机制砂混凝土研究现状与存在问题分析

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2018-06-13

0前言


机制砂,属于人工砂的一种,是由机械破碎、筛分制成的,粒径小于4.75mm的岩石颗粒,但不包括软质岩、风化岩。用专门的制砂机生产,一般含有10%~15%之间的石粉(粒径小于75μm的岩石颗粒),级配中大于2.36mm和小于0.15mm的颗粒偏多,细度模数普遍在3.0~3.7之间,粒形多呈三角体或方矩体,表面粗糙[1]。机制砂由于石粉含量及级配的问题使得在混凝土应用中造成困难,导致机制砂在某些地区不能够很好的应用。


河砂是一种短期不可再生的资源,而且在我国分布不均匀,再加上不便于长距离运输,混凝土用砂的供需矛盾日益突出,严重时影响工程的建设。同时,非法乱采河砂也造成了对环境的破坏[2]。因此,将机制砂代替天然砂并用于大型土木工程建设中已经成为必然趋势。


近年来,我国在机制砂混凝土的运用中取得了一定的进展。但是机制砂混凝土在实际运用中仍然有大量问题亟待解决。本文主要概括了机制砂特性对混凝土性能的影响及现阶段存在的问题。


1机制砂特性对混凝土性能的影响


1.1石粉含量对混凝土强度的影响


对于天然砂而言,粒径小于75μm以下的颗粒被称为泥粉,其多为黏土、云母及有机质等杂质,这些物质会显著增大混凝土的用水量,阻碍水泥的正常水化,降低水泥石与集料之间的粘结。因此国标GBT14684-2001《建筑用砂》严格限定了天然砂中粒径小于75μm颗粒的含量。但对于机制砂而言,粒径小于75μm的石粉为机制砂在生产过程中产生的副产物,其物理化学性质与母岩性质完全相同,因此对于石粉应与天然砂中的泥粉区分对待[3]。GB/T14684-2011《建筑用砂》对机制砂中的石粉含量限值作了严格的规定为10%。实际上机制砂生产中通常要产生10%~15%的石粉,远远超过国标允许的限值。李北星等[4]认为机制砂中石粉含量在20%以下的C30混凝土,石粉含量在14%以下的C60混凝土,石粉对强度基本有提高作用。就达到最高强度而言,C30混凝土的最佳石粉含量约为20%,C60约为10%。但C80高强混凝土的强度随石粉含量增加呈逐渐下降趋势,以石粉含量3%为最佳。Ahn[5]认为石粉含量增加到10%混凝土28d抗折强度也增加10%,石粉含量增加到30%混凝土抗折强度反而下降了10%,随石粉含量13%、17%、20%增大,机制砂混凝土的抗压强度降低,但抗折强度却提高。Celik和Marar[6]研究发现在w/c=0.50情况下,石粉含量10%时,混凝土的28d抗折强度比不掺石粉时提高10%,当石粉含量增加到30%时,28d抗折强度则下降10%。其次,部分学者[7]的研究表明花岗岩和其他石粉对混凝土强度在15%以内影响不大或没有不利的影响。


1.2石粉对混凝土拌合物的影响


和易性是指混凝土易于搅拌、运输、浇筑、捣实等施工作业,并能获得质量均匀和密实的混凝土的性能。石粉取代部分水泥和矿物掺合料应用于混凝土中,可改善细粉料的颗粒级配,并可提高浆体之间的机械咬合力[8]。吴明威等[9]和刘建刚等[10]研究了机制砂中小于0.08mm石粉对混凝土拌和物性能的影响,认为石粉是一种惰性掺和料,颗粒细小,补充了混凝土中缺少的细颗粒,增大了固体表面积对水体积的比例,从而减少了泌水和离析,改善了混凝土的和易性。王卫东等[11]认为石粉起到微滚珠作用,减少了砂石间的摩擦改善了混凝土的和易性。郜进良等[12]认为对低强度等级的混凝土,由于混凝土体系中胶凝材料用量少,而机制砂中的石粉恰可弥补这一缺点,使混凝土拌和物黏稠度增大,改善拌和物的黏聚性。混凝土中的小颗粒比表面积大,其表面可以吸附大量的自由水,可改善混凝土的保水性。机制砂中小颗粒与水泥、水混合形成的细砂浆在混凝土拌和物中可减小粗骨料之间的摩擦力并起到润滑剂的作用,增大拌和物流动性。


