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机制砂参数及对混凝土性能的影响!
[摘要]随着建筑工程量的规模日趋增大,天然河砂的需求量也相应增加,天然河砂资源的逐渐枯竭,严重制约混凝土企业的发展,机制砂的使用成为混凝土企业新的原材料。由于我国地域广阔,生产机制砂的母岩种类繁多,造成机制砂的质量参差不齐,本文从机制砂的基本性能特点出发,探索机制砂母岩、亚甲蓝值和石粉含量等因素对混凝土质量的影响,为合理选择机制砂提供一些建议,供大家参考。
[关键词]机制砂  母岩  亚甲蓝值  石粉含量
机制砂是由机械破碎,筛分制成的,粒径小于4.75mm的岩石颗粒,但不包括软质岩,风化岩的颗粒。选择和使用机制砂时首先要确定机制砂的岩石颗粒坚硬,不含有软颗粒和风化颗粒。
1、机制砂的基本特点
(1)机制砂是利用当地的原材料或者生产石子的下脚料,再用制砂机经行生产,通过对制砂设备的调整生产出质量稳定、级配合理的机制砂。用性能良好的制砂设备生产出来的机制砂,级配、粒形、细度模数优良,可以全部替代河砂配制混凝土,但由于各地制砂设备和工艺的不同,生产的机制砂在粒形和级配上差别很大。再加上有些碎石生产厂家,将生产石子的下脚料进行简单的筛分,就按照机制砂出售。这种所谓的机制砂级配很不合理,一般“两头大,中间小”,配制的混凝土保水性差,易离析泌水。在使用的制石厂的下脚料生产的机制砂配制混凝土时,应采用与河砂复配的办法调整细骨料的级配,或者适当提高砂率并适当降低矿物掺合料用量。
(2)目前采用制砂设备生产出来的机制砂细度模数为3.0~3.5,属于中粗砂,粗颗粒太多,<300μm 颗粒太少。从生产实践的统计来看,机制砂中大于2.36mm颗粒超标严重,一般超标15%以上;<0.15的颗粒超标10%左右;中间颗粒(0.30mm~1.18mm)偏少20%左右,机制砂的级配勉强复合I区或II区砂的技术要求。从表观上看出来粗颗粒,就是细颗粒石粉,尤其是石粉含量稍微大一些时,从远处看就是全部粉状,造成很多混凝土生产厂家技术人员不敢使用。
(3)机制砂是通过制砂设备破碎而成,造成机制砂颗粒棱角较多,表面粗糙,比表面积大。造成配制混凝土时需水量较河砂配制混凝土的用量大,且流动性差,混凝土泌水率增加。但由于机制砂的表面粗糙,粘结力大于河砂,即使水胶比提高0.03左右,强度也不会低于河砂配制的混凝土强度,再加上机制砂中适量的石粉含量可以弥补机制砂易泌水的不足。
随着河砂资源的日趋枯竭,机制砂设备的进步,使机制砂质量进一步提升,技术人员对机制砂在混凝土中使用的认识逐渐深入,全面使用机制砂代替河砂制备混凝土会逐步成为现实。
2、机制砂岩性对混凝土性能的影响
(1)机制砂母岩对混凝土工作性和强度的影响
采用石灰岩、玄武岩和片麻岩三种岩性的母岩生产的机制砂配制配制 C20、C30 和 C50三个强度等级的混凝土,试验所用混凝土配合比见表4-1。
表4-1试验用混凝土配合比
等级
水胶比
水泥
矿粉
粉煤灰
机制砂
碎石
外加剂
C20
0.60
170
60
80
885
975
5.0
185
C30
0.47
225
65
70
820
975
6.5
175
C50
0.34
380
80
40
780
985
11
170
试验采用石灰岩、玄武岩、片麻岩三种不同岩性的母岩磨制的机制砂配制 C20、C30 和 C50 三种不同强度等级的混凝土混凝土进行对比实验,混凝土和易性实验数据见表 4-2。
表4-2机制砂母岩对混凝土性能的影响
等级
岩石
类型
工作性
强度
坍落度
扩展度
黏聚性
保水性
7d
28d
60d
C20
石灰岩
225
490
19.2
27.8
30.1
玄武岩
205
550
19.8
26.5
28.7
片麻岩
215
500
一般
18.3
25.8
28.3
C30
石灰岩
225
560
一般
