相应增加，这在混凝土施工生产时应予以重视。(2)随着人工砂石粉含量增加，混凝土用水量相应增加。(3)随着人工砂石粉含量的增加，混凝土拌合物含气量相应减少，陈静[1]的研究也表明：在引气剂掺量不变的情况下，混凝土含气量随着石粉含量的增加而减小。(4)对混凝土黏聚性的影响，人工砂石粉在5%以下，细度模数在3.6时，混凝土拌合物易于泌水，但石粉含量7%以上时有显著改善。

2.2 人工砂石粉含量及颗粒表面对混凝土强度的影响

试验时，选择水胶比0.44，粉煤灰掺量26%，所用细骨料分别为河砂和人工砂，其中人工砂石粉含量分别为5%、7%、10%，以混凝土水胶比、胶凝材料用量不变为控制条件，通过混凝土配合比调整，拌制混凝土并成型抗压试件，经试验，试验结果见图1。

图1 不同石粉含量对混凝土抗压强度的影响

从试验结果可看出：(1)石粉含量分别为5%、7%、10%时，通过混凝土配合比调整，保证混凝土水胶比不变和胶凝材料用量不变，混凝土各龄期抗压强度基本一致。(2)从人工砂与河砂配制混凝土看出，保证混凝土水胶比不变和胶凝材料用量不变，混凝土各龄期抗压强度基本一致，究其原因，安文汉[2]等认为：人工砂中石粉的存在，可改善混凝土孔隙特征，改善浆—集料界面结构，石粉在水泥水化中起晶核作用，诱导水泥水化产物析晶，加速并参与水泥的水化反应，对混凝土有增强作用。同时，舒传谦[3]的研究表明：当石粉含量或砂率太高时，颗粒级配不合理，粗颗粒偏少，减弱了骨架作用，使混凝土强度降低。笔者认为，人工砂表面均包裹一层石粉，对水泥石与人工砂界面粘接有不利影响，综合对混凝土强度的增强和减弱因素，从宏观上分析并经试验验证，石粉含量对强度影响甚小。(3)石粉对混凝土强度的影响不大，通过试验研究表明石粉对混凝土和易性影响显著，表现为坍落度变小，坍落度损失显著，但在施工现场体现为对强度有影响，就其原因分析应是：人工砂常因泥粉含量大而不满足质量要求，所拌制混凝土和易性不满足要求，施工人员增加用水量，导致水灰比改变而影响混凝土强度。

2.3 人工砂石粉含量对混凝土耐久性的影响

混凝土电通量、抗渗性、抗裂性能是其耐久性的重要指标，人工砂中石粉含量对混凝土电通量、抗渗性、抗裂性的影响见表2，从试验结果可看出：石粉含量5%～10%范围内时，通过混凝土配合比调整，在胶凝材料一定，水胶比不变时，不同石粉含量混凝土在相同龄期内电通量、抗渗性、抗裂性能无明显影响，试验结果可看出，所有混凝土的电通量，和抗渗性差别不大。

抗裂试验采用圆环约束试验法，成型试件尺寸为：内径305 mm,外径425 mm，高度100 mm圆环试件，试件成型后带约束内环进行标准养护，用刻度放大镜观察试件1～56天顶面和外侧面开裂性及裂缝宽度。

2.4 人工砂对混凝土体积稳定性的影响

人工砂中石粉含量对混凝土体积稳定性影响，学者的试验研究数据差别大，总结的影响规律也有很大差别。

石粉对干缩的影响，陈静的研究认为，石粉含量变化对混凝土干缩有着一定影响，混凝土干缩随着石粉含量的增加略有增大[1]。司加斌[4]研究结果表明：混凝土干缩率随人工砂石粉含量的增加而明显增大，石粉含量20%的混凝土28天干缩率较石粉含量10%的增加12%，90天干缩率两者比较增加13%。

表2 石粉含量对混凝土耐久性能的影响

3 人工砂高性能混凝土的配制特点

人工砂与天然河砂相比，由于人工砂质量可通过人为调整，质量波动大，在混凝土配合比设计中需认识这些因素对混凝土性能的影响，因此，在混凝土配合比设计时，应以《普通混凝土配合比设计规程》为依据，结合材料情况明晰设计思路，对各种材料用量进行适宜调整。

