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机制砂在混凝土中的应用研究

近年来,随着国内各种建设事业的迅猛发展。如:建筑物、公路、桥梁等水泥混凝土和沥青混凝土的用砂量十分巨大。河道采砂已经不能满足人们发展建设所需用砂量,建筑用砂量急剧上升,但是天然砂的采集量受到大自然河流冲刷制砂的限制,河道采砂的增长对于河流的正常流动以及河道的安全造成了一定的安全隐患。为了河道的安全,全国各地已经发出了禁采令,规定在某些时间可以采砂,并且采砂的量受到了限制。建筑的发展致使需要用砂量的急剧上涨,从而砂价也开始连年上涨,但是天然砂的匮乏致使我们必须找出好的方法去解决用砂石供应不足与建筑生产之间的矛盾。对于市场的需求,以及供求之间的矛盾,人工砂出现了。因此,寻找新的混凝土用砂资源己迫在眉睫,开发使用机制砂已成为解决建筑用砂短缺的重要途径之一。

1人工砂的定义、特点

人工砂也叫机制砂,就是把山石和从河道挖取的河卵石通过冲击式破碎机(又称制砂机)的处理成为适合建筑使用的砂子。90年代,浙江省已大规模使用机制砂,并制订了相关地方标准,之后云南、北京也出台了机制砂相关标准和使用规程。相继,京、渝、湘等地都有了机制砂生产线。可以说,作为混凝土、砂浆等基本材料的建筑用砂,机制砂应用成功已是不争的事实,大量工程实践(包括举世瞩目的三峡水利工程)已充分证明,使用机制砂的可能性及必要性。机制砂的自身主要特点是:目前基本为中粗砂,细度模数在2.6~3.6之间,颗粒级配稳定、可调,含有一定量的石粉,除150um的筛余有所增加外,其余筛余均能满足标准天然砂I区、Ⅱ区要求,粒型多呈三角体或方矩体,表面粗糙,棱角尖锐。但由于全国各地机制砂的生产矿源的不同、生产加工机制砂的设备和工艺不同,生产出机制砂粒型和级配可能会有很大的区别,比如,有些机制砂片状颗粒较多,有些机制砂的颗粒级配为两头大中间小,但只要能满足国标中对人工砂的全部技术指标,就可以在混凝土和砂浆中使用。并且机制砂的粒型和级配都是可以调整和改进的,在这一点上,人工砂于天然砂有着本质的区别。

2机制砂混凝土的性能

2.1新拌和时的工作性

新拌和机制砂混凝土的工作性能,又称和易性,是指混凝土具有流动性、可塑性、稳定性和易密性等几方面的一项综合性能,这些性能并不是孤立的,而是有一定的相互关联,时从不同的角度描述新拌混凝土的特性。表示混凝土浇灌成型的难易程度,也表示混凝土抵抗材料分层离析的能力。坍落度作为混凝土和易性的具体指标。

在水灰比相同的条件下,机制砂混凝土坍落度要小于河砂混凝土,这主要是机制砂本身具有裂隙、空隙及孔洞,其有一部分颗粒为矿物颗粒集合体,这样增大了砂子的比表面积,吸附了更多的水,导致混凝土的需水量增加,坍落度减小。相同条件下,配置相同坍落度的混凝土,机制砂比天然河砂需水量增加5~l0kg/m3。但在不增加水泥的前提下水灰比变大后,一般混凝土实测强度并不降低。如果按天然砂的规律进行机制砂混凝土配比设计,人工砂的需水量大,和易性稍差,易产生泌水,特别在水泥用量少的低强度等级混凝土中表现明显;而如果根据人工砂的特点进行机制砂混凝土配比设计,通过合理利用人工砂中的石粉、调整人工砂的砂率,是完全可以配制出和易性很好的混凝土。

试验证明最适合配制混凝土的人工砂细度模数为2.6~3.0,级配为Ⅱ区。人工砂在配制填加外加剂的混凝土时,对外加剂的反应比天然砂敏感。人工砂配制的高强度泵送混凝土在泵送过程中不易堵泵。正确使用人工砂配制的混凝土密实度大、抗渗、抗冻性能好,其它物理力学性能和长期耐久性均能达到设计使用要求。人工砂特别适于配制高强度等级混凝土、高性能混凝土和泵送混凝土。

2.2机制砂混凝土的力学性能

混凝土的力学性能指标包括抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗弯强度、弹性模量、粘结强度、疲劳强度、收缩徐变特性等。针对这些指标进行深入研究的还比较少。但是,对于抗压强度、弹性模量这2个主要指标,国内外却积累了较丰富的实验资料。采用机制砂配置C50混凝土的实验结果如表1所示。