27.6
37.9
42.5
玄武岩
235
550
一般
一般
28.9
38.7
43.1
片麻岩
210
570
一般
29.3
37.2
41.1
C50
石灰岩
250
600
47.9
59.2
62.8
玄武岩
220
580
50.7
60.8
65.9
片麻岩
230
620
52.1
61.4
64.8
从表4-2可以看出,不同岩性的机制砂对混凝土的工作性并没有显著的差异,也就是说只要机制砂母岩合格,均可以配制出工作性良好的混凝土。不同岩性的机制砂配制的混凝土,随着混凝土强度等级的提高,混凝土的和易性也逐渐改善。
在混凝土结构中,粗细骨料与水泥石共同作用成为一个整体,主要依靠骨料和水泥石之间的粘结力。这种粘结力主要由三部分构成:①混凝土中水泥颗粒水化作用形成的水化产物对骨料表面产生化学胶结力;②水泥石硬化时体积收缩,对骨料握裹产生摩擦力;③由于骨料表面凹凸不平,骨料与水泥石之间的机械咬合作用而形成挤压利。一般来说,混凝土的强度与三个因素有关,水泥石的强度,粗细骨料的强度以及水泥石和粗细骨料之间的粘结力(过渡区强度);粘结力的大小与混凝土的抗压强度成正比关系。从表4-2的试验结果来看,不同岩性机制砂配制的混凝土各龄期强度均相差不大,由此可见,机制砂的岩性不是影响混凝土强度的根本因素。
(2)麻刚沙对混凝土性能的影响
在不同的地区,商品混凝土生产采用的机制砂由于母岩的差异,使得机制砂的质量存在一定的差异。即使是同一机制砂厂家生产的机制砂,在不同的批次也会出现细度模数、石粉含量以及亚甲蓝值等技术指标的差别。造成在混凝土配合比不变的情况下,混凝土质量出现波动,使得混凝土质量的控制难度加大。因此,很多商品混凝土企业技术人员把机制砂和天然河砂复合使用,以稳定混凝土质量。
麻刚沙(图1)是是使用风化的麻刚石进行机械破碎形成的一种颗粒形状满足机制砂要求的风化砂,颜色常呈暗红褐色、黄褐色、红褐色,颗粒表面有白色石灰类的物质,用手可将白色物质捻成粉状,部分较大的风化颗粒可以用手掰开。麻刚沙粗颗粒棱角分明,用手搓有锥刺感,级配分布明显呈现大于2.36mm和小于0.30mm的颗粒较多,中间颗粒减少。风化石和麻刚石生产的机制砂,含有较多的松软颗粒和风化颗粒,对混凝土的工作性、强度和耐久性将产生不利的影响(见表2)。
图1风化的麻刚石
表1   C30混凝土配合比  kg/m3
水泥
粉煤灰
外加剂
280
90
175
6.7
780
1050
表2  河砂和麻刚沙对混凝土性能的影响
名称
工作性(mm)
强度(MPa)
碳化深度(mm)
时间
坍落度
扩展度
7d
28d
60d
28d
60d
河砂
初始
220
550
29.3
38.7
42.4
1.1
1.5
1h
210
530
麻刚沙
初始
220
500
21.4
28.9
30.5
2.0
3.4
1h
130
从试验结果可以看出,使用麻刚沙生产的混凝土坍落度损失较快,1h坍落度损失90mm,扩展度全部损失,混凝土失去流动性。麻刚沙配制的混凝土各龄期的强度均低于河砂配制的混凝土强度,而且随着混凝土龄期的增加这种差距逐渐增大。麻刚沙配制的混凝土碳化深度明显大于同龄期河砂配制的混凝土碳化深度,且随着龄期的增长,差别越来越大。
3、影响机制砂中亚甲蓝值的因素
亚甲蓝值是机制砂的一项重要指标,国家标准对亚甲蓝值进行严格的规定,如《建筑用砂》(GB/T14684-2011)规定机制砂的亚甲蓝值<1.4,当亚甲蓝值≥1.4时,配制高强混凝土时应严格限制石粉含量。
(一)母岩岩性对机制砂亚甲蓝值的影响
我国幅员辽阔,不同类型的岩石呈带状分布,机制砂生产厂家大多就地取材,而生产机制砂的母岩对机制砂的MB值有没有影响,影响情况如何?针对这一问题。采用六种常见的母岩生产的机制砂,石粉含量均为7%检测亚甲蓝值,经试验检测(表  )发现母岩对MB值的影响很小,在生产过程中完全可以忽略母岩岩性对MB值的影响。