3.1 用水量选择

人工砂混凝土用水量较天然河砂增加20～30 kg，用水量宜选定在155～170 kg范围为宜，适宜的用水量，有利于胶凝材料总量控制，也有利于混凝土坍落度的保持。

3.2 砂率选择

《普通混凝土配合比设计规程》推荐的砂率范围为35%～40%，此砂率范围对天然河砂混凝土的配制适宜，但用于指导配制人工砂混凝土，经试验总结为砂率偏小，贵阳市域某快速铁路工程施工现场人工砂检测情况统计来看，以粗砂为主，细度模数主要分布在3.0～3.3范围，颗粒级配分析为：5 mm以上颗粒含量大，0.16 mm以下石粉含量大，0.63 mm筛档颗粒含量小，颗粒级配不合理，为满足和易性要求应适当增大砂率，选择在40%～45%为适宜。

4 结论与建议

(1)人工砂混凝土与天然河砂混凝土一样，具有良好的工作性能，能满足力学性能和耐久性能要求，人工砂应用于高性能混凝土，经济、技术可行，生产来源有保证，是有发展前景的建筑材料；

(2)正确认识泥粉与石粉本质区别，严格控制泥粉含量的同时也应控制石粉含量，泥粉含量对减水剂掺量影响大，对混凝土用水量影响大；

(3)对减水剂的要求，应进行减水剂的适应性试验，减水剂中应掺配引气组分，并较河砂混凝土适当提高掺配比例；

(4)人工砂混凝土配制时，合理确定单方用水量尤为重要，经试验用水量选择在155～170 kg范围较为适宜，确定用水量后，根据坍落度要求，通过试配试验选择适宜的减水剂掺量；砂率选择，在《普通混凝土配合比设计规程》推荐的砂率基础上，宜适当增大砂率，并经试验确定，一般取40%～45%为适宜，确保混凝土有良好工作性，避免离析、泌水现象的产生。

目前，人工砂混凝土在铁路工程中主要用于非预应力混凝土结构工程。本文因时间和条件限制，主要进行混凝土拌和物、力学性能、耐久性能等方面试验，对混凝土的抗冻、收缩、徐变等性能未深入研究，建议进行人工砂混凝土长期性能的研究。

[1] 陈静.人工砂石粉含量对混凝土性能的影响[J].商品混凝土，2011(4)：29-38.

[2] 安文汉.石屑混凝土强度及微观结构实验研究[J].山西建筑，1989(2)：19-26.

[3] 舒传谦.贵州山砂高强混凝土的物理性能[J].贵州工业大学学报，1997，26(2)：93-97.

[4] 司加斌.人工砂混凝土性能研究[J].商品混凝土，2011(11)：50-51.

(责任编辑：周晓南)

Research on Application Technology of Artificial Sand Concrete in Railway Engineering

LIU Shixi1，WANG Zhongmei2*，ZUO Caihui3

(1.Guizhou Traffic Construction Engineering Quality Supervision Bureau ,Guiyang 550003, China; 2. College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 3. College of Marx, Guiyang University, Guizhou 550005, China)

With the growing scale of the building, the protection of the ecological environment has been paid more attention. The use of artificial sand gradually replaced the natural river sand as a building material which has become the mainstream of the building. According to the urban rapid railway construction project in Guizhou, this paper analyzed the influence of artificial sand on the performance of concrete, namely artificial sand quality control requirements, artificial sand in the particle shape, size distribution, the content of stone powder characteristics on the performance of concrete effect. Through testing, the compounding characteristics of the artificial sand concrete were summarized and the artificial sand concrete can meet the use requirements of high performance concrete to Guizhou railway engineering. The research results have broad application prospects.

artificial sand; high performance concrete; mix proportion; stone powder

1000-5269(2016)06-0104-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.23

2016-08-04

贵州省自然科学基金项目资助(黔科合J字[2014]2069号)；贵州大学引进人才科研项目资助(贵大人基合字(2013)14号).

刘世喜(1976-)，男，高级工程师，研究方向：建筑材料，Email：503184843@qq.com.

*通讯作者： 王中美，Email：891342472@qq.com.

TU528.56

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