机制砂混凝土的力学性能

一般机制砂筛余0.315mm以下所占比例较小,仅有10%左右。相关混凝土泵送施工技术规程中指明,泵送混凝土细骨料通过0.315mm筛孔的筛余不应小于15%。天然细砂的粒径主要集中在0.3mm以下,细度模数一般在1.5左右。天然细砂细度模数低,若单独配制混凝土,会由于收缩大引起混凝土开裂,但是可以利用天然细砂粒径主要集中在0.3mm以下的特点,与机制砂复合组成人工混合砂,从而使配置的混凝土获得良好的施工性能。通常用40%的天然细砂与60%的机制砂混合作为细骨料使用,可以取得良好的效果。对特细砂、混合砂、机制砂混凝土进行了实验对比,结果如表2所示,其混合砂中特细砂和机制砂的比例为4:6,机制砂母岩为石灰岩。表3为的实验结果。

强度比

由于机制砂一般采用硬质岩石破碎,机制砂比天然砂的抗压强度更高。所以机制砂混凝土与天然砂混凝土相比,各项力学性能指标不低,甚至更高。

当然,混凝土的强度、弹性模量等力学性能指标除了和砂的强度有关外,还与其他因素有关,如机制砂中的石粉含量和混凝土配合比中的砂率等。机制砂混凝土的实验表明,石粉含量对混凝土的强度的影响很大,石粉含量越高,混凝土的强度随之降低。机制砂砂率在小于40%时,拌合物过于粘稠,砂率增大后,工作性能得到改善,砂率在42~46%时,强度趋于稳定。砂率超过50%,不但强度有所下降,而且静力受压弹性模量显著降低。

3试验机理

(1)配制混凝土时,水灰比较大、水泥用量少,机制砂中的石粉补充了细颗粒,增加了混凝土拌合物的稠度,拌合物的粘聚性随着石粉含量的增加而增加,离析现象随石粉含量增加明显改善,机制砂中含有适当比例的石粉可以提高坍落度。石粉的存在,增加了固体表面积对水的比例,保水性增强,泌水情况得到改善。

(2)机制砂中的石粉在水泥水化反应中起晶核作用和微集料填充作用,增加了混凝土的密实度,在一定程度上提高了混凝土的强度。在单位水泥用量少的情况下,石粉对机制砂混凝土强度的贡献更加突出。在给定水灰比和单位水泥用量情况下,机制砂混凝土强度随龄期的发展规律与石粉含量关系不明显。

(3)对于机制砂混凝土,机制砂含有一定比例石粉对混凝土强度的提高有促进作用,且提高程度与水灰比成一定正比关系。

(4)从混凝土的工作性和抗压强度方面来看,配制混凝土时,机制砂中含有一定比例的石粉是有益的,机制砂并非“越干净越好”。

4机制砂应用中需改进的方面及建议

虽然机制砂目前已在各地应用。但在一些地区尚未受到足够的重视。除了人为因素之外,也因为机制砂在使用中还存在一些技术问题:比如机制砂由于其颗粒级配比较差。尤其是大于2.5mm和小于0.08mm的颗粒明显多于天然砂。级配波动较大水泥混凝土的和易性差。并且容易造成混凝土外观质量缺陷。单纯使用机制砂配制水泥混凝土还会造成水泥用量的增加。这些问题可以考虑采用以下方法解决:(1)施工前、施工过程中和施工后,都应对混凝土性能进行检验。(2)机制砂高性能混凝土生产和施工的质量控制,除了符合本指南要求外,还应符合《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041)和《混凝土质量控制标准》(GB50164)的有关规定。(3)公路水泥混凝土路面施工应符合《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTGF30)的规定。(4)机制砂混凝土的拌制、运输、浇筑、振捣、养护等施工要求与天然砂混凝土施工基本相同,但受机制砂特点和机制砂混凝土性能特性的影响,有其特殊之处。(5)机制砂高性能混凝土施工应制定严密的施工技术方案,并采取以下关键措施重点保证质量:结构表层混凝土的振捣密实与均匀性;混凝土的良好养护;混凝土保护层厚度或钢筋定位的准确性;混凝土裂缝控制等。

5结束语

总之,机制砂作为一种重要的建筑材料。在建筑、公路施工等领域有着广阔的应用前景。各地在积累成功经验的同时,应在以后的工程建设中加以大力推广和应用。


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