表  机制砂岩性对亚甲蓝值的影响
岩性
石灰岩
玄武岩
片麻岩
石英岩
花岗岩
大理岩
MB值
0.35
0.30
0.30
0.25
0.25
0.35
(二)机制砂的石粉含量对亚甲蓝值的影响
机制砂的母岩岩性对亚甲蓝值的影响虽然略有影响,但影响较小,完全可以忽略。因此,采用石灰石生产的机制砂,观察石粉含量的变化对机制砂亚甲蓝值的影响。从表中可以看出,机制砂的石粉含量从7%增加到25%,该机制砂的亚甲蓝值由0.30增大到0.80,机制砂的亚甲蓝值随着机制砂中石粉含量的增加而变大。即使石粉含量增加的25%,亚甲蓝值为0.80,远小于国标规定的1.4。由此可见,机制砂中的石粉对亚甲蓝的吸附量很小,机制砂的石粉含量不是影响亚甲蓝值的主要因素。
石灰石粉含量对机制砂亚甲蓝值的影响
石粉含量
7%
9%
11%
13%
15%
17%
19%
21%
23%
25%
MB值
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.80
(三)泥粉含量对亚甲蓝值的影响
通过上文的分析,可以看出机制砂的母岩岩性和石粉含量都不是影响机制砂亚甲蓝值的主要因素,为了了解泥粉含量对机制砂亚甲蓝值的影响,选择一种石粉含量为7%的机制砂,分别添加不同掺量和不同种类的泥粉,观察机制砂亚甲蓝值的变化情况(表  )。
表   泥粉含量对机制砂亚甲蓝值的影响
泥粉含量
0
1.0%
1.5%
2.0%
2.5%
3.0%
3.5%
4.0%
4.5%
5%
1
0.30
1.05
1.30
1.75
2.35
2.65
2.80
3.55
4.30
4.50
2
0.30
0.65
0.90
1.15
1.35
1.55
1.85
2.15
2.40
2.50
3
0.30
0.45
0.60
0.65
0.80
0.90
1.05
1.10
1.15
1.20
从表5-3中可以看出,在机制砂中添加泥粉,随着泥粉含量的增加,亚甲蓝值具有加大的幅度的增大。试验中采用的三者泥粉,在添加泥粉含量相同的情况下,虽然对亚甲蓝值影响的程度不同,但对亚甲蓝的吸附作用均大于机制砂母岩变化和石粉含量变化的影响。因此,泥粉含量的变化是影响亚甲蓝值变化的主要因素。机制砂的石粉和泥粉虽然粒径都小于75μm颗粒,但两者对混凝土的作用是绝对不能等同的。
综合亚甲蓝值影响因素的分析可以看出,亚甲蓝值主要是测定机制砂中粒径小于75μm的颗粒是石粉还是泥粉。
4、机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响
在生产机制砂的过程中不可避免地产生粒径小于75μm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;另一份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,儿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;再次泥粉的主要成分时蒙脱石、伊利土和高岭土等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,对外加剂吸附较低。泥粉与石粉虽然在粒径是比较相近,但二者存在本质的区别,对混凝土产生的影响也大相径庭,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、抗冻性、抗渗性等耐久性能产生不利的影响。
(1)机制砂中石粉对混凝土工作性的影响
石粉的粒径小于75μm,在一定程度上可以看作是一种惰性矿物掺合料,机制砂中的石粉可以调整胶凝材料的级配,尤其是在水泥细度较细的情况下造成胶凝材料中缺少45μm~75μm的颗粒,机制砂石粉可以有效补充这一部分颗粒,改善胶凝材料体积的空隙率。
