机制砂的特性及其在高速铁路工程中的应用

摘 要：【目的】为了充分发挥机制砂的排水性能，研究机制砂对高速铁路工程的影响。【方法】通过介绍机制砂的基本特性，分析机制砂的生产工艺，合理发挥机制砂的应用效果。【结果】结果表明，将机制砂应用到高速铁路方面，能提供较强的力学性能，能保持良好的工程性能，可加强高速铁路线路的稳定性。【结论】机制砂特性的研究与应用，推动了机制砂在高速铁路等领域的应用，对保障我国高铁工程等项目砂料供给具有十分重要的意义。

关键词：机制砂；高速铁路工程；应用

中图分类号：U215.2 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）17-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.015

The Characteristics of Machine-Made Sand and Its Application in High Speed Railway Engineering

WU Yifeng

（Engineering Measurement and Testing Branch of China Railway Tunnel Bureau Group Co.， Ltd.， Suzhou 234300， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to fully utilize the drainage performance of machine-made sand and determine the impact of machine-made sand on high-speed railway engineering. [Methods] This article introduces the basic characteristics of machine-made sand， analyzes the production process of machine-made sand， and reasonably controls the application effect of machine-made sand. [Findings] Through practical application， it was found that applying machine-made sand to high-speed railways can provide strong mechanical properties， maintain good engineering performance in any weather， and strengthen the stability of high-speed railway lines. [Conclusions] The research and application of the characteristics of machine-made sand is 24dab531413bf98b33febfce19d353fb8766d4e0cadfbbf0f46ad72c175fb965of great significance for promoting the use of machine-made sand in high-speed railways and other fields， and ensuring the supply of sand materials for projects such as high-speed rail engineering in China.

Keywords： machine-made sand; high-speed railway project; application

0 引言

近年来，随着我国高速铁路建设的快速发展，机制砂作为一种新型的铁路基础材料，受到了广泛的关注和应用。机制砂以其优异的性能和可持续发展的特点，在高速铁路工程中发挥了重要作用。机制砂是通过人工制造的砂子，其由天然矿石经过破碎、筛分等物理处理后得到，具有坚固耐用、颗粒均匀、形状良好等特点，能较好地满足高速铁路工程对材料性能的要求。同时，机制砂颗粒形状较好，能提供更好的力学性能。颗粒均匀的机制砂能在高速列车通过时提供更好的稳定性，减小路基沉降和变形的风险。机制砂的物理性能稳定，很难受天气、季节变化的影响，使得机制砂在各种气候条件下都能保持较好的工程性能，确保铁路线路的安全和稳定。当然，在机制砂的研究与应用中也存在各种问题，机制砂生产需要消耗大量天然矿石资源，机制砂生产过程会对环境造成较大的污染，需要采取相应的环保措施。综上所述，机制砂在高速铁路工程中具有广阔的应用前景，但需要进行深入研究和探索，进一步完善机制砂的生产工艺，提高其性能和质量。

1 机制砂的基本特性

机制砂通过人工制造的方式，将岩石破碎并进行精细加工而成的，具有以下特性。①坚硬耐磨。其采用高硬度的岩石作为原料，经过破碎、筛分和洗净等多道工序处理，使得其颗粒形状规则，具有良好的耐磨性。因此，机制砂在使用过程中不易磨损，能更好地承受外力的冲击和压力，具备较长的使用寿命。②粒度分布均匀。在生产过程中，科学合理的筛分工艺可控制机制砂粒度分布，使得其颗粒大小相对均匀，有助于机制砂在混凝土、沥青等材料中的使用，可提高材料的密实性和稳定性，从而增加工程的承载能力和使用寿命。③形状特征。相较于天然砂，机制砂的颗粒形状更加规则，表面更加平滑，有助于减少材料之间的空隙，提高材料的填充性和紧密性，从而增加材料的强度和稳定性。同时，机制砂平滑的表面使其与其他材料可以更好地结合，有效提高工程的整体质量。同时，在制作机制砂过程中应根据不同需要添加适量的添加剂，进一步提升其抗冲击性能，使其能承受更大的外力冲击，以保证工程的安全性和稳定性［1］。

2 机制砂的生产工艺

机制砂的生产工艺主要由粗破、细破、制砂等3个环节组成。粗破是通过颚式破碎机将母岩加工成直径小于18 cm的集料；细破是通过输送带把直径小于18 cm的集料输送到反击破碎机加工成小于3 cm的集料，将细破的集料通过输送带送到振动筛，分筛成直径为16～31.5 mm的成品料，将这两种料送到反击式制砂机进行二次加工得到直径为5～10 mm的规格料，再通过2号振动筛分筛水洗分别得出直径为5～10 mm碎石、10～20 mm碎石、0～4 mm的粉料和机制砂，机制砂通过水轮转洗脱水加粉得到细度模数为2.7～3.2的合格机制砂。机制砂生产工艺流程如图1所示。

