吳勇，舒尤波，譚崎松

（貴州鐵路投資有限責任公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

現(xiàn)階段我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉向高質量發(fā)展階段，高質量綠色發(fā)展是保持經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展的必然要求，也是基礎設施建設追求的目標。目前，我國基礎設施建設方興未艾，全國每年砂石骨料用量達200億t，市場需求量巨大。長期以來，建筑用砂主要來源于河道采砂和機制砂，河道采砂造成砂石資源枯竭、水源污染，易引發(fā)河堤安全等各種問題，發(fā)展產量和質量都穩(wěn)定的高品質機制砂替代河砂，既可解決建設中砂石骨料供需不平衡的矛盾，又能消納隧道洞渣[1]等固體廢渣，是一項綠色環(huán)保產業(yè)，對人與自然和諧可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來，貴州鐵路投資有限責任公司聯(lián)合中國鐵道科學研究院集團有限公司，依托甕安—馬場坪鐵路（甕馬鐵路）建設開展面向西南地區(qū)鐵路工程高性能機制砂混凝土制備與應用關鍵技術研究，推進高品質機制砂在鐵路工程特別是預應力構件中的應用，以解決貴州地區(qū)天然河砂資源短缺、市場上劣質機制砂質量無法滿足高性能混凝土用砂需要的問題，取得了一些應用成果。

1 機制砂主要質量問題

目前，貴州市場上的機制砂受巖石材質和生產工藝影響，普遍存在級配不良、石粉含量超標、顆粒棱角多等質量問題，對混凝土性能影響較大。一是機制砂級配呈現(xiàn)“兩頭多中間少”[2]的特點，其中粒徑大于2.360 mm顆粒篩余量高達40%，粒徑小于0.075 mm顆粒篩余量高達15%以上[3]，級配不良造成骨料間空隙率大，混凝土強度和工作性能差。二是石粉含量過高，導致混凝土強度降低、加大收縮變形等質量問題。三是顆粒棱角多，在同等漿體用量下，機制砂混凝土比顆粒圓潤的河砂混凝土和易性、流動性和密實度差。圍繞機制砂主要質量問題，重點從優(yōu)選礦山、改進生產工藝、信息化質量監(jiān)測、環(huán)境保護等方面構建高品質機制砂生產和質量環(huán)保控制體系。

2 高品質機制砂生產工藝及質量控制

2.1 優(yōu)選礦山

母巖質量的優(yōu)劣從源頭上決定了機制砂的質量。在砂場礦山選擇上應做好勘察工作，選擇覆蓋土層薄、夾層含泥較少、母巖強度高以及巖石整體性好的礦山。母巖不應具有潛在堿-集料反應活性，宜使用潔凈、質地堅硬、無軟弱顆粒及無風化石的石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、玄武巖等。母巖物理、化學指標應滿足表1要求。

表1 砂石礦山母巖檢驗項目[4]

貴州省地表露出的地層巖性主要以石灰?guī)r為主，在西部分布有一定的玄武巖,東南分布有淺變質巖[5]，機制砂石料源豐富。在甕馬鐵路砂石礦山選擇上應遵循優(yōu)質、環(huán)保、經(jīng)濟的原則，設立質檢隊對砂石料源進行勘探、檢測、分析，選定了覆土層淺、可采儲量大于設計需要量1.5倍的貴定縣昌明鎮(zhèn)新光村礦山。該礦山以砂質灰?guī)r為主，儲量達500萬t，母巖各項檢驗指標均符合規(guī)范要求（見表2）。

2.2 “5S+”高品質砂石骨料加工工藝

貴州市場上的機制砂大多采用“2次破碎+篩分”的生產工藝，缺乏對骨料級配的調整、石粉含量及粒形的控制。針對上述問題，通過改進工藝，采用“雙脫泥、雙反擊、雙沖擊、雙循環(huán)、雙選粉”5S[6]高品質砂石骨料加工工藝+動態(tài)顆粒顯微成像在線質量檢測技術，確保產品質量合格、性能穩(wěn)定；通過風選除塵、半成品及成品料倉封閉、廢料再利用措施，解決傳統(tǒng)工藝粉塵、水污染和廢料處理問題，工藝流程見圖1。

表2 昌明砂石礦山母巖檢驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖1 工藝流程

2.2.1 3級破碎、2次整形

首先采用鄂式破碎機以擠壓方式對母巖進行第1次預破碎（粗碎），減小母巖直徑，減輕反擊破碎機生產壓力；然后用反擊破碎機以拋石撞擊方式對母料進行第2次破碎（中碎），使鄂破產生的骨料微裂紋進一步發(fā)展，最終骨料從微裂紋處再次破碎,完成對骨料的第2次破碎和第1次整形；最后采用立軸沖擊破碎機以“石打石”或“石打鐵”方式對骨料進行第3次破碎（細碎）和第2次整形。