1.3石粉对混凝土耐久性的影响


李勇等[13]实验证明,在同等条件下,改善混凝土中河砂和机制砂的比例(河砂与机制砂比例为1∶1,细度模数2.8)能提高混凝土的抗氯离子渗透性能,由于混凝土的抗渗性主要与其孔结构有关,因此大多数人认为机制砂中的石粉是混凝土抗渗性提高的主要原因。但是,王雨利等[14]认为石粉虽然是一种惰性材料,可以促进硅酸盐的水化和各种铝酸盐反应,并能优化混凝土的孔隙结构,使混凝土变得更均匀。但它不是一种胶结材料。它取代水泥后,使水化产物变少了,混凝土的密实性相应地就变差导致整体的抗渗性能变差。李婷婷等[15]认为机制砂中石粉有利于提高胶凝材料少、强度等级低的混凝土的抗渗性,但对于胶凝材料用量大的高强混凝土则作用不明显。


2机制砂混凝土运用中存在的问题


2.1缺少优良的制砂工艺


目前,机制砂的生产方法主要有湿法和干法。其生产的核心设备有两个:一是制砂机,二是洗砂机或除尘器及砂石粉分离机。而国内使用最多的方法是湿法生产,其首先通过颚式破碎机破碎,再通过圆锥破碎或反击破碎,得到一定的粗骨料,再经过立轴冲击破碎或锤式破碎或棒磨机来生产,最后通过洗砂机水洗的办法除掉机制砂中的泥和一定的石粉。


第一个问题是生产设备。机制砂生产设备采用粗骨料的生产设备,像是碎石生产早期,用颚式破碎机生产粗骨料类似,采用不合理的生产设备,不能够生产出优质的骨料。特别是在河砂较为丰富的地区,在河砂不够用,同时机制砂还没有形成规模生产的情况下(国内很多地区有这种情况,如四川省某些地方比较典型),采用生产粗骨料的反击式破碎机生产机制砂,棱角多、针片状很多,级配很差。并且4.75mm及2.36mm以上的颗粒严重的超标。造成机制砂不好用、不能用,施工单位不敢用,掺配大量的河砂勉强用。图1~2是反击破生产的机制砂。




        第二个问题是去石粉的工艺。机制砂生产石粉含量很高,必须有一个去石粉的工艺,可以采用干法或湿法工艺,也有半湿法工艺。目前大多数采用湿法生产机制砂,即采用洗砂机洗掉一部分石粉。在洗走石粉的同时,也容易洗走大量其他细微颗粒,导致机制砂级配不合理,细度模数偏大。大多数机制砂生产没有回收细颗粒工艺,甚至没有采用正确的的生产设备,也不满足普通的生产工艺。造成配制的混凝土和易性差(见图3),特别在低强度等级或低水泥用量混凝土中表现非常明显[16],配制的混凝土工作性较差。国内大量的机制砂在级配上的共同特点就是“两头大,中间小”,从颗粒统计结果分析,机制砂级配大于2.36mm和小于0.15mm的颗粒偏多,而中间颗粒(尤其是0.3~1.18mm)偏少,有时某一粒级断档。


上海新开元采用水力旋流器、超细筛网等实现泥砂分离,成功的回收了0.045mm以上的颗粒。回收的颗粒中0.15mm以上的颗粒占59%,不但减少了污染,更重要的是机制砂的级配变得连续。国内回收细颗粒的机制砂生产场矿很少,但是回收后机制砂性能很好,回收量可达15%~20%,机制砂的性能可以与级配好的河砂相比(见图4)。