3 机制砂的质量控制

3.1 母材质量控制

母材质量的好坏是影响机制砂性能指标的关键，母岩的性能在很大程度上决定了机制砂的性能。

3.1.1 母材检测。机制砂生产前，相关人员对母材进行全项检测试验，确保其化学指标、物理力学性能（主要为抗压强度及碱含量）符合《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB 10753—2018）及《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424—2018）相关要求。生产过程中实行动态管理，围岩出现较大变化时，母材质量可能发生变化，因此需要及时进行取样检验，待检验合格后方可继续生产。围岩未出现较大变化时，保证每月2次的取样检验频率［2］。

3.1.2 含泥量、夹泥块控制。安排专人负责检查母料外观，对夹泥、含泥量大等不符合要求的毛料不允许进入母料储存区。

3.1.3 混入杂物的全过程控制。在母料储存区安排专人拣除毫秒管引线、编织袋等杂物，杜绝杂物进入生产线。

3.2 含粉量控制

石粉是石料在加工机制砂过程中形成的粒径<75 μm的粉体物质，其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同。石粉含量太少起不到增加浆体体积，降低混凝土泌水、离析的目的，石粉含量也不宜过高，过高会造成需水量增加，引起混凝土性能降低。适量的石粉可填充在水泥、细砂的空隙之间，有利于改善混凝土的工作性能和混凝土的综合力学性能。因此，在工艺设计中，采取如下措施：筛分后的砂水混合物先经沉砂箱再进入洗砂机，并通过细砂回收脱水筛对石粉及有效的细颗粒进行回收，以减少石粉的流失，同时提高脱水效果。石粉含量除满足混凝土使用要求外，还应符合《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB 10753—2018）及《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424—2018）的要求，机制砂石粉含量控制在7%～10%范围，使用效果较好［3］。

3.3 出厂检验

机制砂出厂前应由驻厂试验检测组进行检测，检测项目包括：颗粒级配（Ⅱ区）、石粉含量、亚甲蓝（MB）值、含水率（≤10%），检测结果应符合《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424—2018）及《建设用砂》（GB/T 14684—2011）等标准中有关机制砂的要求，检测频率按照400 t或200 m³为一批，检测合格后由检测组出具出厂合格证方可出厂，拌和站物资人员见到出厂合格证后方可收料，进入料仓的机制砂必须为合格产品，料仓内不允许存在待检机制砂［4］。

4 机制砂在高速铁路工程的研究与应用

4.1 工程概述

张吉怀铁路4标位于湖南省湘西州，线路全长18.079 km，工期为43个月。标段内工程有隧道4座（永顺隧道12 083 m、兰花隧道4 383 m、新村一号隧道241 m、新村二号隧道1 275 m）、桥梁1座（兰花洞中桥63 m）、路基1段（33 m），以隧道工程为主，占线路总长的99.5%。其中永顺隧道（12 083.27 m）、兰花隧道（4 382.67 m）为Ⅰ级风险隧道，是全线控制性工程。标段内除永顺隧道进口1 km为页岩外，其余均为灰岩，Ⅱ、Ⅲ级围岩占72.9%，Ⅳ、Ⅴ级围岩占27.1%。

截至2019年5月5日，累计完成正洞开挖10 813 m，占 17 983 m的60%（新村一号隧道及新村二号隧道已贯通）。

4.2 严格控制机制砂MB值

MB值表示的是机制砂中含泥量（或石粉含量）的大小，亚甲蓝试验也是为了确定机制砂中是否存在膨胀性黏土矿物，并确定其含量的整体指标。在生产机制砂的过程中不可避免地产生粒径小于75 µm颗粒，这些粉颗粒既可能是石粉也可能是泥粉。石粉和泥粉是两种截然不同的物质，一方面石粉和泥粉粒径都比较小，在混凝土浆体中可以起到填充作用；另一方面二者的结构完全不同，石粉结构密实，对水仅存在表面物理吸附，而泥粉是类似于海绵的层状松散结构，吸水率较高，吸附水后通常会发生膨胀，进而影响混凝土强度和耐久性；再者泥粉的主要成分是蒙脱石、伊利土和高岭土等，其对外加剂有强烈的吸附作用，石粉通常是机制砂生产过程中形成的细小颗粒，与母岩化学性质一致，对外加剂吸附作用较小。泥粉与石粉虽然粒径比较相近，但二者存在本质区别，对混凝土产生的影响也不同。随着机制砂中泥粉含量的增加，泥粉吸附水和外加剂的能力相应增加，混凝土用水量提高且坍落度损失加快。当泥粉含量较大时，也会对混凝土的强度及抗冻性、抗渗性等耐久性能产生不利影响［5］。