2.2.2 二次脫泥

在粗碎前采用棒條給料機加脫泥篩把粒徑小于30 mm的母巖及泥土進行第1次脫泥處理，在中碎前對粒徑小于10 mm的骨料進行第2次脫泥處理，除去骨料中泥土和石屑，保證骨料MB值小于0.5。

2.2.3 級配調整

在中碎和細碎階段均設有循環(huán)篩分系統(tǒng)，可以通過GSP調節(jié)料倉使部分骨料通過循環(huán)系統(tǒng)返回重新破碎成更小粒徑顆粒，根據(jù)需要調整不同粒徑骨料生產比例，再通過風選控粉調整小顆粒含量，解決級配“兩頭多中間少”的問題。

2.2.4 風選控粉

細碎后的骨料先進行1次重力風選控粉，將石粉含量控制在10%左右，在成品砂進入料倉前，根據(jù)需要調整風選機抽取石粉的風壓再次調整石粉含量，滿足不同強度混凝土對機制砂石粉含量的要求。

2.2.5 自動加濕

在風選工序完成后對機制砂成品自動加濕，將機制砂含水率控制在2.5%～3.5%。穩(wěn)定的含水率便于混凝土生產及質量控制，可有效避免生產、運輸過程揚塵，防止在裝卸和運輸中造成骨料離析。

2.3 動態(tài)顆粒顯微成像在線質量檢測系統(tǒng)

傳統(tǒng)砂石料質量檢驗主要為原材料進場抽檢和日常監(jiān)督檢查，缺少生產過程監(jiān)控和出廠檢驗，如果進場檢驗把關不嚴，使用過程缺乏有效監(jiān)控，將給工程造成質量隱患。結合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術，研發(fā)動態(tài)顆粒顯微成像在線質量檢測系統(tǒng)，通過實時獲取機制砂生產關鍵技術指標數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產過程產品質量實時監(jiān)控，骨料指標超標時及時調整設備生產參數(shù)，確保產品質量合格，并將數(shù)據(jù)上傳總部統(tǒng)一監(jiān)管，全面提升產品質量和信息化控制水平。系統(tǒng)主要采用動態(tài)顆粒顯微圖像分析法[7]對骨料進行在線實時監(jiān)測（見圖2），原理是通過高速CCD成像系統(tǒng)和遠心鏡頭精確捕捉下落中的顆粒圖像并進行分析處理[8]，得出每幅圖像中每個顆粒的粒度和粒形數(shù)據(jù)，經(jīng)過累積計算得到粒度粒形分布數(shù)據(jù)，通過測試數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)對比可以判斷機制砂產品的質量狀況，在產品檢測參數(shù)不滿足設定參數(shù)時設備報警，生產人員可及時調整設備生產參數(shù)，保證產品質量合格、性能穩(wěn)定。對采用圖像分析法測試出的數(shù)據(jù)進行試驗驗證，在石粉含量測定中，取不同產地機制砂進行圖像分析法和濕法測試對比，隨著濕法所測石粉含量增大，圖像分析法所測石粉含量也不斷增大，具有較高的相關性（相關系數(shù)達0.967），可通過2種方法相關關系推導得到機制砂的實際石粉含量，說明用圖像分析法便捷測試機制砂的實際石粉含量可行。在測定骨料顆粒形貌時，發(fā)現(xiàn)顆粒粒級和微粉含量與顆粒形貌的圓形度和長徑比具有一定相關性，用圖像分析法可快速便捷表征機制砂顆粒形貌。在顆粒級配測試中，發(fā)現(xiàn)用軟件計算相機捕捉顆粒投影短徑與篩分法結果趨近程度高，圖像分析法中采用短徑表征顆粒級配具有較好的可行性。對采用圖像分析法原理制造的質量檢測系統(tǒng)各模塊進行現(xiàn)場適用性驗證，系統(tǒng)間的相容性、模塊穩(wěn)定性、設備準確性等方面有較強的可靠性，對骨料質量在線實時檢測具有現(xiàn)實意義。

圖2 動態(tài)顆粒顯微成像檢測系統(tǒng)結構原理

2.4 高品質機制砂試驗

機制砂試驗嚴格按相關試驗檢驗規(guī)范執(zhí)行，取樣后對機制砂的級配、MB值、泥塊含量、輕物質含量、吸水率、石粉含量、堅固性、壓碎指標值、有機物含量等指標進行檢驗，檢驗結果符合規(guī)范要求（見表3、表4和圖3）。