2.2缺少统一的机制砂质量标准


机制砂将会逐步取代天然砂用于大量土木工程建设已经成为越来越多人的共识。但是,对于机制砂的质量标准在各国各行业却不统一。在国外,美国、日本、英国等都有自己的机制砂质量标准。而在国内,不仅不同地区有不同的机制砂质量标准,比如上海市颁布了DG/TJ08-506-2002《机制砂在混凝土中应用技术规程》、天津市颁布了DB29-72-2004《人工砂应用技术规程》,而且不同的行业也有不同的机制砂标准,比如JTGTB07-01-2006《公路工程混凝土结构防腐技术规范》、TB10005-2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》。


3标准问题


1)级配问题。由于河砂是天然形成的,适用于细骨料的标准,但是机制砂是人工生产,由于生产的工艺、设备及成本问题,不可能使得机制砂大幅度减少棱角,接近河砂,表面不可能光滑,而且石粉含量多达20%~30%,采用河砂的级配和质量要求机制砂显然不合理。但是我国采用的级配曲线大都是河砂级配曲线如JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》、TB10005-2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》、JGJ/T241-2011《人工砂混凝土应用技术规程》,地方标准也大都采用河砂级配标准作为机制砂级配标准。特别是0.15mm、0.30mm以及4.75mm级配不合理。2011年的建设用砂国家标准只是对0.15mm累计筛余进行修订,其他粒级累计筛余没有变动,对于机制砂标准及应用来说是一福音,但是还不够。建议4.75mm累计筛余采用美国ASTM33的要求,4.75mm以上最多5%,对0.30mm累计筛余也相应的调整。


2)石粉问题。国内外标准对石粉的要求不一。因为各个国家考虑石粉含量时往往出发点不同,因此造成了对石粉含量的限值的规定出入比较大。例如美国标准ASTMC33-2007是根据混凝土耐磨性要求来限制细集料中最大石粉含量的,英国标准BS882:1992根据混凝土的使用性能来规定其细集料石粉含量的,按重载混凝土路面和普通混凝土来规定的,日本标准JISA5005-1993统一对混凝土用机制砂的石粉含量做要求。我国的国家、行业以及各地方标准对机制砂石粉含量的规定大都是按照混凝土强度等级的不同规定划分的。不同国家标准对混凝土用机制砂石粉粒径的界定和石粉含量的限值不同,见表1。我国各地方和行业标准对混凝土用机制砂石粉含量限值和分类标准见表2。


所以,我国对于高强度等级混凝土如C60级以上,石粉含量可以采用国标GB/T14684-2011《建设用砂》要求,但对于低强度等级混凝土的石粉要求10%过于苛刻,显然不能满足低强度混凝土配制要求,可以参考国外对于石粉含量的要求适当的提高含量。如C30以下混凝土或大流态泵送混凝土、自密实混凝土,石粉含量可以达到15%~20%。这样不但可以提高混凝土的保水性、黏聚性同时提高流动性及可泵送性能。另外不同的石粉其含量可以有所区别,对于耐久性满足要求的条件下,如石灰石石粉可以更多一些。


4结论


随着现在大量工程项目的建设,机制砂的运用前景也将越来越广阔,机制砂的广泛运用不仅满足了现代建设工程的需要而且也与现在环境保护的思想不谋而合。但是,从现在运用机制砂的实际来说仍有许多问题需要解决,主要表现在以下几方面:


1) 目前,大部分学者对机制砂混凝土性能的影响因素主要侧重于石粉的研究,所以其他因素如保水剂等对于机制砂混凝土性能的影响还有待研究者进一步研究。


2)目前,国内外对于机制砂中的石粉问题标准不一,特别在国内对低强度等级混凝土石粉的限值较苛刻,所以,建议国内参考国外对于石粉含量的要求,适当的提高低强度等级混凝土中石粉的含量。

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