4.3 加强过程管理

机制砂与天然河砂本质区别在于机制砂可以通过调整制砂参数，人为地控制机制砂的质量，即机制砂的细度模数、粒形和级配都可以进行调整和改进。在机制砂生产过程中，因母材的变化易造成机制砂质量波动，因此每天都要严格对机制砂的质量进行检验，动态调整生产工艺，确保质量合格。在高速铁路工程中，机制砂的质量和性能直接影响着整个工程的安全和稳定性，要加强对机制砂的研究与开发，不断改进其配方和生产工艺，提高其抗压强度和稳定性，以满足高速铁路工程的需求。同时，要加强机制砂的生产过程管理，机制砂生产过程包括原料选取、配料、混合、成型等环节，每个环节都需要严格控制，以确保机制砂的质量稳定。在生产过程中，要加强对原料的检测和筛选，控制原料的含水量和粒度分布，保证原料的质量稳定。同时，要建立完善的生产记录和质量管理体系，对每批机制砂进行跟踪和监控，及时发现和解决问题，确保机制砂的质量符合标准要求。此外，还要加强机制砂的施工过程管理，机制砂在高速铁路工程中主要用于路基填筑和轨道基床，因此，在施工过程中要严格按照设计要求进行施工，控制填筑层的厚度和均匀性，确保机制砂的稳定性和承载能力。要注意加强现场管理，保证施工过程的质量和安全，及时处理施工中出现的问题，防止事故发生［6］。

4.4 提高程序合规性

机制砂厂建设前除征得建设单位同意外，还应向地方政府报建，才能做到依法合规。生产的机制砂仅可用于本项目施工，严禁对地方单位及个人外售，相关部门会不定期进行检查。在机制砂的生产过程中，需要对原材料进行严格的筛选和检测，确保其物理性能指标达到规定要求。同时，在生产过程中，还需要加强设备的维护和管理，确保生产工艺的稳定性和一致性，还要定期进行质量检测和评估，及时发现和纠正质量问题，确保机制砂的质量稳定可靠。通过大量的现场试验，了解机制砂在高速铁路工程中的力学性能、变形特性及抗冲刷性能等方面的表现，为其更好地应用于高速铁路工程提供科学依据。同时，应研究机制砂与其他材料的相互作用，探索其与土壤、路基结构等的适应性和兼容性，确保机制砂与其他材料的协同作用，提高工程的整体性能［7］。

4.5 优化环境保护管理内容

施工单位要主动加强与地方铁路建设协调指挥部、环保部门沟通，主动接受检查、监督。地方生态环境部门每季度会不定期（收到举报除外）进行检查，若机制砂厂产生的噪声、 扬尘、 污水、 废弃物等处理不满足环保要求的，一般会进行封厂，整改完成并经验收合格方可恢复生产，对施工现场影响较大，建议在机制砂建设完成后，主动邀请地方生态环境部门对环保措施进行验收，查漏补缺，过程中加强管理，规避风险［8］。

5 结语

综上所述，机制砂的颗粒形状和颗粒大小分布合理，使其具有较好的摩擦特性和相对密实性。这些特性有助于提高铁路路基的稳定性和承载能力，减少路基沉降和变形，有效地保证了铁路线路的长期稳定运行。机制砂的颗粒之间存在着较大的孔隙度，这使得机制砂能够较好地排水，避免积水。在高速铁路工程中，排水问题对保证路基的稳定性和安全性至关重要，因此机制砂的良好排水性能使其成为理想的选择。机制砂的颗粒之间存在着较好的黏结性，能有效抵抗冻融循环带来的损害。这对于在寒冷地区建设高速铁路具有重要意义。

参考文献：

［1］邓世杰，任娟娟，杜威，等.基于损伤-有限元全耦合法的无砟轨道CA砂浆疲劳损伤机制［J］.铁道学报，2022，44（10）：103-111.

［2］徐娇.高速铁路机制砂厂建设生产管理标准化研究［J］.价值工程，2021，40（14）：119-121.

［3］郎贵军，李军伟，武剑锋，等.材料配合比对机制砂混凝土流动性影响的试验研究［J］.交通建设与管理，2021（4）：109-113.

［4］辛维学.郑万高速铁路机制砂配制高性能泵送混凝土［J］.工程机械与维修，2021（4）：190-191.

［5］肖进，刘鹤.高速铁路混凝土不同岩性的机制砂质量控制及绩效比较［J］.中国房地产业，2023（3）：116-119.

［6］严永兴.机制砂混凝土在高速公路中的应用技术分析［J］.四川建材，2020，46（3）：35-36.

［7］陈兆玮.桥梁收缩徐变诱发高速列车-CRTSⅡ型板式轨道-桥梁系统非线性动力相互作用研究［J］.振动与冲击，2021，40（12）：1-8，22.

［8］胡希斌，陈让利.铁路工程干法与湿法制砂生产工艺对比分析［J］.工程技术研究，2020，5（17）：131-132.

收稿日期：2024-01-24

作者简介：吴钇锋（1989—），男，本科，工程师，研究方向：工程试验检测。