表3 高品質機制砂檢測結果

表4 高品質機制砂級配

圖3 機制砂篩分樣品

2.5 對比試驗

通過改進機制砂生產工藝、創(chuàng)新質量檢測技術，生產出的機制砂成品質量滿足規(guī)范要求，機制砂級配不良、石粉含量超標等質量問題得到解決，粒形得到明顯改善，更接近于天然河砂粒形，機制砂品質得到有效提升，其細度模數(shù)為2.90，長徑比平均為1.24（見圖4），圓形度為0.90（見圖5），相關試驗結果見表5、圖6。

圖4 高品質機制砂與河砂長徑比對比

長徑比用來表述顆粒形貌，以判斷其形狀是否接近于正方體，在針狀顆粒的判斷中具有實用價值。LW=L/W，其中，LW為長徑比；L為投影顆粒最小外接矩形的長；W為投影顆粒最小外接矩形的寬。

圖5 高品質機制砂與河砂圓形度對比

表5 砂檢測指標對比

圖6 顆粒級配曲線對比

3 高品質機制砂在鐵路混凝土結構中的應用

采用該工藝生產的高品質機制砂試制了6片32 m T梁和1 700根軌枕，并與河砂T梁和軌枕進行對比試驗，通過試驗檢測驗證機制砂混凝土制備梁體和軌枕的可行性，形成機制砂混凝土T梁和軌枕制備技術。

3.1 32 m C55混凝土T梁性能研究

參考梁場內制備河砂混凝土梁體配合比等強度配制機制砂混凝土梁，相關性能見表6—表8。

3.2 Ⅲa型混凝土軌枕性能研究

參考軌枕廠內制備河砂混凝土軌枕配合比等強度配制機制砂混凝土軌枕，相關性能見表9—表11。

表6 梁體混凝土配合比及工作性能

表7 梁體混凝土力學、耐久及收縮疲勞性能（56 d）

表8 混凝土抗凍性能（300次凍融循環(huán)）

以上試驗數(shù)據(jù)表明，高品質機制砂混凝土與河砂混凝土性能相當，且滿足設計和標準要求，采用高品質機制砂制備預應力混凝土是可行的。2018年9月，高性能機制砂混凝土制備與應用關鍵技術研究課題通過原中國鐵路總公司試用評審，可在新建甕馬鐵路選擇工點開展機制砂混凝土T梁和軌枕的工程試用[10]。

表9 軌枕混凝土配合比及工作性能

表10 軌枕混凝土力學、耐久及收縮疲勞性能(56 d)

表11 軌枕混凝土抗凍性能（300次凍融循環(huán)）

4 環(huán)境保護

在礦山開采方面，按照綠色礦山的建設要求做好環(huán)境保護、恢復與治理、復綠復墾、節(jié)能減排、水土保持、地質災害預防等工作。在爆破過程中采用噴霧或水袋覆蓋的方式進行粉塵控制。在生產設備選型方面，選擇降噪性能優(yōu)越、產生粉塵少的破碎、篩分設備。在除塵工藝設計與布局方面，每個產生粉塵的部位均設置吸塵裝置，再采用箱式與V型除塵機進行集中除塵，半成品及成品料倉用彩鋼瓦進行全封閉隔離。廢料再利用方面，將2次脫出的泥石再進行分離，將石料進行二次加工用做路基填料及混凝土磚原料，泥單獨堆放用作后期植被恢復，以此提高材料利用率，增加經(jīng)濟效益，減少廢渣存放占用土地，減小廢渣堆載安全隱患。

5 結束語

面對天然河砂資源日漸枯竭，市場上劣質機制砂質量無法滿足鐵路工程高性能混凝土用砂要求的突出問題，通過“3級破碎+2次脫泥+GSP料倉級配調整+風選控粉+自動加濕”的5S生產工藝和動態(tài)顆粒顯微成像在線質量檢測技術，有效解決了傳統(tǒng)生產工藝造成的機制砂成品質量缺陷問題，生產出的高品質機制砂滿足鐵路工程質量驗收標準要求。對高品質機制砂與河砂制備的混凝土T梁和軌枕進行性能對比試驗，論證了采用高品質機制砂制備鐵路T梁和軌枕的可行性，為高品質機制砂在鐵路預應力構件中的應用提供了技術支撐，也為川藏鐵路建設中機制砂替代河砂制備混凝土提供了技術參考。川藏鐵路沿線山高谷深，河流落差大，建筑用河砂資源匱乏，大量外運河砂成本極高，而全線隧道總長達1 400 km，巨量的隧道棄渣排放將造成極大資源浪費和生態(tài)次生災害。建議在川藏鐵路沿線選擇礦山或利用隧道棄渣就地生產高品質機制砂替代短缺的河砂用于項目建設，既可大幅降低建設成本，又可減少棄渣對環(huán)境的影響，極具經(jīng)濟價值和環(huán)保意義，是西南地區(qū)社會經(jīng)濟高質量綠色發(fā)展的重要實踐。