表1   C30混凝土配合比  kg/m3
水泥
粉煤灰
外加剂
280
90
175
6.7
780
1050
不同石粉含量对混凝土性能的影响
石粉含量(%)
坍落度(mm)
扩展度(mm)
和易性(初始)
初始
1h
初始
1h
黏聚性
保水性
0
200
180
570
530
严重泌水
3
200
190
540
510
较好
泌水
6
210
190
540
480
较好
轻微泌水
9
200
180
520
500
12
180
140
460
15
160
80
400
在商品混凝土生产过程中应根据混凝土强度等级的变化选择合适石粉含量的机制砂,石粉含量太少起不到增加浆体体积改善工作性,降低混凝土泌水、离析的目的。石粉含量也不宜过高,过高造成需水量增加,混凝土工作性下降。因此要把握一个度的问题,不能太高也不能太低,控制一个合适的范围[1]:对于强度等级低于C30的混凝土,胶凝材料较少,机制砂中含有10%~15%的石粉可以补充胶凝材料,增加浆体量,改善混凝土的和易性;但对于强度等级高于C60的混凝土而言,混凝土本身的胶凝材料较多,混凝土黏度较大,应适当控制石粉含量降低混凝土黏度,石粉含量宜控制在7%~10%;强度等级大于C80的超高强混凝土的石粉含量应低于3%~5%。
(2)机制砂中石粉对混凝土力学性能的影响
机制砂的石粉含量对混凝土抗压强度产生一定的影响,对于某一强度等级混凝土来说,随着机制砂石粉含量的增加,混凝土抗压强度先增加后降低。
机制砂石粉含量对混凝土抗压强度影响[2]
这是由于机制砂的石粉含量在混凝土中主要起到两个方面的作用:一方面,少量的机制砂可以有效填充水泥石与骨料之间的空隙,提高混凝土密实度,随着机制砂含量的增加表现出混凝土强度随着增加;另一方面,随着机制砂石粉含量的增加,当石粉含量超过,该强度等级最佳含量时,会对混凝土的颗粒级配产生不利的影响,再加上石粉的比表面积过大,造成混凝土的需水量变大,和易性变差。因此,对于中低强度等级混凝土而言,机制砂的石粉含量存在一个最佳值[3]:
式中:mw为用水量;mc为水泥用量;ms为砂用量;x为代表石粉最佳含量的推测值。
(3)机制砂中石粉含量对混凝土抗渗性能的影响
机制砂中的石粉可以有效改善混凝土材料的颗粒级配,降低混凝土材料的空隙率,阻止水泥水化过程中产生的毛细孔,石粉含量越大,阻断透水通道的能力越强,越有利于改善混凝土的抗渗性能;另一方面,石粉比表面积较大可以有效改善中低强度混凝土的黏聚性和保水性,提高抗离析能力,降低水泥石的微观缺陷。
(4)机制砂石粉含量对抗裂性的影响
机制砂石粉含量的增加将使混凝土的收缩增大,不利于混凝土塑性开裂的控制。对于低强度等级混凝土而言,机制砂石粉含量超过10%,随着石粉含量的增加,混凝土裂缝产生的时间提前,裂缝的条数和宽度增加。而对于高强度等级的混凝土机制砂石粉含量超过7%以后,混凝土抗裂性变差的情况更加明显。
5结论
(1)机制砂的特征表现为:级配不合理“两头大,中间小”,细度模数偏大,棱角较多,比表面积大。在使用机制砂生产混凝土时,应适当提高砂率和用水量。在生产过程中采用机制砂预湿技术,克服因机制砂吸水造成的坍落度损失。
(2)不同母岩生产的机制砂对混凝土强度和工作性影响不大,而机制砂中的松散颗粒是造成混凝土质量下降的主要原因。
(3)母岩的品种和石粉含量的大小对亚甲蓝值的影响较小,明显小于泥粉对亚甲蓝值的影响。泥粉是影响亚甲蓝值的首要因素,泥粉对混凝土的不利影响在使用机制砂的过程中应同样给予重视。
(4)机制砂的石粉含量应根据混凝土强度等级经行选择,低标号混凝土,胶凝材料较少,可以选择石粉含量较大的机制砂,而高标号混凝土应选择石粉含量较小的机制砂。适宜石粉含量的机制砂可以提高混凝土的强度、工作性、抗渗性和抗裂性。
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